（机械工程专业论文）悬架测试试验台的研究.pdf

摘要 运动性是对不涉及重力和其他外力时汽车运动的研究。弹性运动性 是对因外力的施加产生挠曲运动的研究。这两个词描述了一个与测量悬 架和转向系几何性质有关的运动性参数和与弹簧、横向稳定杆、橡胶垫 和其他部件挠曲有关的弹性运动性参数。目前，由于汽车技术的快速发 展和汽车生产商对全面的高质量的测量越来越重视，使国内外学者在对 悬架运动性和弹性运动性的研究更加深入的同时，也更加注重进行悬架 测试试验台的更新改造工作。 本文研究的测试设备是能够完成由于汽车车身颠簸、侧偏和俯仰， 即进行模拟转弯、制动和托拽所引起的车轮偏移以及作用在轮胎与地面 接触面积上的力和力矩测量的试验台。主要是对面向乘用车的车身固定 式悬架测试试验台进行设计开发。论文的第一章论述了测试试验台开发 的意义和目前业界在这一方面研究的概况，介绍了相关实验并提出问题， 第二章对汽车悬架的运动性和弹性运动性进行了描述，并介绍了相关的 理论。第三章论述对试验台总体方案设计。第四章详细描述了试验台开 发中部件的设计和选择，其中包括车身固定装置、方向盘固定装置和台 架体中钢架结构第五章对所设计部分的几处危险部分进行了校核最 后对全文进行总结，得出结论。 关键词：运动性，弹性运动性，悬架，转向系，颠簸，侧偏，俯仰 2 a b s t r a c t k i n e m a t i c si sd e f i n e da st h es t u d yo fm o t i o nw i t h o u tr e f e r e n c et om a s s o rf o i c o m p l i a n c e si st h ed e f l e c t i o nr e s u l t i n gf r o mt h ea p p l i c a t i o no f f o r c e ( i st h ei n v e r s eo fs t i f f n e s s ) 1 1 1 e 辩t w ow o r d sa r ep a r t i c u l a r l ya p ti nd e s c r i b i n g am a c h i n ew h i c hn 屺a s u 瑚k i n e m a t i c sc h a r a e t e r i s t i c sd u et os u s p e n s i o na n d s t e e r i n gs y s t e mg e o m e t r i e sa n dc o m p l i a n c e sd u et os p r i n g s ，a n t i - r o ub a r s 9 e l e o t r o m e t r i cb u s h e sa n dc o m p o n e n td e f o r m a t i o n s t h es t u d yo fs u s p e n s i o n k i n e m a t i c sa n dc o m p l i a n c e si sn o tn g w h o w e v e r , m e a s u r e m e n tr i g sh a v e i m p r o v e do v e rt h ey e a r s ，n o to r d yb g e a u s eo fi m p r o v e dt e c h n o l o g y , b u ta l s o b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n gi m p o r t a n c ep l a c e db yt h ev e h i c l em a n u f a c t u r e r so n t h en e e df o rc o m p l e t ea n dh i g h - q u a l i t ym e a s u r e m e n t t h et e s tf a c i l i t yd e s c r i b e dh e r ei sam a c h i n et h a tn k a 飘l r e st h ew h e e l d i s p l a c e m e n t s , a n dt h ef o r c e sa n dm o m e n t so c c u r r i n g 缸t h et y p et or o a d i n t e r f a c e , c a n s e db yb o u n c e , r o l la n dd i t c ho f t h ev e h i d eb o d ya n da l s ob yt h e a p p l i c a t i o no f s i m l l l a t e dc o r n e r i n g , b r a k i n ga n d 仃a c t i o nf o r c e s t h i sp a p e ri st h ed e s i g no fav e h i c l es u s p e n s i o nk i n e m a t i c sa n d c o m p l i a n c e sf a c i l i t yb a s e do nv e h i c l eb o d yf i x e d c h a p t e ro n ed e s c r i b e st h e s i g n i f i c a n c eo f t h i st