【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 接近人體所習(xí)慣的步行時(shí)的身體上、下運(yùn)動(dòng)的頻率 1～ (60～ 85次 /min)，振動(dòng)的加速度的 極限允許值為 ～ 。 從保持所運(yùn)貨物完整性的觀點(diǎn)出發(fā)，車身振動(dòng)加速度也不能過大，如果車身加速度達(dá)到 1g，則未經(jīng)固定的貨物可能離開車廂底板。因此為保證所運(yùn)貨物完整無損，振動(dòng)加速度的極限值不應(yīng)超過 ～ 。 12 懸架的動(dòng)撓度 df 是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形 (通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的 1／ 2 或 2／ 3)時(shí)，車輪中心相對(duì)車架 (或車身 )的垂直位移。 從圖 31 可知，車身固有頻率 0n 低于 3Hz 就可 以保證人體最敏感的 4～8Hz 處于減震區(qū)。 0n 值越低，車身加速度的均方根值越小。但在懸架設(shè)計(jì)時(shí)，0n 值不能選得太低，這主要是 0n 值降低，懸架的動(dòng)撓度 df 就增大，在布置上若不能保證足夠大小的限位行程，就會(huì)使限位塊撞擊的概率增加。另外， 0n值選得過低，懸架設(shè)計(jì)不選取一定措施，就會(huì)增大制動(dòng)“點(diǎn)頭“角和轉(zhuǎn)彎側(cè)傾 角，使空、滿載是車身高度的變化過大。各種車型車身固有頻率 0n 的實(shí)用范圍為：貨車 ～ 2Hz；旅行客車 ～ ；高級(jí)轎車 1～ 。 2 彈性特性 在懸架設(shè)計(jì)中，通常把力和變形的關(guān)系的關(guān)系曲線，即車輪受到的垂直外力與由此所引起的車輪中心相對(duì)于車身位移的關(guān)系曲線，稱為懸架的彈性特性曲線，曲線的斜率為懸架的剛度。 a、線性彈性特性 線性彈性特性，即懸架變形與所受載荷成比例地變化。其剛度 G是常數(shù)。一般鋼板彈簧懸架即屬此類。 具有線性彈性特性的汽車，在使用中其 車身振動(dòng)的固有頻率將隨裝載的多少而改變，尤其是后懸架載荷變化很大的貨車和大客車，這種變化會(huì)使汽車前后懸架的頻率相差過大，結(jié)果導(dǎo)致汽車車身的猛烈顛簸 (縱向角振動(dòng) )，因而使汽車行駛平順性變壞。 圖 32 彈性特性曲線 a—— 線性彈性彈性 b—— 非線性彈性特性 13 b、非線性彈性特性 非線性彈性特性的懸架，即懸架的剛度可隨載荷的改變而變化，也稱變剛度懸架。由于剛度 c隨載荷而改變，可以使得在載荷變化時(shí)，保持車身振動(dòng)的固有頻率不變，從而獲得良好的汽車行駛平順性。這時(shí)，在曲線上任意點(diǎn) M，必須滿足 P／ MC =f= cf =常數(shù) (35) 式中 P— 特性曲線上任意點(diǎn) M 的載荷 ； MC — 任意點(diǎn) M 的懸架剛度 ； f— 求剛度 MC 時(shí)的次切矩 (不是懸架從原點(diǎn)的變形 )，也 有人 稱 f 為懸架的折算靜撓度 ； cf — 在靜載荷 cp 時(shí)，為 汽車獲 得較為 良好平順性所要求的懸架靜撓度。 因?yàn)? MC =dfdp (36) 可將上式改寫成 pdp=fdf (37) 積分得 ln P=cff +A (38) 因?yàn)楫?dāng) f= cf 時(shí)， P= cp ecff 1? 所以 A= ln cP 1 (39) 因此 P=cP 這就是 說．不管載荷如何變，為保持車身固有頻率不變，當(dāng)載荷 P 等于大于 cP 時(shí)，懸架的特性應(yīng)該是按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化。然而，這種較為理想的彈性特性的懸架是難于實(shí)現(xiàn)的。 目前，在懸架設(shè)計(jì)中，只不過是力求減小固有頻率隨載荷而變化的幅度(或范圍 )，從而不同程度地改善汽車行駛平順性。 