汽车悬架主要性能参数的匹配研究
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Keywo rds: Au tom ob ile; Suspens ion; D esign ing ru les; Perfo rmance m atching
汽车悬架是车架 或承载式车 身与车 桥 ( 或车轮 )之 间的 一切传力连接装置 的总 称, 是汽车 的一 个重要 组成 部分, 它 的作用是把路面作 用于 车轮上 的支 承力、牵引 力、制动 力和 侧向反力以及这些反 力所 造成 的力矩 传递 到车架 或承 载式 车身, 是影响汽车行驶 平顺 性、制动性 和操 纵稳定 性的 重要 因素 [ 1] 。
此布置对轮距和车轮定位角的改变都能获得满意的效果。
悬架的侧倾角刚 度, 指簧载质量产生 单位侧倾角 时悬架 给车身的弹性恢复 力矩, 其 大小 对车身 侧倾 角有很 大影 响。
在汽车的总体设计中要求在侧 倾惯性力等于 0. 4倍车重 时,
货车车身侧倾角在 6b~ - 7b之间, 而轿车车 身侧倾角 在 2. 5b
84
拖拉机与农用运输车 第 2期 2006年 4月
比值, 就近似等于下横臂球销中心至下横 臂摆轴的距 离与螺 旋弹簧中心至下横臂 摆轴的距离的比值。
为了防止在不平 路面上行驶时经常冲击 缓冲块, 悬架要 具备足够的动挠度 fd。悬架动挠度 指由满载位 置开始, 压缩 到结构允许 的最 大变 形 (通常 指缓 冲块 压到 其 自由 高度 的 1 /2或 2/3)时, 车轮中心相对车架 (或车身 )的垂直位移。前 后悬架的动挠度常按 其相应的静挠度来求取, 它与车 型和经 常使用的路况也有密 切关系, 如对于行驶 在好路面上 的车辆 的 fd /fc 的值就要略小一些为 佳, 而 对于货车, 亦可 按 fd /fc = 0. 7~ 1. 0的关系来选取。
l, p ) ) ) 分别为转向节下球 销中心和 轮胎接 地中 心到 导向杆系摆动中心的距离
若上下横臂不 平行, 弹簧 中心 线垂直 于下 横臂, 则上 式
可表示为
C< =
1 2
Cs
(m lB pn
)2
其次, 对纵置钢板弹簧非独立悬架, 侧倾角刚度 C< 可表示为 C< = M /< = 2C s q2
悬架的静挠度与弹性元件的静挠度可 能是一样的 ( 如板 簧非独立悬架 ) , 也 可能 是不 一样 的 (如 螺簧 独立 悬架 ), 后 者应先按已选定的悬架系统的振动 偏频值, 去求悬架 系统静
挠度 fc, 然后再根据 导向 机构 的型 式决 定其 几何 关系, 由 fc 推出弹 簧静 挠度 fcs, 例如 在双 横臂 式 独立 悬架 中 , fc 和 fc s的
首先, 考虑到一般 情况, 双横 臂独 立悬架 的侧 倾角 刚度
C< 可由下 式来确定
C< =
1 2
C
s
(
m
lB co pn
sH
)
2
式中 B)) ) 轮距
Cs )) ) 钢板弹簧垂直刚度 H) ) ) 弹簧中心线与下横臂垂线间夹角 m, n) ) ) 分别为弹簧中心线与下横臂交点和转向节球
销中心到横臂摆轴轴线的距离
第 33卷第 2期 2006 年 4 月
拖拉机与 农用运 输车 T racto r& F arm T ransporter
V o.l 33 N o. 2 A pr. , 2006
汽车悬架主要性能参数的匹配研究
王 宇, 秦 峰, 高连兴
(沈阳农业大学 工程学院, 沈阳 110161)
摘要: 通过对汽车悬架结构的比较, 对悬架静挠度和动 挠度的匹配和车身侧倾中 心高度与悬 架侧倾角 刚度在车
表 1 典型汽车的偏频与挠度 Tab. 1 F requency and D eflec tion of Typical Vehic le
车型
偏频 n /H z
静挠度 f c / cm
动挠度 fd / cm
货车
1. 5~ 2. 2
5~ 11
6~ 9
轿车
0. 9~ 1. 6
10~ 30
7~ 9
大客车
1. 3~ 1. 8
7~ 15
5~ 8
越野车
1. 4~ 2. 0
6~ 13
7 ~ 13
可知前后悬架系统的偏频及静挠 度的匹配, 对汽 车行驶 平顺性也有很大的影响, 应使前后悬架的静 挠度值及 偏频值 接近些, 以免造成较 大的 车身 纵向角 振动。理 论分 析表 明, 当车辆以较高车速驶过单个路障时, n1 /n2 < 1时的车 身角振 动比 n1 /n2 > 1时要小, 因此推荐取 fc2 /fc1 = 0. 8~ 0. 9。
