汽车设计-悬架设计.ppt

汽 车 设 计,第5章 悬架设计,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,第六章 悬架设计,第一节 概述 第二节 悬架结构型式分析 第三节 悬架主要参数的确定 第四节 弹性元件的计算 第五节 独立悬架导向机构的设计 第六节 减振器 * 第七节 悬架的结构元件,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,一、悬架的作用,三、对悬架提出的设计要求,二、悬架的组成,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,悬架装置把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来的装置。 功用： （1）连接车轮和车身，以适当的刚性支撑车身（传递车轮或车轴和车架或车身之间的一切力和力矩） （2）吸收来自路面的冲击、衰减由此引起的承载系统振动，改善汽车行驶平顺性（乘坐舒适性）； （3）保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，稳定车身姿态，保证汽车的操纵稳定性。,一、悬架的作用,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,二、悬架的组成 弹性元件：传递垂直载荷、缓和冲击与振动， 保证平顺性 导向装置：决定车轮运动规律、传递除弹性元件力以外的各种力和力矩 减振器：衰减车轮、车身的振动 缓冲器：限制悬架弹簧的变形量 稳定器：防止转向时侧倾过大,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,二、悬架的组成, 6-1 概 述,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,二、悬架的组成, 6-1 概 述,前独立悬架,断开式转向驱动桥,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,二、悬架的组成, 6-1 概 述,断开式从动桥,后独立悬架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,二、悬架的组成, 6-1 概 述,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,二、悬架的组成, 6-1 概 述,橡胶衬套,副车架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,二、悬架的组成,6-1 概 述,主动悬架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,钢板弹簧,纵置 横置,对称式 不对称式, 6-1 概 述,二、悬架的组成,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,二、悬架的组成,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,三、对悬架提出的设计要求,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）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾； 转弯时车身侧倾角要合适。 5）有良好的隔声能力。 6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。 7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部 件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,保证良好的行驶平顺性 (1) 悬架应具有较低的固有频率(0.92.2hz)。 (2) 具有合适的减振性能(良好的阻尼特性)，与悬架的弹性特性匹配，减小车身和车轮在共振区的振幅，快速衰减振动。 (3) 保证转向时，车身具有较小的侧倾角。,三、对悬架提出的设计要求,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,保证良好的操纵稳定性 (1) 保证汽车转向时，具有一定的不足转向特性。 (2) 在车轮跳动时，避免车轮定位参数变化过大。 (3) 使转向杆系与悬架导向机构的运动相协调，避免车轮摆振。 (4) 在汽车制动和加速时，保证车身稳定(减小俯仰角位移)。,三、对悬架提出的设计要求,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-1 概 述,保证良好的传力性能 (1) 能可靠传递车身与车轮之间的力和力矩 (2) 悬架占用的空间以及零部件质量尽量小，并且具有足够的强度和寿命,三、对悬架提出的设计要求,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,一、非独立悬架和独立悬架,三、 前、后悬架方案的选择,typical suspension types as passive, semi-active, active, and load leveling suspensions,二、悬架悬架结构形式分析,四、辅助元件（稳定杆、缓冲器）,passive suspensions are extremely competitive compared with actively controlled suspensions, as they are simple, reliable and economical.,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,独立悬架 非独立悬架,一、非独立悬架和独立悬架,左右车轮各自通过悬架和车架(或车身)相连,左右车轮用一根刚性车轴连接，再通过悬架与车架(或车身)相连,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,1.