非線性的懸架撣性特性可以采用適當(dāng)?shù)膽壹芙Y(jié)構(gòu) (導(dǎo)向機(jī)構(gòu) )或彈性元件(如加輔助彈簧、調(diào)節(jié)彈簧、空氣彈簧等 )來實(shí)現(xiàn)。 14 懸架系統(tǒng)中的阻尼對(duì)汽車行駛平順性的影響 減震器起衰減振動(dòng)的作用 [14]~ [16]，對(duì)汽車平順性有影響，其主要參數(shù)為阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)的選取要根據(jù)具體汽車的型號(hào)來選取。下圖是減振器阻尼對(duì)車身振動(dòng)衰減的曲線示圖 圖 33 減震器阻尼對(duì)振動(dòng)的衰減作用 a―振動(dòng)完全沒有衰減的曲線，車身按懸架的固有振動(dòng)頻率不斷振動(dòng)； b―有衰減的情況，車身振動(dòng)的振幅逐漸減小。 c―減振器的衰減能力很強(qiáng)的情況，車身沒有振動(dòng)，車身的位移很快恢復(fù)到原位。 為了衰減車身 由路面反饋來 的自由振動(dòng)和抑制車身、車輪 、車架等 的共振，以減小車身的垂直振動(dòng) 所引起的 加速度和車輪 垂直方向振動(dòng) 的振幅 (減小車輪對(duì)地面壓力的變化，防止車輪 過于 跳離地面 )，懸架系統(tǒng)中應(yīng)具有適當(dāng)?shù)淖枘帷? 當(dāng) ? 增大時(shí)，動(dòng)撓度的幅頻特性｜ df /,q ｜在高、低兩個(gè)共振區(qū)幅值均顯著下降，在兩個(gè)共振區(qū)幅值之間變化很小。 隨阻尼比 ? 增大，在低頻共振區(qū)幅頻特性｜ ,2z /,q ｜ 峰值下降 ， 車身加 速度均方根值 ，提高平順性。 下圖示出了車身加速度、車輪相對(duì)動(dòng)載荷和彈簧行程與阻尼比 (相對(duì)阻尼系數(shù) )之間的關(guān)系。 15 圖 35 ,aZ 、 dF 和 (Za bZ )與阻尼比的關(guān)系 圖中曲線走向表示，只是彈簧行程 (Za bZ )曲線是隨阻尼比單調(diào)變化，阻尼比愈 大，所要求的彈簧行程愈小，相反，對(duì)于車身加速度和車輪動(dòng)載而言，可找到一個(gè)最佳阻尼比值。然面對(duì)車身加速度和車輪動(dòng)載的最佳阻尼比值也是不同的，前者為 ，后者為 0． 4 以上，故設(shè)計(jì)人員只能從中采取拆衷方案。 非簧載質(zhì)量對(duì)汽車行駛平順性的影響 由懸架支承的部件、總成等稱為簧載質(zhì)量 (或懸掛質(zhì)量 )，不是由懸架支承的部分稱為非簧載質(zhì)量 (或非懸掛質(zhì)量 )。減小非懸掛質(zhì)量，使懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量的比值較大，可以減小高頻共振區(qū)車身振動(dòng)加速度和減少車輪離開地面的機(jī)率。因此，在汽車設(shè)計(jì)中，為提高汽車行駛平順性，采用非簧 載質(zhì)量較小的獨(dú)立是架更為有利 。 改善平順性的主要措施 (1) 增大懸架靜撓度 (降低固有頻率 )。使其頻率接近 人體所習(xí)慣的步行時(shí)的身體上、下運(yùn)動(dòng)的頻率。 16 (2) 盡量減少非簧載質(zhì)量。由頻率公式得到減少非簧載質(zhì)量，進(jìn)而增大了簧載質(zhì)量，同樣有降低汽車固有頻率的效果，從而也有使頻率接近人體習(xí)慣的運(yùn)動(dòng)頻率。 (3)配合適當(dāng)?shù)淖枘岷拖尬恍谐?。通過減震器來吸收路面?zhèn)鞯杰嚿系恼駝?dòng)能量，使汽車振動(dòng)得到衰減。 懸架與汽車操縱穩(wěn)定性 所謂的汽車操縱穩(wěn)定性，是指汽車能正確地按照駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系所確定的方向行駛，且 在外力干擾下，能保持穩(wěn)定或經(jīng)過干擾后在一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)工況的性能。