理论教育 行驶系统悬架设计优化方案

行驶系统悬架设计优化方案

时间:2023-06-03 理论教育 版权反馈
【摘要】: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。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系统上。

行驶系统悬架设计优化方案

车架(Frame)

车架也称大梁,一般由两根纵梁和几根横梁组成,经由悬架装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上,具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。

大梁式车架(Beam Type Frame)

大梁式车架就是将粗壮的钢梁焊接或铆合起来而成的一个钢架。在这个钢架上。可以安装发动机、悬架、车身等部件。大梁式车架的优点是钢梁能提供很强的承载能力和抗扭刚度,而且结构简单,开发容易,生产工艺的要求也较低。缺点是钢制大梁质量沉重;粗壮的大梁纵贯全车,影响整车的布局和空间利用率。大梁式车架主要适用于要求有大载质量的货车、中大型客车,以及对车架刚度要求很高的车辆,如越野车。

承载式车架(Bearing Type Frame)

针对大梁式车架质量重、体积大、重心高的问题,承载式车架的设计理念是用金属制成坚固的车身,再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷,充当车架,所以准确称呼应为“无车架结构的承载式车身”(采用大梁车架的汽车车身则称为“非承载式车身”)。承载式车架由钢(较先进的是铝)经冲压、焊接而成,对设计和生产工艺的要求都很高。成型的车架是个带有座舱、发动机舱和底板的骨架。

承载式车架是目前轿车的主流,因为这种结构将车架和车身合二为一,重量轻、可利用空间大、重心低,而且冲压成形的制造方式十分适合现代化的大批量生产。但是除了开发制造难度高外,刚度(尤其是抗扭刚度)不足也是承载式车身的一大缺陷。

由于承载式车架将全车所有部件,包括悬架、车身和乘员连成一体,具有很好的操控反应,而且传递的振动、噪声都较少,因此不仅是轿车,就连一些针对良好道路环境设计的越野车也有弃大梁车架而改用承载式车架的趋势,这就是所谓的“城市化越野车”。另外针对大梁式车架地台高的弊病,近年还出现了采用承载式车架的大型客车,由于取消了大梁,旅游大巴可以在车底腾出巨大且左右贯通的行李空间,用于市区的公共汽车则可以将地台降至与人行道等高,以便于上下车。

钢管式车架(Steel Frame)

钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架,再将零部件装在这个框架上。它的生产工艺简单,很适合小规模的工作坊作业。目前仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂,原因是可以省去冲压设备的巨大投资。由于对钢管式车架进行局部加强十分容易(只需加焊钢管),在质量相等的情况下,往往可以得到比承载式车架更强的刚度,这也是很多跑车厂仍乐于用它的原因。

铝合金车架(Aluminum Alloy Frame)

铝合金车架是将铝合金条梁焊接、铆接或贴合在一起组成一个框架,这可以理解为钢管车架的变种,只是铝合金是方梁状而非管状。铝合金车架的最大优点是轻(相同刚度的情况下),但是成本高,不宜大量生产,而且铝合金本身的特性决定了其承载能力受限制。

碳纤维车架(Carbon Fiber Frame)

碳纤维车架是一体成形式车架。它用碳纤维浇注成一体化的底板、座舱和发动机舱结构,再装上机械零件和车身覆盖件。碳纤维车架的刚度极高,重量比其他任何车架都要轻,重心也可以造得很低。但是制造成本是它的致命伤,因此目前都只用于不计成本的赛车和极少数量产车上。

悬架(Suspension)

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,包括弹性元件,减振器和传力装置等三部分。这三部分分别起缓冲,减振和力的传递作用,即缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力,并衰减由此引起的振动,传递作用在车轮和车架之间的力和力矩,从而保证汽车平顺行驶。悬架的功能是支持车身,改善乘坐的感觉。

常见轿车的前悬架一般为麦弗逊式悬架。四连杆式前悬架系统多用于豪华轿车,它通过运动学原理巧妙地将牵引力、制动力和转向力分离,同时赋予车辆精确的转向控制。四连杆式悬架系统在奥迪A4、A6以及中华轿车上都可以看到。后悬架系统的种类要比前悬架要多,原因是驱动形式的不同决定着后车轴的有无,并与车身重量有关。后悬架主要有连杆式和摆臂式两种。

独立悬架(Independent Suspension)

独立悬架的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,能减少车身的倾斜和振动。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。

