【正文】 與地面的接觸特性，進(jìn)而影響車輛行駛的動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性等性能。因此，在設(shè)計(jì)獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)要求 [19] ： （ 1）形成恰當(dāng)?shù)膫?cè)傾中心和側(cè)傾軸線； （ 2）形成恰當(dāng)?shù)目v傾中心； （ 3）各鉸接點(diǎn)處受力盡量小，減小元件的彈性變形，以保證導(dǎo)向精確； （ 4）保證車輪定位參數(shù)以及車輪跳動(dòng)時(shí)的變化能滿足要求； （ 5）具有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命。 3. 2 麥弗遜式懸架系統(tǒng)物理模型的建立 在建立懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之前需要首先建立懸架系統(tǒng)的物理模型，通過(guò)對(duì)物理模型的分析可以很直觀的了解懸架系統(tǒng)在工作過(guò)程中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況和各關(guān)鍵點(diǎn)之間 圖 懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型簡(jiǎn)圖 的相對(duì)位置關(guān)系。 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 數(shù)學(xué)準(zhǔn)備 （ 1）直線與 x、 y、 z 軸正方向的夾角分別是： zyx ??? , 則其方向余弦為：?????zyx???coscoscos （ ） （ 2）已知兩點(diǎn) A,B 在空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為： [A]=[XA,YA,ZA]T [B]=[XB,YB,ZB]T 可根據(jù)確定 [A] 、 [B]的坐標(biāo)和相關(guān)理論確定直線 AB 的方向余弦。 空間直線 L 在 XOY 平面內(nèi)的投影角為 ? ，在 XOZ 平面內(nèi)的投影角 為 ? 。根據(jù)空間機(jī)構(gòu)學(xué)原理，懸架各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)后的坐標(biāo)可通過(guò)下述方法加以確定： 已知擺臂上兩點(diǎn)的坐標(biāo) M、 N，利用投影關(guān)系可以求得擺臂線 L 在 XOY 平面和 XOZ 平面與 X 軸的夾角分別 ? 、 ? 。 O2’=[0,0,0]T。 T’=[0, T2O sin? , T2O cos? ]T. 另外可以查零件圖得到 P 點(diǎn)的連體坐標(biāo) P’和減振器的內(nèi)傾角 ? 的大小。uy。uxtg。 q1=ux? sin(? /2)。 q3=uzsin(? /2) B1A4TEO2DC 可看作剛體，剛體運(yùn)動(dòng)后的實(shí)際位置，可以看作由 圖 所示的初始位置，先繞 Y 軸正轉(zhuǎn) 1? 角后繞 X 軸正轉(zhuǎn) 2? 角，這樣保證了車輪無(wú)繞主銷軸線的偏轉(zhuǎn)。q1=sin( 2? /2)。q3=0 [Qy]的歐拉參數(shù)為： q0=cos( 1? /2)。q2=sin( 1? /2)。夏 利 轎車前懸左側(cè)空間機(jī)構(gòu)在上述坐標(biāo)系中的坐標(biāo)如表 所示。 表 靜態(tài)時(shí) 懸架空間機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)和車輪定位角 懸架上的點(diǎn) X 軸坐標(biāo)（ mm） Y 軸坐標(biāo)（ mm） Z 軸坐標(biāo)（ mm） 減振器上支點(diǎn) 減振器下支點(diǎn) 下擺臂擺動(dòng)軸線與下擺臂中心交點(diǎn) 11 輪胎接地點(diǎn) 下擺臂擺動(dòng)軸線的前端點(diǎn) 680 轉(zhuǎn)向節(jié)臂球頭銷中心 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)球頭 銷中心的設(shè)計(jì)坐標(biāo) 104 264 前輪中心 主銷內(nèi)傾角 kingpin inclination 140 主銷后傾角 caster angle 20 2039。 