独立悬架设计流程说明书

前独立悬架设计主讲人：罗训强) ) ) ) 六. 结束语一、什么是独立悬架？独立悬架（ 车轮通过各自独立的悬架与车架（或车身）相连。每个车轮单独通过一套悬挂安装于车身或者车桥上，车桥采用断开式，中间一段固定于车架或者车身上；此种悬挂两边车轮受冲击时互不影响，而且由于非悬挂质量较轻；缓冲与减震能力很强，乘坐舒适。二、什么样的车型适合用独立悬架采用独立悬架的有下面两大类车辆。车及载人车辆。可明显提高乘坐舒适性，并且在高速行驶时提高汽车的行驶稳定性。用车辆和矿山车辆。在坏路和无路的情况下，可保证全部车轮与地面的接触，提高汽车的行驶稳定性和附着性。二、独立悬架相对于非独立悬架有什么优点独立悬架的优点：1）非簧载质量小，有利于行驶平顺性。同时，车轮接地性良好，有利于操纵稳定性。2）当用于转向轮时，左、右前轮由于不是连在一根轴上，通过合理的布置，可使悬架和转向杆系的运动干涉减小，因此不易发生跳摆 （ ）可用较软的弹簧，改善汽车平顺性。4）由于有效弹簧距等于轮距，有利于提高横向角刚度，减少侧倾。5）在不平路面上行驶时，容易获得较大的动行程，减少悬架 “击穿 ”概率。6）由于没有连接左右轮的车轴，能够降低发动机和驾驶室的高度，从而降低质心，同时也能扩大车身和行李仓的面积独立悬架的缺点：1）结构复杂、制造成本高2）车轮上下跳时，因为车轮外倾角和轮距变化较大，轮胎磨损比较大。三、独立悬架的结构型式以及在车型中的应用情况独立悬架主流的三种结构型式麦弗逊式独立悬架 双横臂式独立悬架斜臂式独立悬架主要用于前独立悬架适用车型：中小型轿车、中低端动型轿车、超级跑车、载重商用车以及高档 多数中小型轿车三、 独立悬架的不同结构型式以及在不同车型中的应用情况1、麦弗逊式独立悬架 销），螺旋弹簧与其装于一体。侧空间大，有利于发动机布置，并降低车子的重心。销轴线的角度会有变化，这是因为减振器下端支点随横摆臂摆动主要优点：结构简单、占用空间小、响应较快、制造成本低。主要缺点： 横向刚度小 、稳定性不佳、转弯侧倾较大，承载性能差，减振器本体承受侧向力。07大众迈腾本田 国通用从结构上来看，麦弗逊悬架只有一根下控制臂 和一根支柱式减震器，通常只有一种弹性元件构上的最简 单化使它的组成部件通常要一专多能。如果车辆在运动中，一侧的麦弗逊悬架受 到惯性压缩，那么车轮的外倾角变化将增大，于是悬架越是压缩得厉害，这种形变就越是 难以得到控制，减振器本身承受的力就更大。 所以麦弗逊悬架的应用范围多为小型或中型 轿车，车型级别再往上走，结构简单的麦弗逊悬架便会有些力不从心了 。通过对麦弗逊悬架植入上控制臂，双横臂式 悬架结构便应运而生。双横臂悬架相对麦弗逊悬架在物理学特性上的改变显而易见：当 一侧悬架因惯性收缩时，车轮的外倾角变化也相对较小，不过车轮外倾角的变化大小还可 以通过改变上下控制臂的相对长度来改善。因此，工程师在设计和匹配双叉臂悬架时自 由度更大，更能针对汽车的某一种特性如运动或舒适性作出最为合理的调校。麦弗逊独立悬架结构向双横臂悬架的衍变三、 独立悬架的不同结构型式以及在不同车型中的应用情况2、 双横臂式独立悬架向力由两个叉臂同时吸收 。承受侧向力。以承受较大的侧向力；倾角、内倾角及前束）；实现抗冲击或抗制动特性；感清晰主要缺点：制造成本高、悬架定位参数设定复杂 。5高端 字臂；螺旋弹簧和减振器同轴；字臂；螺旋弹簧和减振器同轴；横向稳定杆；12M 大型高级旅游客车高级客车代表车型上下 气气囊弹性元件和减振器不同轴；横向稳定杆；字臂；空气气囊和扭杆结合的弹性元件，与减振器不同轴；横向稳定杆；字臂，上摆臂做下跳限位装置；螺旋弹簧弹性元件，与减振器不同轴；横向稳定杆；字臂；钢板弹簧弹性元件；横向稳定杆；推力杆；扭杆弹性元件；横向稳定杆；高端轻卡代表车型从以上的结构看出，双横臂的结构和弹性元件组合型式多种多样，具体布置型式和弹性元件的选用需根据车型的定位和要求确定 前言随着国家经济实力日渐增强，人民生活水平不断提高，城市道路建设飞速发展， 高速公路覆盖率越来越高 ，市场对高速轻载的中小吨位的高档轻卡， 强调整车行驶舒适性的城市间物流车需求也越来越大 。