●横臂式悬架: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,造成轮胎磨损严重,现已很少采用。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系统上。

●纵臂式悬架: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,形成一个平行四连杆结构,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。

●多连杆式悬架:是指由3~5根杆件组合起来控制车轮位置变化的悬架。多连杆式悬架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中方案,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,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、制动状态都可以按驾驶人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。

●烛式悬架: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。

●麦弗逊式悬架:车轮也是沿着主销滑动,但与烛式悬架系统不完全相同,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;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,国产奥迪、桑塔纳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,但它是一种经久耐用的独立悬架,具有很强的道路适应能力

非独立悬架(Dependent Suspension)

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、保养容易和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。

减振器(Shock Absorber)

减振器主要用来抑制弹簧吸振后反弹时的振荡及来自路面的冲击。在经过不平路面时,虽然吸振弹簧可以过滤路面的振动,但弹簧自身还会有往复运动,而减振器就是用来抑制这种弹簧跳跃的。常用的减振器有:

●单筒气压减振器

●双筒油压减振器

●双筒油气减振器

车轮(Wheel)

车轮是介于轮胎和车轴之间所承受负荷的旋转组件,通常由轮辋和轮辐两个主要部件组成。

轮辋(Rim)

轮辋是在车轮上安装和支承轮胎的部件。

轮辐(Spoke)

轮辐是在车轮上介于车轴和轮辋之间的支承部件。

轮毂(Hub)

支撑轮胎的圆桶形的、中心是装在轴上的部件就叫轮毂。轮毂按材质可以分为两大类。

●钢轮毂:制造工艺简单,成本相对较低,抗金属疲劳能力强。但其重量大,惯性阻力大,散热性较差。

●合金轮毂:重量轻,制造精度高,强度大,惯性阻力小,散热能力强,视觉效果好。缺点是制造工艺复杂,成本高。

车轮示意图

轮毂尺寸(Hub Size)

指轮毂的直径。人们说的15in轮毂、16in轮毂,其中的数字指的就是轮毂的尺寸(直径)。一般在轿车上,轮毂尺寸大、轮胎扁平比高的话,在视觉上可以起到很好的张力效果,而且在车辆操控的稳定性方面也会有所增加,但是随之而来的就是油耗增加这样的附加问题。

轮毂宽度(Hub Width)

俗称为J值,轮毂的宽度直接影响到轮胎的选择,同样尺寸的轮胎,J值不同,选择的轮胎扁平比和宽度也就不同。

节圆直径(Pitch Circle Diameter,PCD)

指轮毂中央的固定螺栓间的直径。一般的轮毂大多孔位是五颗螺栓和四颗螺栓,而螺栓的距离各有不同。以5×114.3为例,就代表这个轮毂的PCD是114.3mm,孔位五颗螺栓。在选择轮毂的时候,PCD是最重要的参数之一,为了安全和稳定性的考虑,最好选择PCD与原车一致的轮毂来进行升级改造。

偏距(Offset)

俗称ET值,轮毂螺栓固定面与轮毂横剖面中心线之间的距离。通俗地说就是轮毂改装之后是向内缩进还是向外凸出。对一般轿车而言,ET值为正,对少数车辆和一些越野车而言为负。比如一台车的偏距值为40,若是换上了ET45的轮毂,在视觉上就会比原厂的轮毂更缩入轮拱内。当然,ET值不仅仅影响到视觉上的变化,它还与车辆的转向特性、车轮定位角度都有关系,差距过大的偏距值可能导致轮胎不正常磨耗,轴承易磨损,甚至根本无法正常安装。(www.daowen.com)

中心孔(Center Drilling)

中心孔是用来与车辆固定连接的部分,就是轮毂中心与轮毂同心圆的位置,这里的直径尺寸影响到安装轮毂是否可以确保轮圈几何中心和轮毂几何中心吻合。

轮胎(Tire)

轮胎是指在各种车辆或机械上装配的接地滚动的圆环形弹性橡胶制品。其通常安装在金属轮辋上,能支承车身,缓冲外界冲击,实现与路面的接触并保证车辆的行驶性能。

轮胎示意图

汽车轮胎一般分为有内胎轮胎和无内胎轮胎两种。

●有内胎的轮胎:在外胎的里面还有一个充有压缩空气的内胎。其主要缺点是行驶温度高,不适应高速行驶,不能充分保证行驶的安全性,使用时内胎在轮胎中处于伸张状态,略受穿刺便形成小孔,而使轮胎迅速降压。