e s tr i g sr e s e a r c ha n dt h ep r e s e n tl e v e lo f t e s t , i n t r o d u c e d t h ec o r r e l a t i o nt e s t e da n dp u tf o r w a r dt h eq u e s t i o n c h a p t e rt w od e s c r i b e st h e d e f i n i t i o na n de f f e c t so fs u s p e n s i o nk i n e m a t i c sa n dc o m p l i a n c e s , t h e n i n t r o d u c e st h er e l m e dt h e o r ya n dt h ec o n c e p t s c h a p t e rt h r e ei st ot h et c s t p l a t f o r mo v e r a l lp l a nd e s i g n c h a p t e rf o u ri sc h o o s i n ga n dd e s i g n i n go ft h e p a r t so f w h i c h 1w a si nc h a r g e ，c o n s i s t i n go ff i x i l l gv e h i c l eb o d yi n s t a l l a f i o n ， f i x i n gs t e e r i n gw h e e li n s t a l l a t i o na n dt h es t e e ls t r u c t u r eo ft h et e s tf a c i l i t y c h a p t e rf i v ei sc a l i b r a t i n gs o m ek e yc o m p o n e n t so fw h i c hid e s i g n e d f i n a l l ys u m m i n g - u po f t h ew h o l ep a p e ra n dd r a w st h ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：k i n e m a t i c s ，c o m p l i a n c e , b o u n c e r o l l , p i t c h ，d e f l e c t i o n s ， i o a d s 3 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，悬架测试试验台的研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：差壁垒县望辨月笪日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构 送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长 春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：差焦墨兰：2 年月旦日 指导导师签名：盔! j 垄! 掣丝：z 年月丛日 1 1 国内外研究现状 第一章绪论 各种各样的用于测试悬架运动性和弹性运动性参数的系统已经被设 计出来并安装在世界各地。一些在汽车生产厂、部件生产厂和大学里， 许多都被设计成室内试验台，而且几乎每一台设备对于自己的研究所来 说都是独一无二的。 为了理解车辆的操纵特性，需要研究悬架运动学和行驶平顺性。运 动学意味着车轮相对车身的运动性。操纵稳定性导致对轮胎接触面的附 加力。这些力造成车辆横向或纵向的加速度变小及引起轴额外的弯曲变 形和扭曲变形。 轴的操纵对车辆性能有很大影响。具体的解释是工程师要强制获得 操纵稳定性及支持控制公路车辆的完美表现。 运动性( 几何运动性) 与弹性运动性设备用于测试汽车悬架和转向 系的运动特性，这个测试是通过静态和准静态试验来实现的。 仿真设备的发展使设计者能够预测到由轮胎和汽车构成的完整系统 的行为表现特点。因为要输入数据，这些设备必须同时具备轮胎和汽车 的特点。例如，汽车动态模拟设备需要用转弯时轮胎产生的侧向力和回 正力矩的数据来说明侧滑角度、前轮外倾角、载荷的作用，而这些数据 是在已知轮胎设计直径情况下，通过平直跑道或鼓轮测试机或其他模拟 仿真设备得到的。包括汽车底盘，转向系和悬架系统的运动学和弹性运 动学特性的大量数据还将在汽车动态模拟中用到。运动性数据可以通过 车身动态模拟设备估算，也可以在汽车上直接测到。纵观全球，实验设 备已不稀罕，但是在我国国内到目前为止却只在泛亚汽车公司有一台这 样的设备。泛亚汽车公司这台进口的设备价格十分昂贵。我国正处在汽 车工业蓬勃发展的气候里，如果能有相对来说价格偏低，性能优越的测 试设备会对提高我国汽车行业自主研发的实力大有帮助。 对运动性与弹性运动性试验台的研究已不是新鲜事。但是近些年来， 因为技术水平的提高，再加上汽车生产厂家越来越需要完整的高质量的 测试，这些使得试验台更新速度很快。 目前测试台在传感器方面可用能单独运行的液压传感器( 每个轮子 上一纵向、横向和纵向力) 为了模拟车轮和测试台面之间的联系可以装 配轴承。在记录信息方面，高精密传感器、计量数据采集系统、扩音机 等设备都有应用。加载方式有汽缸加载和油缸加载。 