悬架特性参数

悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。

从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。

比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。

比较重要的参数有：
1.车轮外倾角
前轮外倾角分零外倾角、正外倾角、负外倾角。

如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥因承载变形而可能出现车轮内倾，这样将加速车轮胎的磨损。

另外，路面对车轮的垂直反力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低它们的寿命。

因此，前轮有一个外倾角，同时为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势，为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势, 一般希望车轮从满载位置起上下跳动40mm 的范围内, 车轮外倾角变化在1度左右。

车轮外倾角的变化与悬架的形式有关,车轮外倾角的设置影响到汽车的转向操作性能和直线行驶稳定性能。

汽车作曲线行驶时，车轮随车身一起倾斜，即车身外侧车轮向正的外倾角方向变化，从而降低了其侧偏性能。

为保证轮胎的侧偏性能，悬架设计要求上跳时外倾角向负值变化，下落时向正值变化。

但是从操纵稳定性来讲，要求前悬架设计成上跳时外倾角向增大方向变化，下落时向减小方向变化，后悬架设计成上跳时向减小方向变化，下落时向增大方向变化。

2.主销后倾角
主销后倾角是指在车身侧视图主销轴与垂直轴的夹角，正的主销后倾角是指主销顶部向后倾的角度。

主销后倾角的主要作用是使车轮复位以提高车辆直线行驶的稳定性。

当行驶中的汽车遇到外力产生偏离时,后倾角产生回正力矩使车轮自动回复到原来位置。

过大的后倾角可以增加转向的稳定性,但是所需要的转向力会变大,容易使驾驶员疲劳;减小后倾角则转向的稳定性降低,但是转向时力量会变轻,不利于车辆的自动回正。

主销后倾角应保证车轮具有合适的回正力矩，使得汽车具有良好的行驶稳定性。

一般不希望后倾角在车轮上下运动过程中出现大的变化，
以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象使操纵性能恶化。

另外，要求后倾角具有随车轮上跳而增加的趋势，这样可以抵消制动点头时后倾角减小的趋势，否则在出现制动点头时，由于后倾角减小，甚至出现负后倾，使回正力减小，从而出现制动跑偏和转向等不稳定现象。

主销后倾角与主销相对轮心的偏置距一起, 应保证足够的侧向力
回正力矩, 以利于汽车直线行驶。

一般主销后倾角越大, 主销后倾拖距也越大, 则回正力矩的力臂越大, 因此回正力矩也就越大。

但是回正力矩不宜过大, 否则在转向时为了克服此力矩, 驾驶员必须在方向盘上
施加较大的力(方向盘发沉), 因此主销后倾角不宜过大, 一般认为前
置前驱动车0°- 3°；前置后驱动车3°- 10°,一般希望后倾角随着车轮的上跳而增加, 以增加高速行驶稳定性。

主销后倾角对操纵稳定性的影响是通过“后倾拖距”(形象说法,指的是主销轴轴线上下支点在车身纵向平面内的距离)使地面侧向力对轮胎产生一个回正力矩。

该力矩产生一个与侧偏角相似的附加转向角,它与侧向力成正比,使汽车处于不足转向,有利于改善汽车的稳定转向性。

“后倾拖距”一般是在车轮高速运动时起回正作用。

主销后倾角的变化，改变了“后倾拖距”，从而影响了车轮的回正力矩，同时使转向系统对侧向力特别敏感，容易造成车轮摆振或方向盘上力的变化，影响操纵稳定性。

主销后倾角越大，“后倾拖距”就越大，地面侧向力对轮胎的回正力矩也越大，转向轮的力反馈和角反馈也就越大，这是汽车增加不足转向特性，有利于改善汽车的稳态转向特性，但是，过大的力反馈会引起转向沉重，使汽车驾驶员过度疲劳，对行车安全不利。

主销后倾角和后倾拖距的设计应保证汽车具有合适的回正力矩，使汽车具有良好的行驶稳定性。

其稳定效应是发生在前轮转向时，凭借路面对轮胎的侧向反力来实现的。

同时为保证制动时后倾角不过小，希望它随车轮上跳而增加。

但是一般不希望后倾角在车轮上下运动过程中出现大的变化，以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象，使操纵稳定性恶化。