非独立悬架 优点： 结构简单可靠、制造成本低、 承载强度高、耐久性好、维修方便 缺点 非簧载质量大，平顺性差，不利于乘坐舒适性； 左右车轮互相影响、前悬架易发生摆振、 易产生轴转向特性，不利于操纵稳定性 用途：主要用于货车、大客车的前后悬架及某些轿车、越野车的后悬架,一、非独立悬架和独立悬架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,一、非独立悬架和独立悬架,1.非独立悬架,钢板弹簧兼做悬架的导向机构 （刚性要好）,螺旋弹簧 牵引杆导向机构,（刚性轴后悬架）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,2. 独立悬架 特点： 非簧载质量小，有助于消除前轮摆振现象，且悬架传给车身的冲击载荷小； 设计自由度大；可用小刚度弹簧（平顺性好）； 提高稳定性；占用空间小；左右车轮互不影响可减少车身侧倾和振动； 结构复杂、成本高，维修困难 用途：由于独立悬架能较好地保持车轮与路面的接触，提高离地间隙，改善通过性，多用于轿车、部分轻微型货车、客车及越野车,一、非独立悬架和独立悬架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,独 立 悬 架 类 型,二、独立悬架结构形式分析,（按照悬架导向机构结构分类）,双横臂式 单横臂式、 双纵臂式 单纵臂式 单斜臂式 麦弗逊式 扭转梁随动臂式,三维空间机构 二维投影简图 柔性连接 多刚体,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,常见悬架机构的二维运动学, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,悬架导向机构的运动学基本要求：在悬架变形期间，引导车轮相对于车身沿垂直轨迹运动，且车轮定位参数没有明显变化。即研究悬架在左右车轮中心面内的二维运动学（悬架机构的自由度、铰链数、约束类型之间的关系）。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,常见悬架机构的二维运动学,运动副, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,等长双横臂,不等长双横臂,单横臂,麦弗逊式（滑柱摆臂）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,不等长双横臂,单斜臂,（单、双、复合）纵臂式,半独立悬架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,独立悬架导向机构比较,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析,独立悬架导向机构比较,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,1）侧倾中心高度, 6-2 悬架结构形式分析,二、 独立悬架结构形式分析_ 评价指标,侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。,汽车在侧向力作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心称之为侧倾中心。侧倾中心到地面的距离称为侧倾中心高度。,按sae j670e的定义：侧倾中心为通过左右车轮中心的垂直横断面上的一点，在该点向悬挂质量施加一个横向力不会引起悬架的侧倾变形。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、 独立悬架结构形式分析_ 评价指标,2）车轮定位参数的变化,若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。,车轮相对车身上、下跳动时，主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、独立悬架结构形式分析_ 评价指标,3）悬架侧倾角刚度,车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。,当汽车作稳态圆周行驶时，在侧向力作用下，车厢绕侧倾轴线转动，并将此转动角度称之为车厢侧倾角。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、 独立悬架结构形式分析_ 评价指标,4）横向刚度,悬架的横向刚度影响操纵稳定性。 若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,二、 独立悬架结构形式分析_ 评价指标,5）悬架占用的空间尺寸,不同形式的悬架占用的空间尺寸不同 占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度； 占用高度空间小的悬架，则允许行李箱宽敞，而且底部平整，布置油箱容易。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,三、 前、后悬架方案的选择,采用的 方案,前轮和后轮均采用非独立悬架 前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架 前轮与后轮均采用独立悬架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,前、后悬架均采用纵置钢板弹簧非独立悬架的汽车转向行驶时，内侧悬架处于减载而外侧悬架处于加载状态，于是内侧悬架受拉抻，外侧悬架受压缩，结果与悬架固定连接的车轴（桥）的轴线相对汽车纵向中心线偏转一角度。, 6-2 悬架结构形式分析,四、 前、后悬架方案的选择,1 前轮和后轮均采用非独立悬架,纵置钢板弹簧非独立悬架的轴转向效应,趋向不足转向,趋向过多转向,轿车后悬,轿车将后悬架纵置钢板弹簧的前部吊耳位置布置得比后边吊耳低，于是悬架的瞬时运动中心位置降低，与悬架连接的车桥位置处的运动轨迹 即外侧悬架与车桥连接处的运动轨迹是oa段，结果后桥轴线的偏离不再使汽车有过多转向的趋势。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,四、 前、后悬架方案的选择,2 macpherson式前悬架， 扭转梁随动臂式后悬架,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,四、 辅助元件 1. 