基本的测试试验是将车身用夹具固定在一个参考平面上，通过轮胎 接触区与车身的相对偏转量来模拟车辆悬架系统在真实工况下的变形和 扭曲。目前的测试试验台可做静态和准静态的试验，一些动态测试试验 台也已经被研制出来了，但是在汽车研发过程中的作用还有待评估。 测试试验台的电源供应可以使用电力或液力。电力操纵具有更清洁、 易安装、易维护和低费用、不牺牲性能等优点。想要获得最佳的数据， 在模拟车辆回转时，设备必须能够维持支撑轮胎的平面和车身平面之间 正确的角度关系。一种方法是将轮胎胎垫放置在水平面上，车身翻转 或者水平垂直移动；另一种方法是车身水平固定，轮胎胎垫水平或垂直 移动，但是轮胎胎垫必须可以倾斜，以表示车辆翻转角。无论使用哪种 方法，轮胎胎垫必须能够以一种可控制的方式进行水平或垂直移动。 测试试验台所配置的仪器必须可检测轮胎接触面所有的力和力矩以及车 轮和车身之间的相对位移，同时，必须保持高精度的检测，因为微小的 变化都会影响操纵性。在大的静载荷下，检测微小变化是一种挑战，因 为这大约需要2 0 0 个数据通道来采集车辆特性。 1 2 与本课题有关的相关实验 两轮s p m m 试验台。 图1 1 两轮s p i n 试验台( 四轮试验台的车轮平台和后轮的参考平面与此类似) 为了降低成本，电力操纵的两轮s p m m 试验台( 见图1 i ) 只检测两 个车轮，因此，如果要完成整个测试，车辆需要检测两次。使用两个车 轮的试验台不会损失试验数据的质量，只是增加了试验时间。 2 使用这台设备时，车身通过支架的水平部件被夹装在可以倾斜俯仰 和跳动的刚性非常大的平台上。车身的中间部分被假定为具有足够刚性， 不影响操纵性，但是车身的某些部件，如前悬架座，可能在实际工况引 入的载荷下发生局部扭曲，这些扭曲可以通过检测得到。这种试验台不 适用于柔性底盘的车辆，因为底盘的柔性对于车辆动力学特性有很大影 响。这类车辆通常比乘用车大很多，必须使用另一种不同设计的试验台 来检测。 s p l 6 t 的中央平台具有6 个自由度，它的位置由6 个球形螺栓定位装 置在计算机的控制下精确定位。轮胎胎垫置于车轮检测平台上( x y 平 台) ，它可以检测垂直、横向、纵向的力和扭矩。车轮平台可以在计算机 的控制下横向或纵向移动，并可以绕垂直轴旋转。车轮平台的表面摩擦 系数很大，可防止车轮侧滑。 车轮的变形可相对于每个车轮旁边的参考平面检测到，它使用的是 非常精确的线性编码器。为了再现转弯过程中车轮的转向，一个由计算 机控制的转向电机可以和s p m m 连接起来。通过用计算机控制移动车身平 台以及车轮平台，真实载荷工况下任何方向的悬架几何变形及悬架刚度 都可检测得到。 检测所有悬架运动学和柔性特性的自动过程一般需要3 4 h ，而如 果没有测试试验台则需几周时间，且测试精度较差。 s p m m 可以检测的参数主要有：悬架刚度和迟滞、俯仰操纵、侧倾操 纵、侧倾刚度、纵向柔性操纵、横向柔性操纵、转向系统参数等。试验 台的输出结果可以以图表的形式查看，也可以导入操纵预测程序中。 1 3 问题的提出 实验中，车身与车轮构成的封闭系统中，必然有一方保持固定，一 方具有自由度，在这种情况下对具有自由度的一方施加外力，并对响应 参数进行跟踪测试。所以试验台的概念设计阶段有一个最根本的问题就 是：是要去移动汽车车身，还是去移动“路面”? 伽 目前，测试设备的设计思想中这两个大方向同时存在。 1 固定车身，对车轮施加外力模拟汽车在各工况的受力，测试悬架 及转向系统在各工况下的表现 为了能正确的施加载荷，同时保持压力中心相对于在水平路面上行 驶的汽车的正确位置，车轮与地面的关系应该被正确模拟无论是汽车 在侧倾还是在前俯工况下，位于车轮下面的模拟路面应该在一个平面上 如果垂直促动装置有效的移动路面时车身保持不动，而悬架发生运动， 那么车轮平台就要发生倾斜，倾斜轴线既有侧倾轴也有俯仰轴。所以， 必须控制车轮平台使其位于一个平面内，这就要求车轮平台具有自动与 其他各平台保持在一个平面内的功能。 但是因为处于自由状态的车轮其质量小，体积小，而且联接容易， 所以，对车轮施加外力时，对促动装置要求比较小 这种方案的优点是，滚动测试中汽车侧倾中心的位置不会受人为影 响。相反，如果底盘被固定而车轮平面被垂直移动促使其侧倾，则通过 施加绕汽车纵向轴线的侧倾力矩测量汽车车轮侧倾中心的移动时，就必 须人为的补偿车轮平面的空间位置变化。 2 固定车轮，对车身施加外力模拟汽车在各工况的受力，测试悬 架及转向系统在各工况下的表现。 这种方案下，车身是运动着的二车轮是保持静止的，这时各个车轮 下的模拟路面就不用刻意控制就可以保持在一个平面内。但是车轮的定 位参数如外倾角、主销后倾角等都是相对于地平面来表达的。所以，如 果保持地面不动，测试传感器也静止不动的话，测试过程就更容易实现。 相对于方案1 ，这种情况下处于自由状态的车身部分其质量大，体 积大，这些都对连接装置各个促动装置有较大要求。相对于方案1 ，这 种方案下，因为较大质量的车身处于运动中其侧倾中心及前俯轴线的位 置都是变化的。本次实验采用方案1 1 4 本课题研究的意义 成功、有效的汽车底盘设计和改进是基于对轮胎与汽车构成的系统 其运动性与弹性运动性的透彻理解而完成的。目前汽车生产的趋势是一 种新车从概念形成到产品推出所需要的时间越来越短。计算机分析和预 测技术大量应用。原始的设计参数一般建立在实验基础上，但是人们越 来越多的使用在前期模型和竞争车型上直接测量的方法进行设计工作 再加上计算机操控和可控制的模型的帮助，悬架性能得到改善。控制者 必须保证开发工作的对象是符合规范的汽车。所有的这些只要通过作相 关的测试就能完成。 由于开发时间减少，快速并简便的从新车型取得物体的测量结果很 重要。这些结果也需要车辆动力学模型的仿真验证。