悬架设计理论

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1、1郭孔辉 雷雨成2004 年 6 月汽车悬架设计理论与相关技术2目 录3kd dkx x(外张）g gyF(外向)g gg gzMkxD 1.1 .1.1 .车轮定位参数车轮定位参数 车轮前束车轮前束 toetoe 车轮外倾车轮外倾 主销后倾主销后倾 主销内倾主销内倾 主销纵偏距主销纵偏距 主销侧偏距主销侧偏距 主销拖距主销拖距 轴距轴距 l l 轮距轮距 B B 主销地面侧偏距主销地面侧偏距kb bg g1、车轮定位、车轮定位kxDxyDk kyDr ryFkb bg gkx xr r41.21.2、车轮外倾与轮胎侧倾特性、车轮外倾与轮胎侧倾特性外倾因载荷、制动与跳动而改变外倾因载荷、制动与

2、跳动而改变轮胎侧倾特性：侧向力与反回正力矩轮胎侧倾特性：侧向力与反回正力矩外倾原因外倾原因:“:“传统传统”, ,间隙，弹性，路间隙，弹性，路拱拱1.31.3、前束与轮胎侧偏特性、前束与轮胎侧偏特性前束原因前束原因: :平衡外倾平衡外倾载荷变化与车轮跳动时前束的变化载荷变化与车轮跳动时前束的变化干涉转向干涉转向干涉转向的合理值干涉转向的合理值滚动阻力要求适当增大前束，制动滚动阻力要求适当增大前束，制动 时车轮前张时车轮前张( )( )0 r r5 主销拖距主销拖距 高速回正原理高速回正原理 载荷变化（制动）与车轮跳动载荷变化（制动）与车轮跳动 的变化的变化 主销拖距与撒手稳定性主销拖距与撒手稳

3、定性 与前轮摆振与前轮摆振xkktanRD+ += =x x 1.51.5、主销内倾与侧偏距、主销内倾与侧偏距 低速回正性低速回正性 作用的消失作用的消失 重力弹簧重力弹簧 回正力距与回正力距与 还是还是 成比例？成比例？ 计算方法计算方法121yyGRgVGgaF= = =k kx xkxr rxyDk 1.41.4、主销后倾与纵偏距、主销后倾与纵偏距kyDr ryFkb bg g6 高速回正原理定位参数必须足以克服干摩擦高速回正原理定位参数必须足以克服干摩擦 ( (残余横摆角速度与转向盘转角）残余横摆角速度与转向盘转角） 转向逆效率要低吗？转向逆效率要低吗？NONO 减小转向系干磨擦，减小

4、定位角，加转向阻减小转向系干磨擦，减小定位角，加转向阻 尼器是近代趋势尼器是近代趋势 减小减小 （地面主销侧偏距）的意义和（地面主销侧偏距）的意义和“负偏负偏 距距”的优点的优点 盘式制动的必要性盘式制动的必要性- -地面负偏移距趋势地面负偏移距趋势 小的主销后倾角，大的内倾角小的主销后倾角，大的内倾角r r1.61.6、主销定位参数的选择与近代趋势、主销定位参数的选择与近代趋势7 车身受有三种力（达朗贝尔概念）车身受有三种力（达朗贝尔概念） 1. 1. 重心处的重力与惯性力重心处的重力与惯性力 2. 2. 导向杆系的导向力导向杆系的导向力 3. 3. 弹性元件的弹簧力弹性元件的弹簧力gM M

5、g3NP2P11N2NMg Mg NyeN1N28 等效系统等效系统, ,将弹簧力简化将弹簧力简化 到车轮接地点到车轮接地点( (杠杆比为杠杆比为 1) 1) 处处, ,目的目的: : 便于确定有效导向力的便于确定有效导向力的 方向与大小方向与大小 初始弹簧力与重力抵消初始弹簧力与重力抵消 便于由弹簧变形和轮距便于由弹簧变形和轮距 ( (轴距轴距) )来确定车身位移来确定车身位移Mg Mg Nye9 弹簧力的确定弹簧力的确定 三种力相平衡三种力相平衡 弹簧力必等于惯性力与导向力弹簧力必等于惯性力与导向力 的总和的总和对于等效系统确定了导向力对于等效系统确定了导向力 就等于确定了弹簧力就等于确定

