（光学工程专业论文）大客车空气悬架的设计匹配与仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 商用客车一直是人们出行的重要交通工具，随着我国经济社会的发展和相关道路法规 的实施，其行驶平顺性，操纵稳定性和安全性已成为人们的关注的焦点。由于空气悬架系 统的采用能够明显地提高客车的行驶性能，因此其应用日益广泛。目前，就国内应用来说， 空气悬架主要以引进组装为主，真正具有自主设计、开发、制造空气悬架系统能力的公司 很少。因此，有必要对客车空气悬架系统的设计开发进行研究，以提高空气悬架的自主研 发能力，并为空气悬架的实际应用提供技术支持。 目前，空气悬架的设计开发主要集中在：空气弹簧的设计与制造，空气悬架的结构设 计，空气悬架的参数匹配，空气悬架系统的控制实施等关键领域。本研究课题以某1 0 米长 大客车为技术背景，对现行空气悬架结构进行分析选型，并根据总体技术参数和总体布置 要求，对空气悬架系统进行设计开发，主要工作如下： 1 、空气悬架导向机构设计：进行了双横臂前悬架结构设计，建立了运动学数学模型， 并进行运动学仿真分析及优化；针对所设计的双横臂独立悬架进行转向机构的匹配设计与 优化；进行了v 型四杆机构后悬架的结构设计。 2 、悬架参数设计与匹配：根据整车结构布置及载荷情况，以平顺性和操作稳定性为目 标，对悬架刚度和阻尼进行了设计匹配，在此基础上进一步进行了空气弹簧和阻尼器的设 计与选型。 3 、建立车辆悬架s i m u l i n k 仿真模型：在悬架参数设计与匹配的基础上，分别建立了 车辆悬架单轮模型和整车模型，同时建立了相应的悬架非线性模型和空气悬架机械式控制 模块以便进行计算机仿真。 4 、相关性能评价：根据车辆悬架模型的计算机仿真结果，对其进行时域和频域分析， 对所设计的空气悬架系统进行了相关性能评价和分析。 5 、悬架设计软件的开发：将课题所涉及的悬架设计过程和方法进行了程序化处理，开 发出悬架设计软件，具有一定的工程意义和实际应用价值。 课题涉及到c a d 技术、c a e 分析、动力学、优化设计、机构学、信号处理与分析和软 件技术等学科，并应用a d a m s 和m a t a l a b 软件对客车空气悬架系统的设计与开发进行了有 益的探索：一方面，基本掌握了一套有理论做支撑，并且行之有效的悬架设计流程和方法 以及仿真评价手段，为其他结构形式的空气悬架系统的开发提供参考。另一方面，对其中 涉及的部分关键技术和环节做出合理可行的解决方案，为空气悬架在商用客车上的应用提 供技术支持。另外，针对客车空气悬架系统的设计，开发了相应的悬架设计软件，使得空 气悬架设计程序化、简单方便、快捷有效，具有一定的工程意义和实际应用价值。 关键词：客车空气悬架双横臂平顺性悬架设计s i m u l i n k 仿真悬架设计软件 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t c o m m e r c i a lb u s e sh a v eb e e na l w a y st h ei m p o r t a n tm e a n sf o rp e o p l e st r a v e l i n go u t a st h e d e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m ya n ds o c i e t ya n dt h ec a r r y i n go u to fr o a dt r a f f i cl a w s ，p e o p l e h a v eb e c o m em o r ef o c u s e do nt h er i d ec o m f o r t ，h a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya n ds e c u r i t y b e c a u s eo f a i rs p r i n gs u s p e n s i o ns y s t e mc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ed r i v i n gp e r f o r m a n c eo ft h eb u s a sa r e s u l t ，i t sa p p l i c a t i o ni si n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i ca p p l i c a t i o n so fa i r s u s p e n s i o n a r em a i n l yt h ei n t r o d u c t i o no fa s s e m b l y - b a s e d ，o n l yaf e wc o m p a n i e sh a v et h e i n d e p e n d e n ta b i l i t yo ft r u l yd e s i g n ，d e v e l o p m e n t ，a n dm a n u f a c t u r i n ga i rs u s p e n s