（光学工程专业论文）摩托车悬挂系统的开发研究.pdf

中文摘要 摘要 ( 课题为满足嘉陵集团新产品开发的需要对大排量豪华型摩托车前后悬挂系统 进行开发讨主要的工作和结论如下： 道过对摩托车减震器工作原理的理论研究和国内外现有减震器结构的分析 完成嘉陵2 5 0 豪华太子摩托车悬挂系统的选型及悬挂在整车中的总体布置。理论和 实践相结合，对摩托车的悬挂系统进行了理论分析计算，完成了减震器的结构设计， 产品图纸绘制，加工制造，台架性能试验，减震器装车后，通过了整车道路试验， 该产品现已定型生产。 根据车辆振动理论，建立摩托车五自由度振动模型，采用m a t l a bs i m u l i n k 软件进行分析计算。获得了在随机路面输入下悬挂系统的频率响应特性，以此确定 悬挂系统的特性参数及结构参数；运用流体力学，液压传动，机械设计理论进行减 震器结构设计；利用有限元理论，采用a n s o y s 软件对减震器主要零件进行强度分 析。 经过实验台检测和道路试验，设计的减震器安装在2 5 0 c c 型摩托车上表现 出较好的操纵性、乘骑舒适性和良好的道路适应性，课题开发的成果填补了嘉陵大 排量摩托车减震器产品空白。 关t 词：悬器，摩托车，阻尼，刚度，设计 何 震) ? 仇 欺芬 英文摘要 a b t r a c t t l i st o p i cs a t i s f i e st h en e e do ft h ej i a l i n gg r o u pt on e w p r o d u c td e v e l o p m e n t w e e m p h a s i z et h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ef r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o nu s e di nt h e l a r g ed i s p l a c e m e n tl u x u r ym o t o r c y c l e t h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s l i s ta sb e l o w ： t h r o u g h al o to fw o r ko n w o r k i n gp r i n c i p l er e s e a r c ha n dc o m p a r e dw i t hd i f f e r e n t t y p e so fs u s p e n s i o nn o w i nu s e ，w ed e c i d e dt h eg e n e r a ll a ya n d t y p eo fs u s p e n s i o nu s e d i nt h e j i a l i n g2 5 0 c cl u x u r ym o t o r c y c l e a f t e rt h et h e o r ya n dt h ep r a c t i c e u n i f i e d n u m e r o u sw o r kh a sb e e nd o n es u c ha st h et h e o r yc a l c u l a t i o nt ot h em o t o r c y c l es u s p e n - s i o ns y s t e m ，s t r u c t u r a l d e s i g n ，d r a w i n gp r o d u c tb l u e p r i n t ，m a c h i n i n g o r p r o d u c i n g ， p e r f o r m a n c et e s t i n g ，r o a dt e s t i n g a n dt h ep r o d u c t i o nh a sa l r e a d yb e e nf i n a l i z e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fv e h i c l ev i b r a t i o nw eb u i l dt h ef i v ef r e e d o mv i b r a t i o n m o d e l u s i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ew e c a r r yo n t h ea n a l y s i sa n do b t a i n e dt h e f r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i co ft h e s u s p e n s i o ns y s t e mu n d e rt h ei n p u t o ft h e s t o c h a s t i cr o a ds u r f a c e a n dw ed e t e r m