懸架系統(tǒng)原理
文獻(xiàn)翻譯
題 目 可控并聯(lián)雙筒式減震器設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(
完成時(shí)間
懸架系統(tǒng)原理
Kaoru Aoki, Shigetaka Kuroda, Shigemasa Kajiwara, Hiromitsu Sato and Yoshio Yamamoto
Honda R&D Co.,Ltd.
摘要
本文主要研究輕型汽車前獨(dú)立懸架的設(shè)計(jì)分析方法以及輪胎磨損與懸架運(yùn)動(dòng)、前輪定位參數(shù)的關(guān)系。
首先對(duì)雙橫臂獨(dú)立懸架的各主要組成部件如減振器的選型設(shè)計(jì)、橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)校核、扭桿彈簧設(shè)計(jì)以及對(duì)雙橫臂式和麥弗遜式獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的計(jì)算方法，編制了一套具有一定實(shí)用價(jià)值的前獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)分析軟件。并且采用前輪定位儀，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
論文對(duì)雙橫臂獨(dú)立懸架參數(shù)提出以減小輪胎磨損為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了通過優(yōu)選、調(diào)整懸架初始位置狀態(tài)，以及優(yōu)化確定轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點(diǎn)位置的方法，來減小輪胎磨損。同時(shí)采用正交實(shí)驗(yàn)的方法分析了雙橫臂獨(dú)立懸架各結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)對(duì)懸架性能和輪胎磨損的影響，確定出最大的影響因素及次要因素。
然后從輪胎模型入手分析前輪定位參數(shù)同輪胎磨損的關(guān)系。以輪胎磨損能量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取刷子輪胎模型，對(duì)輪胎在穩(wěn)態(tài)縱滑狀態(tài)下、穩(wěn)態(tài)縱滑側(cè)偏狀態(tài)下和邊界條件下的輪胎磨損進(jìn)行了分析研究，確定了量化模型。并以輪胎側(cè)偏角為中間變量，建立了前輪定位參數(shù)同輪胎磨損之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算。從而可對(duì)懸架進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小對(duì)輪胎磨損的影響，提高車輛的行駛性能和使用經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞：汽車；獨(dú)立懸架；輪胎磨損；定位參數(shù)
懸架系統(tǒng)雖不是汽車運(yùn)行不可或缺的部件，但有了它人們可以獲得更佳的駕駛感受。簡(jiǎn)單的說，它是車身與路面之見的橋梁。懸架的行程涉及到懸浮于車輪之上的車架，傳動(dòng)系的相對(duì)位置。就像橫跨于舊金山海灣之上的金門大橋，它連接了海灣兩側(cè)。去掉汽車上的懸架就像是你做一次冷水潛泳通過海灣一樣，你可以平安的渡過整個(gè)秋天，但會(huì)疼痛會(huì)持續(xù)幾周之久。想想滑板吧！它直接接觸路面你可以感受到每一塊磚，裂隙及其撞擊。這簡(jiǎn)直就是一種令人全身都為之震顫的體驗(yàn)。當(dāng)輪子滑過路面時(shí)，就會(huì)在此產(chǎn)生震動(dòng)，沖擊，這種震動(dòng)的旅程時(shí)對(duì)你的身體和勇氣的檢驗(yàn)。如果你沒感到隨時(shí)都有被掀翻之勢(shì)，那么你或許會(huì)樂在其中吧！這就是你會(huì)在沒有懸架的汽車上將會(huì)體驗(yàn)到的。汽車的懸架分為兩種基本類型：整體和獨(dú)立懸架。
整體懸架（也叫剛性梁，剛性軸）是聯(lián)接車輛上下兩部分的一種主要形式。正如其名，它是用一根金屬材料——軸，來連接兩側(cè)車輪的。鋼板彈簧在車架之下；在兩半軸中間裝有差速器，允許兩側(cè)的輪子以不同的角速度旋轉(zhuǎn)。
整體式懸架的車輛在行進(jìn)中，由于兩側(cè)的車輪共用一根周因此，當(dāng)某一側(cè)車輪跳動(dòng)時(shí)另一側(cè)也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)。它們的反饋結(jié)果就像是一個(gè)整體?？梢韵胂竦牡?，這不可能有舒適的駕駛體驗(yàn)的。
