汽车悬架设计与底盘相关技术

西华大学廖文俊,汽车悬架设计与底盘平台相关技术,西华大学廖文俊,一、概述悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。1、作用传递车桥（车轮）与车架（车身）之间的一切力和力矩，并且起缓冲、减振、导向作用。以保证汽车的正常行驶。,悬架构造基础,2、组成（1）弹性元件：承受和传递垂直载荷，减小路面的冲击;（2）导向装置：传递纵向力、侧向力及其力矩，并保证车轮相对于车身有正确的运动关系。（3）减振器：加快振动的衰减，限制车身和车轮的振动。,西华大学廖文俊,悬架概述,西华大学廖文俊,第一节概述,1悬架的功用和组成1）悬架的功用（1）把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，保证汽车的正常行驶，即起传力作用；（2）利用弹性元件和减振器起到缓冲减振的作用；（3）利用悬架的某些传力构件使车轮按一定轨迹相对于车架或车身跳动，即起导向作用；（4）利用悬架中的辅助弹性元件横向稳定器，防止车身在转向等行驶情况下发生过大的侧向倾斜。,西华大学廖文俊,2）悬架的组成,（1）弹性元件起缓冲作用；（2）减振元件起减振作用；（3）导向机构起传力和导向作用；（4）横向稳定器防止车身产生过大侧倾。,西华大学廖文俊,汽车悬架的组成,西华大学廖文俊,弹性元件,弹性元件的作用是缓和来自路面的冲击。弹簧的种类很多，有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧和橡胶弹簧等。,西华大学廖文俊,阻尼元件,悬架系统中由于弹性元件受冲击会产生振动，为衰减振动，改善汽车行驶平顺性，与弹性元件并联安装减振器，汽车悬架系统中采用减振器多是液力减振器，,西华大学廖文俊,导向机构,导向机构用来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，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。钢板弹簧本身兼起导向作用。,西华大学廖文俊,横向稳定器,在一些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆。,西华大学廖文俊,横向稳定器的安装,西华大学廖文俊,横向稳定器的安装,西华大学廖文俊,2悬架系统的自然振动频率,悬架系统的频率与汽车的平顺性（也称舒适性）有直接关系。n悬架的频率；M簧载质量；K悬架刚度；悬架频率n随簧载质量的变化而变化，轿车舒适性：人体所习惯的步行时身体上下运动的频率。人体最舒适的频率范围为11.6Hz；货车：货物完整性。未经固定的货物不可离开货箱底板车身加速度1g（重力加速度）一般汽车固有频率为：货车为1.52Hz；客车为1.21.8Hz，轿车为11.3Hz。车身振动加速度：极限值0.6-0.79g如果要将汽车行驶过程中的频率保持在11.6Hz内，最好采用变刚度悬架。,西华大学廖文俊,车辆悬架性能评价方法,汽车行驶平顺性的评价，常用车身振动的固有频率和振动加速度值评价振动频率要求：,西华大学廖文俊,悬架特性,影响汽车平顺性的另一重要指标是阻尼比，它表达为：,西华大学廖文俊,对悬架提出的设计要求,1）保证汽车有良好的行驶平顺性。2）具有合适的衰减振动能力。3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。4）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。5）有良好的隔声能力。6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。,西华大学廖文俊,3、分类,、独立悬架,每一侧车轮单独通过悬架与车架相连，每个车轮能独立上下跳动而互不影响。非独立悬架的优点是车轮上下跳动时定位参数变化小、最小离地间隙不变，且结构简单成本低廉。,左右车轮安装在一根整体车桥两端，车桥则通过弹性元件与车架相连。非簧载质量小，减小悬架刚度，降低车身振动的频率。