i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e ra n dd e s i g n p a r a m e t e ro f t h es u s p e n s i o n s y s t e m w ec a h yo ns t r u c t u r a ld e s i g no f t h es h o c ka b s o r b e r u s i n gt h ek n o w l e d g eo fh y d r o m e c h a n i c s h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dn l em a c h i n e d e s i g nt h e o r y f u r t h e r m o r ew ec a r r yo nl h ei n t e n s i t ya n a l y s i so ft h em a j o rp a r to ft h e s h o c ka b s o r b e r b o t hi nr o o mt e s ta n dr o a dt e s tt h es h o c ka b s o r b e rw ed e s i g n e df o rt h e2 5 0 c c m o t o r c y c l es h o w s t ou sg r a n dh a n d l i n g ，d r i v ec o m f o r ta n d a d a p t a b i l i t yt ot h er o a d 眦s d e s i g nh a sf i r e di nt h eb l a n ko f d o m e s t i cs h o c ka b s o r b e ro f l a r g ed i s p l a c e k e yw o r d ：s u s p e n s i o n ，s h o c k a b s o r b e r , m o t o r c y c l e ，d a m p i n g ， r i g i d i t y , d e s i g n i i 1 绪论 1 绪论 1 1 摩托车悬挂装置概述 1 1 1 摩托车悬挂装置的发展过程 1 8 8 5 年德国工程师戴姆勒，将汽油机安装在车身和车轮均由木材制成的三轮车 上，发明了世界上第一辆摩托车。但是由于该车无弹性悬挂装置，不耐颠簸，限制 了使用和车速( 仅1 2 k m h ) ，所以，戴姆勒摩托车并无实用价值一j 。 机动脚踏两用车实际上是内燃机技术与自行车技术相结合的产物，它开辟了摩 托车的实用时代。随着人们对摩托车的快速和适应野外行驶的要求，必须提高车辆 对路面的缓冲能力。1 8 9 9 年，贝劳摩托车上就开始采用弹性后悬挂装置；1 9 1 5 年， 比利时的中h 摩托车采用了弹性前悬挂装置：美国的英吉安c 3 摩托车采用了弹性 前、后悬挂装置，该车车速可达每小时7 5 公里。其悬挂装置可称得上早期摩托车悬 挂装置的杰出代表。 二轮摩托车的操纵性、稳定性、舒适性与其悬挂装置有着很重要的关系。1 9 1 0 年就开始在前轮上采用金属弹簧张力的双向、平行连接的悬挂装置，后悬挂采用摇 臂式结构，3 0 年代便发明了利用管内粘性机油的液压减震器。1 9 5 5 年后，摩托车的 前悬挂装置就采用了伸缩筒式前悬挂和底部杠杆式前悬挂。由于伸缩筒式前悬挂中 有望远镜式的筒内油缸，其制造精度要求高，当时生产技术和效率很低，阻碍了伸 缩筒式前悬挂的发展和应用。1 9 6 0 年，世界摩托车已大批生产，因底部杠杆式前悬 挂具有结构简单、价格低廉等优点，底部杠杆式前悬挂处于全盛时期。后来由于盛 行一时的两轮赛车需要，伸缩筒式前悬挂又重新上市，这时伸缩简式前悬挂优秀的 行驶性能才被充分证明。因此，大批量生产的摩托车才相继采用伸缩筒式前悬挂， 同时由于加工技术水平的提高，伸缩筒式前悬挂的制造精度也得到了保证，所以， 至今为止，绝大多数的二轮摩托车均采用伸缩筒式前悬挂【l 0 1 。 1 1 2 摩托车悬挂装置的发展趋向 从5 0 c c 的家庭用车到1 5 0 0 c c 的大型旅行车，其悬挂装置都是将行驶稳定性、 乘坐舒适性放在首位的。 坐式摩托车、低跨式公务摩托车的前悬挂装置依然采用底部杠杆式前悬挂，但 结构上又有新的发展。 目前，大多数二轮摩托车是采用液压伸缩筒式前悬挂，本课题前悬挂选型就是 以分析各种伸缩筒前悬挂为依据。最近采用新型材料聚四氟乙烯处理过的金属缸筒 做滑动表面。大大减小了伸缩筒运动产生的摩擦；另外，近来还采用了空气调节式 油气前悬挂装置或抗“点头”装置的前悬挂装置，可有效的防止紧急制动时，由于 重庆大学工程硕士学位论文 重心前移，车体出现前倾的问题。 大多数二轮摩托车采用摇臂式后悬挂装置，本课题后悬挂选型就是以分析各种 摇臂式后悬挂为依据。由于后轮行程增大的要求，中央单减震器系统应用得越来越 广泛，极大地提高了车辆行驶稳定性和乘坐舒适性。 随着二轮摩托车高速化发展，对其悬挂装置产生的衰减力( 主要指阻尼力) 提 出了更高的要求，因而，些摩托车上采用了高压氮气封闭其内的油气式减震器， 使其具有高灵敏度的随动性和稳定性的减震性能。