操纵模型的质量对 多物体仿真的结果影响很明显。可以实现快速开发汽车上关键元件的功 能，减少实车试验次数，缩短研制周期，有效降低成本，为汽车设计制造提 供了一种有效方法。 4 第二章理论分析 运动学与弹性运动学的描述 车桥运动学( k i n e m a t i c s ) 描述的是车轮在弹簧变形过程和转向时 的运动。运动性的研究，是在不考虑自重和外力状态下的单纯的几何运 动关系的研究。 车桥的弹性运动学( c o m p l i a n c e s ) 是阐述因轮胎和路面之间的力和 力矩引起的车轮定位值的变化，这是悬架部件具有弹性的结果。 2 1 悬架 悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称， 其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，并且缓冲由不平路面 传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺 地行驶啪 典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结 构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、 螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆 弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。 悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来， 关系到汽车的多种使用性能。从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒 以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达 到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又 要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了 取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软 些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左 右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定 等 1 、非独立悬架： 非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连 同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架具有结 构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点， 但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用， 多用在货车和大客车上。 2 、独立悬架： 独立悬架是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车 身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮 5 的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性：可以使发 动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左 右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬 架存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点现代轿车大都是采用独 立式悬架，按其结构形式的不同，独立悬架又可分为横臂式、纵臂式、 多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架等。 1 ) 横臂式悬架： 横臂式悬架是指车轮在汽车横向平面内摆动的独立悬架，按横臂数 量的多少又分为双横臂式和单横臂式悬架。 单横臂式具有结构简单，侧倾中心高，有较强的抗侧倾能力的优点。 但随着现代汽车速度的提高，侧倾中心过高会引起车轮跳动时轮距变化 大，轮胎磨损加剧，而且在急转弯时左右车轮垂直力转移过大，导致后 轮外倾增大，减少了后轮侧偏刚度，从而产生高速甩尾的严重工况。单 横臂式独立悬架多应用在后悬架上，但由于不能适应高速行驶的要求， 目前应用不多。 双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不 等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持 主销倾角不变，但轮距变化大( 与单横臂式相类似) ，造成轮胎磨损严重， 现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，只要适当选择、优化上下横臂 的长度，并通过合理的布置、就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可 接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性目前不等长双横 臂式悬架已广泛应用在轿车的前后悬架上，部分运动型轿车及赛车的后 轮也采用这一悬架结构。 