i o ns y s t e m s t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt od e s i g na n ds t u d yt oi m p r o v et h ea i rs p r i n gs u s p e n s i o no ft h er & d c a p a b i l i t i e s ，a n dp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o ri t sa p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ，t h ed e s i g na n ds t u d yo fa i rs p r i n gs u s p e n s i o ns y s t e ma r em a i n l yo n ：t h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo fa i rs p r i n g s ，t h ea i rs p r i n gs u s p e n s i o ns t r u c t u r a ld e s i g n ，a i rs p r i n gs u s p e n s i o n p a r a m e t e r sm a t c ha n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea i rs p r i n gs u s p e n s i o ns y s t e m i nt h i ss t u d y ，t h e t e c h n i c a lb a c k g r o u n di s10 ml o n gb u s t h e na c c o r d i n gt ot h eb u st os e l e c te x i s t i n ga i rs u s p e n s i o n s t r u c t u r e a n di na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so ff u l lv e h i c l ep a r a m e t e r st od e s i g nt h ea i r s p r i n gs u s p e n s i o ns y s t e m t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 a i rs p r i n gs u s p e n s i o ns t e e r i n gm e c h a n i s md e s i g n ：t h es t r u c t u r ed e s i g no fd o u b l e w i s h b o n ef r o n ts u s p e n s i o n ，t h ee s t a b l i s h m e n to fak i n e m a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dk i n e m a t i c s i m u l a t i o na n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n ；t h e s t e e r i n gm e c h a n i s mm a t c h i n ga n do p t i m i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e df r o n ts u s p e n s i o n ；t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h e r e a rs u s p e n s i o ni nt h e v - s h a p e df o u ri n s t i t u t i o n s 2 s u s p e n s i o np a r a m e t e r sm a t c h i n g ：a c c o r d i n gt ot h e f u l lv e h i c l es t r u c t u r el a y o u ta n d l o a d i n gs t a t i o nt od e s i g n & m a t c ht h es u s p e n s i o n ss t i f f n e s sa n dd a m p i n gf o rt h er i d ec o m f o r ta n d h a n d l i n gs t a b i l i t y o nt h i sb a s i s d e s i g na n ds e l e c t i o na i rs p r i n ga n dd a m p e rf u r t h e r 3 e s t a b l i s h m e n to fv e h