鉴于对高速性能行驶稳定性和乘 坐舒适性两方面的要求，采用了可根据载荷大小调节衰减力装置的减震器，在平常 行驶时，调至较低的衰减力，可得到较好的乘坐舒适性；在高速行驶时，调至较高 的衰减力，很容易得到高速行驶的稳定性。 新型的金属弹簧和空气压力并用的空气悬挂装黄，可随着后轮行程增大，空气 压力随之调整，从而简单地调节由于载重量增减引起的车身高度的急剧变化。另外 这种悬挂装置还具有在行程的前一半性能柔和，后一半急增的理想的弹簧特性，使 乘坐更加柔软舒适，更适于超高速行驶。 摩托车减震器的研制与开发将体现出几大趋势。一方面，减震器设计与制造技 术将更加强调系统的观念，它与悬架乃至整车的关系将更加密不可分，单独就减震 器而研究减震器将成为历史。另一方面，减震器总成的研究将向着内涵更深的方向 发展。在2 1 世纪，必须解决好许多深层次伺题，如舒适性、异响、硬阻涩、泡沫特 性和泥水特性等。只有不断的提高技术水平才能使我国的摩托车及零部件产业由摩 托车大国升华为摩托车强国。 1 2 摩托车悬挂装置的基本功能及设计要求 1 2 1 摩托车悬挂装置的基本功能 摩托车悬挂装置系指连接车身和车轮之间的全部零部件的总称。主要由弹性元 件( 弹簧) 、阻尼元件( 阻尼器) 和导向机构三部份构成，从而实现了车身和车轮之 间的弹性连接和弹性支承。当摩托车行使在凹凸不平的路面上受到复杂的激励时， 悬挂装置就会有效抑制和降低车身和车轮的动载，衰减它们的振动，起到一个低通 滤波器的作用，以确保摩托车行驶的舒适性和安全性。 摩托车悬挂装置分为前悬挂装置和后悬挂装置。前悬挂装置有伸缩式和杠杆式 两种结构型式；后悬挂装置有摆动式和摇臂式。而摇臂式又分双减震器摇臂式；单 减震器杠杆式、连杆式、全浮式。 摩托车悬挂装置的基本功能： 对于摩托车车体，能在上下以外的方向上以适当的刚度支撑车轮，保持前后 车轮在同一平面内运动，以其刚性保持摩托车行驶平稳性所必须的车体尺寸，以保 1 绪论 证摩托车直行稳定性，提高其操纵性能。 摩托车车体倾斜转弯行驶时，在悬挂装置上产生了扭力，即左右悬挂装置受 有不平衡的负荷，由于悬挂装置具有适当的扭转刚度，能使左右悬挂装置的负载变 得平均，以保证摩托车行驶的平稳性。 在制动和加速时，由于重心前移和重心后移产生了对前后悬挂装置的冲击， 引起摩托车车体姿势前倾、后仰变化。前后悬挂装置的合理匹配应能尽量减少这种 变化，以减小摩托车的纵向震动，保证摩托车驾驶稳定性和乘坐舒适性。 抑制因路面不平产生的令人不舒适的冲击和震动等，从而保护车体、驾驶 员、乘员及货物等，提高乘坐的舒适性。 使路面始终保持最佳的接触( 在道路上压有印痕) ，从而使摩托车的驱动力、 制动力、转向力等产生于轮胎和路面之间，以保证摩托车的正常运行，以及行驶稳 定性和制动安全性。 1 2 2 摩托车悬挂系统设计要求 摩托车悬挂系统对摩托车的行驶平顺性、稳定性、通过性、乘坐的舒适性、燃 油经济性等多种使用性能都有很大的影响，因此在悬挂系统设计中应满足上述的使 用性能要求【9 】【10 1 。 保证摩托车具有良好的行驶平顺性和乘坐舒适性，在摩托车所有的载荷范围 内其固有频率，应为人体所习惯韵步行时身体上下运动的频率( 1 o 1 3 h z ) ： 为获得良好的转向性，悬挂系统应考虑不同型式的导向机构，确定悬挂系统 的结构类型： 保证摩托车具有良好的行驶稳定性，悬挂装置应具有理想的弹性特性、阻力 特性，能保持车身高度不变，在制动时应有抗“点头”作用和在加速时应有抗“仰 头”作用。 保证有一定的使用寿命，重量轻，安全可靠。 i 3 论文研究意义 目前国外的减震器生产有着完整的工艺过程，由于注重研发，产品的种类很多 已形成系列化，更新换代也比较快。我国减震器的研究和使用较晚，相比于国外减 震器设计的先进性、科学性和成熟性，我国的起点相当低。虽然我国摩托车减震器 行业规模也已经具备年产上千万套的能力，但由于国外企业的技术保密，目前我国 减振器的生产大部分仍停留在对进口的产品的测绘和仿制阶段，缺乏实质性的基础 理论研究和强有力的技术支撑。随着我国加入w t o ，对知识产权保护力度加大， 迫切要求提高我们自主开发能力：本课题拟在对减震器的结构、工作原理、设计参 重庆大学工程硕士学位论文 数、设计方法进行理论研究的基础上，结合企业的生产实际，开发大排量豪华太子 车的前后悬挂，完善嘉陵大排量高档太子摩托车悬挂产品系列，并力求使开发的减 震器在国内处于技术领先地位。课题展开过程中悬挂系统的设计实现由经验设计过 渡到以科学实验和技术分析为基础的现代设计，利用电子计算机对产品的大量数 据、资料进行处理，设计计算，绘出产品图纸，实现计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 。同时学习和运用先进的设计手段，利用计算机进行有限元强度分析、 整车及悬挂系统振动分析，摩托车结构参数及性能参数等的优化选择与匹配，使产 品的设计科学合理1 4 】【5 1 。在摩托车悬挂系统开发过程中引进新的测试技术和各种专 用的试验设备，进行科学实验，从各方面对产品的结构、性能和零部件的强度、寿 命进行测试。根据市场调研，j h 2 5 0 1 车型按照年产l 万辆，每台出厂价一万元计 算，每台车厂家获取20 利润计算，每年可为企业带来20 00 万直接效益，并 提高企业的品牌。 