因此，一般希望车轮每跳动10mm 时，后倾角的变化范围为0.20—0.67。

3.主销内倾角
主销内倾角是指车身前视图主销轴与垂直轴的夹角，正的主销内倾角是指主销轴顶部向内倾的角度。

主销的内倾使得主销轴线与路面的交点到车轮中心平面与地面交线的距离称为主销偏置量。

从而可以减少转
向时驾驶员加在转向盘上的力，使转向操作轻便，同时也可以减少从转向轮到转向盘上的冲击力。

但是偏置量也不宜过小，即内倾角不宜过大，否则转向时，车轮绕主销偏转过程中，轮胎与路面间将产生较大的滑动，因而增加了轮胎与路面间的摩擦阻力。

这不仅使转向变得沉重，而且加速了轮胎的磨损。

主销内倾角的变化，影响了车轮绕主销的回正力矩，主要在低速时其回正作用使车轮丧失车轮自动定位、保持直线行驶的
能力，影响了转向操纵稳定性。

主销后倾角与前轮偏距所产生的回正力矩与侧偏力成正比，而侧偏力与车速的平方成正比，因此，车速越高，回正力矩越大，而当车速较低时，主销后倾角与前轮偏距就几乎不产生回正作用。

所以，为了保证低速行驶时的回正力矩就需要设置主销内倾角。

主销内倾角的增大使内倾回正力矩成比例地增大，同时也使主销的摩擦力矩与滚动力矩增大，这些都使得操纵力相应地增大。

内倾回正力矩的增大提高了回正性的因素，但是由于主销摩擦力矩与滚动阻力矩的增大作用大大超过了回正力矩增大的作用，因而不但没有改善回正性，反而使回正性明显恶化，因此一般将主销偏移距设计得比较小或为负值。

为了达到这个目的，必须有较大的主销内倾角。

当车轮跳动时，若主销内倾角变化较大，将会转向沉重，加速轮胎磨损。

因此希望在车轮的跳动过程中，主销内倾角的变化量不要太大。

主销内倾角要求具有随车轮上跳而减小，随车轮下落而增加的趋势，以利于汽车的操纵稳定性。

4.前束角
车轮前束角是指车轮中心平面与车身纵向平面的夹角，正的前束角是指车轮前部转向车身的角度。

前束角的变化，也即汽车悬架与转向系统的垂直运动和侧倾运动干涉，不仅影响车轮的摆振和磨损，还直接影响汽车的转向特性。

在现代汽车设计中，根据美国福特公司的设计观点认为，前束的真正作用是防止和补偿车轮后束，因为后束会导致汽车行驶不稳定。

前束的正负与汽车的驱动形式有关，在后轮驱动的汽车中，一般采用一定的正前束，以抵消在纵向力作用下的负前束变化；而在前轮驱动的汽车中，取一定的负前束，以使汽车在行驶时保持车轮直线运动，减少轮胎磨损和滚动阻力。

但是考虑到前轮驱动的汽车在制动等非驱动工况下，负前束会导致行驶稳定性恶化，一般取一定的正前束或0值。

前束角变化的较理想设计特性值是：前轮上跳时，为零至负前束，后轮上跳时，正前束。

最近发展趋势多取零。

车轮前束可以弥补外倾角带来的不利影响，减少轮胎的磨损。

为了使轮胎磨损不因侧偏而加剧，同时也不增加滚动阻力和不影响车辆直线行驶能力，车轮在跳动过程中应该尽可能使前束保持不变或者变化很小。

前悬架上跳时前轮前束值的变化范围小，下落时前束变大，后悬架则要求相反，这使得悬架具有不足转向特性，有利于改善汽车的操纵性能。

前束角的设计原则是在车轮跳动时，其变化量越小越好。

通常在
40mm 的跳动范围内，前束的变化量宜在0.17— 0.25左右。

5.轮距
在独立悬架的设计中，对轮距变化的要求主要有两个方面：一是要求轮距变化量尽量小，以减小轮胎的磨损；二是轮距变化时，使轮胎产生侧偏角，从而产生侧向力输入，使操纵稳定性发生变化。

轮距变化使轮胎产生侧偏角, 从而产生侧向力输入, 使操纵稳定性发生变化。

尤其汽车侧倾时, 两侧车轮的横向滑移方向可能相同, 轮距变化带来的侧向力不能抵消, 从而使操纵稳定性变差。

按照悬架的设计要求, 当车轮上下跳动时, 轮距变化量应为- 10～10mm, 如果轮距的跳动幅度超过了这个范围, 就有必要进行改进设计。

除对轮距的变化提出要求，对轮距的变化趋势也应引起重视。

因为，轮距变化的趋势对汽车的操纵稳定性也有重要的影响。

转弯时由于离心力的作用，外侧悬架将压缩，相当于车轮相对车身上跳，如果此时轮距减小，造成重心偏移，又加剧了悬架的压缩，使车轮相对车身再次上跳，结果造成车身侧倾角加大，严重时使汽车失去稳定性。