i c l es u s p e n s i o ns i m u l i n km o d e l ：b a s i n go nt h er e s u l to fs u s p e n s i o n p a r a m e t e r sd e s i g n t oe s t a b l i s has i n g l e - w h e e lm o d e lo fv e h i c l es u s p e n s i o na n df u l lv e h i c l e s u s p e n s i o nm o d e l a tt h es a m et i m e t oe s t a b l i s ht h en o n - l i n e a rs u s p e n s i o na n dm e c h a n i c a l c o n t r o ls y s t e mf o rt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n 4 r e l e v a n tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ：a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h e v e h i c l es u s p e n s i o nm o d e lt oc o n d u c tt i m e d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ，a n dt of u r t h e r e v a l u a t i o na n da n a l y s i st h ep e r f o r m a n c ed e s i g n e da i rs u s p e n s i o ns y s t e m 5 t h ed e v e l o p m e n to fs u s p e n s i o nd e s i g ns o f t w a r e ：a c c o r d i n gt ot h es u s p e n s i o nd e s i g n p r o c e s sa n dm e t h o d st od e v e l o ps u s p e n s i o nd e s i g ns o f t w a r e t h i ss o f t w a r eh a v eb e e n 、们t hs o m e e n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h i ss t u d yr e l a t e dt oc a d c a e ，d y n a m i c s ，o p t i m i z et h ed e s i g n ，m e c h a n i s m ，s i g n a l p r o c e s s i n ga n ds o f t w a r et e c h n o l o g ya n do t h e rd i s c i p l i n e s f u r t h e r m o r e t h i sp a p e rh a sa p p l i e d a d a m sa n dm a t a l a bs o f t w a r et od e s i g nt h ea i rs u s p e n s i o ns y s t e mf o rau s e f u le x p l o r a t i o n ： o no n eh a n d ，at h e o r ya n de f f e c t i v es u s p e n s i o nd e s i g nm e t h o d sa n ds i m u l a t i o ne v a l u a t i o nt o o l s h a v eb e e nb a s i c a l l yg r a s p e dt op r o v i d ear e f e r e n c ef o ro t h e rf o r m so fa i rs u s p e n s i o ns y s t e m s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 li 页 d e s i g n o nt h eo t h e rh a n d t h i ss t u d yh a v em a d es o m er e a s o n a b l ea n df e a s i b l es o l u t i o n st ot h e i n v o l v e dk e yt e c h n o l o g i e s ，a n dp r o v i d e dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ea i rs p r i n gs u s p e n s i o ns y s t e m a p p l i c a t