嘉陵2 5 0 太子摩托车是嘉陵独立研制出的新一代豪华美式太子车摩托车。四冲 程双缸2 5 0 m l 发动机，动力强劲，运转平稳，加速性能优良，全车采用大量浑圆和 平直的体、面、线形态，用大量镀铬件装饰，提高整车的光泽度、增强整车的古典 化倾向，外观华丽，造型雄浑厚重，现代美与古典风格有机融合。该款车型综合了 嘉陵二十年长期积累的摩托车设计实践经验和最新摩托车生产设计技术。作为摩托 车重要组成部分的悬挂系统是一种汇集机械元件、零部件、不同金属与非金属材料 及机械加工工艺的典型的机械产品，考虑到其结构特点、使用条件以及大批量生产 等情况，因此其设计涉及到基础理论、专业基础理论及专业知识的综合应用，本课 题对嘉陵第一款全新2 5 0 c c 排量摩托车的悬挂系统进行研究开发，产品经过实验台 检测和道路试验，安装在2 5 0 c c 型摩托车上表现出较好的操纵性、乘骑舒适性和良 好的道路适应性。 图1 1 嘉陵2 5 0 太子车整车造型 f i g 1 1p i c t u r eo f j i a l i n 9 2 5 0 c cm o t o r c y c l e 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 2 摩托车前后悬挂的结构分析选择 2 1前悬挂的结构分析与选择 2 1 1 前悬挂装置概述 对于汽车而言，前减震器为前悬挂装置构成的一部分，由于摩托车结构设计的 具体要求，将弹簧和阻尼器安装为一个总成部件前减震器。前悬挂由两只前减 震器构成，在摩托车上用方向柱固接在一起，起转向限位功能，兼有弹簧和阻尼器 作用的前悬架国外称之为前叉，而我国根据国家标准术语的规定，将其定名为减震 器。所以对摩托车而言前减震器是综合了前悬挂所必须的所有元件，故对摩托车前 悬挂的研究重点就是研究前减震器f 9 】【1 0 1 13 1 。前悬挂结构如图2 1 所示。 驯 川 8 i 工_ 计寸 一 蕈。i i ， 图2 1 前悬挂结构 1 方向柱2 前减震器( 数量2 ) f i g 2 _ 1 s t r l l c t l l r eo f f r o n ts u s p e n s i o n 1 s t e e rr o d2 f r o n ts h o c ka b s o r b e r ( q t y2 ) - - n 减震器其质量的优劣对摩托车来说非常重要。如果减震器阻尼力过小或不 存在，从理论上讲。振动将永远持续下去，会使轮胎时而紧贴地面，时而轻贴地面， 时而跳离地面。这会严重损害轮胎的接地性，在高速行驶时摩托车极易因失去控制 而造成翻车事故；如对减震器的阻尼力过大不做限制，将会产生过大的冲击力，造 成阻尼器元件损坏或妨碍车轮的迅速回弹；如减震器压缩阻力大于复原阻力或相等， 在实际使用中车轮经常受到地面冲击，不论车轮受到何种障碍，此时阻尼器受压产 重庆大学工程硕士学位论文 生的阻尼力作用于车身，对车身形成冲击会使用乘员感到不适。 一副合格的减震器的阻尼器，它能缓和车身振动，改善车轮的接地性，使车辆 的平顺性、制动性、转向操纵性、安全性、等众多重要性能得到提高。 合格的减震器必需满足以下几条： 1 ) 复原阻力必须大于压缩阻尼力( 除越野车外) ； 2 ) 缓冲力是复原力的2 0 0 以上； 3 ) 示功图应饱满无异变、畸形。 嘉陵2 5 0 太子摩托车前悬挂装置由两件并列的伸缩筒式前减震器构成，前减震 器主要由内筒、外筒、弹簧等零件组成，内筒安装在外筒孔内，工作时，内筒在外 筒内滑动，所以称为伸缩筒式。根据伸缩筒结构形式不同，主要分为以下三种【9 1 ： 简易型伸缩筒式前悬挂 其内外筒的间隙较大，内装有弹簧和减震橡胶，无减震液，故没有阻尼结构， 价格最便宜，常用于小型家用车及坐式车上。 倒立型伸缩筒式前悬挂 该悬挂1 9 7 9 年开始用于公路赛车，1 9 8 8 年才大量生产使用。倒立型结构与正 立型正好相反，直径大的外筒布置在上部，活塞杆固定在上部外筒内，滑动的内筒 则在下部，油封上部为有减震油的滑动部分。因此，减震器若漏油，则油滴便滴到 制动盘和轮胎上，不仅有碍制动，而且还会腐蚀轮胎。同样，为了保证滑动部分免 受飞石和灰尘的伤害，在前叉下部设置有保护罩。 前轮轴安装在伸缩筒式前叉的下端：其夹紧装置由于承受有路面的冲击力，转 向时的测向力和转向力矩，必须具有足够的拉伸、剪切强度及刚度，且安装及工作 应可靠，倒立型伸缩筒式前悬挂如图2 2 所示。 图2 2 倒立型伸缩筒式前悬挂 f i g 2 2 f r o n ts u s p e n s i o n ：t e l e s c o p i c ，t u b e ，u p s i d ed o w n 6 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 标准型伸缩筒式前悬挂 这种前悬挂装置，生产历史最早( 1 9 3 0 年) ，1 9 5 5 年开始批量生产。其结构 合理，对于相对滑动的部位，要求由较高的制造与装配精度，进行过抛光加工等， 导向衬套用聚四氟乙烯制成，使工作时内外筒不仅能相对滑动，而且能承受弯曲力。 