●无内胎轮胎不使用内胎,空气直接充入外胎内腔。这样消除了内外胎之间的摩擦,并使热量直接从轮辋散出,比普通轮胎降温20%以上。无内胎轮胎提高了行驶安全性,在穿孔较小时能够继续行驶,中途修理比有内胎轮胎容易,不需拆卸轮辋,因为有较好的柔软性,所以可改善轮胎的缓冲性能,提高轮胎的使用寿命。轮胎从结构设计上可分为斜交轮胎和子午线轮胎。

●斜交轮胎的帘线按斜线交叉排列,故而得名。其特点是胎面和胎侧的强度大,但胎侧刚度较大,舒适性差,由于高速时帘布层间移动与摩擦大,并不适合高速行驶。随着子午线轮胎的不断改进,斜交轮胎将基本上被淘汰。

●子午线轮胎的帘布层相当于轮胎的基本骨架,其排列方向与轮胎子午断面一致。由于行驶时轮胎要承受较大的切向作用力,为保证帘线的稳固,在其外部又有若干层由高强度、不易拉伸的材料制成的带束层(又称箍紧层),其帘线方向与子午断面呈较大的交角。

子午线轮胎与普通斜交轮胎相比,弹性大、耐磨性好、滚动阻力小、附着性能好、缓冲性能好、承载能力大、不易刺穿;缺点是胎侧易裂口,由于侧向变形大,导致汽车侧向稳定性稍差,制造技术要求高,成本高。

子午线轮胎(Radial Tire)

子午线轮胎是轮胎的一种结构形式,区别于斜交轮胎、拱形轮胎、调压轮胎等,俗称为“钢丝轮胎”。子午线轮胎根据材料不同可以分为全钢丝子午线轮胎、半钢丝子午线轮胎和全纤维子午线轮胎三种类型。

●全钢丝子午线轮胎:全钢丝子午线轮胎的带束层均采用钢丝帘线,一般用于载重及工程机械车辆上。

●半钢丝子午线轮胎:半钢丝子午线轮胎的胎体采用人造丝或者其他纤维,带束层则用钢丝帘线,这种类型的子午线轮胎一般用于轿车、轻型货车、公交车等。

●全纤维子午线轮胎:全纤维子午线轮胎的胎体及带束层全采用人造丝或其他纤维帘线,带束层帘线采用低伸长帘线,这种子午线轮胎一般用于低速汽车或拖拉机上。

子午线轮胎结构合理,比斜交胎性能要优越,有很多优良的特点:耐磨及耐刺穿性能好;缓冲性能好,行驶温度低;稳定及安全性能好,行驶里程及经济效益高。

斜交轮胎(Diagonal Tire)

斜交轮胎是指胎体帘布层和缓冲层相邻层帘线交叉,且与胎面中心线呈小于90°角排列的充气轮胎。这种轮胎纵向刚性好,适于在普通路面中速行驶。相对于子午线轮胎即所谓的钢丝胎而言,斜交轮胎可以简单地称之为尼龙胎。

普通斜交外胎由胎冠、帘布层、缓冲层及胎圈组成。帘布层是外胎的骨架,用以保持外胎的形状和尺寸,通常由成双数的多层挂胶布(帘布)用橡胶贴合而成。帘布的帘线与轮胎子午断面的交角(胎冠角)一般为48°~55°,相邻层帘线相交排列。帘布层数越多,强度越大,但弹性降低。其在外胎表面上注有帘布层数,如16层级、18层级等。

帘布由纵向的强韧的经线和放在各经线之间的少数纬线织成。帘线可以是棉线、人造丝线、尼龙线和钢丝。采用人造丝可以使同样尺寸的轮胎增加其载荷容量,因为人造丝的强度和弹性大。尼龙丝又比人造丝好,耐用性高。因此,当采用人造丝、尼龙丝或钢丝帘线时,在轮胎的承载能力相同的情况下,帘布层数可以减少,此时在外胎表面上标注的是层级(相当于棉线帘布层数,而不是实际的帘布层数)。中国已大量采用人造丝和尼龙丝帘线,近来也开始采用钢丝帘线,但因价高和质脆而没有得到广泛应用。