i o no nb u s i na d d i t i o n t h i ss t u d yh a sd e v e l o p e ds o f t w a r ef o rb u sa i rs u s p e n s i o ns y s t e m d e s i g n i nt h i sw a y ，w ec a nm a k et h ed e s i g np r o c e s so fa i rs p r i n gs u s p e n s i o nm o r es i m p l y ， c o n v e n i e n t l y e f f i c i e n t l ya n de f f e c t i v e l y ，i ta l s oh a ss o m ee n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l v a l u e k e yw o r d s ：b u s ，a i rs p r i n gs u s p e n s i o n ，d o u b l ew i s h b o n e ，r i d ec o m f o r t ，s u s p e n s i o nd e s i g n ， s i m u l i n k s u s p e n s i o nd e s i g ns o f t w a r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 商用客车一直是人们出行的重要交通工具，随着我国公路运输业的发展、人民生活水 平的提高和新交通法规的实施，人们对客车的行驶平顺性、操纵稳定性和安全性提出了更 高的要求，因而研究如何使其行驶性能达到理想指标已经成为重要的研究课题，而空气悬 架技术正是提高其行驶性能的重要途径，其应用日益广泛。然而，在空气悬架技术的理论 研究和实际应用开发方面，我国与汽车工业发达国家相比具有明显的差距。目前就国内应 用来说，空气悬架主要以引进组装为主，真正具有自主设计、开发、制造空气悬架系统能 力的公司很少，即使那些正在开发的厂家也多是处于初级阶段，技术仍然不够完善。因此， 有必要对客车空气悬架系统的设计开发进行研究，以提高空气悬架的自主研发能力，并为 空气悬架的实际应用提供技术支持。 作为汽车重要装置之一的悬架，其主要作用是传递车轮和车身( 或车架) 之间的一切力 和力矩，并缓和路面传递给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，因而对汽 车的行驶平顺性、操纵稳定性、通过性等多种使用性能有重要影响n 1 。汽车空气悬架系统 以空气弹簧作为弹性元件，与阻尼器相匹配，并运用一定的控制策略，使汽车整体行驶性 能达到最佳，以进一步满足人们对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和安全性的要求，空气悬 架结构原理如图1 - 1 所示。 卜压气机2 一油水分离器3 一调压阀4 一储气筒5 、1 0 - 空气滤清器 6 一高度控制阀7 一控制连杆8 一空气弹簧9 一储气罐 图1 - 1 空气悬架结构原理图 空气弹簧悬架系统具有如下优点晗1 ： 1 空气弹簧具有非线性刚度特性曲线，因而可以设计得比较软，从而可以获得较低的 固有频和良好的车辆行驶平顺性。 2 通过对空气弹簧进行充放气，可以调节车身高度，从而可使车身高度基本不随载荷 的改变而变化。另外，由于空气弹簧的刚度可变，故可在较大范围内实现并保持频率不变。 3 空气悬架质量轻，弹簧刚度小，轮胎与地面具有较强的附着能力，转向稳定性好， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 从而提高了整车的操纵稳定性。同时，较低的空气弹簧刚度使得车辆行驶过程中车轮动载 荷较小，从而能减轻整车对路面的破坏性。 4 空气弹簧通用性好，能够减少悬架系统的振动噪声，提高其零部件的使用寿命。 5 若采用电控空气悬架，则能根据整车行驶状态进行悬架控制，从而获得更为理想的 悬架特性，提高整车平顺性和操作稳定性。 当然空气悬架也存在不足之处：由于空气弹簧只能承受垂向力，而不能传递纵向力和 侧向力，故需要匹配相应的悬架导向机构，同时空气悬架系统必须增加气源供给装置、储 气筒、相应的空气管路和高度调整机构，因此结构较复杂，成本较高。 1 1 空气悬架关键技术及发展现状 1 1 1 空气悬架关键技术b 儿钔 1 空气弹簧的设计和制造技术：橡胶气囊的设计制造技术对空气弹簧的性能特性和使 用寿命具有决定性的作用，当对空气弹簧进行充放气时，橡胶气囊会发生相应的膨胀变形， 而这种膨胀变形将进一步引起空气弹簧有效直径和面积的变化规律，从而决定了空气弹簧 的刚度特性曲线。另外，空气悬架在小型汽车上的应用会逐渐地普及，因此空气弹簧的小 型化也是其关键技术之一。 2 空气弹簧的匹配技术：空气弹簧具有与其他常规汽车悬架弹簧不一样的非线性弹性 特性曲线，研究这类刚度非线性的振动系统的传递特性也是其关键技术。 3 空气悬架导向机构的设计技术：由于空气弹簧必须配备相应的导向机构，其设计涉 及到车轮定位参数的变化规律、与转向系的匹配等运动学以及各种安装支架的结构强度特 性问题。