,车桥,弹性元件,车架,断开式车桥,、非独立悬架：,西华大学廖文俊,西华大学廖文俊,1非独立悬架,优点,纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置,结构简单制造容易维修方便工作可靠,缺点,汽车平顺性较差高速行驶时操稳性差轿车不利于发动机、行李舱的布置,应用：货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架,西华大学廖文俊,2独立悬架,优点,簧下质量小；悬架占用的空间小；可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺性；由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，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。,缺点,结构复杂成本较高维修困难,应用：轿车和部分轻型货车、客车及越野车,西华大学廖文俊,二、弹性元件汽车悬架中常用的弹性元件有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧和橡胶弹簧等，其作用是变急促振动为缓慢的持续振动,作用：既有弹性元件的作用，又可起到导向和减振作用。结构：如下图所示,钢板弹簧,套管,螺栓,螺母,中心螺栓,卷耳,弹簧夹,1、钢板弹簧,西华大学廖文俊,钢板弹簧与车架的连接,西华大学廖文俊,2、螺旋弹簧,加工：用弹簧钢棒料卷制而成。,螺旋弹簧广泛应用于独立悬架中，它与钢板弹簧相比，有质量小，无需润滑，所占纵向空间小，不怕泥污等优点。但它只能承受垂直方向力，而且不足有减振作用，因此在悬架中必须要有导向机构和减振器。,特点：,西华大学廖文俊,螺旋弹簧概述,西华大学廖文俊,螺旋弹簧悬架,弹簧套在减震器外边，节省了安装空间，空余的大量空间便于安装发动机。,当车轮转向跳动时，车轮沿主销转动。,西华大学廖文俊,4、扭杆弹簧,扭杆弹簧是长杆状扭力弹簧，其断面多为圆形。扭杆弹簧由于其质量小，占空间小，结构简单，维修方便而在独立悬架中应用日渐增多。功用：当车轮跳动时，摆臂便绕着扭杆轴线摆动，使扭杆产生扭转变形，以保证车轮与车架弹性连接。,西华大学廖文俊,扭杆弹簧概述,西华大学廖文俊,三、减振器,弹簧虽然可以减轻道路对车身的冲击，但如果不让它的振动尽快停下来，我们乘坐的将是一辆跳个不停的汽车。因此，要在弹簧运动的过程中加上一定的阻尼，使弹簧的振动迅速衰减。,西华大学廖文俊,三、减振器,1、功用：加速车架与车身振动的衰减，改善汽车行驶的平顺性。,2、原理：当汽车振动时，减振器壳体内的油液反复从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔，同时，摩擦力便把振动能量转化为热能，被油液、减振器吸收后散失到大气中。,弹性元件,减震器,车架,半轴,西华大学廖文俊,1、汽车减振器的分类,悬架减振器转向减振器驾驶室减振器座椅减振器其它特殊功能减振器,西华大学廖文俊,悬架减振器,西华大学廖文俊,压缩缓冲块,复原缓冲块,压缩阀座,底座,缸筒,连杆,充氮气,支柱减振器,防尘罩,弹簧下座,支架,活塞,贮液筒,西华大学廖文俊,下吊环,筒式减振器,压缩阀座,活塞,连杆,导向器,油封,上吊环,贮液筒,缸筒,防尘罩,支撑垫片,底座,复原缓冲块,西华大学廖文俊,转向减振器,随着车速的提高，现代汽车的转向轮有时会产生摆振（转向轮绕主销轴线往复摆动，甚至引起整车车身的振动），这不仅影响汽车的稳定性，而且还影响汽车的舒适性、加剧前轮轮胎的磨损。在转向传动机构中设置转向减振器是克服转向轮摆振的有效措施。转向减振器的一端与车身（或前桥）铰接，另一端与转向直拉杆（或转向器）铰接。,西华大学廖文俊,转向减振器,西华大学廖文俊,驾驶室减振器,西华大学廖文俊,座椅减振器,西华大学廖文俊,座椅减振器,阻力不可调,阻力可调,西华大学廖文俊,其它特殊功能减振器,如拖车减振器等,西华大学廖文俊,2、汽车悬架减振器的功能,无减振器,有减振器,西华大学廖文俊,汽车悬架减振器是为迅速衰减悬架与车身振动而设计的,西华大学廖文俊,迅速衰减由路面传递给车体的振动提高行驶平顺性,使司乘人员不易疲劳；货物不易损坏提高乘座舒适性,降低对相关零件冲击载荷，减少磨损提高使用经济性,改善轮胎抓地性、抑制高速行驶跳动提高行驶安全性,车辆在急加速、急刹车、急转弯时提高操作稳定性,西华大学廖文俊,3、性能要求：,、在悬架压缩行程内，减振器阻尼力应较小，以便充分利用弹性元件的弹性，缓和冲击。