为了保护滑动部位不受灰尘和外来物的伤害，越野车前悬挂的滑动部位装有防尘套 或套靴，标准型伸缩筒式前悬挂性能优越，国内加工工艺成型如图( 2 3 ) 所示，为 本课题所选结构。 dil 剖：i 1 耐 图2 3 标准型伸缩筒式前悬挂 f i g 2 3 f r o n t s u s p e n s i o n ：t e l e s c o p i c ，t u b e ，s t a n d a r dt y p e 2 1 2 前悬挂装置的主要结构参数 前伸距，与前伸角1 3 1 0 】。 在摩托车的侧向平面内，方向柱轴线与前轮垂线的夹角称之为前伸角( 亦称之 主销后倾角) ；方向柱轴线与地面的交点至前轮与地面接角触点之间的距离称之为前 伸距( 亦称前叉伸长量) ，见图2 4 。 摩托车转向时，前轮将转向力矩传给地面，并引起路面对前轮的侧向反作用力。 由于前伸角、前伸矩的存在则形成使前轮回正的力矩，也称稳定力矩。一般来说， 前伸角、前伸距大，则回正力矩也增大。因此，前伸角、前伸距的大小不仅直接影 响到摩托车轴距的大小和车架刚度，而且对摩托车的稳定性和操纵灵活性起着决定 性的作用。 重鏖盔堂三堡堡主堂壁笙塞 图2 4 前悬挂前伸距l 与前伸角1 3 f i g 2 4 s h o o to u td i s t a n c ela n da n g l eb 表2 1国外典型车型的前悬挂装置参数 t a b l e 2 1 s p e c i f i c a t i o n so f f r o n ts u s p e n s i o nn o w i nu s e 车名b ，。i ，m m车名 b ，。l ，m m 公路车越野车 本田c b 7 5 0 k2 7 51 1 7雅马哈x t 5 0 03 0 51 3 5 雅马哈x s 7 5 02 8 ，5 1 0 3铃木s p 3 7 03 2 01 5 6 铃木g $ 7 5 0 g2 7 51 1 3本田x l 2 5 0 s2 8 51 3 8 川崎k z 7 5 0 f x2 5 5 8 7川崎k e l 2 53 1 01 3 4 本田c b 4 0 0 1 42 7 0 l o o雅马哈d t 9 03 0 51 3 0 雅马哈g x 4 0 02 7 08 4 其它用车 铃木0 s x 4 0 02 8 01 0 5本田n c 5 02 3 07 0 川崎k 7 _ a 0 02 7 01 0 0雅马哈s a 5 02 7 07 0 1 雅马哈r x l 2 52 7 59 9铃木f a 5 02 4 o7 0 雅马哈d x l 0 02 6 58 6本田c 5 02 6 5 7 5 本田c b l 2 5 t2 7 09 0铃木7 52 7 0 5 6 铃木r g l 2 52 7 09 7川崎k v 7 52 7 06 0 各种不同用途、不同类型的摩托车对上述参数的要求也各有不同，见表2 1 。 般来说越野摩托车由于要求离地间隙要大、回正力矩要大，所心其前又较长，前伸 距与前伸角也较大。公路运动车由于车速高，稳定力矩要求大，所以其前叉的前伸 角与前伸距也相对较大。而一般小型车、家庭及商用车由于车速较低，其转动惯量 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 较小，回正力矩也小，则其前叉的前伸角与前伸距也相对较小。嘉陵2 5 0 豪华太子 车属公路型，借鉴美国哈雷车造型风格，采用超大前伸距与前伸角，前伸角3 3 度， 前伸距为2 0 7 毫米，回正力矩大，保证了高速行驶时的操纵稳定性，车体部件经精 i i , 设计布置，使整车乘骑舒适，操纵稳定，在国内大排量车前悬挂选择中处于超前 地位。对比分析表2 1 国外典型车型的前悬挂装置参数，嘉陵2 5 0 太子车前悬挂装 置参数设计合理。 2 1 3 前减震器结构方案的确定 目前国内市场太子车上所采用的前减震器均为准型伸缩筒式前减震，对该减震 做进一步详细结构分析，按照具体结构不同又可细分为：外弹簧结构减震器、外活 塞结构减震器、无支撑套( 齿环) 减震器、单支撑套( 齿环) 减震器和双支撑套( 齿 环) 减震器五种。下面对其进行分析比较确定前减震器结构设计方案。 外活塞结构减震器 外弹簧结构减震器 外弹簧结构减震器特点： 1 ) 复原阻尼力较小，不合格； 2 ) 缓冲阻尼力合格； 3 ) 工序多、制造困难： 外弹簧结构减震器在四、五十年代以前是一种主导型减震器结构，随着铝合金 的应用而取代了铁筒，由于铁筒经扩径加工、焊接等工序，该减震器变形非常大， 往往焊接后需要增加加工工序，而成本居高不。不象内弹簧减震器具有结构紧凑、 美观、灵巧等优点。 外活塞减震器如图2 5 所示 图2 5 外活塞减震器结构 f i g 2 5 s t r u c t u r eo f o u t e r p i s t o ns h o c ka b s o r b e r 1 1 特点： a 复原阻尼力合格： b 示功图图形无异形和畸变 9 重庆大学工程硕士学位论文 c 上下止点均有液力缓冲阻力且 2 0 0 ； d 有导向套 2 ) 工作原理： a 腔在前叉管组合外，活塞将a 腔和b 腔隔开，阻尼孔置于前叉管上，当减震 器复原拉伸时，a 腔形成高压，油液从阻尼孔挤出，形成复原阻尼力。