悬架系统是影响整车舒适性的重要系统之一，目前国外知名品牌的同类轻卡车型的前悬架系统逐步由独立悬架取代非独立悬架，独立悬架的结构型式也不断的更新换代。对于整车舒适性能要求较高的车型，采用结构成熟可靠的独立悬架的是大势所趋。1. 前言而在国内的同类车型中，大部分还一直沿用早期老五十铃技术的非独立悬架系统，小部分车型采用的独立悬架结构型式也比较落后。因此，通过对比分析国内外同类车型的独立悬架结构的发展趋势及其设计方法，研究出适合我国国情的独立悬架设计流程就非常有必要。本文将针对国内外中小吨位的高端轻卡所采用的悬架系统形式，选取较为普遍的双横臂独立悬架结构形式，对其设计流程及方法进行分析研究 。2. 双横臂独立悬架设计流程概述图 1 双横臂独立悬架设计流程图悬架系统结构选型设计指标确定导向机构设计参考车型指标分析减振器设计弹性元件设计横向稳定杆设计动态仿真生成包洛体3. 型载货汽车前悬架系统发展趋势分析筒式减振器筒式减振器筒式减振器筒式减振器筒式减振器筒式减振器筒式减振器减振器横向稳定杆在高速载货汽车上装配越来越普遍有有有有无无无横向稳定杆螺旋弹簧占用空间小，而且较容易实现改善平顺性，降低偏频值。是未来弹性元件选用的趋势。螺簧钢板弹簧螺簧扭杆扭杆钢板弹簧钢板弹簧弹性元件由上表中可以看出，采用上下 横臂的导向机构型式是主流发展趋势双横臂双横臂双横臂双横臂双横臂钢板弹簧钢板弹簧导向机构形式由上表中可以看出，在轻型载货车型中独立悬架已经逐步取代非独立悬架，且国外知名品牌车型均匹配独立悬架独立悬架独立悬架独立悬架独立悬架独立悬架非独立悬架非独立悬架悬架型式五十铃 合发展趋势的前独立悬架系统配置及结构表2 符合发展趋势的前独立悬架系统配置及结构筒式减振器减振器有横向稳定杆螺旋弹簧弹性元件定悬架系统的结构形式及配置，如表2：由上两表分析确定的悬架结构型式是具有先进性和代表性的。外先进车型前悬架结构优势对比1、摆臂为铸件，但其结构适用于小吨位车型，不利于承载能力扩展2、主销长度过长，空间布置需求太大3、转向节结构不具备先进性，无法扩展安装双卡钳4、螺簧和减振器不同心，螺簧导向设计难度较大，存在失稳的风险5、弹性元件安装需要压力机1、弹性元件为钢板弹簧，自重较大，占用布置空间大，改善平顺性的空间小。1、摆臂为冲压焊合件，承载能力受限2、转向节结构不具备先进性，无法扩展安装双卡钳3、主销长度过长，空间布置需求太大4、弹性元件安装需要压力机缺点1、弹性元件选用螺簧，占用空间小自重小，改善平顺性的空间大1、摆臂为铸件，承载能力较强，结构利于承载能力扩展；2、转向节结构具备先进性，可扩展安装双卡钳。1、用减振器作为螺簧运动导向，螺簧不存在失稳的风险；2、弹性元件选用螺簧，占用空间小、自重小，改善平顺性的空间大优点图片五十铃 外先进车型前悬架结构优势对比经上表分析，悬架导向机构结构及布置（包括：上下摆臂、转向节）主要以三菱性元件采用螺旋弹簧并结合上表分析在布置上改进设计。外先进车型前悬架结构优势对比结合五十铃 收滑柱式悬架的优点，将减振器和螺簧提前压装在一起，可解决螺簧失稳的问题和总装线压装费时费力问题。螺簧带减振器总成参考 证可实现双制动卡钳。转向节带制动器总成参考 在其基础上实现螺旋弹簧和横向稳定杆的安装下摆臂参考 计指标的分析悬架系统主要影响整车的操稳性能、平顺性能及承载性能，因此确定设计指标应重点从影响此三大性能的因素考虑。计车型指标的分析表5 指标的分析与确定螺旋弹簧强度指标2、弹性元件强度指标由 文不做细致分析。1、上下摆臂、转向节强度指标承载性能1、偏频 （人）2、减振器相对阻尼系数 （路）平顺性能从前后悬架角度来说，还应考虑：1、前后悬架跨距以及前后弹性元件变形量对横向稳定性和纵向稳定的影响；2、摆臂衬套的刚度特性影响此次不做细致分析。导向机构设计（前轮定位参数设置及变化）计车型指标的确定 操稳性能指标基于以上分析，设计车型操稳性能影响主要考虑导向机构设计，期望相关指标能够达到先进车型标准。具体见“ 。 