6、了弹簧力确定了弹簧力就等于确定了确定了弹簧力就等于确定了 车身倾角（如果有横向稳定杆车身倾角（如果有横向稳定杆 要考虑之）要考虑之） 导向力的分解与导向力的分解与“力矩中心力矩中心” 导向力合力未必水平导向力合力未必水平 在在“中性面中性面”处分解的意义：处分解的意义： 车身的垂向平动与转动车身的垂向平动与转动S2S2Mg Mg NyeS1S1N2N110 “纵倾中性面纵倾中性面”的确定的确定 车身位移车身位移 其中：其中：Lkkka2121+ += = = = CMki/NZz = = e.mge .MgM + + = = 222111bKaKC+ += = 中性面Mg MghNZNN1K2

7、K1a2a112.22.2、 车身侧倾车身侧倾l通常对称面就是中性面通常对称面就是中性面l由单侧导向力方向可确定由单侧导向力方向可确定 ( (整车整车) )l l外加轮胎变形外加轮胎变形l若有横向稳定杆要考虑之或设计之若有横向稳定杆要考虑之或设计之 1Mge/CMgeCeyM0yey0yy0yy = = = = 0yeMg Mg NyeS1S1N2N1S2S2c悬上质心悬上质心0yeh2h1ab1c2c12大侧倾角下力矩中心的变化大侧倾角下力矩中心的变化Z2N2S2Z1S1N1NN2cyeMg N1132.32.3、侧倾性能小结、侧倾性能小结yy 0yy0yyMgeCeyM = = yC =

8、= ）(B.2k）（B.2ky2e2eeC独独立立悬悬架架非非独独立立悬悬架架yel 降低降低 的途径：降低的途径：降低重心，重心， 提高侧倾力矩中心提高侧倾力矩中心l 提高侧倾力矩中心的提高侧倾力矩中心的 限制限制yel 取决于 与l l sBeBsBeB142.42.4、其它导向机构、其它导向机构( (侧倾侧倾)等效单横臂概念等效单横臂概念“郭孔辉郭孔辉刚化定理刚化定理”cYZP对称面对称面双横臂双横臂15对称面对称面cYZP麦弗逊悬架侧倾中心麦弗逊悬架侧倾中心16斜置单臂斜置单臂俯视俯视（等效）（等效）YZr r俯视俯视yUxU侧视侧视（等效）（等效）YZr rXZr r后视后视xUYZ

9、r rXZr ryU17复合式悬架侧倾中心如果扭杆梁靠近前铰点独如果扭杆梁靠近前铰点独立性好，但侧倾中心低立性好，但侧倾中心低18非独立悬架侧倾中心19中性面中性面N1N1N2X2X2Z2N2N1Z1X2xe212kkk+ +xxxxMgeCe .xM = = N202.62.6、 其它导向机构其它导向机构 郭孔辉等效纵臂理论郭孔辉等效纵臂理论xUxZPxUxZP212.72.7、 钣簧的导向作用钣簧的导向作用l侧向反力作用线取决于吊耳、卷耳的刚性与弧高侧向反力作用线取决于吊耳、卷耳的刚性与弧高l一般在卷耳平均高度点与第一片中点之间，更靠一般在卷耳平均高度点与第一片中点之间，更靠 近卷耳高度，