影響操縱穩(wěn)定性的主要參數(shù)是車輪偏離角、前輪定位角、導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。 當(dāng)汽車曲線行駛時(shí)，在離心力的作用下，由于輪胎的橫向彈性和前、后懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)特性，一般會(huì)使轉(zhuǎn)彎半徑發(fā)生變化。在離心力的作用下，使轉(zhuǎn)彎半徑變大的特性稱為不足轉(zhuǎn)向，反之，稱為過度轉(zhuǎn)向。 汽車的側(cè)傾 1 車身側(cè)傾軸線 車身相對(duì)地面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)軸線稱為車身側(cè)傾軸線。該軸線通過車身在前、后軸處橫斷面上的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，這兩個(gè)瞬時(shí)中心稱為側(cè)傾中心。 側(cè)傾中心到地 面的距離稱為側(cè)傾中心高度。側(cè)傾中心位置高，它到車身質(zhì)心的距離縮短，可使側(cè)向力臂及側(cè)傾力矩小些，車身的側(cè)傾角也會(huì)減小。但側(cè)傾中心過高會(huì)使車身傾斜時(shí)輪距變化大，加速輪胎的磨損。 2 懸架的側(cè)傾角剛度 懸架的側(cè)傾角剛度是指?jìng)?cè)傾時(shí) (車輪保持在地面上 )，單位車身轉(zhuǎn)角時(shí)，懸架系統(tǒng)給車身總的彈性恢復(fù)力偶矩。 若令 T為懸架系統(tǒng)作用于車身的總彈性恢復(fù)力偶矩， r? 為車身轉(zhuǎn)角，則懸架的側(cè)傾角剛度為 ?K =rddT? 可以通過懸架的線剛度來計(jì)算側(cè)傾角剛度。 (1) 懸架的線剛度 [17] ~[18] 懸架的線剛度指的是車輪保持在地面上 ,車身作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，單位車身位移時(shí)，懸架系統(tǒng)給車身的總彈性恢復(fù)力。 a 非獨(dú)立懸架 17 具有非獨(dú)立懸架的汽車車身作垂直位移時(shí)所受到的彈性恢復(fù)力，就是彈簧直接作用于車身的彈性力。所以，懸架的線剛度就等于兩個(gè)彈簧線剛度之和。若一個(gè)彈簧的線剛度為 ks,則懸架的線剛度為 ： K=2ks (310) 圖 36 非獨(dú)立懸架 b 獨(dú)立懸架 具有獨(dú)立懸架的汽車車身作垂直位移時(shí)，在垂直方向上車身受到的隨位移而變的力包括兩部分： 彈簧直接作用于車身的彈性力在垂直方向的分量 和 導(dǎo)向桿系約束反力在垂直方向的分量。 若能求出車身作垂直位移 Δ tS 時(shí)地面作用于輪胎的反作用力 Δ ZF ，就可以求出懸架的線剛度。即： Δ ZF ／ Δ tS (311) (2) 懸架的側(cè)傾角剛度 [19] 車身側(cè)傾時(shí)受到懸架的彈性恢復(fù)力偶矩，可以用等效彈簧的概念來進(jìn)行分析。車身上一側(cè)受到的彈性恢復(fù)力，相當(dāng)于一個(gè)上端固定于車身，下端固定于輪胎接地點(diǎn)且垂直于地面，具有懸架線剛度的螺旋彈簧施加于車身的彈性力。這個(gè)相當(dāng)?shù)膹椈煞Q為等效彈簧。 18 圖 37 等效彈簧 參照上圖 37，當(dāng)車廂發(fā)生小側(cè)傾角 d r? 時(shí)，等效彈簧的變形量為 ? 2B dr? ,故車廂受到的彈性恢復(fù)力偶矩為 dT=dr? 懸架側(cè)傾角剛度為 ?K = 21 1k 2B (312) 式中 1k 一側(cè)懸架的線剛度； B— 為輪距。 若已知懸架的線剛度 ，即可算出該懸架的側(cè)傾角剛度。例如，單橫臂獨(dú)立 懸架的側(cè)傾角剛度為 ?K =21 sk 2)( nBm (313) 應(yīng)該指出，上面的計(jì)算只適用于小傾角，而且在分析中沒有考慮導(dǎo)向桿系中鉸接點(diǎn)處彈性村套的影響。