雖然可以借助于彈簧來衰減猛烈的震動(dòng)，但仍然存在較強(qiáng)的震動(dòng)。那么，既然如此為什么還要用這種懸架呢？第一，它很堅(jiān)固，由于采用了一體化的結(jié)構(gòu)，固定軸式懸架系統(tǒng)具有著其他方式懸架不可替代的承載能力。它們經(jīng)常應(yīng)用于行駛于較差路況的車輛。你可以在卡車和重載車輛上見到它。
一種由固定軸式懸架變形系統(tǒng)叫做TIB懸架系統(tǒng)（或叫半固定軸式）。在這種結(jié)構(gòu)中，有兩根剛性軸而非一根。這種設(shè)計(jì)可兼得較大的剛性和較好的韌性，通常用于輕卡的前懸。
另外一種基本結(jié)構(gòu)是叫做獨(dú)立懸架的系統(tǒng)。想它的名字一樣，它是由兩個(gè)獨(dú)立存在的“橋”分別連接兩側(cè)的車輪。到目前為止，這種結(jié)構(gòu)可以提供最舒適的乘坐環(huán)境，多見于乘用車，小型貨車和其他的小型車輛。這是目前較為流行的一種懸架系統(tǒng)。如果你喜歡較軟的懸架，那么獨(dú)立懸架無疑是最佳選擇。除了軸，車輪，輪胎，今天的懸架系統(tǒng)使用的兩個(gè)重要部件是彈簧和減震器，以增強(qiáng)車輛的安全和舒適性。
彈簧：
在一輛車上彈簧是懸架系統(tǒng)的主要部件。有集中不同的彈簧，比如扭桿彈簧，但幾乎所有的車輛都采用螺旋彈簧來構(gòu)成四輪獨(dú)立懸架系統(tǒng)。許多卡車也用螺旋彈簧，而重載卡車則使用 彈簧安裝于其后懸。
彈簧可以減緩和儲(chǔ)存來自路面的振動(dòng)，沖擊等能量。它通過壓縮和伸展來衰減振動(dòng)。當(dāng)一輛車子的某一個(gè)輪子遇到一個(gè)凸起而向上跳動(dòng)時(shí)，彈簧就會(huì)衰減額外的能量。以此來保證能量傳遞的連貫性，在此過程中確保車輪始終與路面保持接觸。
彈簧壓縮或伸展量的大小是由“彈簧剛度”決定的。彈簧剛度以每英寸的變形量是由多少載荷所引起來表示的。比如,1 inch/pound,所以200磅的負(fù)荷可以產(chǎn)生2 inch的變形量。彈簧變形量是由很多的因素決定的。對(duì)于螺旋彈簧而言，包括有效圈數(shù)，彈簧中徑，彈簧鋼絲直徑。有效圈數(shù)越少，剛度越小。
彈簧的設(shè)計(jì)影響到車輛的舒適性與操縱穩(wěn)定性。由于彈簧衰減了大部分的能量，因而可以提供較好的駕駛環(huán)境。畢竟它可以衰減由于路面產(chǎn)生的能量。但總會(huì)有工程交換的。這種彈簧會(huì)使車輛的重心較高，從而在輪子跳動(dòng)時(shí)導(dǎo)致不穩(wěn)定工況。這種工況的產(chǎn)生是由于彈簧的壓縮和伸展的量不同而引起的。車身的“翻滾”大都發(fā)生在懸架之上。這種“翻滾”叫做載荷轉(zhuǎn)移，是由于某一車輪跳動(dòng)是汽車的重心偏移的離心力所引起的。載荷轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致某一車輪承受較大的附加載荷，這將會(huì)產(chǎn)生有害的拖拽力，不利于操縱穩(wěn)定性。
減振器：
懸架的另外一個(gè)重要部件是減震器。減震器在懸架系統(tǒng)中扮演著衰減振動(dòng)最后防線的角色，而這本是彈簧的職責(zé)。減振器可以衰減由于路面致使彈簧上下跳動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)的影響。人們不喜歡限程減振器；他們更喜歡阻尼器。如果不加處理——就是被你，我叫做振動(dòng)衰減器東西。減振器工作中有兩個(gè)行程――壓縮和伸張。壓縮行程發(fā)生在活塞向下運(yùn)動(dòng)，在活塞套筒密閉的內(nèi)室向下擠壓液壓油。伸張行程發(fā)生在活塞向上方的套筒頂部運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)被壓縮的液體將向上充滿套筒。
如果沒有減振器，彈簧衰減的能量將會(huì)以不可控制的速率釋放。彈簧的慣性將導(dǎo)致它猛烈的彈回和擴(kuò)張。這時(shí)彈簧還可以再次被壓縮，但是又會(huì)被壓縮過量。此后，彈簧仍舊會(huì)以其自然頻率被彈回直至它的能量被摩擦力損耗完。這種作用十分不利于車輛穩(wěn)定性。
迷惑了吧? 下面是個(gè)模型（來闡釋這個(gè)概念）。如果你有一個(gè)繃帶 ——并且近日又沒用它，你可以用它做個(gè)試驗(yàn)。用手拿著它在空中使他壓縮。現(xiàn)在，拿著一端放開另一端，繃帶就會(huì)衰減由于地心引力而產(chǎn)生的潛在能量。（就像車上的彈簧衰減路面的振動(dòng)那樣），它會(huì)上上下下的持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。如果一輛車沒有減振器的協(xié)作它就會(huì)像這樣。