2 ) 多连杆式悬架： 多连杆式悬架是由( 3 5 ) 根杆件组合起来控制车轮的位置变化的悬 架。多连杆式能使车轮绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线内摆动，是 横臂式和纵臂式的折衷方案，适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的 夹角，可不同程度地获得横臂式与纵臂式悬架的优点。能满足不同的使 用性能要求。多连杆式悬架的主要优点是：车轮跳动时轮距和前束的变 化很小，不管汽车是在驱动、制动状态都可以按司机的意图进行平稳地 转向，其不足之处是汽车高速时有轴摆动现象。 3 ) 纵臂式悬架： 纵臂式独立悬架是指车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架结构，又分 为单纵臂式和双纵臂式两种形式。单纵臂式悬架当车轮上下跳动时会使 主销后倾角产生较大的变化，因此单纵臂式悬架不用在转向轮上。双纵 臂式悬架的两个摆臂一般做成等长的，形成一个平行四杆结构，这样， 当车轮上下跳动时主销的后倾角保持不变。双纵臂式悬架多应用在转向 轮上 6 4 ) 烛式悬架： 烛式悬架的结构特点是车轮沿着刚性地固定在车架上的主销轴线上 下移动。烛式悬架的优点是：当悬架变形时，主销的定位角不会发生变 化，仅是轮距、轴距稍有变化，因此特别有利于汽车的转向操纵稳定和 行驶稳定但烛式悬架有一个大缺点：就是汽车行驶时的侧向力会全部 由套在主销套筒的主销承受，致使套筒与主销间的摩擦阻力加大，磨损 也较严重。烛式悬架现已应用不多。 5 ) 麦弗逊式悬架： 麦弗逊式悬架的车轮也是沿着主销滑动的悬架，但与烛式悬架不完 全相同，它的主销是可以摆动的，麦弗逊式悬架是摆臂式与烛式悬架的 结合。与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架的优点是：结构紧凑，车轮 跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上 横臂，给发动机及转向系统的布置带来方便i 与烛式悬架相比，它的滑 柱受到的侧向力又有了较大的改善。麦弗逊式悬架多应用在中小型轿车 的前悬架上，保时捷9 1 1 、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等轿车的前 悬架均为麦弗逊式独立悬架。虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量最高的 悬架结构，但它仍是一种经久耐用的独立悬架，具有很强的道路适应能 力 6 ) 主动悬架： 主动悬架是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬架。它 汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置“1 例 如装置了主动悬架的法国雪铁龙桑蒂雅，该车悬架系统的中枢是一个微 电脑，悬架上的5 种传感器分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏 动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速 度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选 择相应的悬架状态同时，微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件， 通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮 上产生符合要求的悬架运动。因此，桑蒂雅轿车备有多种驾驶模式选择， 驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会 自动设置在最佳的悬架状态，以求最好的舒适性能。 主动悬架具有控制车身运动的功能。当汽车制动或拐弯时的惯性引 起弹簧变形时，主动悬架会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置 的变化。例如德国奔驰2 0 0 0 款c l 型跑车，当车辆拐弯时悬架传感器会 立即检测出车身的倾斜和横向加速度。电脑根据传感器的信息，与预先 设定的临界值进行比较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到 悬架上，使车身的倾斜减到最小。 2 2 车桥定位值 为了保证所期望的行驶特性和直线行驶能力，以及避免轮胎的过度 磨损，汽车生产厂家规定了所有车辆前桥定位角，包括允许的公差在内 嘲如果后桥不是非独立悬架的驱动桥，这一规定也同样适用。常规的 出厂说明中有关于主销内倾角、主销偏移距、主销后倾拖距和前束角的 设计值。这些值对于检验发生事故的车辆和使用了很久的车辆的交通安 全性有重要意义。 2 3 轮距 是车轮在车辆支承平面( 一般就是地面) 上留下的轨迹的中心线之间 的距离。如果车轴的两端是双车轮时，轮距是双车轮两个中心平面之间 的距离。 汽车的轮距有前轮距和后轮距之分，前轮距是前面两个轮中心平面 之间的距离，后轮距是后面两个轮中心平面之间的距离，两者可以相同， 也可以有所差别m 。 一般来说，轮距越宽，驾驶舒适性越高，但是有些国产轿车没有方 向助力的，如果前轮距过宽其方向盘就会很“重”，影响驾驶的舒适性。 