图 1 侧偏角不同时侧向力 Fy 与垂直载荷 G 的关系 F ig. 1 S ide ForceFy & Vertical Load G in D ifferent List A ngles
1 前后悬架静挠度和动挠度的匹配
经过理论研究 和使 用经验 证明, 汽 车前、后悬 架与 其簧 载质量组成的振动系 统频 率是 影响汽 车行 驶平顺 性的 主要 参数之一。现代汽车的质量分 配系数 E= Q2 /ab = 0. 8~ 1. 2, 可以近似地认为 E = 1[ 2] 。因 此, 前 后轴 上方 车身 两点 的振 动不存在联系, 其前后部分车身的振动频率 (亦称偏 频 )可由 下式表示
< = M < / C< = M <1 /C<1 = M <2 /C<2 式中 C<, C< 1, C< 2分别为整 车侧倾 角刚 度和前 后悬 架侧 倾角 刚度。
如果哪根轴上悬架的侧倾角刚度 大, 哪 根轴上的 侧倾力
矩及其造成的左右轮的负荷转移也 就大, 这 种负荷转 移又会 影响到轮胎的侧偏角。根据试验, 轮胎侧偏 刚度与它 所承受 的垂直载荷有关, 一般常在轮胎额定载荷或 其附近处 达到最 大值, 此时侧偏角为最小。图 1给出了轮胎 侧偏角不 同时轮
1 n1 = 2P
mc11,
1 n2 = 2P
c2 m2
式中 c1, c2) ) ) 前后悬架的刚度, N /mm
m 1, m 2) ) ) 前后悬架的簧载质量, kg
而悬架的静挠度与簧载质 量和悬架刚度的关系 ( 当采用
线性悬架时
)为:
ห้องสมุดไป่ตู้f c1
=
m1 g /c1,
f c2
= m 2 g /c2,
代入 上式
S tudy on Main Parameters Matching of Vehic le Suspension System
WANG Yu, QIN Feng, GAO L ian-x ing
( Co llege of Eng ineer ing, Shengyang A gr icultura lU n ive rs ity, Shenyang 110161, China)
轮的分配问题进行分析, 利用生产试验的方法, 总结 了车辆 运动特 性要求 下的悬 架设计规 则, 为确定 汽车悬 架系统
主要性能参数的设计和初始值提供了依 据, 进而合理地匹配确定其主要性能指标。
关键词: 汽车; 悬架系统; 设计规则; 性能匹配
中图分类号: U 461. 4
文献标识码: B
文章编号: 1006- 0006( 2006) 02- 0083- 02
(取
g=
9 810 mm /s2 ) 可得
式中
n1 U 5 , n2U 5
f c1
f c2
n1, n2) ) ) 前后悬架的偏频, H z
收稿日期: 2005- 08- 24; 收修改稿日期: 2005- 10- 20
fc1, fc2) ) ) 前后悬架在簧载质量 m1 和 m2 作用 下的静 挠度, mm
Abstrac:t By comparison am ong d ifferent suspension structures and analyses on the ma tching betw een the static
flex ib ility and move flex ib ility of suspension as w ell as the d istribution of the bodywork. s list center he ight and the suspension. s list ang le rig id ity among wheels, the paper summ arized the suspension design rules under the requ irem ents o f movement character istics according to the manufacturing test method. The optmi a l parame ters of veh ic le suspension system can be de term ined by the m odel and the method presented in th is paper, so as the rational match ing and the m ain perform ance target be reached.