為了 得到 所期望的行駛特性 、較好的 直線行 駛 能力 、避免 輪胎的過(guò)度磨損 、保證汽車在行駛過(guò)程中車輪和地面的良好接觸，汽車前輪在懸架跳動(dòng)過(guò)程中必須保證定位參數(shù) 的變化 在允許的范圍內(nèi) [21] 。 車輪相對(duì)車身上下跳動(dòng)時(shí) ,主銷內(nèi)傾角 ,主銷后傾角 ,車輪外傾角及車輪前束等定位參數(shù)會(huì)發(fā)生變化 .若主銷后傾角變化大 ,容易使 前 輪產(chǎn)生擺振 。輪距變化的影響由其所產(chǎn)生的作用而定；當(dāng)需要較高側(cè)傾中心時(shí)輪距變化是不可避免的。此外，輪距變化對(duì)轉(zhuǎn)向也有較大的影響。因 麥弗遜 式前懸的側(cè)傾中心位置較高，所以輪距變化量較大。但作為城市用車，它的車輪跳動(dòng)量范圍很小 ,一般在 20mm20mm 范圍內(nèi)變化，所以設(shè)計(jì)方案依然可行。一方面，通過(guò)設(shè)置外傾角可以消除支承及轉(zhuǎn)向節(jié)中的間隙；另一方面，外傾角還可以保證汽車在承載時(shí)車輪和地面保持垂直。39。 圖 為夏利轎車前輪外傾角與車輪上下跳動(dòng)量的關(guān)系曲線，其麥佛遜懸架在車輪上跳時(shí)曲線向負(fù)角方向凹入， 彰 顯了此懸架的優(yōu)點(diǎn)。 圖 主銷內(nèi)傾角和車輪跳動(dòng)量的關(guān)系曲線 主銷內(nèi)傾角和主銷偏移距之間有著緊密的聯(lián)系：主銷內(nèi)傾角是指轉(zhuǎn)向節(jié)軸線與一個(gè)垂直與路面的平面之間的夾角；主銷偏移距指的是轉(zhuǎn)向節(jié)軸線與路面的交點(diǎn)和車輪中心線與路面交點(diǎn)之間的距離。 從圖 中可以看出，主銷內(nèi)傾角為負(fù)值，負(fù)的主銷內(nèi)傾角有利于汽車的轉(zhuǎn)向回正力矩。這樣 的 變化趨勢(shì)使車輪在上跳過(guò)程中主銷偏移距不斷變大，轉(zhuǎn)向回正力矩也不斷增大，從而保證 了汽車的直線行駛性能。 圖 主銷后傾角和車輪跳動(dòng)量的關(guān)系曲線 主銷后傾角是指轉(zhuǎn)向節(jié)軸在汽車縱向平面內(nèi)的投影與過(guò)車輪中心的垂直線之間的夾角。 大的主銷后傾角在汽車直線行使時(shí)并不單有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。 如圖 所示，夏利轎車的主銷后傾角隨著車輪的上跳而變大，隨著車輪的下跳而變小。 基于 MATLAB軟件轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)的優(yōu)化計(jì)算 汽車懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向梯形之間通過(guò)轉(zhuǎn)向橫拉桿相聯(lián)系。 對(duì)于麥弗遜懸架，確定轉(zhuǎn)向梯形斷 開(kāi) 點(diǎn)的傳統(tǒng)方法是平面作圖法和平面解析法，兩種方法都忽略了主銷后傾角和擺臂軸軸線的空間角度，使斷開(kāi)點(diǎn)不在最佳位置 [21] 。下文將進(jìn)一步采用優(yōu)化理論確定斷開(kāi)點(diǎn)的最佳位置，使干涉量最小。 (2)根據(jù)已知的轉(zhuǎn)向節(jié)臂端點(diǎn) E 的位置坐標(biāo)和假設(shè)的 F 點(diǎn)位置坐標(biāo)，求出 EF的長(zhǎng)度 (用 F 點(diǎn)坐標(biāo) XF, YF 和 ZF 的函數(shù)式來(lái)表示 )。 (4)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，下擺臂 A1B1 繞 L 軸擺動(dòng) (實(shí)際上是繞瞬心軸擺動(dòng) )。