另外，导向杆系的设计与汽车的操作稳定性也有密切关系。 4 空气悬架系统的控制技术：对于空气悬架系统来说，仅从刚度阻尼方面进行悬架设 计匹配是无法达到理想的汽车性能，因此电子控制式空气悬架将是其发展趋势。电控空气 悬架控制包括空气悬架的刚度控制、可变阻尼器的控制、车身高度和姿态控制等诸多方面， 其控制策略、控制算法、控制系统的硬件和软件应是研究的重点。 1 1 2 空气悬架的发展历史及研究概况 空气弹簧诞生于1 9 世纪中叶，于2 0 世纪3 0 年代开始应用于汽车工业。目前，空气悬 架在国外已广泛应用，特别是在高速客车、豪华城市客车、中重型货车以及挂车上已基本 普及，并且在一些特种车辆和专业车辆上，空气悬架的应用更为广泛。纵观历史，国外汽 车空气悬架发展经历了“钢板弹簧一复合式空气悬架一被动全空气悬架一半主动空气悬架 一电控空气悬架( 即全主动空气悬架) 的变化。2 0 世纪5 0 年代初，我国开始对空气弹簧 进行研究。1 9 5 7 年，在长春汽车研究所诞生了我国第一辆空气悬架的载重汽车，随后又相 继设计制造了公共汽车、火车等车辆的空气悬架。从2 0 世纪9 0 年代开始，为了适应市场 的需要，国内一些客车公司开始从国外引进空气悬架系统应用于高等级商用客车，如宇通 客车、金龙客车、亚星客车等汽车公司均有批量化的空气悬架客车投放市场。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 为了实现空气悬架的自主研发和实际应用，国内各大汽车公司、科研院所、大专院校 也对空气悬架系统进行了相关的理论研究和设计开发，研究领域也主要集中在空气弹簧的 设计与制造，空气悬架的结构设计，空气悬架的参数匹配，空气悬架控制系统等关键领域， 例如： 在空气弹簧技术方面：空气弹簧动态特性拟合及空气悬架变刚度计算分析，汽车悬 架用空气弹簧的开发与设计等文献对空气弹簧的设计、特性曲线计算拟合以及实验方面 进行了相关研究。 在空气悬架结构设计方面：双横臂独立悬架导向机构硬点匹配设计，基于虚拟样机 技术的汽车空气悬架系统导向机构设计，多体运动学在双横臂独立悬架分析与设计中的 应用等文献对空气悬架结构的设计、空间位置和姿态的描述分析和运动学仿真进行了研 究和探索，具有一定的实际价值和意义。 在空气悬架参数匹配方面：客车空气悬架参数匹配研究文中，建立了空气悬架客车 的半车数学模型及仿真模型，对不同减振器阻尼值搭配在典型工况下，进行了仿真分析，根 据仿真分析结果，对该空气悬架参数进行了匹配研究。 在电控空气悬架方面：载货汽车电控空气悬架的匹配设计与控制研究，半主动空气 弹簧悬架智能控制算法的仿真及试验研究，客车空气悬架系统的平顺性分析与模糊控制 研究等文献对空气悬架的控制理论，控制实验系统以及控制实施方面进行了有益的探索 和研究。 1 2 研究课题概述 1 2 1 课题研究背景及目标 本课题以某1 0 米长大客车为技术背景，对现行空气悬架结构进行分析选型，在此基础 上选择前双横臂独立悬架，后v 型四杆机构的全浮式空气悬架结构形式。根据该车型的总 体技术参数和总体布置要求，对空气悬架系统进行正向设计，主要包括：悬架结构设计， 悬架参数设计与匹配，计算机仿真模型的建立及仿真性能评价，以及悬架设计软件的开发。 力求通过本课题的研究：一方面，探索出大客车该型空气悬架系统的设计方法及仿真评价 手段，为其他结构形式的空气悬架系统开发提供参考。另一方面，对其中涉及的部分关键 技术和环节做出合理可行的解决方案，为空气悬架在商用客车上的应用提供技术支持。 1 2 2 课题研究内容 1 整车相关参数获取：获得设计所需的相关参数，为后续设计开发做好准备。 2 空气悬架导向机构设计：进行双横臂前悬架结构设计，建立数学模型，进行运动学 仿真分析及优化；针对所设计的双横臂独立悬架进行转向机构的设计与匹配；进行v 型四 杆机构后悬架的结构设计。 3 悬架参数设计与匹配：根据整车结构布置及载荷情况，并以平顺性和操作稳定性为 目标，对悬架刚度和阻尼进行设计匹配，并进一步进行空气弹簧和阻尼器设计与选型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 4 建立车辆悬架s h n u l i n k 仿真模型：在悬架参数设计与匹配的基础上，分别建立了车 辆悬架单轮模型和整车模型进行计算机仿真。 5 相关性能评价：根据车辆悬架模型计算机仿真结果，对其进行时域和频域分析，对 所设计的空气悬架系统进行相关性能评价。 6 悬架设计软件的开发：将课题所涉及的悬架设计过程和方法进行程序化处理，开发 出悬架设计软件。 1 2 3 课题研究方法及理论基础 本课题以多体动力学理论，优化设计理论，参数化设计为指导思想，以a d a m s 和m a t a l a b 软件为支撑，涉及到c a d 技术、c a e 分析、运动学分析、动力学分析、优化设计、机构学、 信号处理与分析和软件技术等学科。 多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学，它将刚体力学、分析力学与计算机 相结合，通过程式化的方式建立复杂机械系统的运动学和动力学数学模型，通过计算机计 算得到机械系统的运动学规律和动力学响应，并可以进行有效的数据后处理，以获得仿真 动画，图表等所需要的数据处理结果哺1 。 