横向稳定器,为了降低偏频和改善行驶平顺性，乘用车悬架的垂直刚度和侧倾角刚度设计得较低，在转弯时可能产生较大侧倾，影响行驶稳定性。 为同时获得较大的静挠度和侧倾角刚度，在汽车中广泛地采用了横向稳定器。,另外，在前、后悬架上采用横向稳定杆，还可 调整前、后悬架的侧倾角刚度之比，获得需要的转向特性。但当汽车在坑洼不平的路面上行驶时，左、右车轮垂直位移不同，横向稳定杆被扭转，加强了左、右车轮之间的运动联系，对行驶平顺性不利。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,四、 辅助元件 1. 横向稳定器,使用横向稳定器后，可适当减小悬架垂直刚度，能降低车身振动固有频率n ，达到改善汽车平顺性的目的。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,四、 辅助元件 2. 缓冲块（限位，可兼副簧）,橡胶缓冲块 通过硫化将橡胶与钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其它部位上，起到限制悬架最大行程的作用,多孔聚氨指制成，辅助弹性元件的作用。这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在该材料中有封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-2 悬架结构形式分析,四、 辅助元件 2. 缓冲器 （限位，可兼副簧）,高弹性胶泥缓冲器,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,一、 悬架静挠度 与偏频n,二、 悬架的动挠度,三、悬架的弹性特性,四、后悬架主、副簧刚度分配,五、悬架侧倾角刚度 及其在前后轴的分配,六、悬架阻尼特性,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,一、 悬架静挠度,指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时悬架的刚度之比：,汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一 因现代汽车的质量分配系数1，于是假设汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系,设汽车前、后部分的车身的固有频率为 n1 和 n2 （亦称偏频）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,一、 悬架静挠度 悬架静挠度 与偏频 的关系,当采用弹性特性为线性变化的悬架时，设悬架刚度为c:,可见，悬架静挠度直接影响车身振动的偏频。 因此，欲保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确选择悬架的静挠度。 【iso2631人体承受全身振动的评价指南】,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,fc1与fc2要接近，相差大易导致纵向角振动，相等则易共振 fc1fc2 (从加速性考虑，若fc2大，车身的振动大）,若汽车以较高车速驶过单个路障，n1/n21时的车身纵向角振动要比n1/n21时小，故推荐取 fc2=（0.80.9）fc1。 考虑到货车前、后轴荷的差别和驾驶员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值，推荐fc2=（0.60.8）fc1。 为了改善微型轿车后排乘客的乘坐舒适性，有时取后悬架的偏频低于前悬架的偏频。,选取要求：,选取方法：, 6-3 悬架主要参数的确定,一、 悬架静挠度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,对普通级以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求1.001.45hz，后悬架则要求在1.171.58hz。 原则上轿车的级别越高，悬架的偏频越小。 对高级轿车满载的情况，前悬架偏频要求在0.801.15hz，后悬架则要求在0.981.30hz。 货车满载时，前悬架偏频要求在1.502.10hz， 后悬架则要求在1.702.17hz。 选定偏频以后，再利用上式即可 计算出悬架的静挠度。, 6-3 悬架主要参数的确定,一、 悬架静挠度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,悬架静挠度与弹性元件静挠度关系： 非独立悬架 f 悬架 = f 弹性元件 独立悬架 f 悬架 f 弹性元件,一、 悬架静挠度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,二、 悬架的动挠度,悬架的动挠度是指从满载平衡位置开始，悬架压缩到结构允许的最大变形(通常指缓冲块压缩到1/2或2/3自由高度)时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。,前、后悬架的动挠度值常按其相应的静挠度值来选取，与车型和经常使用的路况有关。对于行驶路况较好的乘用车，动挠度的取值较小；对于经常在恶劣路况行驶的越野车，动挠度应取值较大。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,二、 悬架的动挠度,现代车辆常用偏频、静挠度和动挠度值,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,三、悬架的弹性特性,悬架受到垂直外力f与由此所引起的车轮中心相对于在车身位移f（即悬架的变形或挠度）的关系曲线 。,1) 线性弹性特性,定义:当悬架变形f与所受垂直外力f之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，此时悬架刚度c为常数 。,有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。,1、定义,2、分类,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,三、悬架的弹性特性,1) 线性弹性特性,特点：悬架刚度c 不变，随着载荷的变化，n 线性变化,若选择使得汽车的偏频 在满载情况下满足要求，则当空载时，偏频 增大，平顺性变差。