力矩小一些, 会使车身 侧倾 角也减 小; 当侧 倾中心 过高 会使 车身侧倾时轮距变大 , 轮 胎磨 损就会 加剧 [ 3] , 因此 要选 择合
适的数值, 同时不使侧倾中心高度在车轮跳动时变化过大, 一 般汽车的侧倾中 心距地面高 度推荐 为 38~ 90 mm, 这 样车轮
相对车身的摆动瞬心距车轮 中心的水平距 离为 5. 1~ 7. 6 m,
胎所受侧向力 Fy 与其垂直 载荷 G 之间 的关系 曲线, 它 可以 说明上述的关系。例如, 在侧偏角 D= 4b的曲线 上, 轮 胎上额 定负荷为 G 0, 其对应的 轮胎侧向 力 Fy 达到了最大 值。增大 或减小轮胎上的负荷都会使其侧偏角变得大于 4b, 在同样的
侧向力 Fy 作用下, 当载荷从 额定值 增加或 减少 $G 时, 其对 应的侧偏角为 4. 4b或 5. 3b (如图虚线所示 )。
式中 M ) )) 悬架抵抗侧倾 的弹性 恢复力 矩, 它 与车身 所受
侧倾力矩等值异号
< )) ) 车身的侧倾角 Cs) )) 钢板弹 簧垂直刚度 q) ) ) 弹簧中心距的一半
由公式可知, q 值增加可使 C< 增大。 前后悬架的侧倾角刚度的匹配 对转向特性 有一定影 响, 当汽车转弯时, 整车所 受侧向 惯性 力作 用在汽 车质 心上, 会 造成使车身产生侧倾角 < 的侧倾 力矩 M <, 此侧 倾力矩 可分 解为前后轴上 方的 侧 倾力 矩 M <1和 M <2, 三 者 关系 为 M < = M < 1 + M < 2; 但前后轴所分配到的侧倾力矩与前后轴的 侧倾角 刚度成正比, 因此可认为车身的侧倾角是前后一样的, 即
2 车身侧倾中心高度与悬架侧倾角刚度及其在前 后轮的分配
随着人们对汽车 使用性能的要求日益提 高, 悬架 的设计
还应保证汽车有良好 的操纵稳定性。在悬架性 能参数中, 以 前后悬架侧倾角刚度 及其 分配 和车身 侧倾 中心高 度对 操纵
稳定性影响较为重要 , 所以在悬架设计中应优先考虑。
侧倾中心的高度 随导向机构的形式而改 变, 可用 图解法 求得。侧倾中心高度离车身的 质心近, 可 使侧倾力臂 及侧倾
悬架设计中, 因为车身振动偏频与悬架的静挠度有关, 应
先根据行驶平顺性来确定 n1 和 n2, 然后再由上式来确定前后 静挠度 fc1和 fc2。现代各种 车辆的偏频和静挠度 如表 1所示。 目前, 有些汽车的偏频下降至 0. 8~ 1. 3 H z的趋势, 主要目的
是为了减小振动加速度和改善车轮的路面附着性能。
~ 4b之 间, 这 就要求 悬架有 足够的 侧倾角 刚度, 而刚度 过大 会减弱驾驶员的路 感, 妨碍 正确掌 握车 速, 同时使 轮胎 的侧
偏角变大; 如果发生在 后轮, 将 使整车 增加 了过度 转向 的可
能性, 所以选择时要全面考虑。
为了保持良好的 操纵稳定性, 汽车在 转弯时应具 有一定 的不足转向性, 即在 0. 4 g侧向加速度作用时 , 前后轮侧偏角
之差 a1 - a2 应 为 1b~ 3b; 而前 后悬架的 侧倾角 刚度的 分配 会影响前后轮的侧 偏角 大小, 从而 影响 转向特 性, 因此 设计 时还应考虑侧倾角 刚度 在前后 轴上 的分配 情况 [ 4] 。侧 倾角
刚度与悬架的结构形 式、布置尺寸和弹性 元件的刚度 有密切
关系, 下面给出两种状态供在设计中参考。
汽车悬架是车架 或承载式车 身与车 桥 ( 或车轮 )之 间的 一切传力连接装置 的总 称, 是汽车 的一 个重要 组成 部分, 它 的作用是把路面作 用于 车轮上 的支 承力、牵引 力、制动 力和 侧向反力以及这些反 力所 造成 的力矩 传递 到车架 或承 载式 车身, 是影响汽车行驶 平顺 性、制动性 和操 纵稳定 性的 重要 因素 [ 1] 。
此布置对轮距和车轮定位角的改变都能获得满意的效果。
悬架的侧倾角刚 度, 指簧载质量产生 单位侧倾角 时悬架 给车身的弹性恢复 力矩, 其 大小 对车身 侧倾 角有很 大影 响。
在汽车的总体设计中要求在侧 倾惯性力等于 0. 4倍车重 时,