机构学是研究各种机械中有关机构的结构、运动和受力等共性问题的一门学科，可以 进行机构的结构分析和运动分析和动力分析。将机构学与多体系统动力学和相关的数学理 论相结合结合，可以准确地建立机构的运动学数学模型，确定其运动特性和规律，从而可 以对机构设计结果进行快速而准确的运动学仿真分析和优化哺】。 a d a m s 又称虚拟样机，由美国m d i 公司开发的，是目前世界上最具权威、使用范围最 广的机械系统运动学和动力学分析软件，在汽车设计开发领域具有广泛的应用。该软件提 供了较专业的汽车模块，利用它可以建立包括悬架、轮胎、转向系、发动机、传动系等车 辆个总成系统，以及整车系统的三维模型和力学模型，并且提供了许多标准实验以便进行 分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据 1 。 m a t l a b 是由美国m a t h w o r k s 公司开发的主要面对科学计算、可视化处理以及交互式程 序设计的科学计算环境。m a t l a b 除了提供高效的科学计算环境外，还提供了各种专业领域 的工具箱，主要应用于科学计算、控制系统设计、信号处理与通讯、图形图像处理、信号 检测、优化设计、经济学和社会科学的建模与分析等领域，代表了当今国际科学计算软件 的先进水平，在汽车设计开发领域同样具有广泛应用哺1 。 s i m u l i n k 是m a t l a b 的重要组件，它将动态系统的建模、仿真和综合分析进行了集成。 在该环境中，无需书写大量的程序，而只需根据实际的物理系统，通过简单的操作将相应 的模块进行连接，就可搭建出复杂的系统，其应用领域广、结构和流程清晰、仿真精确、 符合实际、高效灵活，现已被广泛应用于汽车设计领域。 1 3 车型介绍及整车参数 本课题以某1 0 米长大客车为技术背景，采用机械控制式的全空气悬架结构形式，整车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 外形如图卜2 所示。本课题根据其总体技术参数和总体布置要求，对空气弹簧悬架系统进 行了设计开发，为了使整车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性，选择的悬架结构形式为 前双横臂独立悬架，后v 型四杆机构的全浮式空气悬架结构形式。该车整车主要技术参数 如表1 1 一剃? j z l 竺羔封 量ii匮 鐾互鬯t 受楚r d 一。 图卜2 整车外形图 表1 - 1 整车主要技术参数 长宽高( m m ) 10 4 5 0 2 5 0 0 3 3 8 0轴距( m m ) 5 0 0 0 最高车速( k m h )1 10核定载客( 人)6 0 2 0 4 8 前后轮距( m m )1 9 0 0 18 0 0前悬后悬( m m )2 2 0 0 3 2 5 0 整车总质量( k g ) 满载半载空载 12 2 0 0 10 3 0 0 8 3 0 0 非簧载质量前后( k g ) 4 4 0 7 5 0 车辆质心高( m m ) 满载半载空载 1 3 4 5 1 2 5 0 115 0质心距前轴距离( m m )2 7 5 0 满载转动惯量( k g m 2 ) 5 4 7 0 0 7 2 0 0 0 5 4 7 0 0 满载前后轴荷( k g ) 4 2 0 0 8 0 0 0 j x j y j z 半载转动惯量( k g m 2 ) 4 6 4 0 0 610l8 4 6 4 0 0 半载前后轴荷( k g ) 3 5 5 0 6 7 5 0 j x j y j z 空载转动惯量( k g m 2 ) 2 5 7 0 0 3 3 8 0 0 2 5 7 0 0 半载前后轴荷( k g ) 2 8 6 0 5 4 4 0 j x j y j z 另外，在汽车设计开发过程中，为了方便设计和交流，通常需要规定车辆坐标系，本 课题涉及的整车坐标系规定为：坐标原点0 为车辆前轴轴线与整车纵轴线的交点；沿车辆 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 行驶方向为x 轴，x 轴方向向后为正；y 轴为通过坐标原点0 ，并指向驾驶员的右侧为正； z 轴通过坐标原点0 ，垂直与地面向上为正，如图卜3 所示。 图1 - 3 整车坐标系 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章空气悬架导向机构设计 悬架导向机构是空气悬架的重要组成部分，其主要作用是传递车轮和车架( 或车身) 之 间的纵向力和横向力以及力矩，其结构设计和布置要合理，当车轮上下跳动时其运动轨迹 需满足一定的悬架运动学规律和特性。本课题选择前双横臂独立悬架，后v 型四杆机构的 全浮式空气悬架结构形式，双横臂独立悬架结构如图2 - 1 所示。当车轮上下跳动时，前轮 定位参数和轮距的变化规律是由悬架的导向机构决定的，它直接影响着汽车的行驶平顺性、 操纵稳定性，以及轮胎的使用寿命。由于双横臂独立悬架设计自由度多，为获得良好的悬 架运动学特性提供了广泛的可能性。因此，只要进行合理的设计就能获得理想的侧倾中心 位置和轮距以及前轮定位参数等变化规律，从而保证良好的悬架运动特性及车辆行驶性能。 