缓冲层位于胎面与帘布层之间,是用胶片和两层或数层硅胶稀帘布制成,故弹性较大,能缓和汽车在行驶时所受到的不平路面的冲击,并防止汽车在紧急制动时胎面与帘布层脱离。

胎面是外胎最外的一层,可分为胎冠、胎侧和胎肩三部分,胎冠用耐磨的橡胶制成,它直接承受摩擦和全部载荷,能减轻帘布层所受冲击,并保护帘布层和内胎免受机械损伤。为使轮胎与地面有良好的附着性能,防止纵、横向滑移等,在胎面上有着各种形状的凹凸花纹。

胎肩是较厚的胎冠与较薄的胎侧间的过渡部分,一般也制有花纹,以利散热。

胎侧橡胶层较薄,用以保护帘布层侧壁免受潮湿和机械损伤。

胎圈使外胎牢固地装在轮辋上,有很大的刚度和强度,由钢丝圈、帘布层包边和胎圈包布组成。

越野轮胎(Off-road Tire)

越野轮胎主要有下列三类。

●公路轮胎:公路轮胎简称HT。一般来说,越野车出厂时通常给新车安装的是中性的道路花纹轮胎,主要用于公路行驶,特点是胎壁比较柔软,胎面花纹细密。

●全地形轮胎:全地形轮胎英文名是ALL TERRAIN,在国内一般被简称为AT轮胎。全地形轮胎的设计比公路胎具有兼容性,它的花纹设计的比较粗犷,胎牙的间距也比公路胎略大,这种设计的负面效果是公路性能下降,噪声有所增加,但是耐用性和在非铺装路面上的附着力要强于公路胎,是越野和公路性能兼顾的轮胎。AT轮胎是越野胎中最复杂的,这种轮胎有侧重于沙地越野的,有侧重于公路行驶的,也有侧重于泥地行驶的。总之,触地橡胶越多,公路操控性越好;触地花纹越少,同时沟槽越深,越野性能越好。

斜交轮胎外胎的结构

●泥地轮胎:泥地轮胎简称MT(Mud-Terrain)轮胎,一般只有越野发烧友和特殊路段工作者才会选用。它与公路(HT)轮胎相反,MT轮胎胎壁坚硬,胎牙夸张,胎牙之间的距离明显偏大,便于泥地行驶的时候慢速排泥或高速甩泥,另外在一些恶劣的地面上更容易增加附着力,如凸凹不平的岩石地面。在公路上行驶时MT轮胎的噪声很大,当车速低于10km/h的时候还会感觉到胎牙的振动。MT轮胎制动和转向性能都与HT轮胎相差许多,在下雨的铺装路面上行驶更容易失控。

除了以上三种常见的越野轮胎,还有一些比较专业但很稀少的轮胎类型,比如雪地轮胎、雨林轮胎、攀岩轮胎和沙漠轮胎等。

轮胎规格(Tire Specifications)

轮胎规格常用一组数字表示轮胎的大小和能力等,并标注在轮胎的胎侧。

轮胎断面宽度(Tire Section Width)

轮胎侧面除去花纹及文字等后所剩的宽度。

轮胎断面宽度示意图

轮胎负荷指数(Load Index)

轮胎负荷指数是指在最大空气压力下轮胎可承受的最大负荷。

轮胎负荷指数-负荷力对照表

轮胎速度级别(Tire Speed Level)

轮胎速度级别是指在规定条件下轮胎最高行驶速度的特别符号。

轮胎层级(Tire Ply Rating)

轮胎层级是指轮胎橡胶层内帘布的公称层数,与实际帘布层数不完全一致,是轮胎强度的重要指标。层级用中文标志,如12层级;用英文标志,如“14P.R”,即14层级。

扁平比(Flattening Ratio)

扁平比指的是从轮圈至胎面的高度与轮胎的断面测量最大的宽度的比值,以百分比表示,即高度占宽度的百分数。以205/60R15规格的轮胎为例,其横断面的最大宽度是205mm,轮胎内径为15in,扁平比为60。

高扁平比的轮胎由于胎壁长,缓冲能力强,相对来说舒适性较高,但对路面的感觉较差,转弯时的侧向抵抗力弱。反之,低扁平比、大内径的轮胎,因胎壁较短,胎面宽阔,因此接地面积大,轮胎可承受的压力亦大,对路面反应非常灵敏,转弯时的侧向抵抗能力强,使车辆的操控性大大加强。

扁平比示意图

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