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,三、悬架的弹性特性,2) 非线性弹性特性,定义：当悬架变形f 与所受垂直外力f 之间不呈固定比例变化时,1缓冲块复原点 2复原行程缓冲块脱离支架 3主弹簧弹性特性曲线 4复原行程 5压缩行程 6缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线 7缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8额定载荷,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,三、悬架的弹性特性,2) 非线性弹性特性,曲线上任意点的静挠度 由该点的纵坐标(载荷f)和斜率(刚度c)确定，即,图中，曲线1、2、3分别代表静载荷为满载 、半载 、空载 时的情况。为了使车身高度和静挠度都不随载荷变化，这三条曲线上a、 和 点的斜率(刚度)必须不同。,可变刚度的悬架弹性曲线,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,三、悬架的弹性特性,特点,在满载位置附近，刚度小且曲线变化平缓，故平顺性良好 距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大,作用,在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量 悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功 （悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小 ）,2) 非线性弹性特性,在a点(静载荷处)附近(0.6fd)范围内，悬架刚度变化应尽可能小(对于乘用车，一般要求不超过20%)。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,四、后悬架主、副簧刚度分配,装有车身高度自动调节装置的空气悬架或油气悬架可以较容易地获得上述非线性特性，但成本较高。为了趋近上述理想弹性特性，目前经常采用的方法是(1)专门设计的导向机构,(2)采用主、副簧结构或者采用两种弹簧。 纵置式钢板弹簧加副簧，从而使悬架的性能优于线性悬架，且成本增加不多。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,主、副簧的刚度分配要求： （1）车身从空载到满载时的振动频率变化要小，以保证汽车有良好的平顺性； （2）副簧参加工作前、后的悬架振动频率变化不大。,四、后悬架主、副簧刚度分配,上述两项要求不能同时满足!,在设计主、副簧的参数时，首先应该确定主、副簧的刚度分配，以及副簧开始参加工作时的转换载荷fk,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,四、后悬架主、副簧刚度分配,分配方法1：使副簧开始起作用时的悬架挠度fa等于汽车空载时悬架的挠度f0，且使副簧开始起作用前一瞬间的挠度fk等于满载时悬架的挠度fc,fk,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,四、后悬架主、副簧刚度分配,分配方法2：使副簧开始起作用时的载荷等于空载与满载时悬架载荷的平均值，即 0.5（f0+fc），并使f0和fk间平均载荷对应的频率与fk 和fc 间平均载荷, 0.5(fk+fc) 对应的频率相等,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配,1侧倾角刚度 悬架的侧倾角刚度是指簧上质量（sprung mass）发生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。 汽车总体设计中要求：侧向加速度为0.4g时，商用车车身的侧倾角不超过67，乘用车不超过2.54。,悬架的侧倾角刚度与悬架结构形式、布置尺寸和弹性 元件刚度密切相关。 汽车理论中已详细论述。下面只引用其结果。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配,纵置钢板弹簧非独立悬架侧倾角刚度,力学中的虚位移法,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配,不等长双横臂独立悬架侧倾角刚度,力学中的虚位移法,等效弹簧法,横向稳定杆,三心定理,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配,麦弗逊独立悬架侧倾角刚度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配,悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配方案：要使汽车稍有不足转向的特性，就要求前轴的轮胎侧偏角略大于后轴的轮胎侧偏角，即应该把前悬架的侧倾角刚度选的比后悬架的略大些（1.42.6倍）。,2. 分配方案,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-3 悬架主要参数的确定,六、悬架侧倾中心与侧倾角刚度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,作业： 练习题： 6-1、6-2 思考题： 分析侧倾角刚度对汽车操纵稳定性的影响。 汽车为什么要采用非线性悬架？货车为什么？轿车又是为什么？,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,一、弹性元件结构形式分析,二、钢板弹簧的设计,三、扭杆弹簧,四、螺旋弹簧,五、空气弹簧,六、油气弹簧,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,有多种形式，如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧及橡胶弹簧等。 弹性元件主要靠材料变形来储存能量（ ）。 下表列出了几种弹性元件的单位质量储能量。