所以，车轮上跳时，轮距不宜减小，应适当增加，而下跳时，轮距适当减小起到转弯时减小车身侧倾角的作用，有利于保持汽车的稳定性。

为了减小轮胎与地面的侧向滑移，减小轮胎磨损，希望轮距变化量要小。

目前的设计观点认为，上跳行程轮距变化量一般在5mm 左右，而下跳行程轮距变化量可适当大些，一般在车轮下降40mm 时，轮距减小不超过10mm 为宜。

6.主销偏移距
转向回正力矩的大小取决于主销偏移距的大小。

主销偏移距越大，回正力矩也越大，但前桥的纵向力敏感性也越大。

为获得较好的制动稳定性，宜采用较小正值或负值的主销偏移距，较理想的主销偏移距为
-10—30mm。

主销偏移距与主销后倾角和主销相对轮心的横向偏移矩有关, 它
同轮胎拖距一起影响回正力矩的大小。

一般希望主销偏移距随着车轮的上跳而增加, 这样可以防止在制动时侧滑、跑偏。

随着车轮的上跳, 主
销偏移距是先减小后增大因此回正力矩将随着车轮的上跳先减小
后增大。

轿车的偏移距一般为0- 30 mm。

7.侧倾中心高度
侧倾中心高度是指侧倾中心的离地高度，前后悬架侧倾中心的变化形成汽车的侧倾轴线。

理论上要求侧倾轴线尽量高并且和地面平行，以减弱车身的侧倾趋势，并且尽量使侧倾时前后轴荷转移相近，以保证汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性。

但是对独立悬架来说，前悬架侧倾中心高度为０～１２０ｍｍ，后悬架侧倾中心高度为８０～１５０ｍｍ。

因此常常需要在前轴增加横向稳定杆以提高前轴的侧倾刚度，对纵向侧倾中心提供抗制动点头的能力。

8.侧倾转向
过度的侧倾转向等同于过度的前束随轮胎上跳变化，将导致车轮跳动颠簸及过度磨损.由于侧倾转向是匹配整车不足转向量的一个比较容易调试的参数，因此对底盘参数调教很有帮助.
9.侧倾刚度
后悬架侧倾刚度对车辆操稳性具有非常重要的作用. 如果后悬架侧倾刚度过大，在汽车转向时将在左右车轮间引起较大的载荷转移，从而导致前轮载荷转移减小，在相同侧向加速度下，后悬架产生的侧偏角将大于前悬架，这将导致整车具有过多转向趋势. 因此为保证车辆具有一定的不足转向趋势，后悬架的侧倾刚度应该小于前悬架，并与前悬架侧倾刚度匹配，提供理想的整车不足转向度.
10.车轮侧向滑移量(sideways displacement)
轮子侧滑量过大会引起轮胎早期磨损,降低其使用寿命。

因此,一般车轮与车身发生相对运动时,要求轮距变化在一定范围之内。

若轮距变化稍微偏大,可以选取适当变量进行优化设计以达到要求。

11.悬架垂直刚度
悬架垂直刚度既是影响操纵稳定性又是影响舒适性的重要参数, 对振动频率起作用。

对于某种特定汽车而言, 悬架刚度有要求, 其行驶中变化不是很大, 悬架刚度随着压缩行程的增加而减少较大, 这是不希望的。

12.悬架侧倾刚度
在侧倾角不大的条件下, 车身倾斜单位角度所必需的侧倾力矩称为侧倾角刚度。

侧倾角刚度的大小及其在前、后轮的分配, 对车辆侧倾角的大小、侧倾时前后轴及左右车轮的载荷再分配, 以及车辆的稳态响应特性有一定的影响。

悬架的侧倾角刚度应保证汽车在转向时车身侧倾
不致过大, 使乘客感到安全、稳定, 还应使驾驶员具有良好的路感, 确保安全、高速行驶。

后悬架侧倾刚度对车辆操稳性具有非常重要的作用. 如果后悬架侧倾刚度过大，在汽车转向时将在左右车轮间引起较大的载荷转移，从而导致前轮载荷转移减小，在相同侧向加速度下，后悬架产生的侧偏角将大于前悬架，这将导致整车具有过多转向趋势. 因此为保证车辆具有一定的不足转向趋势，后悬架的侧倾刚度应该小于前悬架，并与前悬架侧倾刚度匹配，提供理想的整车不足转向度。