、在悬架伸张行程，减振器阻尼力应大，以求迅速减振。、在车桥与车架相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道截面积，使阻尼力始终保持在一定限度之内，避免过大的冲击载荷。,西华大学廖文俊,4、汽车悬架减振器的分类,充气式、不充气式减振器,双作用式、单作用式减振器,单筒式、双筒式减振器,被动型、半主动型、主动型减振器,以双筒式、不充气、双作用的被动型减振器为最常见,西华大学廖文俊,1、筒式减振器的结构型式,环环型(HH)环杆型(HG)杆杆型(GG)杆环型(GH),三、汽车悬架减振器的结构,西华大学廖文俊,1、筒式减振器的结构型式,西华大学廖文俊,西华大学廖文俊,西华大学廖文俊,双向作用筒式减振器,西华大学廖文俊,减振器工作原理,西华大学廖文俊,西华大学廖文俊,2、双向作用筒式减振器,、结构：,伸张阀,流通阀,压缩阀,补偿阀,活塞杆,防尘罩,活塞,储油钢桶,导向座,西华大学廖文俊,、工作原理,压缩行程：车轮靠近车架,容积减少，油压升高，油液打开流通阀，经过流通阀流入上腔。,由于上腔容积被活塞杆用去部分空间，所以一部分油液打开压缩阀流入储油缸。,由于各阀门的节流作用，便造成对悬架压缩运动的阻力，使振动能量衰减。,西华大学廖文俊,伸张行程,车轮下跳，减振器受拉伸活塞上移。,上腔容积减少，油压升高，油液推开伸张阀，流入下腔。,由于活塞杆占去一定空间，所以自上腔流入的油液不足以充满下腔容积的增加。储油缸中油液推开补偿阀流入下腔补充。,由于各阀门的节流作用，便造成对悬架伸张运动的阻力，使振动能量衰减。,西华大学廖文俊,3、减振器工作过程,伸张阀弹簧的刚度和预紧力比压缩阀的大，在同样油压作用下，伸张行程产生阻尼力远大于压缩行程的阻尼力。,西华大学廖文俊,双筒液压减振器外特性三级控制,减振器的阻尼力通常是指在给定行程和频率（或速度）的条件下产生的阻尼力。减振器阻尼力的系数通常是非线性的，它的外特性有两个点非常重要。一个是开阀点，另一个是最大开阀点，此时阀系形成最大开度。,Fk复原开阀点,Fkm复原最大开度,Vk压缩开阀点,Vkm压缩最大开度,西华大学廖文俊,双筒液压减振器外特性三级控制,减振器外特性三级控制第一级控制：溢流：活塞杆在低速运动时特别是0-0.3m/s间的减振器流量功能是减振器持续不断通过节流阀片的开槽宽度数量和厚度的槽孔提供。第二级控制：排放：活塞杆在中速运动，特别是0.2-1.0m/s间的减振器流量功能是减振器油压力作用下阀片数量，变形，实现的。第三级控制：板孔流量：活塞杆在高速运动速度为1.0m/s以上的减振器油流量功能，是通过活塞（阀板）端面孔口直径大小，数量实现的。当阀门全打开时减振器油受到限制。,西华大学廖文俊,桑塔纳2000前减振器活塞结构图,西华大学廖文俊,桑塔纳2000前减振器工作缸底座结构图,西华大学廖文俊,新型减振器（充气式减振器）,结构：装有一个浮动活塞充有高压的氮气工作活塞上装有变截面积的压缩阀和伸张阀（弹簧钢片）工作原理：减震液流通工作活塞上压缩阀、伸张阀产生阻尼力，使振动衰减。活塞杆对缸筒容积的变化，由浮动活塞补偿。,西华大学廖文俊,3、单筒液压减振器基本结构,活塞杆,导向器,活塞阀,底阀,西华大学廖文俊,充气式减振器,西华大学廖文俊,4、筒式减振器的尺寸系列,以工作缸内径分为：中国：20、30、40、(45)、50、65系列日本：20、25、30、40、45、50、65系列欧美：20、27、32、40、45、50、65系列,5、减振器活塞杆的尺寸系列,常见活塞杆杆径有：8、10、12、12.5、16、18、20、22、25、28,西华大学廖文俊,3、横置减振器工作原理,油封,底阀总成,导向器,缸筒,活塞阀总成,转向减振器,储油囊,一般的悬架减振器要求垂直安装，角度过小易出现空程,横置减振器要求水平安装，全行程不能出现空程,有一个能补偿活塞杆排量的活动腔是横置减振器无空程的重要保证,西华大学廖文俊,4、单筒充气液压减振器工作原理,复原阀,高压氮气,压缩阀,浮动底座,无流通阀和补偿阀,对油封要求较高,西华大学廖文俊,1、尺寸参数,最大拉伸长度Lmax、最小压缩长度Lmin、行程S行程S=最大拉伸长度Lmax-最小压缩长度Lmin,五、汽车减振器的特性及其检测,连接件安装尺寸,汽车减振器本质上是一种阻尼器。