氍 巍 b - 厂 一 霸 图2 - 1 空气弹簧前悬架系统 2 1 双横臂独立悬架硬点设计 双横臂导向机构硬点设计应满足的要求阳1 ：在当车轮上下跳动时，车轮定位参数的变 化要小，并且应保持在合理的变化范围内；制动时，悬架具有抗“点头”作用。为了满足 这些要求，对于不同车身结构形式、整车质心高度、不同轴距、轮距的整车，就会有特定 的悬架导向机构与其相匹配。具体来说，车轮上下跳动时，车轮定位参数应该满足： 主销后倾角：主销后倾角可以保证转向轮具有合理的回正力矩，进而影响整车的直线 行驶稳定性以及转向的轻便性。期望的主销后倾角变化规律为，车轮上跳时增大，车轮下 跳时减小。 主销内倾角：主销内倾角使转向轮具有自动回正性，且有利于减小主销偏移距，从而 减小转向力，但主销内倾角不易过小，一般为2 1 4 。 车轮外倾角：车轮外倾角趋向于使车轮向其倾斜的方向滚动，从而产生一个侧向力， 其总的作用是提高了汽车直线行驶的稳定性。同时，车轮外倾角使轮胎更好地适应路形截 面，适当地补偿悬架变形导致的轮胎倾斜，并且尽可能使其在整个运动过程中垂直于地面。 现代汽车外倾角一般为0 。1 。，理想的车轮外倾角变化规律为，当车轮上跳时外倾角减 辫 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 小，当车轮下跳时外倾角增大。 前束：前束的作用在于平衡由于车轮外倾而产生的侧偏滚动趋势，防止车轮向外运动， 保持车辆直线行驶稳定性。理想的前束变化为，车轮上跳动时前束呈负的变化，且变化尽 量小，一般小于1 - - 2 。 轮距：为了减小轮胎摩擦，希望悬架运动时，轮距变化越小越好。 侧倾中心高度和侧倾轴线：侧倾中心确定了簧载质量与非簧载质量的耦合点，侧倾中 心越高侧倾力矩越小，侧倾轴线应尽量与地面平行，并且尽量高些。 双横臂独立悬架设计原始参数如表2 - 1 所示，导向机构结构示意图及坐标系规定如图 2 2 所示。 表2 1 双横臂独立悬架设计参数表 车轮半径r5 0 0 m m车轮外倾角 1 0角度p l 1 0 。 轴距l5 0 0 0 r a m前轮前束3 角度9 2 o 。 轮距b l1 9 0 0 m m主销内倾角盯 1 0 。角度p 47 。 质心高度 1 3 4 5 m m主销后倾角y 4 。角度p 5 6 。 杆长l a d4 0 0 m m杆长比值c 1 o 8 5角度p 69 。 抗点头率 杆长l e f3 5 0 r a m杆长比值c 2o 6 5o 6 r d 制动力 杆长l 曲 4 0 0 m ma 点坐标 ( - 8 0 0 ，- 2 0 0 ) r a m 分配系数 o 5 5 左 i z y 、 图2 - 2 双横臂独立悬架结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 1 横向平面设计计算 在横向平面内，为了得到不同的侧倾中心的位置，双横臂导向机构上、下横臂可以选 择不同的布置方案，这样就可根据所要求的侧倾中心位置来选择相应的布置方案，如图2 - 3 所示。为了布置方便和获得较为理想的悬架运动特性，一般把双横臂设计成上横臂短下横 臂长的形式。实践证明，在进行汽车悬架设计时，希望轮距变化要小，这样可以减少轮胎 磨损提高其使用寿命，因此应选择上横臂与下横臂之比在0 6 附近；同时，为了获得良好 的操纵稳定性，又希望前轮定位参数的变化要小，这时应选择在1 0 附近，所以上下摆臂 的杆长比应在0 6 - 1 0 之间。综合以上分析，根据我国乘用车设计的经验，选择方案3 作 为上下横臂布置方案，杆长比取0 6 5 为宜。 l ， 盯 ，、 j 。 -入一 、 tl一 i 一一 一 、n 1 中k 巾ii - ， 。l 2 3 图2 - 3 上下横臂在横向平面内的布置方案 导向机构横向平面内投影及设计点，如图2 - 4 所示，坐标系规定如前所述，设计计算 过程和方法如下： 厂、 z 仁弓l 上 w j ，q i c 。o 卅h ， 一一二， rl l 、。土钿 p o k 少 j l 【l 一 ，11地、l 封 i 图2 4 导向机构横向平面投影 根据车辆悬架空间布置可以大致确定下摆臂外支点坐标值a ( - 8 0 0 ，- 2 0 0 ) ，以及杆长 l a d = 4 0 0 ：另外，根据主销内倾角仃，杆长比c 1 ，c 2 ，轮距等初始条件可以确定如下坐标： z o b = k e l ；k ；乞c 2 ( 2 1 ) b = a y + k s i n o ：置= 4 + l a b c o s o ( 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 暇= 0 ：既= b 1 2 ；形= 0 ( 2 3 ) 横向平面上、下摆臂的定位角不同，侧倾中心的位置也不同，因此可根据上、下摆臂 在横向平面内的布置方案来计算侧倾中心位置。根据表2 - 1 中的已知参数和相应的几何关 系，计算如下： 七：c s i n ( 9 0 。+ c r - 0 1 ) ( 2 - 4 ) 咒= c 一 s i n ( o r + 8 2 ) = k s i n 8 2 + d ( 2 5 ) k = b _ 2 l 瓦历害毛磊i ( 2 - 6 ) 同理，可以得到c 、d 、m 点的坐标。 