10、作为横向侧倾中心近卷耳高度，作为横向侧倾中心l纵向等效单臂，由车轮接地点运动学确定。纵向等效单臂，由车轮接地点运动学确定。Nye2rh = =L43= =r r22l侧倾轴的倾角侧倾轴的倾角 前低后高是因为前面是双横臂后面非独立前低后高是因为前面是双横臂后面非独立 尽可能提高侧倾中心尽可能提高侧倾中心23l独立悬架与非独立悬架的特点独立悬架与非独立悬架的特点 侧倾力矩中心的高度侧倾力矩中心的高度: : 多数非独立悬架和横单臂多数非独立悬架和横单臂 独立悬架都较高独立悬架都较高, , 其它独其它独 立悬架立悬架( (双横臂双横臂, , 纵单臂纵单臂, , 纵双臂等）较低纵双臂等）较低 有效弹簧距

11、有效弹簧距, , 独立悬架的独立悬架的 有效弹簧距等于轮距有效弹簧距等于轮距, , 非非 独立悬架独立悬架 通常较小通常较小, ,特特 殊布置可以不同殊布置可以不同eBeBsBeB24lBenz600Benz600前悬架前悬架 上下跳动时主肖后倾角上下跳动时主肖后倾角 都会增大都会增大 具有明显的具有明显的“抗点头角抗点头角” 可安排所需要的侧倾力可安排所需要的侧倾力 矩中心高度矩中心高度（前轮与车身纵（前轮与车身纵向的相对瞬心）向的相对瞬心）2XZp1XZp2XZpk 1YZp2YZp1YZp1XZp1r r2r r1XZp22YZp2YZP1YZP1225l“半独立半独立”纵单臂后悬架纵单

12、臂后悬架 侧倾时横梁中点是一个侧倾时横梁中点是一个“不不 动点动点”, ,因此可看成一种因此可看成一种“斜斜 置单臂置单臂”却只有一个铰点却只有一个铰点 横梁前移横梁前移“臂长臂长”增大增大, ,移至移至 铰点处铰点处 独纵单臂。移至独纵单臂。移至 轮轴线轮轴线 臂长为半轮距臂长为半轮距 （非独立悬架）（非独立悬架） 从从1/11/1独立悬架独立悬架0.5/10/10.5/10/1悬架（非独立悬架）悬架（非独立悬架）26三杆式前悬架27空间四杆式后悬架28 虚擬主肖虚擬主肖:上两杆与下两杆交点上两杆与下两杆交点 尽量接近车轮中心面尽量接近车轮中心面 纵向瞬心与横向瞬心纵向瞬心与横向瞬心 位置可

13、以任意选择位置可以任意选择 可以满足可以满足 , , 引起的引起的 弹性转向要求弹性转向要求多杆悬架多杆悬架满足多种要求满足多种要求xFyFxZPYZPYZP1Y2Y虚擬主肖29菱帅汽车后四杆悬架30菱帅汽车四杆式后悬架高不足转向的随动转向性能2YZP1YZP122YZP1YZP12313、轮荷转移分析、轮荷转移分析3.13.1、 纵向轴荷转移纵向轴荷转移l高速时要考虑空气阻力高速时要考虑空气阻力PZ2PX1PX2PZ1MgPZ2PX1PX2PZ1l在坡道上的轴荷转移在坡道上的轴荷转移l在驱动与制动时的轴荷在驱动与制动时的轴荷 转移转移Mg 32侧向轮荷转移的主要组成（侧向轮荷转移的主要组成（

14、 时）时） 弹簧力转移（静不定问题弹簧力转移（静不定问题 弹簧力转移取决于弹簧刚度分配弹簧力转移取决于弹簧刚度分配, ,由弹簧变形计算）由弹簧变形计算） 导向力转移（由作用在力矩中心处的侧向力计算）导向力转移（由作用在力矩中心处的侧向力计算） 在同时存在在同时存在 与与 时，轮荷应叠加时，轮荷应叠加当当 增大时增大时 大的轴大的轴, ,轮荷转移加剧轮荷转移加剧, ,会导致侧偏角急会导致侧偏角急 剧增大剧增大0X = = X Y yeY 3.23.2、侧向轮荷转移、侧向轮荷转移334 4、侧倾转向、侧倾转向 4.14.1、非独立悬架的侧、非独立悬架的侧 倾转向倾转向 钣簧的侧倾转向钣簧的侧倾转向

