轿车前悬设计

轿车前悬设计

第一章概述

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传递给车的冲击载荷，减少由此引起的承载系统的振动，确保汽车的平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，确保汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶的能力。

悬架由弹性元件、导向机构、减振器、缓冲块和横向稳定器组成。

导向机构由导向杆系组成，它决定了车轮相对车架的运动特性，并且传递了除弹性元件传递的垂直力以外的力和力矩。当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置的作用。缓冲块的作用是用来减轻车轴对车架的直接冲撞，防止弹性元件产生很大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时的车身侧倾角和横向角振动。

对悬架的设计要求有以下几点：

（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。

（2）具有合适的衰减振动能力。

（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。

（4）汽车制动或加速时能保证车身稳定，减少车身纵倾，即点头或后仰；转弯时车身侧倾角要合适。

（5）结构紧凑、占用空间小。

（6）可靠的传递车身与车轮之间的各种力和力矩。在满足零部件质量小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

（7）有良好的隔音能力。

为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能的低。前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车，要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还应尽量避免悬架撞击车身。在簧上质量变化时，车身变化要尽可能要小，因此，要采用非线性弹性特性悬架。

汽车在不平路面上行驶时，由于悬架具有弹性特性，使汽车产生垂直振动。

为了迅速衰减这种振动和防止车身、车轮的共振，减小车轮振动的振幅，悬架应当装有减振器，并具有合理的阻尼。利用减振器的阻尼作用，使汽车振动的振幅持续减小，直至停止。

要正确选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动协调，防止前轮摆振；汽车转向时，应使之稍微有不足转向特性。

独立悬架导向杆系铰接处多采用橡胶衬套，能隔绝车轮所受来自路面的冲击向车身的传递。

近年来，主动悬架的出现不仅能很好地提高汽车行驶能力，而且能更好地保持车厢姿态，减小侧倾、纵倾。

第二章悬架的结构形式分析

2.1 非独立悬架和独立悬架

汽车的悬架分为非独立悬架和独立悬架两种，非独立悬架的特点是：车轮装在一根车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也随之跳动，使整个车身振动或倾斜；独立悬挂的特点是：车轴是分成两段的，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不随之跳动，两边的车轮可以独立运动，大大提高了汽车的平稳性和舒适性。（如图2.1）

图2.1悬架的结构形式简图

非独立悬架是以纵置式钢板弹簧为弹性元件兼起导向装置，其主要优点是：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度（特别是前悬架），使之刚度变大，所以汽车平顺性变差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴和车身倾斜；当两侧车轮不同时跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振。前轮跳动时，悬架易与转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凹凸不平

的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；所以导致汽车高速行驶时操作稳定性差。非独立悬架常用在货车，大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架[1]。

独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连接。与非独立悬架相比，独立悬架很少用钢板弹簧作为弹性元件，而多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧作为弹性元件，因而具有导向机构。与非独立悬架相比，独立悬架具有更多优点：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以使用刚度较小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车的行驶平顺性；由于采用的是断开式车轴，降低了发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，提高了汽车行驶的稳定性；左、右车轮各自独立运动，互不干涉，减少了车身的倾斜和振动，同时在不平路面上能够获得良好的地面附着力；独立悬架可以提供多种方案供设计人员挑选，以满足不同的设计要求。独立悬架的缺点是：结构复杂，成本较高，维修困难。独立悬架主要用于乘用车和部分质量较小的商用车上。

2.2独立悬架结构形式分析

独立悬架又分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、麦弗逊式和扭转随动臂式等几种类型。

对于不同结构形式悬架而言，不仅结构特点不同，而且许多基本特性也大不相同，常从以下几个方面进行评价：

1.车轮定位参数的变化车轮相对车身上下跳动时，主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束等定位参数会发生变化，若主销后倾角变化较大时，易导致转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化较大时，会影响汽车直线行驶的稳定性，同时也会对轮距的变化和轮胎的磨损速度产生影响。

2.侧倾中心高度汽车在侧向力的作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对地面的瞬时转动中心，称为侧倾中心。侧倾中心距离地面的高度称为侧倾中心高度。侧倾中心位置越高，它到车身质心的距离就会缩短，可使侧向力臂及侧倾力矩小些，也会减小车身的侧倾角。但是如果侧倾中心过高，就会导致车身倾斜时轮距变化较大，加快轮胎的磨损。

3.悬架侧倾角刚度当汽车作稳态圆周行驶时，受到侧倾力的作用下，车厢绕侧倾轴线转动，称此转动角度为车厢侧倾角。车厢侧倾角受到侧倾力矩和悬

架总的侧倾角刚度的影响，从而影响汽车的操纵稳定性和平顺性。

4.横向刚度悬架的横向刚度对汽车的操纵稳定性会产生影响，若转向轴上的悬架横向刚度较小，容易导致转向轮发生摆振现象。

不同类型的悬架所占用的空间不同，横向尺寸大的悬架会对发动机的布置产生影响，并且加大了发动机从汽车上拆装困难程度。高度尺寸小的悬架，可以使行李箱更加宽敞，底部更加平整，油箱更容易布置。因此，悬架所占用的空间尺寸也用来作为评价指标之一。表2-1分析了不同形式的特点。

特性

导向机构形式双横臂式单横臂式单纵臂式单斜臂式麦弗逊式扭转梁

随动臂

式

侧倾中心高

度比较低比较高比较低居单横臂

式和单纵

臂式之间

比较高比较低

车轮相对车身跳动时车轮定位参数的变化车轮外倾

角与主销

内倾角均

有变化

车轮外倾

角与主销

内倾角变

化大

主销后倾

角变化大

有变化变化小左、右

轮同时

跳动时

不变

轮距变化小，

故轮胎磨

损速度慢变化大，

故轮胎磨

损速度快

不变变化不大变化很小不变

悬架侧倾角

刚度较小，需

要用横向

稳定器

较大，可

不装横向

稳定器

较小，需

要用横向

稳定器

居单横臂

式和单纵

臂式之间

较大，可不装横向稳

定器

横向刚度横向刚度大横向刚度

小横向刚度

较小

横向刚度大

占用的空间

尺寸占用较多

的空间

占用较少

的空间

几乎不占用高度空间占用的空间小

其他结构稍复

杂，前悬

架用的较

多

结构简

单、成本

低，前悬

架上用得

少

结构简单、成本低结构简

单、紧凑，

乘用车上

用的较多

结构简

单，用

于发动

机前置

前轮驱

动乘用

车的后

悬架表2-1不同形式悬架特点