货车车身侧倾角在 6b~ - 7b之间, 而轿车车 身侧倾角 在 2. 5b
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拖拉机与农用运输车 第 2期 2006年 4月
比值, 就近似等于下横臂球销中心至下横 臂摆轴的距 离与螺 旋弹簧中心至下横臂 摆轴的距离的比值。
为了防止在不平 路面上行驶时经常冲击 缓冲块, 悬架要 具备足够的动挠度 fd。悬架动挠度 指由满载位 置开始, 压缩 到结构允许 的最 大变 形 (通常 指缓 冲块 压到 其 自由 高度 的 1 /2或 2/3)时, 车轮中心相对车架 (或车身 )的垂直位移。前 后悬架的动挠度常按 其相应的静挠度来求取, 它与车 型和经 常使用的路况也有密 切关系, 如对于行驶 在好路面上 的车辆 的 fd /fc 的值就要略小一些为 佳, 而 对于货车, 亦可 按 fd /fc = 0. 7~ 1. 0的关系来选取。
l, p ) ) ) 分别为转向节下球 销中心和 轮胎接 地中 心到 导向杆系摆动中心的距离
若上下横臂不 平行, 弹簧 中心 线垂直 于下 横臂, 则上 式
可表示为
C< =
1 2
Cs
(m lB pn
)2
其次, 对纵置钢板弹簧非独立悬架, 侧倾角刚度 C< 可表示为 C< = M /< = 2C s q2
悬架的静挠度与弹性元件的静挠度可 能是一样的 ( 如板 簧非独立悬架 ) , 也 可能 是不 一样 的 (如 螺簧 独立 悬架 ), 后 者应先按已选定的悬架系统的振动 偏频值, 去求悬架 系统静
挠度 fc, 然后再根据 导向 机构 的型 式决 定其 几何 关系, 由 fc 推出弹 簧静 挠度 fcs, 例如 在双 横臂 式 独立 悬架 中 , fc 和 fc s的
首先, 考虑到一般 情况, 双横 臂独 立悬架 的侧 倾角 刚度
C< 可由下 式来确定
C< =
1 2
C
s
(
m
lB co pn
sH
)
2
式中 B)) ) 轮距
Cs )) ) 钢板弹簧垂直刚度 H) ) ) 弹簧中心线与下横臂垂线间夹角 m, n) ) ) 分别为弹簧中心线与下横臂交点和转向节球
销中心到横臂摆轴轴线的距离
第 33卷第 2期 2006 年 4 月
拖拉机与 农用运 输车 T racto r& F arm T ransporter
V o.l 33 N o. 2 A pr. , 2006
汽车悬架主要性能参数的匹配研究
王 宇, 秦 峰, 高连兴
(沈阳农业大学 工程学院, 沈阳 110161)
摘要: 通过对汽车悬架结构的比较, 对悬架静挠度和动 挠度的匹配和车身侧倾中 心高度与悬 架侧倾角 刚度在车
表 1 典型汽车的偏频与挠度 Tab. 1 F requency and D eflec tion of Typical Vehic le
车型
偏频 n /H z
静挠度 f c / cm
动挠度 fd / cm
货车
1. 5~ 2. 2
5~ 11
6~ 9
轿车
0. 9~ 1. 6
10~ 30
7~ 9
大客车
1. 3~ 1. 8
7~ 15
5~ 8
越野车
1. 4~ 2. 0
6~ 13
7 ~ 13
可知前后悬架系统的偏频及静挠 度的匹配, 对汽 车行驶 平顺性也有很大的影响, 应使前后悬架的静 挠度值及 偏频值 接近些, 以免造成较 大的 车身 纵向角 振动。理 论分 析表 明, 当车辆以较高车速驶过单个路障时, n1 /n2 < 1时的车 身角振 动比 n1 /n2 > 1时要小, 因此推荐取 fc2 /fc1 = 0. 8~ 0. 9。
图 1 侧偏角不同时侧向力 Fy 与垂直载荷 G 的关系 F ig. 1 S ide ForceFy & Vertical Load G in D ifferent List A ngles
1 前后悬架静挠度和动挠度的匹配