15、 非独立悬架纵向单臂非独立悬架纵向单臂 非独立四连杆悬架非独立四连杆悬架 求轮心轨迹和求轮心轨迹和 三杆机构需求三点座标三杆机构需求三点座标CA，Bd2r43 x34 独立纵单臂独立纵单臂 水平轴水平轴 前后移动不产生转角前后移动不产生转角 非水平轴非水平轴 “ “八八”字轴的不足转向性字轴的不足转向性 横向单臂和斜单臂独立悬架横向单臂和斜单臂独立悬架 侧倾转向性、等效臂长侧倾转向性、等效臂长 铰轴的垂直分量铰轴的垂直分量 前独立悬架与转向杆系的干前独立悬架与转向杆系的干涉转向涉转向 多杆机构的杆涉转向多杆机构的杆涉转向 等效简化原理等效简化原理4.24.2、独立悬架的侧倾转向、独立悬架的侧倾

16、转向 等效系统等效系统x Z 35 转向系弹性引起的附加转角转向系弹性引起的附加转角 导向系弹性引起的附加转向导向系弹性引起的附加转向 独立纵臂与斜单臂后悬架的侧向力转向倾向独立纵臂与斜单臂后悬架的侧向力转向倾向 侧向力导致轮胎侧倾侧向力导致轮胎侧倾yFsykxaC/ )FD(x x+ += =d dyFzF5 5、侧向力转向、侧向力转向xDkx xand dd dd d+=Fy2Fy136 随动转向后悬架随动转向后悬架 逆向弹性转向逆向弹性转向桑塔那的后悬架桑塔那的后悬架富康的随动转向后悬架富康的随动转向后悬架 yFyF37刹车转舵问题刹车转舵问题: :r r太大太大盘式制动的优点盘式制动的

17、优点纵向力引起车轮侧倾纵向力引起车轮侧倾ABSABS引起的转向扰动引起的转向扰动DYCDYC引起的转向扰动引起的转向扰动多杆悬架多杆悬架制动时的板簧卷曲制动时的板簧卷曲6 6、纵向力转向、纵向力转向038制动时的板簧卷曲制动时的板簧卷曲 造成制动转向造成制动转向6 6、纵向力转向、纵向力转向39 加大前拉杆的柔性加大前拉杆的柔性, , 使后轮在侧向使后轮在侧向 力作用下产生向内转向角力作用下产生向内转向角 通过弹性转角来抵消侧偏角通过弹性转角来抵消侧偏角, , 以提高后轮有效侧偏刚度以提高后轮有效侧偏刚度 可以设计虚擬主肖位置可以设计虚擬主肖位置, ,引起适当引起适当 的弹性转向以增进制动稳定

18、性的弹性转向以增进制动稳定性多杆随动转向后悬架多杆随动转向后悬架xFyFxZPV虚擬主肖虚擬主肖.407 7、轮胎特性与稳态转向特性、轮胎特性与稳态转向特性*ya1da)(d.LvGy2120 d d d d= =kVy212cda)(d/Lvd d d d = =L121d d d d 2 VR1d ded d21d d d dya中性转向点中性转向点1d d2d d1d d 临界车速临界车速 开环增益开环增益 时不稳定不稳定: :-yayaU.Sy21ad d d d2V过度转向区过度转向区41影响稳态转向特性的因素影响稳态转向特性的因素 轮胎特性与稳态转向特性轮胎特性与稳态转向特性稳态转

19、向特性转折的原因稳态转向特性转折的原因1r1c112r2c22dddddd+=+= 侧倾刚度比侧倾刚度比 侧倾力矩中心高度侧倾力矩中心高度 随随 的的 而而 轮胎侧偏特性的饱和轮胎侧偏特性的饱和 驱动力对饱和的影响驱动力对饱和的影响 制动力分配制动力分配x2121De/eC/C 1cd d1yF2yF1ZF 1d d1 2d d2d d2 2 1 1d d1rd dy 2r2cd dd d+2ZF 42改善稳态转向特性的措施改善稳态转向特性的措施 轮胎特性与稳态转向特性轮胎特性与稳态转向特性 前置横向稳定器前置横向稳定器 后非独立悬架后非独立悬架 B Bs s2 2 后非独立悬架板簧下置后非独