13.制动时抗点头与加速时抗上仰
前悬架的制动抗点头率与后悬架的制动抗抬头率是指由于制动力/ 力矩引起的悬架垂直变形与由于重力转移引起的悬架垂直变形的比值。

制动时, 因重力转移引起的悬架垂直变形可以部分的由制动力/力矩引起的悬架垂直变形抵消:具有这种特性的悬架就称它具有抗点头与抗抬头几何性。

对前悬架而言, 由制动力/ 力矩引起的悬架垂直变形是伸张悬架, 则制动抗点头率为正。

对后悬架而言, 由制动力/力矩引起的悬架垂直变形是压缩悬架, 则制动抗抬头率为正。

前悬架的加速抗抬头与后悬架的加速抗点头是指由于加速驱动力/ 力矩引起的悬架垂直变形与由重力转移引起的悬架垂直变形的比值。

加速时, 因重力转移引起的悬架垂直变形可以部分的由加速驱动力/力矩引起的悬架垂直变形抵消:具有这种特性的悬架就称它具有加速抗抬头、加速抗点头几何性。

如果悬架不传递驱动力/ 力矩, 则加速抗抬头率、抗点头率为零。

对前悬架而言, 当由加速驱动力/ 力矩引起的悬架垂直变形是压缩悬架, 那么加速抗抬头率为正。

对后悬架而言, 当由加速驱动力/ 力矩引起的悬架垂直变形导致伸张悬架, 那么加速抗点头率为正。

14.侧倾角刚度
侧倾角刚度过小而侧倾角过大的汽车，乘员缺乏舒适感和安全感。

侧倾刚度过大而侧倾角过小的汽车又缺乏汽车发生侧翻的感觉，同时使轮胎侧偏角增大，如果发生在后轮会使汽车增加了过多转向的可能，要求在侧向惯性力等于0.4倍车重时，轿车车身侧倾角在2.5°～4°，轿车的前倾倾角刚度一般为300～1200Nm/°货车车身侧倾角不超过6°～7°。

为满足汽车稍有不足转向特性的要求，应使汽车前轴的轮胎侧偏角略大于后轴的轮胎侧偏角。

为此，应该使前悬架具有的侧倾角刚度要略大于后悬架的侧倾角刚度。

对轿车，前,后悬架侧倾角刚度比值一般为1.4～2.6。

15.侧倾外倾系数
车身侧倾时所引起的车轮相对于地面的外倾角，可以认为是由两部分合成的，即车轮相对于车身的外倾角和车身相对于地面的侧倾角。

外倾角与侧倾角的比值即为侧倾外倾系数。

16.侧倾后倾系数
对于麦弗逊独立悬架系统来说，主销轴线也随着侧倾发生变化，这种主销后倾角和侧倾角的比值，称为侧倾后倾系数。

17.侧倾转向系数
车身的侧倾使得弯道内侧和外侧的车轮分别向上和向下运动，悬架的刚性和弹性运动确定了车轮的前束角和外倾角将会发生变化，产生转向效果。

这种由于侧倾引起的转向角变化率称为侧倾转向系数。

18.车轮转角
车轮转角随轮胎跳动变化必须在一定范围之内，过大的变化会因轮胎侧偏使直线行驶滚动阻力加大，磨损加剧。

刚体扭力梁引起更大的转角变化，柔体模型接近试验曲线。

车轮外倾角随轮胎上跳而减小，使得转弯时承载较高的外侧车轮与路面的接触情况得到改善，提高汽车极限侧向性能。

而刚体后桥车轮外倾角变化正好与实际情况相反，转向时恶化轮胎侧偏性能，对操稳性分析带来不利影响。

19.主簧刚度
衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性, 但这两个方面是相互排斥的性能要求, 往往不能同时满足。

若降低弹簧的刚度, 则车体加速度减少使平顺性变好,但同时会导致车体位移的增加。

由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加, 对操纵稳定性产生不良影响; 反之, 增加弹簧刚度会提高操纵稳定性, 但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感, 使平顺性降低。

从仿真结果分析, 增大主簧刚度, 使主销内倾角、前轮外倾角有所增加, 主销内倾角减小, 变化量均在0.1~0.2°之间, 前束角基本没有变化。

但由于主簧是悬架中的主要受力元件, 悬架主簧对整车的性能影响较大, 如果想通过改变主簧刚度来改变前轮定位参数的动态特性,需慎重。

20.横向稳定杆刚度与阻尼
为减少车身的侧倾, 增设了横向稳定杆装置, 它可以在一侧前轮与车身的垂直距离增加或减少时产生一定量的扭转, 从而达到减少车身侧倾的目的。