经过理论研究 和使 用经验 证明, 汽 车前、后悬 架与 其簧 载质量组成的振动系 统频 率是 影响汽 车行 驶平顺 性的 主要 参数之一。现代汽车的质量分 配系数 E= Q2 /ab = 0. 8~ 1. 2, 可以近似地认为 E = 1[ 2] 。因 此, 前 后轴 上方 车身 两点 的振 动不存在联系, 其前后部分车身的振动频率 (亦称偏 频 )可由 下式表示
< = M < / C< = M <1 /C<1 = M <2 /C<2 式中 C<, C< 1, C< 2分别为整 车侧倾 角刚 度和前 后悬 架侧 倾角 刚度。
如果哪根轴上悬架的侧倾角刚度 大, 哪 根轴上的 侧倾力
矩及其造成的左右轮的负荷转移也 就大, 这 种负荷转 移又会 影响到轮胎的侧偏角。根据试验, 轮胎侧偏 刚度与它 所承受 的垂直载荷有关, 一般常在轮胎额定载荷或 其附近处 达到最 大值, 此时侧偏角为最小。图 1给出了轮胎 侧偏角不 同时轮
1 n1 = 2P
mc11,
1 n2 = 2P
c2 m2
式中 c1, c2) ) ) 前后悬架的刚度, N /mm
m 1, m 2) ) ) 前后悬架的簧载质量, kg
而悬架的静挠度与簧载质 量和悬架刚度的关系 ( 当采用
线性悬架时
)为:
ห้องสมุดไป่ตู้f c1
=
m1 g /c1,
f c2
= m 2 g /c2,
代入 上式
S tudy on Main Parameters Matching of Vehic le Suspension System
WANG Yu, QIN Feng, GAO L ian-x ing
( Co llege of Eng ineer ing, Shengyang A gr icultura lU n ive rs ity, Shenyang 110161, China)
轮的分配问题进行分析, 利用生产试验的方法, 总结 了车辆 运动特 性要求 下的悬 架设计规 则, 为确定 汽车悬 架系统
主要性能参数的设计和初始值提供了依 据, 进而合理地匹配确定其主要性能指标。
关键词: 汽车; 悬架系统; 设计规则; 性能匹配
中图分类号: U 461. 4
文献标识码: B
文章编号: 1006- 0006( 2006) 02- 0083- 02
(取
g=
9 810 mm /s2 ) 可得
式中
n1 U 5 , n2U 5
f c1
f c2
n1, n2) ) ) 前后悬架的偏频, H z
收稿日期: 2005- 08- 24; 收修改稿日期: 2005- 10- 20
fc1, fc2) ) ) 前后悬架在簧载质量 m1 和 m2 作用 下的静 挠度, mm
Abstrac:t By comparison am ong d ifferent suspension structures and analyses on the ma tching betw een the static
flex ib ility and move flex ib ility of suspension as w ell as the d istribution of the bodywork. s list center he ight and the suspension. s list ang le rig id ity among wheels, the paper summ arized the suspension design rules under the requ irem ents o f movement character istics according to the manufacturing test method. The optmi a l parame ters of veh ic le suspension system can be de term ined by the m odel and the method presented in th is paper, so as the rational match ing and the m ain perform ance target be reached.