此外，轮距还对汽车的总宽、总重、横向稳定性和安全性有影响。 一般说来，轮距越大，对操纵平稳性越有利，同时对车身造型和车 厢的宽敞程度也有利，横向稳定性越好但轮距宽了，汽车的总宽和总 重一般也加大，而且容易产生向车身侧面甩泥的问题。如果轮距过宽还 会影响汽车的安全性，因此，轮距应与车身宽度相适应。 在几乎所有的独立悬架中，车轮的上下跳动都会导致轮距发生变化 轮距变化的后果由其产生的作用而定。当需要较高侧倾中心时，轮距变 化是不可避免的。轮距变化的缺点是：可能引起滚动轮胎的侧偏，从而 ( 特别是轮胎断面扁平时) 产生侧向力、较大的滚动阻力，并使直线行 驶能力下降。此外，轮距变化还对转向系有影响。 底盘设计中要求是先在图纸上检查前桥和后桥上的轮距变化但是 这种检查方式没有考虑横臂支撑中的弹性。 在安装完毕的汽车上，轮距变化是可测量的，它是车轮上下跳动值 的函数 2 4 侧倾中心和侧倾轴线 在所有的独立悬架中，轮距变化和侧倾中心高度之间有直接的关系 在任意载荷状态点下的轮距变化越大，侧倾中心距离地面也就越高如 果加载时侧倾中心下降( 如麦弗逊悬架) 是不理想的”1 。 8 侧倾轴线的位置与侧倾中心在负载作用下的高度交化一样对行驶性 能具有决定性的影响。在独立悬架中这根轴线应大致与地面平行但尽可 能地高些。平行是为了使得在曲线行驶时前、后轴上的轴荷变化接近相 等；而尽可能高些是为了使车身的侧倾限制在极限范围内。虽然侧倾限 制在极限范围内，然而前悬架的侧倾中心高度受到允许的轮距变化极限 的限制。 2 5 车轮外倾角 外倾角是指车轮中心平面和道路平面垂直线之间的夹角。在乘坐2 3 名乘客的乘用车中前轮通常设计的具有正外倾角以便轮胎尽可能垂直于 稍有拱形的路面滚动，并使磨损均匀和滚动阻力小。为了获得良好的轮 胎转弯侧偏性能，目前所取得外倾角大都偏离了理想值。1 。轿车空载使 得外倾角基本上在理想值附近，而加载状态下车轮则取有轻微的负值外 倾角。 除了外倾角的大小，有关公差范围的说明也是很重要的，也就是说 既允许偏离规定值，也可以让左右车轮的外倾角不相等。 在采用独立悬架和复合式悬架的后悬架中为了提高轮胎的侧偏性 能，车轮外倾角常设计成负值。但这样对于斜置单臂式悬架来说在满载 工况下存在车轮外倾角负得过大的危险。这种危险会导致轮胎发热过量。 独立悬架的缺点在于：因为汽车做曲线行驶时车轮随车身一起倾斜， 即外侧车轮相对于地面向正的外倾角方向变化，从而降低了承载较高一 侧的轮胎的侧偏性能。为消除这一影响，轿车悬架常常设计成车轮上跳 对外倾角朝负值方向变化，而在下落时朝正值方向变化。 曲线行驶时，还必须考虑把由于侧向力引起的外倾角变化附加到侧 倾外倾角中去。弹性外倾角是由悬架及转向系中存在弹性，从而在轮胎 与路面之间的力以及由其产生的力矩的作用下产生的。 2 6 前束和自转向特性 静态前束角是指在静止的汽车上，汽车纵向中心平面与车轮中心平 面和地面的交线之间的角度。在具有前束的状态下，汽车的两个前轮是 斜向对置的。缺点是使滚动阻力增大。 比在静止的汽车上调整出一个正确的前束更为重要的是，前束值在 行驶中能否保持，或者说是否会因车轮的上下跳动而变化嘲。后者可能 是由于不足转向性能的结果或者是为了达到确定的行驶性能所需要的。 为了不因轮胎的侧偏而使磨损加剧、滚动阻力增大以及直线行驶能力受 到损害无论是在车轮下落还是上跳都不应该出现前束值的变化。 9 2 1 ， ，3 、 、 薹 ；l 、 i r 专 f m m2l 1 翼 6 m l - 后柬 i 前柬- - d i i l ， 阳f n i l 、 ， ， i s ， 2 图2 1 单个车轮在上下跳动时因转向横拉杆的长度 或位置不确定而可能产生的前束变化 2 7 转向角和转向传动比 转向角差一= 4 一乳，必须始终为正值。( 图2 2 ) 根据角屯可 得出理论转弯直径见，即车身外侧前轮平面以最大的转向角转弯时经过 的圆弧直径。转弯直径应尽可能小，以易于转弯及停车方便“” 图2 2 车身外侧车轮转向角屯和内侧车轮转向角4 之间的运动学关系 l o 车身内侧车轮转向角磊要规定极限值，而相反的外侧车轮转向角则 不需要限制。它可以具有与内倒车轮转向角同样大的角度。缺点是使汽 车不再是精确的转弯，而优点是具有更小的转弯圆和外侧车轮轮胎承受 的侧向力增大。由于这个原因，大部分轿车增大了外侧车轮的转向角， 即实际值皖比理论值万。增大了一个转向误差睇- - 8 一6 0 - - , 6 a a 8 。 采用一致的允许的专项偏差可以减小转弯圆直径皿。 转向传动比是指转向盘转角变化值磊与一对转向轮的平均转向 角变化值吒之间的比值，它是在不加力矩操纵、转向处于直线行驶位 置起的条件下得出的值。即不考虑转向弹性和转动时传动比的变化。如 果传动比发生变化，则要根据转向使得转向盘转角分量6 矗和两个车轮 的平均转向角6 矗得出的转向角传动比，如式2 1 所示： = 巧西a 声皤 ( 2 1 ) 动态转向角传动比，实际上由驾驶员感觉到的转向传动比可能是动 态传动比岛，他又因转向角引起的转向盘转角分量万。和弹性引起的转 向盘转角瓯组成。 2 8 主销内倾角和主销偏移距 从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销 内倾角。