同时横向稳定杆的存在还可以在一定程度上弥补主簧的刚度。

因此, 横向稳定杆的扭转刚度和阻尼的大小, 对车轮垂直方向的
跳动有很大的影响。

增大横向稳定杆的刚度可以使前轮定位参数均产生不同程度的减小, 悬架性能能够得到一定的改善。

因此, 通过增加横向稳定杆刚度是改善悬架性能的有效途径。

21.橡胶元件
橡胶元件对汽车性能的改善和提高具有不可替代的决定性作用,
橡胶轮胎的使用就是一个最典型的例子。

由于橡胶材料本身具有的隔振减振效果好、能够承受多向载荷、使用寿命较长、易与金属粘结、成本低廉以及不需保养等特点, 被越来越多的应用于汽车的设计和生产过
程中; 同时, 利用橡胶元件在外载荷作用下应力与应变之间的延迟性, 可以得到较理想的非线性特性。

在利用ADAMS 软件建立悬架动力学模型时, 可以将各构件连接处
的橡胶衬套简化为Bushing 力元素, 即将橡胶衬套简化为三个相互垂
直方向的线刚度、线阻尼, 及三个相互垂直方向的扭转刚度、阻尼共12 个变量描述的模型。

Bushing 六个方向上的刚度及阻尼值可以根据实际工作中的受力情况施加预载力和力矩。

22.横向推力杆与车桥支架连接处的橡胶衬套
横向推力杆主要用于控制汽车车身的横向位移, 同时通过其与车桥连接处的橡胶衬套的弹性变形来满足车桥绕纵向对称面的转动。

从运动学的角度分析, 横向推力杆只是绕与车架连接处的球头摆动, 与车
桥连接的一端只有横向的移动。

因此, 定义此处衬套的X轴方向与横向推力杆的轴线方向一致,在该方向上只承受力的作用, 不承受力矩的作用, 其它方向承受很小的作用力或扭矩。

通过改变该衬套的刚度值分别进行平行移轮和反向移轮仿真计算, 并对仿真结果进行分析可知, 减小该衬套的刚度值可以使前轮定位参
数的变化范围变得更小, 但变化不大; 而改变其刚度值对悬架的横向
位移有较大的影响。

因此, 该衬套的刚度值的确定需综合考虑前轮定位参数以及悬架横向位移等因素进行大量的仿真机算来完成。

23.横向稳定杆与车架连接处的橡胶衬套
通过单独改变该衬套各个方向的刚度值, 进行了多次仿真发现,除Z方向的线刚度对悬架定位参数的影响较小外, 其余各参数对定位参数的影响都比较大。

因此, 此衬套是影响悬架性能的敏感元件, 需慎重选择。

从仿真结果分析, 该参数对主销内倾角和前轮前束角的影响较严重。

24.上下控制臂与车桥和车架连接处的橡胶衬套
模型中上下控制臂与车桥和车架之间连接的各个橡胶衬套的Z轴方
向为衬套自身的轴线方向, 与上下控制臂垂直, 各处的衬套的工作条件均比较恶劣, 在各个方向上都作用着不同的力和扭矩。

本文通过依次改变每个衬套的刚度和阻尼, 进行了大量的仿真分析, 从仿真结果来看, 对悬架定位参数的影响都比较小
25.轮胎的径向刚度与阻尼
轮胎是汽车中唯一与地面直接作用的部件, 其受力情况非常复杂, 它不只在径向有刚度和阻尼, 在其纵向和横向都具有刚度和阻尼。

改变轮胎的径向刚度值进行仿真,通过曲线分析可知, 轮胎径向刚度对前轮定位参数影响很小。

改变轮胎的径向阻尼值进行仿真可知, 该参数对前轮定位参数的影响几乎为零。

通过前悬架在平行跳动中的仿真分析发现, 前轮外倾角、前轮前束角、主销内倾角、轮距变化、侧倾中心高度、侧倾转向、前悬架的干涉转向角等性能参数的变化基本符合要求, 所以为了篇幅的考虑,在此将这些性能参数在悬架平行跳动中的变化曲线省略。

以下分别罗列出那些不太符合要求的或者完全不符合要求的前悬架性能参数变化曲线, 并且加以分析、发现问题。