底盘悬架-设计参考

底盘悬架-设计参考

说明：

本规范为TG0数据设计指导。

该系列设计规范用于指导结构功能说明、结构布置与

尺寸控制的正向设计，尤其是在没有标杆车的状态下

的正向开发；基于本规范完成结构数据TG0版的设计

开发。

本规范是TG0版数据的设计指导。

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目录

1、系统整体概述

1.1系统功用

1.2系统原理简图

2、系统性能设计

2.1设计参数要求

2.2悬架系统运动车轮跳动间隙要求

2.3制造及安装工艺性要求 7

3、系统开发流程图

4、零部件结构设计

4.1钢板弹簧设计

4.2减振器设计

4.3螺旋弹簧设计

4.4 悬架横梁设计

4.5 横向稳定杆设计

4.6 缓冲块设计

5、悬架系统验算及分析校核案例

5.1前悬架位移与受力情况分析

5.2后悬架(钢板弹簧)位移与受力情况分析

5.3悬架静挠度的计算

5.4侧倾角刚度计算

5.5侧倾角刚度校核

5.6减振器参数的确定

5.7总结

6、基于Adams的操纵稳定性分析

6.1分析目的

6.2 模型建立

6.2.1 车身

6.2.2 前、后悬架

6.2.3 转向系简化模型

6.2.4 轮胎

6.2.5 发动机的动力输出

2.6 传动系

6.2.7 整车模型

6.3 操纵稳定性试验

6.3.1 蛇形实验

6.3.2转向盘转角阶跃输入

6.3.3 转向盘转角脉冲输入

6.3.4 转向回正性能试验

6.3.5 转向轻便性试验

6.3.6稳态回转试验

6.4 结论

6.4.1 整车操稳性能分数量化

6.4.2 得分说明

1、系统整体概述

1.1系统功用

悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统（车架或承载式车身）之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。

悬架最主要的功用是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量（即簧载质量）、非悬挂质量（非簧载质量）和弹簧（弹性元件）组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系，发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，悬架中确保车轮与车架或车身之间的所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。

微车的前后悬架系统的前后悬架与轿车和货车有所不同。微车的前后悬架结构形式比较集中，一般前悬架采用独立悬架，如麦弗逊式悬架系统，后悬架采用非断开式非独立悬架，例如钢板弹簧系统。1.2系统结构图

图1 前悬架：麦弗逊悬架结构

1-减振器外筒；2-活塞杆；3-弹簧支座；4-横向稳定杆支架；5-横向稳定杆拉杆；6-副车架；7-横向稳定杆；8-发动机支座；9-弹簧上支座；10-隔离座；11-辅助弹簧；12-防尘罩；13-U形夹；14-轴承；15-定位螺栓

图2 后悬架：（钢板弹簧非独立悬架）

1-钢板弹簧；2-减振器；3-钢板弹簧安装吊耳；4-后桥总成

2、系统性能设计

2.1设计参数要求

在汽车悬架的设计工程中，首先要确定与悬架有关的操纵稳定性、行驶平顺性等方面的指标，然后选定满足这些性能的悬架结构和参数，并考虑成本及质量等因素。然而，由于受到结构，布置空间、生产工艺、设备投资等因素的限制，设计程序也会前后调整。比如，根据实际可能的布置空间，先确定悬架结构，再优化性能指标。

2.1.1 前束及前束的变化

汽车前束角是汽车纵向中心平面与车轮中心平面和地面的交线之间的夹角。如果车轮的前部靠近汽车纵向中心平面，则前束为正；反之则为负值。一般指在空载时车轮停在直线行驶位置的状态下，在车轮中心的高度上测量。

在汽车行驶中保持前束不变非常重要，换言之，设计上希望在车轮上下跳动过程中，前束不变，这比在汽车静止时有个正确的前束更重要。

对于汽车前轮，车轮上跳时的前束值多设计成零至弱前束的变化。设计值取在零附近时为了控制直行时由路面的凹凸引起的前束变化，确保良好的直行稳定性。另外，取弱负前束变化是为了使车辆获得弱的不足转向特性，以使装载质量变化引起车高变化时也能保持不足转向。与上跳行程相对应的前束变化最好呈直线，但受悬架、转向结构的限制，实际呈曲线变化的为多。

对于汽车的后轮，由于微车多采用非断开式后桥，非独立悬架的钢板弹簧，因此在上调过程中没有前束的变化。

前束变化的较理想特性值为：前轮上跳时，为零至负前束（-0.5°/50mm）（即弱负前束变化。）如图所示，原车前束变化曲线有轮胎偏磨的问题，而改为优化方案的弱负前束变化，能解决这一问题。

图3-1前轮前束优化曲线

2.1.2 外倾变化

车轮上跳及车轮回落时的外倾变化与前束变化一样对车辆直行稳定性、车辆的稳态响应特性等有很大影响。由于轮胎与路面之间有相对的外倾角，路面对车轮作用有外倾推力，该力与侧偏角产生的侧向力汇合而成为车辆转向所需要的横向力，因此，在考虑外倾变化与车辆特性的关系时，必须考虑对地面的外倾变化。