,一、弹性元件结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,钢板弹簧,单位质量储能量小，材料利用率最差。,但是，由于其在悬架中可兼作导向机构，从而使结构简化，且维修保养方便、制造成本低，所以目前仍得到广泛应用，特别是在商用车中。,少片弹簧：通常由13片组成，而且各片采用变厚断面来保持等强度，节省了材料，在同样寿命情况下，比多片钢板弹簧质量减轻40% 50%。同时减小了各片间的摩擦，改善了行驶平顺性。,一、弹性元件结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,螺旋弹簧,值是钢板弹簧的2.43.3倍，材料利用率较好；结构紧凑，质量较小；较容易获得希望的非线性悬架特性，有利于改善行驶平顺性。,在乘用车上应用较多。 一般仅用于承受垂直载荷，悬架中需要有导向机构。,一、弹性元件结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,扭杆弹簧,值是钢板弹簧的2.43.3倍，材料利用率较好；结构紧凑，质量较小；较容易获得希望的非线性悬架特性，有利于改善行驶平顺性。,在乘用车上应用较多。 一般仅用于承受垂直载荷，悬架中需要有导向机构。,一、弹性元件结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,橡胶弹簧,值大，隔声性好，维护简便，但易老化，故多用作缓冲元件或副簧。 结构紧凑，质量较小。,重型自卸车也有用它做主簧的。 一般仅用于承受垂直载荷，悬架中需要有导向机构。,一、弹性元件结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,空气弹簧,值最大，隔声性好，维护简便。 可方便进行车身高度调节,目前，舒适性要求较高的大型旅游客车和高级轿车采用空气弹簧的日益增多。仅用于承受垂直载荷，悬架中需要有导向机构。,一、弹性元件结构形式分析,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,一、弹性元件结构形式分析,6) 油气弹簧,属于空气弹簧的改进和变形。 具有体积和质量小，悬架特性好，易于实现车身高度的自动调节等优点，所以在高级轿车和大吨位的自卸汽车上也被采用。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 悬架弹性元件的计算,一、弹性元件结构形式分析 比较,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,一、弹性元件结构形式分析 比较 （续上表）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,纵置 横置,对称式 不对称式,（一）钢板弹簧的布置方案,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（二）钢板弹簧主要参数的确定,多片钢板弹簧设计计算步骤： (1) 根据总布置给定的载荷、刚度要求以及对板簧长度、宽度的限制条件和最大许用应力，初选参数； (2) 综合考虑板簧的总成弧高要求和各片的工作应力、装配应力以及总应力的分布，并计及喷丸、预压等工艺过程的影响，确定各片的长度及自由状态下的曲率半径； (3) 计算或试验方法详细分析各片的应力状况； （4）校核极限工况下板簧应力及卷耳、弹簧销的强度。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（二）钢板弹簧主要参数的确定,理想的多片等应力钢板弹簧构成如右图所示： 两个等腰三角形组成等应力单片钢板弹簧；沿长度方向把钢板剪开，每条的宽度为b/2，把相应的两条拼接，组成钢板弹簧的各片；再将这些单片叠装，组成多片钢板弹簧。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（1）初选板簧参数,图（b）所示的板簧可近似看作由单个等厚度叶片组成的等应力梁，如图（a）。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（1）初选板簧参数,图（b）所示的板簧可近似看作由等厚度叶片组成的等应力梁，如图（a）。,当给定弹簧的静挠度 （由偏频确定）和许用应力后 ,可计算出叶片的厚度,推荐在下列范围内选用板簧的长度： 轿车：l=（0.400.55）轴距； 货车:前悬架l=（0.260.35）轴距； 后悬架l=（0.350.45）轴距。,然后，由上图模型（挠度、刚度公式），可确定叶片数目n和宽度b,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（1）初选板簧参数,如右图所示的等应力多片板簧在实际结构中无法实现。（原因。） 因此，实际板簧的展开面的一半不是右图所示的三角形而是梯形（介于等应力梁和等截面梁之间）。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（1）初选板簧参数 步骤,由总布置确定板簧长度l，由平顺性要求确定静挠度 计算满足刚度要求的总截面惯性矩 确定叶片厚度 根据材料选择片厚、叶片宽度b(希望 ) 片数 使之满足 重新校核板簧的刚度和应力,(等截面简支梁公式加修正系数),中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,一、钢板弹簧的设计,（1）初选板簧参数 步骤,对于非对称结构的钢板弹簧,考虑u形螺栓（骑马螺栓）夹紧安装时板簧的无效长度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（2）钢板弹簧各片长度的确定 应力合理分布,确定各片长度可采用展开作图法或计算法。目前，经常采用比较简便的展开作图法（步骤：）,在各片厚度相同的情况下，这种展开作图法相当于使等应力弹簧片的宽度线性增大。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（3） 板簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算,钢板弹簧各片装配后，在预压缩和u形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高h0， 用下式计算 h0=（fc+fa+f） 式中，fc为静挠度； fa为满载弧高； f为钢板弹簧总成用u形螺栓夹紧后引起的弧高变化.,钢板弹簧总成在自由状态下的弧高h0,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定,原则：因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同，装配后各片产生预应力，其值确定了自由状态下的曲率半径ri。