通过将外部输入的振动动能转化为其内部的热能而实现减振功能。,西华大学廖文俊,西华大学廖文俊,2、示功特性,示功图,西华大学廖文俊,示功图的解读,示功图通过示功试验获得,复原阻力、压缩阻力,示功图应丰满、圆滑，不得有空程、畸变等,额定阻力的允差值,额定复原阻力Pf、额定压缩阻力Py,复原阻力的允差值Pf=(14%Pf+40)N,压缩阻力的允差值Py=(16%Py+40)N,每个减振器必须经示功检验合格后才可出厂,西华大学廖文俊,3、速度特性,速度特性曲线,西华大学廖文俊,速度特性曲线解读,速度特性曲线通过不同速度段的多个示功试验获得,它与示功图是减振器外特性的不同表示方法,速度特性曲线是减振器设计的输出项之一,常用检测速度,欧美：0.05、0.13、0.26、0.39、0.52、1.04M/S,日本：0.05、0.10、0.30、0.60、1.00、1.50M/S,西华大学廖文俊,示功特性检测速度特性检测,性能检测设备,MTS性能试验台,西华大学廖文俊,国产性能试验台,检测项目：多速度示功图（P-S图）速度特性曲线（V-S图）摩擦力,西华大学廖文俊,4、温度特性,减振器油温升降引起阻力变化的特性,温度特性常用P-t(阻力-温度）曲线表示,温度特性检测使用高、低温恒温箱,西华大学廖文俊,复原阻力和压缩阻力的实际热衰减率应在允许的衰减率范围内。,根据试件在20、100时的阻力计算出实际的复原（压缩）热衰减率f、y：f=（P20-P100）/P20*100%y=（P20-P100）/P20*100%,复原阻力允许衰减率f=(19%+40N/Pf)*100%压缩阻力允许衰减率y=(16%+40N/Py)*100%,西华大学廖文俊,5、耐久性,分台架试验和道路试验两种,台架试验后减振器应无漏油、示功图仍应保持正常、复原阻力和压缩阻力的实际变化率在允许的变化率范围内。,台架试验的工作循环次数最少为100万次,西华大学廖文俊,复原阻力的允许变化率=(19%+40N/Pf)*100%压缩阻力的允许变化率=(16%+40N/Py)*100%,根据试件在试验前、后的阻力计算出实际的复原（压缩）阻力变化率nf、ny：nf=（P0-P100）/P0*100%ny=（P0-P100）/P0*100%,西华大学廖文俊,双动寿命试验台,耐久台架试验的检测设备,西华大学廖文俊,6、强度,减振器的设计强度一般不低于其额定复原阻力值的10倍。如S20的不小于20KN；S30的不小于30KN；S40的不小于45KN；等,减振器的复原阻力一般大于压缩阻力,若悬架设计时选用的减振器规格偏小，则极易产生吊耳断裂的现象,西华大学廖文俊,万能材料试验机,强度试验的检测设备,检测项目：金属材料的拉伸、压缩、弯曲及剪切性能减振器各分总成的焊接强度,西华大学廖文俊,7、减振器标准,QC/T491-1999（JB1459-85）汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件,QC/T545-1999（JB3901-85）汽车筒式减振器台架试验方法,QC/T546-1999（JB3902-85）汽车筒式减振器清洁度限值及测定方法,西华大学廖文俊,六、汽车减振器的制造工艺,产品虽小但零部件种类、数量较多,1、减振器的制造特点,各零部件的制造精度要求较高,零部件涉及行业多,产品装配工序较多,装配工艺以压配和点焊、凸焊、缝焊为主,西华大学廖文俊,七、汽车减振器的常见故障,1、橡胶套坏,2、渗漏油,4、无阻力,5、发硬,6、发响,3、断裂,西华大学廖文俊,四、非独立悬架,非独立悬架结构简单，被广泛用于小货车和客车的前后悬架。有的轿车的后悬架也有采用非独立悬架。,1、纵置板簧式非独立悬架,钢板弹簧被用做非独立悬架的弹性元件，由于它兼起导向机构的作用，使得悬架系统大为简化。,应用：货车的前、后悬架中,西华大学廖文俊,非独立悬架概述,西华大学廖文俊,2、螺旋弹簧非独立悬架,只能承受垂直载荷,所以其悬架系统要加设导向机构和减振器。由螺旋弹簧、减振器、纵向推力杆和横向推力杆组成。