当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下， 但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽 车前部向上抬起一个相应的高度，这样汽车本身的重力有使转向车轮回 复到原来中间位置的效应，因而方向盘复位容易n “ 此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地 面交线的距离减小，从而减小转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向 操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。但主销内倾 角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨损。 为了将主销偏移距设计得比较小或为负值，必须有较大的主销内倾 角在商用车、牵引车和工程车辆中转向节销的常常就等同于有内倾角 叮。而在轿车的前悬架中车轮的导向采用球铰，在双横臂式悬架中转向 节轴线通过标出的球头中心。 外倾角，与主销内倾角口之间的关系如图2 3 。如果外倾角调整的正 确，则这种悬架的主销内倾角盯也就确定了然而重要的是，左右车轮 之间的偏差最大为0 5 。，否则可能引起单侧转向系受拉。此外，当车轮上 下跳动时，在外倾角和主销内倾角之间也有直接关系。上跳的车轮将产 生负的外倾角变化趋势，这就意味着外倾角减小，而为了保证相同的总 角度口+ y 主销内倾角就要增大。 图2 3 外倾角，与主销内倾角o r 之间的关系 转向由于与侧向力和车身侧倾引起的主销内倾角变化以及所具有的 主销后倾角或前倾角此外，转弯时还附加出现轮荷变化，加上内侧车 轮转向角4 和外侧车轮转向角瓦也不总是一样大，致使在这种情况下各 个车轮上出现不同的力矩。主销偏移距对转向回正力矩的大小也有影 响。如果大，转向回正能力加强；而如果它取值较小或者甚至为负值则 ( 由于力臂变小) 转向回正力矩下降 主销回正力矩的大小取决于主销偏移距的大小。主销偏移距越大， 回正力矩也越大，但前桥的纵向力矩敏感性也越大。因此可以得出明确 的趋势是采用具有较小正值或负值的主销偏移距。如果要保持回正力矩 不下降，必须增大主销内倾角，但这又带来了转向时车身外侧车轮外倾 角向正值方向增大的缺点。 2 9 主销后倾 2 9 1 主销后倾和直线行驶 直线行驶时，牵引力和反向的滚动阻力位于同一作用线上，即处于 相互稳定状态，因为导向轴和车轮轴线前后排列。如果路面不平度或转 向运动时车轮自直线行驶方向转过一个角度万( 图2 4 ) ，则滚动阻力分 别为最o s i n 8 通过力臂以( 或行。) 使车轮回转，直至其返回直线行驶位 置。左右出现的分力巳o g6 相互抵消，他们仅使转向横拉杆受压。车 轮采用主销前倾，会产生相反的效果：汽车不稳定n ”。 巳 图2 4 主销后倾使得直线行使稳定性好 s i n d 6 但是主销后倾也有缺点路面不平度在车轮接地点上引起的交变的 侧向力，通过力臂产生绕转向节轴的力矩，力矩作用在转向横拉杆上并 会引起转向冲击及转向不稳定。此外，作用在车身上的风力，车轮接地 点上出现反向作用的侧向力只，前轮上的力f 0 通过后倾力臂万。( 或k ) 产生力矩，这些力矩是汽车按风作用方向转向，即附加在车身被风压转 的方向上。由于这些原因使汽车的侧风敏感性升高。 2 9 2 转弯时的回正力矩 作为车轮转向的结果，由于车身侧倾影响产生的主销后倾角和内倾 角的变化也引起所有垂直力、侧向力和纵向力的力臂发生变化。在分析 各个车轮是必须考虑这些非常复杂的运动关系。由于复杂的弹性运动引 起的误差在此几乎不可避免。 转弯时主销内倾角、车轮外倾角和主销后倾角的变化。 由于转向节轴的空间运动，要准确的计算单个车轮上的回正力矩， 必须考虑转向时主销内倾角的变化。如果在零位置转向节轴只倾斜一个 角度，其根本不存在主销后倾，或者主销后倾通过移动车轮中心的位 置而实现，则可容易的确定在朝左右两个方向时都会变小的主销内倾角 a 0 如前所述，主销内倾角和车轮外倾角有关，即如果两者中有一个发 生变化，另一个也随之变化。因此，用简单的方式即可得出转向时车身 外、内侧车轮的外倾角儿。 主销内倾角和车轮外倾角一样，主销后倾拖距和后倾角也在车轮转 向时发生变化。以一辆后轮驱动的轿车为例，在其直线行驶位置时的后 倾拖距为6 5 m ：转向时车身内侧的这个距离增大，而外侧车轮上的 则减小。白吒2 8 0 起出显著小前倾拖距，至吒2 - 3 0 。时，其值已经为 一一 心4 - 3 0 m m 这就意味着假定不存在轮胎拖距的话，外侧车轮在侧向力 的作用下将产生朝转弯方向的转向转向中，车身外侧车轮也会产生主 销前倾现象。 2 9 3 前轮跳动引起的主销后倾角变化 如果乘坐2 人，则车身几乎是平行的下沉，主销后倾角差不多没有 变化；如果后座乘坐2 人或3 人以及在车尾行李箱中加载，则出现不同 的情况“”这时后轴的下落量大于前轴，前面所说的大致与地面平行的 下沉的位置就改变了一个角度a 0 = l o ：2 5 。( 图2 5 ) 。主销后倾角也增 大了同样大小的一个值f 。设计师在确定车轮定位值时要考虑到这种情 况。 1 4 6 f 姥嚣瑚 ：= = = a 图2 5 加载时车身后部下沉量大于车身前部， 所形成的角度变化为主销后倾角的增大值 加载时主销后倾角增大也是汽车在满载时转向盘变重的主要原因， 尽管这时前桥轴荷减轻。 主销后倾角的变化因同时出现转向回正力矩的变化而产生不利因 素，但在要求通过纵倾中心影响减小前桥的制动下沉量时，这又是不可 避免的。在双横臂悬架中两根横臂的转动轴线通常是相互平行的；在正 交形式的麦弗逊式悬架中减震器轴线和摆臂转动轴线之间成直角所以 这两种情况下调定的主销后倾角保持不变，与车轮的上下跳动无关。