平顺性能指标偏频是在悬架系统中影响平顺性能的重要指标，分析国内外车型偏频数值，确定最终设计指标，如下表6：计车型指标的确定表 6 验值）验值）整备前悬设计车型据车型定位要求，性能方面考虑以平顺性能为主，承载性能次之，但又需兼而顾之；顺性优于国产典型车型，接近于载能力相比略高于振器相对阻尼系数是评价减振器衰减振动的重要指标，具体设计见 “减振器设计 ”计车型指标的确定 承载性能指标主要关注弹性元件在额载、超载以及冲击载荷下的强度指标，具体见 “性元件设计 ”独立悬架导向机构设计要求1)悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过 距变化大会引起轮胎早期磨损。2)悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性。3)汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在 身侧倾角不大于 6 7（不同车型要求不一样，不可做为指标） ，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。4)汽车制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用。向机构的布置参数1侧倾中心双横臂式独立悬架的侧倾中心由如图 3所示方式得出。将横臂内外转动点的连线延长，以便得到极点 P，并同时获得 连接，即可在汽车轴线上获得侧倾中心 W。当横臂相互平行时， 出与其平行的通过 样可获得侧倾中心 W。图 3双横臂式悬架侧倾中心图解法图 向机构的布置参数1侧倾中心在独立悬架中，前后侧倾中心连线称为侧倾轴线。侧倾轴线应大致与地面平行，且尽可能离地面高些。平行是为了使得在曲线行驶时前、后轴上的轮荷变化接近相等，从而 保证中性转向特性 （保证转向特性这并不是唯一的措施） ；而尽可能高则是为了使车身的侧倾限制在允许范围内。但是前悬架侧倾中心高度受到允许轮距变化的限制且几乎不可能超过150上下摆臂初始角度过大 ）。独立悬架的侧倾中心高度推荐值如下：前悬架 O 120悬架 80 150计时首先要确定 (与轮距变化有关的 )前悬架的侧倾中心高度，然后确定后悬架的侧倾中心高度。当后悬架采用独立悬架时，其侧倾中心高度要稍大些。如果用钢板弹簧非独立悬架时，后悬架的侧倾中心高度要取得更大些。向机构的布置参数2、纵倾中心双横臂式悬架的纵倾中心可用作图法得出，见图 5。自铰接点 作摆臂转动轴 的平行线，两线的交点即为纵倾中心。图 5 双横臂独立悬架的纵倾中心如果两横臂是平行的纵倾中心在何处？例如 导向机构的布置方案悬架摆臂的定位角独立悬架中的摆臂铰链轴大多为空间倾斜布置。为了描述方便，将摆臂空间定位角定义为：摆臂的水平斜置角，悬架抗前俯角，悬架斜置初始角图6 、向机构的布置方案横臂的布置方案上、下横臂轴抗前俯角的匹配对主销后倾角的变化有较大影响。图7给出了六种可能布置方案的主销后倾角值随车轮跳动的曲线。图中横坐标为（主销后倾角）值，纵坐标为车轮接地中心的垂直位移量Z。角度的取值见图注，其正负号按右手定则确定。向机构的布置方案为了提高汽车的制动稳定性和舒适性，一般希望主销后倾角的变化规律为：在悬架弹簧压缩时后倾角增大；在弹簧拉伸时后倾角减小，用以造成制动时因主销后倾角变大而在控制臂支架上产生防止制动前俯的力矩。1 方案：弹簧压缩后倾角增大，拉伸时减小2 方案：弹簧压缩后倾角增大，拉伸时减小3方案：主销后倾角基本不变化，但抗前俯的作用也最小，现代汽车中采用的较少4 方案：弹簧压缩后倾角减小，拉伸时增大5 方案：弹簧压缩后倾角减小，拉伸时增大6方案：弹簧压缩后倾角增大，拉伸时减小压缩拉伸图 71， 2， 6的跳动规律是比较好的，向机构的布置方案横臂的布置方案比较图8 a、b、下横臂布置不同，所得侧倾中心位置也不同，这样就可根据对侧倾中心位置的要求来设计上、下横臂在横向平面内的布置方案。向机构双横臂轴的布置表7 导向机构双横臂轴的布置福田风景丰田田豹下摆臂均有角度，此种布置不仅有一定的抗点头效应，还有一定的抗冲击性。