力矩小一些, 会使车身 侧倾 角也减 小; 当侧 倾中心 过高 会使 车身侧倾时轮距变大 , 轮 胎磨 损就会 加剧 [ 3] , 因此 要选 择合
适的数值, 同时不使侧倾中心高度在车轮跳动时变化过大, 一 般汽车的侧倾中 心距地面高 度推荐 为 38~ 90 mm, 这 样车轮
相对车身的摆动瞬心距车轮 中心的水平距 离为 5. 1~ 7. 6 m,
胎所受侧向力 Fy 与其垂直 载荷 G 之间 的关系 曲线, 它 可以 说明上述的关系。例如, 在侧偏角 D= 4b的曲线 上, 轮 胎上额 定负荷为 G 0, 其对应的 轮胎侧向 力 Fy 达到了最大 值。增大 或减小轮胎上的负荷都会使其侧偏角变得大于 4b, 在同样的
侧向力 Fy 作用下, 当载荷从 额定值 增加或 减少 $G 时, 其对 应的侧偏角为 4. 4b或 5. 3b (如图虚线所示 )。
式中 M ) )) 悬架抵抗侧倾 的弹性 恢复力 矩, 它 与车身 所受
侧倾力矩等值异号
< )) ) 车身的侧倾角 Cs) )) 钢板弹 簧垂直刚度 q) ) ) 弹簧中心距的一半
由公式可知, q 值增加可使 C< 增大。 前后悬架的侧倾角刚度的匹配 对转向特性 有一定影 响, 当汽车转弯时, 整车所 受侧向 惯性 力作 用在汽 车质 心上, 会 造成使车身产生侧倾角 < 的侧倾 力矩 M <, 此侧 倾力矩 可分 解为前后轴上 方的 侧 倾力 矩 M <1和 M <2, 三 者 关系 为 M < = M < 1 + M < 2; 但前后轴所分配到的侧倾力矩与前后轴的 侧倾角 刚度成正比, 因此可认为车身的侧倾角是前后一样的, 即
2 车身侧倾中心高度与悬架侧倾角刚度及其在前 后轮的分配
随着人们对汽车 使用性能的要求日益提 高, 悬架 的设计
还应保证汽车有良好 的操纵稳定性。在悬架性 能参数中, 以 前后悬架侧倾角刚度 及其 分配 和车身 侧倾 中心高 度对 操纵
稳定性影响较为重要 , 所以在悬架设计中应优先考虑。
侧倾中心的高度 随导向机构的形式而改 变, 可用 图解法 求得。侧倾中心高度离车身的 质心近, 可 使侧倾力臂 及侧倾
悬架设计中, 因为车身振动偏频与悬架的静挠度有关, 应
先根据行驶平顺性来确定 n1 和 n2, 然后再由上式来确定前后 静挠度 fc1和 fc2。现代各种 车辆的偏频和静挠度 如表 1所示。 目前, 有些汽车的偏频下降至 0. 8~ 1. 3 H z的趋势, 主要目的
是为了减小振动加速度和改善车轮的路面附着性能。
~ 4b之 间, 这 就要求 悬架有 足够的 侧倾角 刚度, 而刚度 过大 会减弱驾驶员的路 感, 妨碍 正确掌 握车 速, 同时使 轮胎 的侧
偏角变大; 如果发生在 后轮, 将 使整车 增加 了过度 转向 的可
能性, 所以选择时要全面考虑。
为了保持良好的 操纵稳定性, 汽车在 转弯时应具 有一定 的不足转向性, 即在 0. 4 g侧向加速度作用时 , 前后轮侧偏角
之差 a1 - a2 应 为 1b~ 3b; 而前 后悬架的 侧倾角 刚度的 分配 会影响前后轮的侧 偏角 大小, 从而 影响 转向特 性, 因此 设计 时还应考虑侧倾角 刚度 在前后 轴上 的分配 情况 [ 4] 。侧 倾角
刚度与悬架的结构形 式、布置尺寸和弹性 元件的刚度 有密切
关系, 下面给出两种状态供在设计中参考。