實(shí)際轎車的前側(cè)傾角剛度為 3001200Nm／（ 0），后側(cè)傾角剛度為 180700Nm／（ 0） 側(cè)傾時(shí)垂直載荷對(duì)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響 在正常工作狀態(tài)下，汽車左、有車輪的垂直載荷大體上是相等的。但曲線行駛時(shí)，由于側(cè)傾力矩的作用，作用在前、后軸左、右車輪上的垂直反力，將是靜止?fàn)顟B(tài)下的垂直反力及由側(cè)傾引起的垂直反力變動(dòng)量之和。這將使車輪垂直載荷在左、右車輪上是不相等（外側(cè)車輪是增加垂直反力的，而在內(nèi) 19 側(cè)車輪則是減少垂直反力的），將影響輪胎的側(cè)偏特性，導(dǎo)致汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)發(fā)生變化。有的汽車甚至?xí)牟蛔戕D(zhuǎn)向變?yōu)檫^多轉(zhuǎn)向。 垂直載荷的變化對(duì)輪胎側(cè)偏特性有顯著影響 [20]~ [22]。如下圖 38 所示： 圖 38 垂直載荷對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響 垂直載荷增大后，側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大；但垂直載荷過大時(shí)，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力變得極不均勻，使輪胎側(cè)偏剛度反而有所減小。 無側(cè)向力作用時(shí)， 令 0w 為 車軸左、右車輪的垂直載荷 ， 0k 為 每個(gè)車輪的側(cè)偏剛度 有側(cè)向力作用時(shí)，設(shè)左、右車輪垂直載荷沒有發(fā)生變化，則相應(yīng)的側(cè)偏角 0? 為 0? =02kFY (314) 實(shí)際上，在側(cè)向力作用下，左、右車輪垂直載荷均發(fā)生變化。內(nèi)側(cè)車輪減少Δ W，外側(cè)車輪增加Δ W，兩個(gè)車輪的側(cè)偏剛度隨之變?yōu)?1k 、 rk 。由于左、右車輪的側(cè)偏角相等，故有 YF =1k α +rk α (315) 或 α =rYkkF?1 (316) 若令 39。0k = 21 rkk? ， 20 39。0k 為垂直載荷重新分配后每個(gè)車輪的平均側(cè)偏剛度，則兩個(gè)車輪的側(cè)偏角為 α =39。02kFY (317) 圖 39 左右車輪垂直載荷再分配時(shí)側(cè)偏剛度 由上圖 39可知，平均側(cè)偏剛度 39。0k 即為梯形 abcd 中線 ef 的高度。顯然0k 39。0k ，即α 0? 。進(jìn)一步分析可知，左、右車輪垂直載荷差別越大，平均側(cè)偏剛度越小。 由此可知，在側(cè)向力作用下，若汽車前軸左、右車輪垂直載荷變動(dòng)量較大， 汽車趨向于增加不足轉(zhuǎn)向量；若后鈾左、右車輪垂直載荷變動(dòng)量較大，汽車趨于減少不足轉(zhuǎn)向量 一般應(yīng)使汽車有適度的不足轉(zhuǎn)向特性 。 汽車前軸及后軸左、右車輪載荷變動(dòng)量決定于：前、后懸架的側(cè)傾角剛度、懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量、質(zhì)心位置以及前、后懸架側(cè)傾中心位置等一系列參數(shù)的數(shù)值。 本章小結(jié) 本章主要介紹了影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的一些主要因素，如影響汽車行駛穩(wěn)定性的有鋼板彈簧的彈性特性、減震器的阻尼系數(shù)、非簧載質(zhì)量等。 架型式、導(dǎo)向桿系的布置以及懸架參數(shù)的選擇等對(duì)汽車性能的影響，并不是孤立的，而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián) 系。 垂直載荷 W 側(cè)偏剛度K rk 0k 39。0k 1k w