2、在车轮上下运动过程中各种定位角度的变化较大1、上摆臂轴线角度与水平方向的下摆臂轴线上在纵平面内形成了一个刹车点头角，使车辆形成了一定的抗点头效应2、跳动过程中主销后倾角变化较大1、布置形式简单2、在车轮上下运动过程中后倾角变化不大3、抗冲击、向机构的布置方案横臂摆动轴线的布置方案上、下横臂轴线在水平面内的布置方案有三种，如图 9下横臂轴M与纵轴线的夹角，分别用1和2来表示，称为导向机构上、下横臂轴的水平斜置角。一般规定，轴线前端远离汽车纵轴线的夹角为正，反之为负，与汽车纵轴线平行者，夹角为零。向机构的布置方案图 9于发动机布置销后倾角随车轮上跳而增大于发动机布置1 2时)具体选哪种，要和纵向平面布置情况一起考虑 综合上述要求， 选择恰当的抗前俯角 ，国外已根据设计经验制定出一套列线图，如图10所示。该图由三组线图组成：图10重力加速度前轮上方车身下沉量与抗前俯率的关系；图10销后倾角的变化率与抗前俯率的关系；图10销后倾角的变化率与上、下横臂摆动轴线夹角(一)的关系。运用此图的步骤如下： 先根据设计的允许前俯角(在O5)确定，然后找到相应的，并在图10出主销后倾角变化率(推荐悬架每压缩40)，如超出范围，即重新选，直至达到要求为止。接着可用图10c，先选定球销中心距，从图10向机构的布置方案图 10 选择上、下横臂轴线纵向倾角的线图此图适用于轴距 心高为 向机构的布置方案双横臂式悬架的上、下臂长度对车轮上、下跳动时前轮的定位参数影响很大。现代轿车所用的双横臂式前悬架，一般设计成上横臂短、下横臂长。这一方面是考虑到布置发动机方便，另一方面也是为了得到理想的悬架运动特性上、向机构的布置方案图11 为下横臂长度变上横臂长度向机构的布置方案设计汽车悬架时，希望轮距变化要小，以减少轮胎磨损，提高其使用寿命，因此应选择2在O6附近；为保证汽车具有良好的操纵稳定性，希望前轮定位角度的变化要小，这时应选择合以上分析，该悬架的2 国克莱斯勒和通用汽车分司分别认为，上、据我国轿车设计的经验，在初选尺寸时， 1/横臂悬架的导向机构悬架的导向机构是一种四连杆机构，四连杆机构由上摆臂、下摆臂及主销构成。图 2 于市场对系的布置参照合逆向扫描软件，测量悬架满载姿态各硬点坐标如表8： 向机构仿真分析 地面坐标系为基准量得整备状态下各点坐标，考虑整备状态姿态倾角，仿真得各定位参数及其变化并与 3 向机构仿真分析 要性能参数的变化表将激振台架上下激振位移设置为100计车型上下极限位置） ,使左右车轮同步上下跳动 ,计算悬架跳动过程中主要性能参数的变化规律 ,结果如表 9所示：前束 5车轮外倾角备到满载）仿真值仿真值设计车型 1）设计车型与标杆车型定位参数值较为接近，有利于操稳性能；（ 2）轮距变化量在合理范围之内，有利于减轻轮胎磨损；（ 3）定位参数的合理性需进一步结合整车情况进行 簧弹性元件设计流程（ 1）由确定的导向机构模拟实车动态转向跳动工况，得出螺簧的可布置空间；（ 2）在满足跳动空间的前提下，确定以下内容：螺簧的下安装点尽可能的靠近轮边，获取较小的杠杆比，使螺簧受力较小，在同等受力情况下，螺簧结构尺寸较小；由减振器外筒直径、螺簧外部空间以及常用的螺簧规格确定螺簧中径尺寸；簧弹性元件设计流程图 4 簧参数的确定1=（1）在满载状态（或常用载荷状态下）， 根据前轴载荷以及确定的偏频值，获得悬架系统刚度，通过杠杆比推算螺簧刚度 。具体计算方法见以下说明：图5 双横臂独立悬架示意图悬架刚度中：（2）根据确定的刚度数值、上跳极限位置 （需大于螺簧的压并高度，并考虑预紧量），取多组数值反复验算比较，确定螺簧圈数和螺簧直径；（3）在承受冲击载荷时（通常是常用载荷的2 要求弹簧的应力指标仍在允许范围之内。由以上步骤确认的弹簧参数如下： 表10 弹簧各参数2对应的悬架上跳的动挠度也不同（249簧最大压缩量对应的受力29097受力00294高度高度需小于悬架上条极限时弹簧的高度。向稳定杆设计（1）标杆车型整车侧倾角指标；此数据作为指标输入设计（2）确定横向稳定杆布置的地方；通常只有一处稳定杆时，通常匹配在前轮，有利于增 加不足转向特性。（3）稳定杆和悬架的连接点在布置允许的前提下尽量靠近