但阻尼孔的 二个孔距离油封较近，而且当减震器在接近复原的极限位置时，二阻尼孔先后被导 向套封住，形成数倍于复原阻尼力的缓冲阻尼力。a 腔的油压很高而油封距离a 腔 较近，高压油从阻尼孔冲出，经导向套的间隙冲击油封，这样油封唇口内外压相差 很大，油封存承受不了这么高的负荷而增加渗漏油。 3 1 结论： 外活塞结构减震器结构由于渗漏油的比例大目前已被淘汰，市场上很少出现这 种产品。 无支撑套( 齿环) 减震器 无支撑套( 齿环) 减震器结构如图2 6 所示。 鲑萝厘：三 t 捧；l 4 * 7 f n ； 一 e 自 目 fj ，m e 图2 6 无支撑套( 齿环) 减震器结构 f i g 2 6 s t r u c t u r eo f n o n e b u s h i n g ( g e a r ) s h o c ka b s o r b e r 1 ) 特点： a 支撑套( 齿环) 减震器无上下支撑套，阻尼力在0 5 m s 下其复原阻力仅为 7 0 n 以下且压缩阻力往往大于复原阻尼力； b 支撑套( 齿环) 减震器从结构上讲，底筒组合减掉了轴套( 复合导向套) ： 前叉管组合减掉了上下支承套、弹性圈( 鞍形簧片) 、衬套、支撑座：减震器少了定 #目蚶灌 h k b t h 皓 一碰 t ， c i ， 警一 耱 k 一| ： 礴骑 一一确群雅h ：t， m h糖堪 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 位套、背撑环( 起固定油封的作用) ：等多种零件； c 叉管组合长度可缩短3 0 r a m 左右； d 底筒组合减掉了轴套( 复合导向套) ，减震器工作时有一定的侧向力，必将 造成前叉管组合单面磨损、油封渗漏油等弊病出现； e 上下支撑套极易造成卡滞卡死现象，失去柔和性。 压缩行程和复原行程中阻尼套始终处于密封状态下，因而其阻尼力无法自动调 整。 2 1 结论 无支撑套( 齿环) 减震器是一种不合理的结构，由于其零件减少，成本下降， 性能差，是这种结构是典型的不合理结构。目前些生产假冒伪劣产品的三无厂家 产品主要就是这种结构，对于它们减震器即是减震弹簧，起缓冲作用，减震器只要 不漏油、成本低就行。 单支撑套( 齿环) 减震器 单支撑套( 齿环) 减震器结构如图2 7 所示，该减震器结构比较合理，减震效 果较好，和双支撑套( 齿环) 减震器相比，单支撑套( 齿环) 减震器减掉了下支撑 套，成本稍低。但由于没有了下支撑套的自动调正作用，底筒的内径、前叉管组合 的外径、前叉管组合衬套的内径、定位套的外径一定要同心，直线度要直：相应的 加工精度也要求较高。因为当减震器压缩下行时。前叉管组合到达定位套时，单支 一一 j 镕 【j 4 ) # 藏l l m 2 置l # lj 自i f 日 4f 二i i ，十目r ，_ 目7 # h | # 9 f # j0 、自4 ii i ，i s fi ：，f ；i - ：# ij # - j 匪薹霾照妄三三 f 自 ： # ；j e 自 图2 7 单支撑套( 齿环) 减震器结构 f i g 2 7 s t r u c t u r eo f s i n g l eb u s h i n g ( g c a r ) s h o c ka b s o r b e r 重庆大学工程硕士学位论文 撑套( 齿环) 减震器主要是通过前叉管组合内衬套的锥面和定位套的锥面接触、调 整、配合，减震器继续压缩下行，上支撑套也起到密封作用，上支撑套内径密封定 位管下端的大孔，这时油液在b 腔形成密封，无处流动，这样就形成高压，这即是 下止点的缓冲阻尼力，用以确保摩托车的安全。由于定位套与衬套之间的间隙不能 过大，如果过大，其缓冲阻尼力就不能达到复原阻尼力的2 0 0 以上，也就是说，b 腔的油液不能充分被密封，无法形成足够的高压，当减震器遇到强烈冲击时，可能 发生前叉管组合撞击到底筒下端面，发生触底现象；如果定位套与衬套之间的间隙 过小，当制造时底筒的内径、前叉管组合的外径、前叉管组合衬套的内径、定位套 的外径同心度，直线度有误差时，很容易造成减震器在使用过程中出现卡滞现象， 甚至于出现卡死事故、失去柔和性，所以这种减震器的加工要求高、难度大。 单支撑套( 齿环) 减震器的特点与工作原理同双支撑套( 齿环) 减震器。嘉陵 2 5 0 方案定型时，配套厂工程设计人员曾建议采用此方案以降低成本，考虑到嘉陵 2 5 0 属高档车型，该方案最终被否决。 双支撑套( 齿环) 减震器 双支撑套( 齿环) 减震器结构如图2 8 所示，该减震器结构合理，减震效果好。 ：丽二一 脚：廷篆 jo 厩厮组j 铀j 三，f 自 图2 8 双支撑套( 齿环) 减震器结构 f i g 2 8 s t r u c t u r eo f d o u b l eb u s h i n g ( g e a r ) s h o c ka b s o r b e r 1 ) 特点： a 复原阻尼力合格； b 示功图图形无异形和畸变； 环壤措”4 * 0 7 目垫 3 ，b 圈婚 ； 卡一正 鼎 孓n 二 憎 目， 川 呲雠 镕 4 1 1 1 鼠 黔合菅组 。 