你可能聽過“支撐桿”這個(gè)單詞，或者更平常點(diǎn)的麥弗遜—支撐桿。這個(gè)桿通常是作為減震器的主要結(jié)構(gòu)部件。對(duì)于支撐桿，減振器是安裝在螺旋彈簧內(nèi)圈的。如此也可減少空間，成本也不高。許多車都用麥弗遜式的結(jié)構(gòu)。振動(dòng)和支撐桿可以幫助控制懸架在允許的范圍內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)。這對(duì)于保持輪胎與地面接觸是很重要的。大多數(shù)的減振器在設(shè)計(jì)時(shí)更多的考慮增加彈簧伸展循環(huán)的阻力。這是因?yàn)閿U(kuò)張行程決定著汽車彈簧的重量（通常為懸架重量的50％――100%）。另一方面，壓縮行程決定著車輛的非懸架質(zhì)量（車輪，輪胎，剎車，一半的懸架質(zhì)量）。很明顯，簧上質(zhì)量要遠(yuǎn)大于簧下質(zhì)量。所有現(xiàn)代汽車的減振動(dòng)器都是快速反映類型的――懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的越快，則減振器產(chǎn)生的阻尼力越大。這樣就使車輛適應(yīng)不同的道路狀況，且可使在運(yùn)動(dòng)行的車輛里不希望發(fā)生的運(yùn)動(dòng)得以控制。包括，振動(dòng)，左右搖擺，制動(dòng)前傾，和加速后傾。
橫向穩(wěn)定桿
橫向穩(wěn)定桿（也叫作防止?jié)L動(dòng)桿）是用來協(xié)同減振器或支撐桿工作的以保持車輛的持續(xù)穩(wěn)定性。橫向穩(wěn)定桿是用金屬做成的圓桿，橫跨車輛中心線，有效的連接在懸架的兩邊。當(dāng)一個(gè)車輪上的懸架上下跳動(dòng)時(shí)，橫向穩(wěn)定桿可以傳遞運(yùn)動(dòng)的能量給另一邊的車輪。這就增加了一個(gè)運(yùn)動(dòng)，而且，減少了車輛的傾斜。具有特殊意義的是：它可以防止在某一單獨(dú)的車輪上的懸架產(chǎn)生較大的傾斜。由于這個(gè)原因，幾乎當(dāng)今所有的乘用車加裝了橫向穩(wěn)定桿，且示為標(biāo)配。如果沒有，也可以隨時(shí)的裝上—一點(diǎn)不難。
現(xiàn)在，你就知道它—汽車懸架的基本原理。我們只是復(fù)雜的原理簡(jiǎn)單化處理了。
未來的懸架：
當(dāng)加強(qiáng)和改進(jìn)彈簧和減振器時(shí)，汽車懸架的基本設(shè)計(jì)并沒有同步進(jìn)行，也沒有什么重大革命性的發(fā)展。但是這一切都隨著BOSE公司的懸架品牌的引入而發(fā)生改變--就是那個(gè)在聲學(xué)因發(fā)明創(chuàng)造引以為名的公司。一些專家已經(jīng)在說—BOSE的懸架是自汽車技術(shù)引入全獨(dú)立懸架以來在汽車懸架的最重大的進(jìn)步。
它是怎么工作的呢？BOSE的系統(tǒng)是在每一個(gè)車輪上裝一個(gè)線控電磁馬達(dá)（LEM）以控制一組減振器和彈性元件的狀態(tài)。功率放大器提供電力對(duì)馬達(dá)在這種情況下他們的力量再生以系統(tǒng)的各壓縮。 馬達(dá)的主要好處是, 他們因具有慣性，不限制于固有的在常規(guī)基于流體的阻尼特性。所以，一個(gè)LEM可以在任何的速度伸張和壓縮，自然它可衰減乘員艙體的所有振動(dòng)。輪子的運(yùn)動(dòng)可以被很好的控制，因而，在輪子的任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)車體都可以保持可以接受的狀態(tài)。LEM同樣可以在汽車加、減速，轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的傾角較小，讓駕駛員以更好的狀態(tài)駕駛汽車。不幸的是，當(dāng)它通常都是出現(xiàn)在高端，甚至是超豪華的車上時(shí)，2009年之前是不可能有這種具有理想變換特性的懸架系統(tǒng)在普通車上見到的。在那以前，駕駛員所能體驗(yàn)到的仍舊是幾個(gè)世紀(jì)以來的對(duì)付不平路面的方法。
如果更深入的學(xué)習(xí)你會(huì)接觸到更加專業(yè)的知識(shí)，看看特殊的彈簧和懸架的安裝了解一下它們的優(yōu)，缺點(diǎn)。 多注意路上跑（的車子），并且留心那些懸架的結(jié)構(gòu)，那樣你會(huì)學(xué)到不少的東西。其實(shí)，在我們生活中有許多值得學(xué)習(xí)的，我們應(yīng)該做的就是注意觀察。
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