奔腾B50与荣威350悬挂分析.doc

奔腾B50与荣威350悬挂分析车辆工程专业学生 周茂清指导老师 李和摘要：如今汽车技术的发展越来越快，人们对汽车舒适性的要求也越来越高，而汽车的这一方面性能需要靠悬架系统予以保证。根据当前轿车悬架的发展情况，本文主要选择奔腾B50和荣威350的悬架进行分析，其中奔腾B50轿车前后悬架均采用独立悬架的形式，并且前悬采用比较流行的双横臂悬架。后采用多连杆式独立悬架。而荣威350前采用独立悬架，前采用麦弗逊式独立悬架，而后采用纵臂扭转梁式半独立悬架。在对样车悬架进行平顺性，安全性能等进行分析是，主要是采用理论来分析，这里删掉繁琐的计算公式，分析简单易懂。本文所做工作可为奔腾B50和荣威350选择导购等具有一定的实际应用意义，也可以作为有关技术人员参考。关键词： 汽车；悬架；减震器；平顺性分析1 悬架与悬架种类1.1 悬架定义 悬架是汽车重要的结构总成之一，它的作用是把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来，传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力扭；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的载荷系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。1.2 悬架组成 悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定期等组成。导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对于车架（或车身）的运动特性，并传递弹性元件传递的垂直力意外的各种力和力矩。当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置的作用。缓冲块用来减轻汽车轴对车架（或车身）的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。1.3 悬架分类 悬架主要分为独立悬架和非独立悬架。1.4 独立悬架 独立悬挂的车轴分成两段，每只车轮由螺旋弹簧独立安装在车架下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受影响，两边的车轮可以独立运动，提高了汽车的平稳性和舒适性。 1.5 非独立悬架 非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也相应跳动，使整个车身振动或倾斜；1.6 半独立悬架 半独立悬实际上是非独立悬挂的一种特殊形式，因为它的两侧车轮也由一根杆件直接连接，只不过这根杆件的材料并非完全刚性的，而是具有较好的扭曲特性，当一侧车轮受到冲击力后，对另一侧车轮的影响并不像非独立悬挂那样强烈，但却也很难达到独立悬挂所具有的水平。这种形式实际上也是汽车厂家出于节约成本的角度所考虑所采用的。1.7 双横臂式独立悬架 双横臂式独立悬架。上下两摆臂不等长，选择长度比例合适，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。 不等臂双横臂上臂比下臂短。当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。 1.8 麦佛逊式悬架 麦弗逊式悬挂是当今世界用的最广泛的轿车前悬挂之一。麦弗逊式悬挂由螺旋弹簧、减震器、三角形下摆臂组成，绝大部分车型还会加上横向稳定杆。主要结构简单的来说就是螺旋弹簧套在减震器上组成，减震器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，限制弹簧只能作上下方向的振动，并可以用减震器的行程长短及松紧，来设定悬挂的软硬及性能。 1.9 多连杆式独立悬架 多连杆式独立悬架的结构虽复杂，但操控性和舒适性较其他悬架更高.顾名思义，多连杆式悬架就是指由三根或三根以上连接拉杆构成，并且能提供多个方向的控制力，使轮胎具有更加可靠的行驶轨迹的悬架结构。不过时下，由于三连杆结构已不能满足人们对于底盘操控性能的更高追求，只有结构更为精确、定位更加准确的四连杆式和五连杆式悬架才能称得上是真正的多连杆式，这两种悬架结构通常分别应用于前轮和后轮。以常运用于后轮的五连杆式悬架为例，五根连杆分别指主控制臂、前置定位臂、后置定位臂、上臂和下臂；其中，主控制臂可以起到调整后轮前束的作用，以提高车辆行驶稳定性，有效降低轮胎的摩擦。2 独立悬架的优点2.1簧下质量小 悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；由于采用断开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮独自运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力；独立悬架可提供多种方案供设计人员选用，以满足不同设计要求。独立悬架的缺点是结构复杂，成本较高，维修困难。