20、立悬架板簧下置 后板簧前低后高后板簧前低后高 后非独立中心弹簧后非独立中心弹簧 老老BenzBenz的后悬架：的后悬架： h h2 2, ,中心弹簧中心弹簧43 “ “随动转向随动转向” 后悬架的反稳定杆后悬架的反稳定杆 轮胎特性与稳态转向特性轮胎特性与稳态转向特性44v 8 8、二自由度角输入运动二自由度角输入运动 （线性模型）（线性模型）运动模型与座标运动模型与座标 dtdvY b b+ + = = XYZXYZ固定于汽车重心固定于汽车重心)r(+ +b b 侧偏角侧偏角：rvbrva21 b b= =d dd d + +b b= =d d2vv2yPb b绝对座标绝对座标d d1y1yP

21、 2d dLba 1d dYXvxv45二自由度角输入运动二自由度角输入运动微分方程、传递函数微分方程、传递函数其中其中拉氏变换得传递函数拉氏变换得传递函数1y2yZaPbPrI+ += =)rv(KKP1111yd d + +b b= =d d= =221rrSTST1S1G) s (r+ + + + += =d d221STST1S1G) s (+ + + + += =d db bb bb b)Kv1(CCC)b(C)b(LvT221211+ + + + + + + = =)Kv1(CCvT22122+ + = =22vbCvb = = b b2rC/v= = )Kv1(LC/vbG222

22、+ + = =b b)Kv1(LvG2r+ += =222111m/KC,m/KC= = =)C1C1(L1K21 = =)PP() r(mv1y2y+ + = =+ +b b)vb(KKP2222y b b= =d d= =461)(Rew w)(w w 相位s/m10= =s/m10= =rG/)j(rw wd dd d/r)RI(tem1g = = )(Imw ww w2m2erIRG+ += =20406080s/m40= =vs/m40= =)s/rad(w w频率特性：传递函数中令频率特性：传递函数中令S Sj,j,其实部其实部与虚部与虚部 均为均为 的函数的函数，二自由度角输入运

23、动二自由度角输入运动 即实频特性与虚频特性：即实频特性与虚频特性：4幅频特性：幅频特性： 宽平为优宽平为优4相频特性：相频特性： 以小为优以小为优4 频率特性：频率特性： 低速：增益平坦低速：增益平坦 相位滞后相位滞后高速：增益高峰高速：增益高峰 低度频超前低度频超前 高频滞后高频滞后 2 4 6 8 10 12 14 162 4 6 8 10 12 14 16 vvvv47A0T,0T21 K1c= =n n05.oeTT 与与ee05.0T320ln.TT= = =eTtAe 二自由度角输入运动二自由度角输入运动l角输入运动特征角输入运动特征4稳定条件：传递函数分母为特征函数稳定条件：传递

24、函数分母为特征函数，根的实部不大于根的实部不大于0 0的条件为的条件为：4名义自然频率名义自然频率4过渡时间过渡时间,即)Kv1(ccT122122+ + = = =w w1STST) s (D122+ + += =21212eccv2)/ba(c)/ab(cvL2TT2T+ + + + + + += = =0Kv12 + +484反应速度与反应时间反应速度与反应时间4相对阻尼系数相对阻尼系数 t当二自由度角输入运动二自由度角输入运动 n n+ + + + + + += = = /cc )K1(2)/ba(c)/ab(cT2T21221211 )c1c1(L1K,)K1(1212 = =n n+ + 2121cc2cc + +得r2sr0tsfssrr0s0tT)0(rG) t (rrTTGs)s (r.lim) t (r = =d d= = =d d = = d dd dd d= = = = =时，sg g) t (g gfT49