昶艚 3 o 弹簧晨弹减冲，缓 ，l ， 9 组环 耋善 螺砖 n 0 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 c 上下止点均有液力缓冲阻力且 2 0 0 ； e 有导向套； f 有结构合理的油封。 2 1 工作原理： 参照图2 8 ( a 前减震器、b 前叉管组合) ，当压缩时下支撑套向下运动( 不起到 密封作用) ，这时由定位管和前叉管共同密封形成的a 腔为低压区，由底筒、定位 套、定位管和前叉管共同密封形成的b 腔为高压区。这时b 腔的油液受压通过定位 管下部大孔进入定位管中心孔向上流动( 由于定位管下部大孔相对于上部的阻尼孔 直径很大，所以可以忽略其流动所形成的阻尼力) 。由于a 腔为负压，因而部分定 位管中心孔中的油液从二个阻尼孑l 进入a 腔( 参照图2 9 a ) ；b 腔的压力经前叉管 组合的下支撑套、衬套与定位管之间的间隙作用于前叉管组合的上支撑套的端面， 当b 腔的压力大到一定值时，这个压力能克服前叉管组合中弹性圈作用在上支撑套 上的预压力，使上支撑套与衬套之间产生间隙，因而另一部分b 腔的油液通过定位 管与前叉管组合配合这个缝隙进入a 腔( 参照图2 9 b ) ：当摩托车行驶过程中遇到 障碍，减震器的运动速度到达一定值时，b 腔的压力与弹性圈的预压力值相等，上 支撑套即将开启时，这时的减震器运动速度称为开阀速度；由于在减震器压缩过程 中b 腔中的油液可以通过两个路径至a 腔，这样其阻尼力不会太大。 十 蠢两荐至羹薹喜妄三三三；磊：正 、_ 一 、 + 牟 三 一*i一=_v_ 、 十 l 十 一w ：一口7 、r 咀r f、一 二旺+、阻巨孔b 睚i 孔 a部分b 腔油液通过定位管与前叉管缝隙进入a 腔 ：二旺f ；二二= 二：= 与 ：匾兰耍垂e 皓e j = ! 斟! 二 b 高速开阀状态 图2 9 双支撑套( 齿环) 减震器工作原理 f i g u r e 2 9w o r k i n gp r i n c i p l eo f d o u b l eb u s h i n g ( g e a r ) i s h o c ka b s o r b e r 当减震器继续压缩下行时，前叉管组合到达定位套时，经下支撑套的导向作用 ( 导向作用的完成主要通过下支撑套在前叉管组合中的浮动，下支撑套的锥面和定 位套的锥面接触、调整、配合) ，前叉管组合内衬套的内径与定位套的外径接触、调 重庆大学工程硕士学位论文 整、配合( 衬套的内径、定位套的外径、下支撑套的内径三者的名义尺寸是一致的) ， 减震器继续压缩下行，上支撑套也起到密封作用，上支撑套内径密封定位管下端的 大孔，这时油液在b 腔形成密封，无处流动，这样就形成高压，这即是下止点的缓 冲阻尼力，用以确保摩托车的安全。在前叉管组合中，由于上、下支撑套由衬套和 支撑座固定在前叉管内，上下支撑套外径与支撑座内径之间存在一定的间隙，下支 撑套在前叉管组合中可以产生一定的浮动，即在前叉管组合与定位套接触时可以自 动调正，所以因制造时产生的不同心所造成的误差能减少和彻底解决卡死和卡滞现 象。 当减震器复原时，这时a 腔为高压区，b 腔为低压区，前叉管组合内上支撑套 在高压油的作用下，其端面紧紧被压在衬套的端面上，由于有上支撑套与衬套端面 之间的密封、定位管开槽内活塞环与前叉管内壁的密封作用，因此油液只能由定位 管上端的二个阻尼孔流向b 腔，由于阻尼孑l 直径小而产生相当的阻力，产生复原阻 尼力。 3 ) 结论： 双支撑套( 齿环) 减震器具有完善的结构、零件多、成本高，复原阻力大于压 缩阻尼力；有足够大的缓冲力；示功图饱满无异变、畸形；符合减震器的性能要求， 广泛地应用于中、高档摩托车上。嘉陵2 5 0 前减震器即产用该种结构。 总之，目前市场上所见到的前减震器的结构主要是以上五种，还有如充气式减 震器、单一弹簧式减震器等，因使用和生产极少不在此作分析。 2 2 摩托车后悬挂的结构分析与选型 2 2 i 后悬挂装置概述 后悬挂装置的分类 后叉与后减震器一起构成摩托车的后悬挂装置( 有的车型还带有连杆构件) ，主 要用以连接车架、后轮和后减震器，是后悬挂装置中的主要受力构件，对于驾驶安 全性能有重要影响。所以提高后叉与车架匹配的刚性( 必要的纵向、横向以及扭转 刚性) 和强度是非常重要的。 后悬挂装置目前基本上都是摇臂式的，其分类如下： 广普通式 - 双臂式摇臂l 渐进连杆式 腮戡置匕黧 各类悬挂装置的特点 1 4 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 1 ) 普通式结构见图2 1 0 ，在国内外各排量摩托车系列里，这是最典型、最 常见的一种后悬挂型式。在后摇臂( 又称后轮叉) 上支撑着两个后减震器，平衡良 好，减震效果良好，易于制造、物美价廉实用。该结构型式被我国绝大部分车型所 采用，工艺技术较为成型，嘉陵2 5 0 太子车即采用这种型式。 鬻圣辜寥要革亨兰兰三享掺 一j 暑。 ”、 ，“一。毒、 2x i 气譬、 罐誉 图2 1 0 普通式悬挂装置( 嘉陵2 5 0 c c ) 1 车架2 后减震3 后叉 f i g 2 1 0c o m m o ns u s p e n s i o n ( j i a l i n g2 5 0 c c 、 2 ) 渐进连杆式结构见图2 11 ，该结构采用双摇臂单后减震器连杆方法，减震 器上连接点在发动杨尾部，下连接点通过一连杆机构叉铰连，缓和振动冲击的能力 大为提高。