,应用：一般用于轿车的后悬架,西华大学廖文俊,四连杆螺旋弹簧式悬架用螺旋弹簧代替钢板弹簧，改善了乘坐舒适性。大多应用于FR(前置发动机后轮驱动)车的后轮悬架。,西华大学廖文俊,3、空气弹簧非独立悬架,组成：囊式空气弹簧、压气机、车身高度调节控制阀、控制杆等。应用特点：汽车在行驶时由于载荷和路面的变化，要求悬架刚度随着变化。,不同类型汽车提出不同的要求，矿山及大型客车要求其空车与满载时的车身高度变化不大；对于轿车要求在好路上降低车身高度，提高车速行驶；在坏路上提高车身，可以增大通过能力。,西华大学廖文俊,五、独立悬架,独立悬架的左右车轮不是用整体车桥相连接，而是通过悬架分别与车架（或车身）相连，每侧车轮可独立地运动。轿车和载重量1t以下的货车前悬架广为采用，轿车后悬架上采用也在增加。越野车、矿用车和大客车的前轮也有一些采用独立悬架。,2、按弹性元件采用不同分为：螺旋弹簧式，钢板弹簧式，扭杆弹簧式，气体弹簧式。,1、根据导向机构不同的结构特点，独立悬架可分为：双横臂，单横臂，纵臂式，单斜臂，多杆式及滑柱（杆）连杆（摆臂）,分类：,西华大学廖文俊,独立悬架概述,西华大学廖文俊,1、双横臂式（双叉式）独立悬架,、等臂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。,应用：广泛应用在轿车前轮上,西华大学廖文俊,、不等臂双横臂式独立悬架,不等臂双横臂式独立悬架的上臂比下臂短。优点：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。,西华大学廖文俊,2、滑柱摆臂式独立悬架（又称麦弗逊式或支柱式）,车轮沿摆动的主销轴线移动；这种悬架将双横臂上臂去掉并以橡胶做支承，允许滑柱上端作少许角位移；内侧空间大，有利于发动机布置，并降低汽车的重心。,应用：轿车中采用很多,西华大学廖文俊,烛式独立悬架,车轮沿固定不动的主销轴线移动；悬架变形时，主销的定位角不变，仅轮距、轴距稍有改变；有利于汽车的转向操纵性和行驶稳定性。套筒和主销磨损严重。,应用：目前很少采用,西华大学廖文俊,3、斜置单臂式独立悬架,其摆臂绕与汽车纵轴线具有一定交角的轴线摆动，选择合适的交角可以满足汽车操纵稳定性要求。,应用：适于做后悬架,西华大学廖文俊,4、多杆式独立悬架,独立悬架中多采用螺旋弹簧，因而对于侧向力，垂直力以及纵向力需加设导向装置即采用杆件来承受和传递这些力。,应用：一些轿车上为减轻车重和简化结构采用多杆式悬架。,1-前悬架横梁2-前稳定杆3-拉杆支架4-粘滞式拉杆5-下连杆6-轮毂转向节总成7-第三连杆8-减振器9-上连杆10-螺旋弹簧11-上连杆支架12-减振器隔振块,西华大学廖文俊,西华大学廖文俊,六、多轴汽车的平衡悬架,1.各车桥单独与车架刚性连接,(1）一轮悬空（或负荷减小），可能使其他车桥过载；(2）不能全轮附着，最大牵引力减小，降低越野性；(3）若前轮悬空，汽车操纵能力大大降低，失去操纵性；(4）减振器性能差（轮胎弹性未充分发挥）。,若在不平道路上行驶，将带来不良后果：,西华大学廖文俊,3.中后桥用平衡悬架与车架连接（三桥）,将中后桥装在一副钢板弹簧的两端，钢板弹簧就相当于一根平衡杆，而平衡杆的中部与车架作铰链连接。由于平衡杆两臂等长，则两个车桥上的垂直载荷在任何情况下都相等。,2.各车桥单独与车架弹性连接,采用独立悬架，可以保证所有车轮与地面良好地接触。,西华大学廖文俊,12.6电子控制的空气悬架,应用于高级轿车,一、分类,1、根据有源和无源分：半主动悬架：不考虑改变悬架的刚度，而只改变悬架的阻尼。主动悬架：能对其刚度和阻尼力控制外，还可以调整车身高度。,2、按悬架介质分：油气式主动悬架和空气式主动悬架。,二、电子控制空气式主动悬架的结构与原理,1、组成：,西华大学廖文俊,主动控制悬架,一般由传感器检测系统运动的状态信号,反馈到电控单元ECU,然后由ECU发出指令给执行机构主动力发生器，构成闭环控制。通常采用电液伺服液压缸作为主动力发生器，它由外部油源提供能量.力发生器产生主动控制力作用于振动系统，自动改变弹簧刚度和减振器阻尼特性参数。主动悬架除了控制振动还可以控制汽车的姿态和高度。,西华大学廖文俊,1、空压机；2、发动机IC调节器；3、前悬架控制执行器；4、节气门开度传感器；5、后悬架控制执行器；6、后车身高度传感器；7、2号高度控制