這樣 E2 到 F1 之間的距離必然不等于從E 到 F 的距離，這個(gè)距離變化量在本文中稱為干涉量。 (6)將 (4)中得到的所有干涉量的絕對(duì)值加權(quán)相加，取為優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型中的目標(biāo)函數(shù)，而 XF, YF 和 ZF 為優(yōu)化變量，根據(jù)車輛總布置中所允許的 F 點(diǎn)空間位置變化范圍，可以確定 XF , YF 和 ZF 的取值范圍，作為約束條件。 3. 優(yōu) 化目標(biāo)函數(shù) 根據(jù)擺臂擺角范圍取 n 個(gè)擺動(dòng)值 ? i(I=1,2,…,n) ，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序得到 F對(duì)應(yīng)的坐標(biāo) [F]I(I=1,2,…,n) 。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為： min ?? ??ni nFEF iE12 /)(? 式中： 222 )()()( ZEZ F iYEY F iXEXFiF iE ?????? 222 )()()( ZEZFYEYFXEXFFE ?????? FiE 和 FE 分別表示擺臂擺動(dòng)角 ? i和處于平衡位置時(shí)，點(diǎn) F、 E 間的距離。優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定斷開(kāi)點(diǎn)最佳位置的坐標(biāo) [ *F ]=[X *F ,Y *F ,Z *F ]T，使二者運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)誤差最小。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析 圖 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)優(yōu)化前后干涉量的比較關(guān)系 具體運(yùn)算過(guò)程見(jiàn)程序。 可利用得到的結(jié)果對(duì)主轉(zhuǎn)向臂進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 彈簧材料長(zhǎng)度 L L= 32109 0 7 . 5 2 . 1 5 1 0c o s c o s 8 . 8 9Dn? ?? ??? ? ?mm （ ） 彈簧的實(shí)際性能參數(shù) 實(shí)際彈簧剛度： K 4yx39。s ???N/m （ ） 平衡位置彈簧所受的壓縮力： P=)cos( cosN 039。s 105 2 ?????= （ ） 平衡位置時(shí)的彈簧長(zhǎng)度（上、下彈簧座的實(shí)際位置）： H=H0 ? == （ ） 彈簧對(duì)整車的影響 根據(jù)彈簧的實(shí)際剛度及懸架的行程傳遞比及力的傳遞比可以計(jì)算出懸架的實(shí)際線剛度： K 4yx39。x 1 4 4 4 2 5 2 2 0iiK ????? （ ） 進(jìn)而可得到汽車的偏頻： f’= 4????= （ ） 并可對(duì)阻尼比 ? 進(jìn)行檢驗(yàn)： ?’=43 82 1035 C ?? ??= （ ） 根據(jù)夏利原型車的參數(shù)要求，經(jīng)比較可知此設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。 1v? = )ll1(ldfC23276731s1sA ??? ???? （ ） l6=0。ss ??? (Ls’=725)。 Cs1=Cs[d1/d0]4。 運(yùn)算結(jié)果為： 1v? = 圖 區(qū) H（圖 ）： 上述關(guān)系也適用于點(diǎn) H 處的應(yīng)力 2v? ：線段 l5=(LsLs’)越大，其應(yīng)力越高。 運(yùn)算結(jié)果為： 2v? = （圖 ）： 盡管通常此 處比中段產(chǎn)生的應(yīng)力較低，但由于疲勞應(yīng)力的作用，多半會(huì)在此處發(fā)生斷裂。線段 l9 的符號(hào)是個(gè)有影響的參數(shù)，應(yīng)將其納入計(jì)算公式中。