这种悬架主要用于乘用车和部分质量不大的商用车上。3 独立悬架结构评价时常从以下几个方面指标进行分析3.1 侧倾中心高度 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，称为侧倾中心。侧倾中心到地面的距离，称为侧倾中心高度。侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧向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，加快轮胎的磨损。3.2 车轮定位参数的变化 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。若主销内倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车的直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。3.3 悬架侧倾角刚度 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，并将此转动角称之为车厢侧倾角。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。3.4 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。3.5 空间尺寸 悬架不同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。因此，悬架占用的空间尺寸也用来作为评价指标之一。4 杆件的作用4.1 横向稳定杆作用 横向稳定杆，是汽车悬架中的一种辅助弹性元件。它的作用是防止车身在转弯时发生过大的横向侧倾。目的是防止汽车横向倾翻和改善平顺性。 横向稳定杆是用弹簧钢制成的扭杆弹簧，横置在汽车的前端和后端。杆身的中部，用套筒与车架铰接，杆的两端分别固定在左右悬架上。当车身只作垂直运动时，两侧悬架变形相同，横向稳定杆不起作用。当车身侧倾时，两侧悬架跳动不一致，使横向稳定杆发生扭转，杆身的弹力成为继续侧倾的阻力，起到横向稳定的作用。稳定杆使汽车行驶较稳定、舒适，翻车几率大大降低，并能提高车辆的操纵稳定性。4.2 导向机构 导向机构的作用是传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，它由导向机构由控制摆臂式杆件组成。出于对中级轿车的考虑为了在原有独立悬架的基础上添加导向机构又不使结构复杂，决定采用单杆式导向机构。5 平顺性分析 汽车的平顺性是指汽车行驶时对不平路面的隔振特性。汽车是由包括车轮、悬架弹簧及弹性减震坐垫等，具有固有振动特性弹性元件组成，这些弹性元件可缓和不平路面对汽车的冲击，使乘员舒适和减少货物损伤。但路面不平激起的振动达到一定程度时，会使乘员感到不适和疲劳或使运载的货物损坏，车轮载荷的波动还影响地面与车轮间的附着性能，影响到汽车的操纵稳定性。因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代汽车的主要性能之一。6 奔腾B50前悬架双横臂式独立悬架与荣威350前悬架买佛孙式独立悬架比较 从结构上来看，双叉臂式悬架和麦弗逊式悬架有着紧密的血缘关系，它们的共同点为：下控制臂都由一根V字形或A字形的叉形控制臂构成，液压减震器充当支柱支撑整个车身。不同处则在于双叉臂式悬架多了一根连接支柱减震器的上控制臂，这样一来有效增强了悬架整体的可靠性和稳定性。双叉臂悬架的灵感来源于麦弗逊式悬架。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，结构上的最简单化使它的组成部件通常要一专多能。例如支柱减震器需充当转向主销，除要承受车辆本身的重量外，还要应对来自于路面的抖动和冲击。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。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。要改善麦弗逊悬架“脆弱”的特点，就有必要在悬架的组成结构上进行调整。由于麦弗逊悬架只有下控制臂和支柱减震器两个连接部件，这样一来就形成了一个“L”形的结构，如果能在“L”形顶端再增加一根控制臂，那么悬架的结构将得到加强。于是通过对麦弗逊悬架植入上控制臂，双叉臂式悬架结构便应运而生。双叉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。为了使车轮能随时随地贴合地面，达到运动性和乘坐舒适性的统一，设计师往往会采用双叉臂悬架结构，增加减震器阻尼和螺旋弹簧的硬度也是应对措施之一。在这点上，麦弗逊悬架会因为控制臂的单薄而使车轮外倾角增大，同时使车胎内侧负荷增大而加剧磨损。上下控制臂能分担横向作用力，令车身在过弯时更加平稳,双叉臂式悬架由上下两根不等长V字形或A字形控制臂以及支柱式液压减震器构成，通常上控制臂短于下控制臂。上控制臂的一端连接着支柱减震器，另一端连接着车身；下控制臂的一端连接着车轮，而另一端则连接着车身。