但 是当横臂转动轴线之间或减震器轴线与摆臂跳动轴线之问的夹角与上述 情况不相同时，则主销后倾角会发生变化( 图2 6 ) 毒 酌 图2 6 车轮上跳使点2 移向点4 ，由此主销后倾角增大a r ， 即转向节转过一个角度a r 如图2 7 ，当前轮上跳时，转向节的上球铰点1 向后移动，而下铰 点2 向前移动，即主销后倾角增大车轮下落时则会引起相反的运动， 主销后倾角( 在标准位置下) 减小，有时甚至产生负值，即主销前倾角。 1 5 在麦弗逊式悬架中点2 延平行于转动轴线的方向移向点4 ，固定在点1 的 减震器被压缩。减震器柱变短，从而产生转动角a r 。 图2 7 车轮上下跳动时点i 移向点3 ， 点2 移向点4 ，从而主销后倾角增大a r 车轮跳动引起后轮支架转动。图2 7 分析的左前轮的转向节转过一 个角度a r ，如果是顺时针转动，则纵倾中心位于车桥后方，车头部分具 有抗制动纵倾性。 2 9 4 主销后倾时垂直力的分解 方案i - - 如果双横臂式悬架的转向节轴线按主销后倾角f 斜置( 图 2 7 ) ，则下球铰在车轮中心前方，而上铰在后方。假定弹簧置于下摆臂 上，则下臂上的支反力最：正好等于扣去车桥单侧重力后的垂直力并产 生力矩鸩= 盯一p ) 该力矩必须由力与平衡。因此主销后倾 角渐小。假定弹簧置于上摆臂上，则主销后倾角增大“”。 方案卜如果主销后倾通过将车轮中心后移来实现，则分力 e s i n c r 通过力臂吩使车轮前部受到相对挤压，即在这里摆臂转动轴线 相互平行是个关键。 此外还要求左右两侧车轮的主销内倾角大小均匀由于主销内倾角 通常直接与车轮外倾角有关，因此也附加要求在左右两侧的前轮之间允 许有微小的外倾角偏差。当角度盯不相等时，在所分析的主销后倾方案 2 中左右两侧的挤压力e s i n # 将会大小不同，同样也会引起转向系单侧 受拉。 1 6 2 1 0 抗制动纵倾性和抗启动纵倾性 抗制动纵倾性使得制动过程中起车车头下沉量及车尾的抬高量减 小，但当纵倾中心q 和d 位于两根车桥之间时，这一性能方可实现( 针 对制动器置于车轮之外而言) 。纵倾中心指前桥、后桥或两根车桥的纵倾 中心。 抗启动纵倾性可减小后轮驱动型式汽车车车尾下沉量或车头的抬 高量( 对于前轮驱动型式汽车而言) ，它仅在单桥驱动加速( 非全轮驱动 型式汽车) 使其作用“”。对于独立悬架来说，中心位置高于驱动桥车轮 中心是非常重要的。在非独立悬架中使差速器位于车桥轴体之下也同样 是个关键。 抗制动纵倾角和抗启动纵倾角具有很大的作用。他们的值越大，纵 倾平衡就越理想。 2 1 0 1 前悬架纵倾中心 图2 8 横臂同向斜置克服车头下沉 汽车的左右两侧悬架通常是一样的，从而内摆臂瞬态位置确定的中 心在两侧的位置也相同，通过中心的连线可称为纵倾轴。如果这根轴线 位于无穷远( 实际上并不存在) 则纵向力作用在车轮中心上对于内置 制动器来说情况也相同，此时，可通过两根横臂同向斜置来解决制动下 沉问题“”。在图2 8 的静力分析表明，由车轮中心处移出的垂直于转向 节轴的制动力e ”在横臂上引起反力和玩，他们( 由于横臂斜置) 1 7 又引起垂直方向分力一屹；吃t 眦口和一吃= 吃t a n 。在同一作用方 向的合力必须为零，即+ 屹和+ ，抵消车头下沉。两根以这种形式斜置 的横臂带来的优点是主销后倾角不产生变化，其缺点是车轮在上跳时前 移( 即延障碍方向) 。 轩艘剪潮 图2 9 制动器外置时摆臂交叉布置减小制动下沉量 当制动器外置时，为了获得纵倾轴和垂直方向的反力，同样也需要 将摆臂斜置，但两根摆臂必须相互交叉布置。图2 9 为静力分析图。标 出了明显放大的分力吃和更大的力吃= e + 吃( 内置时为 吃= e 一吃) 德国制造的所有前轮驱动型式汽车均具有负的主销偏移距。在此可 获得反向转向效应的前提是制动器安装在车轮上在双横臂式悬架中仅 将下摆臂斜置便可既减小制动下沉量又减小启动的抬高量。这时制动力 e ”作用在地面上方距离为a 处的转向节轴线上，引起支撑车身的分力 屹( 图2 1 0 右侧图中) ；而( 图2 1 0 左侧图中) 启动力c “作用在车 轮中心下方，引起向下拉车身的分力一吃上摆臂水平布置，其目的是 可使弹簧或减震器垂直安装。这种悬架具有抗制动纵倾性和抗启动纵倾 性 车头下沉时，上摆臂倾斜度更大，纵倾中心0 向车轮移近。这就意 l s 味着其抗制动纵倾性递增加强。如果在双横臂式悬架中上部通过一根纵 臂来承受制动力或者制动力有横向稳定杆来承受，也会产生同样情况 启动 锄 图2 1 0 前轮驱动的汽车将下摆臂斜置 可减少启动抬高量和制动下沉量 2 1 0 2 后悬架纵倾中心 为了减小制动下沉量，要求纵倾轴靠近车轮并尽可能高，但两者均 会引起较大的主销后倾角变化。因此，对于前桥布置来说必须在合理的 位置与可接受的变化值之间寻求折衷方案。而对于后桥来说情况则不同， 纵倾中心o h 可置于靠近车桥前方由摆臂长度限定其位置n 町 摆臂长度太短，则为了保证需要的车轮上下跳动行程焉和岛，摆动 角始就会过大。与纵倾轴线相关的轴距变化很难说对行驶性能没有影 响 在作为后悬架的独立悬架中，纵譬式悬架和复合式悬架均具有合理 的纵倾中心位置。它位于摆臂转动轴中心制动时将车尾向下拉的力为 公式( 2 2 ) 所示： 吆= 瓦g l d ( 2 2 ) 可见，高度g 越大，距离d 越短，则所产生的作用力也越大 1 9 2 1 l 底盘详解 既然车身是底盘的最大零件，那车身的好坏势必完全主导了底盘好 坏，一个好的车身在于拥有高刚性，所谓的高刚性就是不易变形车辆 行走在路上时，用肉眼看起来好像完全没有变形，但实际上都会因为路 面的冲击而不断的变形，一但车身变形，车辆就不会听话，不要以为1 2 舳 的变形没什么，它会让你在高速时难以驾驭车辆，因为在高速时，你对 车辆的操控也不到1 0 哪，这就是为什么各汽车媒体常说，车身刚性对于 高速行驶的稳定