桿端向外彎曲 l9 越小， Km值就越小，因而應(yīng)力也越小。 l9=0。 P=R/l10=。 3v? =m1031s1s KldfC32 ???? （ ） 運(yùn)算結(jié)果為： 3v? = 按上述三個(gè)應(yīng)力中最大者選擇鋼號(hào)，所選的鋼應(yīng)滿足： 3,2,1vs3,2,1vs1B / ?? ???? ?? ?? ? ：強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)， ? =~。 結(jié)果分析 Ⅱ 型橫向穩(wěn)定桿所需的制造材料越少，使用的材料越便宜，則越經(jīng)濟(jì)。如果將這些參數(shù)適當(dāng)?shù)刈饕恍└淖儯瑒t可有效地降低成本。在這種情況下，線段長(zhǎng)度與線段長(zhǎng)度相比很小，并且值接近 1。同時(shí)，為了得到較細(xì)的桿徑，應(yīng)力隨之略微提高。（此處是否可以考慮加長(zhǎng)中臂，這樣一方面可保證點(diǎn)外移，另一方面可以避免與下擺臂發(fā)生干涉。 5 工藝性與經(jīng)濟(jì)性分析 螺旋彈簧的工藝性 螺旋彈簧作為懸架系統(tǒng)中的重要元件對(duì)整車性能有著重要的影響 [2] 。其中，彈簧的工藝性對(duì)彈簧的使用特性有著至關(guān)重要的影響作用 [23] 。彈簧的工作性能要求彈簧在不發(fā)生塑性變性的情況下，能夠產(chǎn)生較大的彈性變性和積蓄較大的變性能 [24] 。 從以上兩式可以看出，最大彈性變性能與材料彈性極限的平方成正比，而與材料的彈性模量成反比。 在變載荷作用下工作的彈簧，其材料應(yīng)具有較高的疲勞極限。這些組織的不穩(wěn)定性將促使材料的高溫性能變異：強(qiáng)度、硬度、疲勞極限和彈性模量等不同程度的降低。 彈簧材料的選用，應(yīng)根據(jù)彈簧所受的載荷性質(zhì)、使用要求、工作條件、尺寸規(guī)范、工作應(yīng)力大 小和使用壽命高低以及價(jià)格等因素進(jìn)行選擇 [25] 。此外，材料的選擇還要考慮經(jīng)濟(jì)因素。 一般來(lái)講彈簧材料的加工方法有冷拉（軋）和熱拉（軋）兩種 [26] 。因此，對(duì)中小型 彈簧，疲勞壽命要求高的彈簧，應(yīng)盡量選用冷拉（軋）或冷拉（軋）后磨光的彈性鋼絲。前者鋼絲表面質(zhì)量好，強(qiáng)度高，并具有很好的塑性。油淬火回火鋼絲沒(méi)有殘余應(yīng)力，冷成形彈簧精度容易控制，低溫回火后尺寸變化很小，特別是沒(méi)有殘余應(yīng)力，抗松弛性能比鉛淬冷拉鋼絲要好。 當(dāng)汽車持續(xù)工作時(shí)，其彈簧因始終工作在交變應(yīng)力條件下，所以彈簧的工作溫度很高 .這就對(duì)車用彈簧材料的溫度穩(wěn)定性提出了很高的要求。 表 5。 ③ S816 主要成分： %, % ,%, Cr20%, Ni20%,Mo4%, Nb4%,Co 其余 。 在彈簧卷曲成型時(shí)，材料的外層縱向產(chǎn)生塑性拉伸變形，而內(nèi)層縱向產(chǎn)生塑性壓縮變形，在中性層兩側(cè)的某個(gè)范圍內(nèi)則為純彈性變形，彈性變形的范圍隨著相對(duì)彎曲半徑的加大而增大。 影響回彈的因素很多，主要有材料的機(jī)械性能、旋繞比和工藝裝置等。當(dāng)材料的機(jī)械性能不穩(wěn)定時(shí)，回彈量也不穩(wěn)定；旋繞比也影響著材料的回彈性能。 彈簧的卷制方式有兩種：?jiǎn)蝹€(gè)卷制和多個(gè)連續(xù)卷制。多個(gè)連 續(xù)卷制是一次卷成一串螺旋圈， 然后按尺寸分別切斷單個(gè)彈簧。 彈簧卷制所用的工藝裝置主要有芯軸卷簧機(jī)和自動(dòng)卷簧機(jī) [29] 。對(duì)于向獨(dú)立懸架用螺旋彈簧等需大批量生產(chǎn)的彈簧一般使用自動(dòng)卷簧機(jī)。 金屬材料的疲勞斷裂過(guò)程一般可以分為以下幾個(gè)階段：滑移，成核，裂紋擴(kuò)展，瞬時(shí)斷裂。通常我們用 ddN? （ ? 為裂紋寬度， N 為循環(huán)次數(shù) ）來(lái)衡量裂紋的擴(kuò)展速度，當(dāng) 73 10 /d mmdN? ??? 周時(shí)，成為慢速擴(kuò)展階段，也就是疲勞過(guò)程的第一階段