上下控制臂还由一根连接杆相连，这根连杆同时也还与车轮相连接。在整个悬架构造中，通过对多个支点的连接提高了上下控制臂以及整个悬架的整体性。因为奔腾B50是前置前驱，那么装配在前轮上的双叉臂悬架在上下控制臂之间除装配有传动机构外，还有转向机构，这使得其结构比不带转向机构的后轮要复杂得多。在转向机构中，转向主销由转向托盘与上下控制臂的连接位置和角度确定，转向轮可绕主销转动，同时也可随下控制臂上下跳动。在双叉臂悬架中通常采用球头连接来满足前车轮的运动需要：上下控制臂与转向主销的连接部位既要支持前轮实现转向又要控制车轮的上下抖动。不过由于上下控制臂的长度差问题，这也对双叉臂悬架的设计提出了严峻的考验如果上下控制臂的长度差过小，车轮抖动时会造成左右轮距偏大，加快轮胎外侧磨损；反之，如果上下臂长度差过大，则会造成车轮转向时外倾角过大，使轮胎内侧磨损加快。因此，通过增加上下控制臂的长度来减小轮距的变化和控制外倾角的变化不失为一个好办法。值得一提的是，双叉臂悬架的上下控制臂能起到抵消横向作用力的功效，这使得支柱减震器不再承受横向作用力，而只应对车轮的上下抖动，因此在弯道上具有较好的方向稳定性。素有“弯道之王”美称。因此，奔腾B50驶时的侧倾比荣威350较小，车身的整体感保持得非常好。综合性能出众的双叉臂式悬架较其它形式的独立悬架更占用空间，由于传统的双叉臂悬架采用单导向结构，即上下控制臂与支柱减震器相连，实现对车轮上下运动方向的控制，转向拉杆和主销相连完成对车轮左右方向的控制。由此看来，减震和转向是由两个独立机构控制，但两个机构都只具备单导向性。随着悬架结构的不断优化改进，目前双叉臂悬架已衍生出可同时负责车轮转向和上下抖动的双向控制结构。尽管双叉臂式独立悬架拥有众多优势出色的侧向支撑、精确的车轮方向控制等，但由于使用上下控制臂结构，过于稳定的特性却使车轮的响应速度较其他形式悬架要缓慢，上下控制臂的结构也导致这种悬架的横向安装空间增大。因此双叉臂悬架常出现在车身宽大的现象。麦弗逊式悬挂结构简单所以它轻量、响应速度快。并且在一个下摇臂和支柱的几何结构下能自动调整车轮外倾角，让其能在过弯时自适应路面，让轮胎的接地面积最大化，虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量很高的悬架结构，但麦弗逊式悬挂在行车舒适性上的表现还是令人满意，不过由于其构造为直筒式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差，悬挂刚度较弱，稳定性差，转弯侧倾明显。7 奔腾B50多连杆式独立后悬架与荣威350纵臂扭转梁式半独立悬架比较 真正的多连杆悬架的构造不仅增加了对车轮上方的控制力，对车轮的前后方也有相应的连杆产生作用力，主要作用就像一个锁止机构一样，将车轮牢牢地固定在半轴末端，使车轮行进轨迹移位减小，增强悬架的整体性和可靠性。五根连杆：主控制臂、前置定位臂、后置定位臂、上臂和下臂分别对各个方向的作用力进行抵消。比如，当车辆进行左转弯时，后车轮的位移方向正好与前转向轮相反，如果位移过大则会使车身失去稳定性，摇摆不定。此时，前后置定位臂的作用就开始显现，它们主要对后轮的前束角进行约束，使其在可控范围内；相反，由于后轮的前束角被约束在可控范围内，如果后轮外倾角过大则会使车辆的横向稳定性减低，所以在多连杆悬架中增加了对车轮上下进行约束的控制臂，一方面是更好地使车轮定位，另一方面则使悬架的可靠性和刚度进一步提高。从车辆操控性角度来看，多连杆悬架的吊悬结构能通过前后置定位臂和上下控制臂有效控制车轮的外倾角及前束角。例如，当车轮驶过坑洼路面时，首先上下控制臂开始在可控范围摆动，及时给予车轮足够的弹跳行程；如果路面继续不平，同时车辆的速度加块，此时前后置定位臂的作用就是把车轮始终固定在一个行程范围值内，同时液压减震器也会伴随上下控制臂的摆动吸收震动，而主控制臂的工作就是上下摆动配合上下控制臂使车轮保持自由弹跳，令车厢始终处于相对平稳的状态。正是因为多连杆悬架具备多根连接杆，并且连杆可对车轮进行多个方面作用力控制，所以在做轮胎定位时可对车轮进行单独调整，并且多连杆悬架有很大的调校空间及改装可能性。不过多连杆悬架在研发上规模较为庞大，由于结构复杂、成本高、零件多、组装费时，并且要达到非独立悬架的耐用度，始终需要保持连杆不变形、不移位，在材料使用和结构优化上都很考究。所以多连杆悬架是以追求优异的操控性和行驶舒适性为主要诉求的。尽管多连杆式悬架拥有众多的优点，但这并不意味着它的运用范围就非常广，相反在一些车身紧凑甚至结构特殊的车型上，多连杆悬架尤其是五连杆式悬架更是无用武之处。究其原因主要是因为五根连杆的结构布置会占用不少横向空间，同时复杂的悬架结构还会为发动机的维修保养造成不便，所以五连杆式悬架通常只应用于后轮。由于多连杆悬架的连杆达到四根甚至五根，所以必须通过车架（通常所说的大梁）连接固定，而车架和车身又为柔性连接。此时，车架的作用就相当于前悬采用的副车架，可使悬架的整体性得到加强。在众多连杆的作用下，可大幅度降低来自路面的冲击，通过前后定位臂的抑制作用，可改善加速或制动时车内乘员的仰头和点头动作；结合后轮结构紧凑的螺旋弹簧的拉伸或压缩，还可使车轮的横向偏移量保持在最小值，提高车辆直线和弯道行驶的稳定性。同时，配合