各片自由状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴紧，减少主片工作应力，使各片寿命接近。,（3） 板簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（3） 钢板弹簧强度校核,详细分析各片应力及弹簧刚度,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（4) 极限工况及板簧卷耳和弹簧销的强度计算,卷耳所受应力是由弯曲应力和拉（压）应力 合成的应力 = 3fx（d+h1）/bh12+fx/bh1,钢板弹簧销要验算钢板弹簧受静载荷时钢板弹簧销受到 挤压应力z=fs/bd。,（完整的多片式钢板弹簧宣架设计资料）,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（八） 少片弹簧 在乘用车和部分商用车上得到越来越多的应用,少片弹簧 叶片由等长、等宽、变截面的13片钢板组成。利用变截面来保持等强度特性。片间有减磨垫片。,1955年由美国rockwell公司开始研制，1960年装车；我国在1970年末开始试制、推广使用。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（三） 少片弹簧,三种等应力悬臂梁,钢板厚度不变，宽度沿片长方向变化,钢板宽度不变，厚度沿片长方向变化,钢板厚度、宽度均沿片长方向变化,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（三） 少片弹簧 由于大部分少片簧各叶片具有相同的参数（除主片卷耳），计算时可将各片眼宽度分析合并成一片处理。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、钢板弹簧的设计,（四） 变刚度钢板弹簧 可提高平顺性， 但要求有足够的空间。,空载时，只有主簧起作用；载荷增加时，随着主簧的变形与副簧逐渐贴合，至设计载荷附近完全贴合，共同起作用。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,三、扭杆弹簧 目前在轻型车、微型车以及越野车上都有采用扭杆弹簧悬架的，在坦克、装甲车辆上则较广泛地采用了扭杆弹簧。其结构如图所示。,扭杆弹簧型式： 圆形、管形、片形、组合式,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、扭杆弹簧,在设计扭杆弹簧时，通常先根据汽车行驶平顺性要求确定扭杆悬架的平均刚度 ，再确定扭杆长 和断面面积 等参数。,扭杆弹簧本身的刚度是固定值，但是由于有导向机构的影响，扭杆弹簧悬架的刚度是可变的。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,二、扭杆弹簧,式中， g为剪切弹性模量；jp为扭杆横截面的极惯性矩；r为纵臂的长度；l为扭杆的工作长度；为纵臂处于最低位置时轴线与铅垂线的夹角； 为纵臂轴线与铅垂线的 夹角。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,四、螺旋弹簧,螺旋弹簧常用于独立悬架中，它通常只能承受垂直载荷。螺旋弹簧的主要尺寸是平均直径 ，钢丝直径 和工作圈数 ，如右图所示。 设计时先根据行驶平顺性的要求，确定悬架的静挠度 和动挠度 ，然后根据导向机构特点选择杆杠比，从而换算得弹簧的静挠度 和动挠度 ；再进行设计计算。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,五、空气弹簧 布置形式：,(a) 钢板弹簧式 (b) a型架式 (c) 单纵臂式,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,四、空气弹簧,根据气囊结构型式不同，空气弹簧可分为囊式、膜式和复合式三种。囊式又分为单曲式、双曲式和多曲式；与膜式相比，囊式寿命较长、制造方便，刚度较大，故常用于商用车。,(a) 圆形囊式 (b) 椭圆形囊式 (c) 膜式 (d) 复合式,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,五、空气弹簧,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,五、空气弹簧,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,六、油气弹簧,油气弹簧是空气弹簧的一种特例，它以气体作为弹性元件，在气体与活塞之间引入油液作为中间介质。油气弹簧的工作缸由气室和浸在油液中的阻尼阀组成。 油气弹簧有双气室和两级压力式。 油气弹簧采用钢筒作为气室，气压可以比囊式空气弹簧的高1020倍，通常可达57mpa，甚至达20mpa。因此，其机构体积小，承载能力强，若用于重型自卸车可比钢板弹簧轻50%以上。油气弹簧也可以得到较低的固有频率，并且容易实现车身高度调节，这些优点使其在乘用车上也有应用前景。但是，油气弹簧的加工、装配及密封性要求高，维修不便。,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计, 6-4 弹性元件的计算,普通梯形板簧-14片，总厚度140mm，重量122kg,辗轧簧片-9片，总厚度127mm，重量94kg,具有簧片纵向轮廓变化的抛物线板簧 - 3片（有复合材料衬垫）， 总厚度53mm，抛物线长1200mm， 重量61kg,某大客车后悬架，板簧长1650mm，静载荷33kn，刚度200n/mm,中北大学 机电工程学院 车辆与动力工程系 汽车设计 第六章 悬架设计,思考题： 1.分析影响选取钢板弹簧的长度、片厚、片宽以及片数的因素。 2. 钢板弹簧主副簧配置可实现非线性特性？问fk应如何选择，适用于什么工况？ 3. 钢板弹簧强度验算哪几