因零部件集中在整车重心附近，所以整车受振动冲击的动量相对消弱， 车后部的空间变大，也利于其他构件的布置。这种结构在越野车上应用广泛，近年 有一部分道路行驶车也普及这种方式。 重庆大学工程硕士学位论文 1 车体2 藏震暑3 连轩a 4 连杆bs 后天 图2 1 1 渐进连杆式 f i g 2 i1g r a d u a l l yc o n r o dt y p e 3 ) 单臂式摇臂又称渐进臂，结构见图2 1 2 ，这是在道路上长途竞赛时，为了 缩短换轮胎时间而专门发的一种型式，除了拆装车轮容昴外，一侧有较大空间、排 气系统可以得到较好地配置，整车也显苗条。其缺点横向刚性不良，生产加工成本 高，质量也大，这种型式在我国还很少见。 图2 1 2 单臂式摇臂 f i g 2 1 2s i n g l er o c ka r mt y p e 4 ) 整体式摇臂结构见图2 1 3 ，整体式摇臂后悬挂在我国还是较常见的，发动 机和摇臂是一体的，刚性高、成本低，后轮拆装方便，国内外小型坐式摩托车大都 采用这种方式。乘骑舒适性教差，在允许的范围之内。 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 图2 1 3 整体式摇臂 f i g 2 1 3i n t e g r a t er o c ka r m 2 2 2 后悬接装置的主要结构参数 图2 1 4 表示了后悬挂装置的结构参数及其相关参数【1 0 】，这些参数主要是后轮叉 安装倾角y 以及后减震器安装倾角u ，后轮叉的前后开档的安装宽度，后减震器安 装长度h ，两前后轴孔的距离，。( 参考图2 1 0 ) 圉2 1 4 后悬挂的结构参数 f i g 2 1 4 s t r u c t a r a ls p e c i f i c a t i o no f r e a rs u s p e n s i o n 悬挂结构参数的确定与选取比较灵活，主要取决于摩托车的整体造型要求，而 且不同车型不同设计风格要求也不尽相同。诸如：后轮叉前支承孔开档尺寸与车架 有关，后安装轴孔开档尺寸则与后轮毂、轮轴组合装配后的宽度有关，其两轴孔l 的长度又与整车的轴距l ，发动机的摆放位置，后轮叉与车架的连接点位置有关等。 而对r ，a 两参数的确定和选择，由于该两参数对整车的性能有着重要作用，应参 重庆大学工程硕士学位论文 考同类车型的经验数据加以综合公析后再确定为稳妥。 后减震器安装倾角o a 是指后减震器轴心线与后轮轴铅垂线间的夹角。该倾角的大小对整车性能有 较大影响。a 值过小，骑行中整车所受的振动冲击能将使后减震的垂直变形能量增 加，水平变形能量减小，影响车辆的垂直稳定性且易影响前悬挂装置使前悬挂产生 “点头”的现象。而n 值过大虽会使整车缓冲有力提高，但减震器自身的减震作用 消弱，同时还要受到整车造型的制约。一般普通车辆的安装倾角。值大致在1 5 0 - 2 5 o 范围，越野车则u 值相应大些，以增强抗冲击的能力，一般在4 0 0 左右。 后轮叉的安装倾角y 后轮叉的安装倾角y 是指后轮叉前后两安装轴孔中心连线与水平基准线之间夹 角。y 值小，将使后轮处向上的垂直变形能增加，水平变型能含量减小。同时保持 一个合理的y 的倾角，还能使整车在满载时，后轮叉向接近水平线方向变化，使车 体能得到一个向前的水平推力。一般车型由于结构等因素的制约，安装倾角y 大致 在4 0 8 0 之间取值。 经过设计嘉陵2 5 0 太子车后悬挂装置的主要结构参数：如图2 1 0 所示，嘉陵2 5 0 太子车后减震器安装倾角a 为4 0 度，后轮叉的安装倾角y 为5 度，其两轴孔l 的长 度为5 1 0 毫米，后减震器的安装长度为3 3 5 毫米。对比分析表2 2 几种车型的后悬 挂装置参数结构，嘉陵2 5 0 太子车后悬挂装置参数设计合理。 表2 2 几种车型的后悬挂装置参数 c h a r t 2 2 s p e c i f i c a t i o no f r e a rs u s p e n s i o nn o w i nu s e 轴距后轮叉安装后减震器后减震器安装后轮又安装 车型 m m 倾角t ，。安装倾角a ，。长度，m m长度，n l m j h 7 0n 7 561 53 3 03 6 5 q $ 9 0 1 1 8 563 1 52 8 53 7 6 n f l 2 51 2 5 081 53 1 54 4 6 r x l 2 51 2 4 07 51 53 1 54 5 5 d x l 0 01 i 8 041 62 8 83 8 5 c b x 2 5 0 s1 2 9 082 53 2 54 8 7 g s x 4 0 0 f s1 4 1 582 53 1 54 9 6 g s l 2 51 2 8 542 53 1 54 6 5 2 2 _ 3 后减震器工作原理 上面谈到了后悬挂系统的结构、工作原理以及在摩托车上的重要作用，在后悬 2 摩托车前后悬挂的结构分析选型及参数确定 挂系统系统中起缓冲作用的主要还是后减震器。下面分析后减震器结构及参