q = b y + k - c o s 0 1 ；c ：= 也一k s i n 0 1 ( 2 7 ) b = 4 + l o b c o s 0 2 ：4 = 4 + l a b - s m 8 2 ( 2 8 ) m y = 4 4 爰三鲁； m ：= 。 c 2 9 ， 2 1 2 纵向平面设计计算 在纵向平面内，双横臂导向机构上、下横臂轴抗前俯角的匹配对主销后倾角的变化规 律有重要影响，图2 5 给出了六种悬架抗前俯角的匹配布置方案。为了提高汽车的行驶平 顺性和制动稳定性，期望主销后倾角，在悬架压缩行程主销后倾角增大；在悬架拉伸行程 主销后倾角减小，用以造成制动时因主销后倾角变大而在产生抗制动前俯的力矩。经验认 为布置方案1 、2 、6 正符合以上所述的规律，在此选择布置方案1 。 佥q - ：r 乃， 哩西一； to l一；r ：一： 一； ， 一：i i r 图2 - 5 上下横臂在纵向平面内布置方案 导向机构在纵向平面内的投影如图2 6 所示。为了使悬架具有一定的抗点头效果，上 2佥， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 摆轴e f 应向后倾斜一定的角度，以使纵倾中心位于前后轴之间。 地平线 圈2 - 6 导同机构在纵同半曲投影 由汽车理论知识计算公式2 一1 0 ，其中仉表示汽车抗前俯率，对于乘用车来说一般 r d = 5 0 7 0 ；表示制动力分配系数，l 表示轴距，h 表示质心高度； 巩= 丝d h 1 0 。 ( 2 1 。) 当仉、夕、l 、h 等参数已知时，即可通过公式2 一l o 求得图2 - 6 所示角度巾( 公式2 1 1 ) ； 另外，初选上摆轴的定位角0 4 ，联合公式2 - 1 0 即可求得纵向瞬时中心i o 的位置( 公式 2 - 1 4 ) ；由此进一步可求得由纵倾中心确定下摆轴的定位角0 3 ，如公式2 - 1 5 所示。 = a t a n ( d ) 2 瓦e r d ( 2 1 1 ) e = 垦t a nt ；或= e ( 2 1 2 ) 皿= 4 t a nt ；4 = 皿 ( 2 1 3 ) l = 业矗t a n 盟+ 等；乞= 警乞一， ( 2 - 1 4 ) 只。三“上甜 劬岛= 糟 再根据表2 - 1 中的已知条件，利用几何关系即可求出e 、f 、g 、h 各点的坐标值，如下： e 皇e o 5 0 c o s 只；疋= e + o 5 0s i n 幺 ( 2 1 6 ) c = e + o 5 0c o s 0 4 ；疋= e o 5 0s i n 只 ( 2 1 7 ) q = q o 5 c o s 0 3 ：g = 4 + o 5 l w , s i n 日s ( 2 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 以= 皿+ o 5 l s , c o s 0 3 ：h ：= 皿- 0 5 l g hs i n 0 3 ( 2 1 9 ) 2 1 3 水平面设计计算 在水平面内，双横臂导向机构上、下横臂轴线的布置方案主要有三种，如图2 7 所示。 下横臂轴m - m 和上横臂轴n n 与纵轴线的夹角，称为导向机构上、下横臂轴的水平斜置角。 通常规定，轴线前端远离汽车纵轴线的夹角为正，反之为负。在行驶过程中，当车轮遇到 路面突起障碍时，为了使车轮能够一面上跳，一面向后退让，以减少传到车身上的冲击力， 悬架下横臂轴m m 的斜置角通常布置为正，而上横臂轴n - - n 的斜置角则有正值、零值和 负值三种布置方案。上、下横臂轴斜置角的不同组合方案，对车轮跳动时前轮定位参数的 变化规律有重要影响，在选择布置方案时，要兼顾考虑上、下横臂在纵向平面内的布置情 况。为了减小车轮跳动时主销后倾的变化量，本课题选择方案a 作为水平面内的布置方案。 。 。 ”c l 图2 - 7 上下摆臂在纵向平面内的布置方案 导向机构在水平面内的投影，如图2 - 8 所示，摆动轴线e f 、g h 与纵轴线的夹角分别为 p 5 和p 6 ，为了减小主销后倾角的变化，使p 5 9 6 ，且都为正。根据设计参数表2 - 1 ，利 用几何关系可计算出其他硬点坐标值，因为e 、f 、g 、1 t 的x 和z 坐标值已经求出，这里只 需要计算y 坐标即可，计算如下： b = c 一( e e ) o t a n o 。：e = q + ( c e ) t 强吼 ( 2 2 0 ) g = q 一( q q ) 协岛；髟= q + ( 只一皿ot a i l 岛 ( 2 2 1 ) 左 r-一 i7 x 图2 - 8 导向机构水平面投影 y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 经过对双横臂悬架导向机构的三个投影面的分析和设计计算，得到如下设计结果，汇 总如表2 2 所示： 表2 2 双横臂独立悬架硬点设计结果 a o f 一1 3 9 9 ，- 8 0 0 ，- 2 0 0 ) m m侧倾瞬时中心高度3 9 8 m m b of 9 4 ，一7 4 1 ，13 4 8 ) m m侧倾中心高度2 4 3 6 m m c 0f 9 4 ，4 8 4 9 ，8 9 7 ) m m纵倾中心坐标 ( 1 4 2 0 ，- 8 3 4 ) m m d or 一1 4 ，- 4 0 1 ，一17 2 ) m m 角度p 1 1o 。 e o f 一