汽车转向时，其车身要发生侧倾，趋于使外倾车轮的外倾角向正的方向变化、内侧车轮的外倾角向负的方向变化。研究结果表明，当车轮外倾角为正时，其在最大负荷时可以得到的侧向附着力会减小。为了防止转向时提供大部分侧向力的外侧车轮出现明显的正外倾角，在悬架设计时，一般要保证悬架压缩时车轮外倾角向负的方向变化，而当伸张时向正的方向变化，下图为麦弗逊悬架的外倾角变化曲线（双横臂独立悬架的该曲线向负方向变化的速率是逐渐变快，、麦弗逊悬架是逐渐变慢，这是双横臂独立悬架的一个优点），如图所示：

原车

优化方案满载

图3-2外倾角随车轮跳动曲线图 在车辆直行状态下，较大的对地外倾变化会使车辆的直行稳定性不好。综合考虑转向性能和直行稳定性，一般上跳时，对车身的外倾变化为-2°~0.5°/50mm 。

2.1.3 主销的内倾角及偏移距

转向主销倾角是指从车辆正面看在转向主销轴线与铅锤直线的夹角，转向主销偏移距是指从转向轮接地点到转向主销轴与路面的交点之间左、右方向的距离。

由制动力所引发的绕转向主销轴的回正力矩一般来说左右轮是相等的，同时与转向拉杆的内力平衡。然而，当路面摩擦系数不同而引起左右前轮制动力不同时，或呈对角线布置的制动管路一侧系统失效后，就会有力传至方向盘。因此，当转向主销偏移距较大的情况下需抓紧转向盘。多数前轮驱动车的制动管路为对角线布置，在这种状态下为防止紧抓方向盘及使车辆正常停车，转向主销偏移距多设计成负值。

在实际设计中，主销内倾角及偏移距大小主要受结构的限制，大致的范围为：转向主销倾角7°~13°，希望取较小的数值；主销偏移距-10~30mm ，希望取较小的数值，特别是在FF 车中，多设定为零到负值。

满载

图3-3主销的内倾角及偏移距

2.1.4主销后倾角及后倾拖距

主销后倾角是指从车辆侧面看，转向主销轴与铅垂线的倾角；后倾拖距是指在转向轮上，轮胎接地点中心和主销轴与地面交点之间的前后距离。

主销后倾角对转向时的车轮外倾变化影响较大，假若主销后倾角设计较大，则外侧转向轮的外倾角会向负方向变化，因此，前轮主销后倾角较大时，需增加前轮转向所需的横向力，以抵消外倾推力。这样车辆的不足转向特性较弱，最大横向加速度会增大。

主销后倾角一般为：前置前驱车0~3°；前置后驱车3~10°。

若后倾拖距较大，有利于提高转向轮的回正能力和直行稳定性，但转动转向盘时的转向力及保持力会加大，因此，对于无助力装置的手动转向，后倾拖距的设计应有一定限度。轿车的后倾拖距一般为0~30mm。

图3-4主销后倾角及后倾拖距

2.1.5 轮距变化

这里所说的轮距变化时车轮在上下跳动时，轮胎接地点的横向位移。从减少轮胎磨损等因素考虑，轮距最好不要发生变化。然而，在一般的独立悬架系统各种，由于结构的原因，轮距不变时不可能的。这样，为了使轮距变化尽可能的小，悬架控制臂的长度，相对位置等都要仔细考虑。

轮距变化应在-5mm/50mm~5mm/50mm（单轮）范围内。

2.1.6 侧倾中心与侧倾轴

侧倾中心是指在前轴及后轴各轮心的横向垂直平面内，汽车在横向力作用下汽车车身侧倾的瞬时回转中心。在侧倾初始瞬间，它处在汽车的左右对称面上。严格说来，这种概念只适用于侧倾角微小的场合。侧倾中心距地面的高度，称为侧倾中心高度。前轴和后轴处侧倾中心的连线便是侧倾轴。简单地说，可以认为车辆在转弯行驶时，车身是绕着侧倾轴进行回转的，因此，侧倾中心在侧倾角不大的范围内作为悬架特性参数才具有一定真实性。

一般来说，簧载质量的质心高度与侧倾中心高度差越小，其侧倾角越小，独立悬架的侧倾中心高度一般在0~150mm的范围内为宜，随着车轮的跳动，侧倾中心高度的变化最好控制在30~70mm内，并希望取最小值。

2.1.7 侧倾角刚度

在侧倾角不大的条件下，车身倾斜单位角度所必须的侧倾力矩称为侧倾角刚度。侧倾角刚度的大小及前、后轮的分配，对车辆侧倾角的大小、倾斜时前、后轴及左、车轮的载荷再分配，以及车辆的稳态响应特性有一定的影响。

对于侧倾角刚度，换算成0.5g侧向加速度下的整车侧倾角（侧倾率）一般在2°~5°的范围内。

1.2前摆臂本体表面涂黑色防锈漆，漆层均匀平整，无漏漆、剥落、起层、褶皱等缺陷；前摆臂总成

中部标记产品件号、供应商双标识、产品生产日期等标识，所有标识应清晰、统一规范、易于识别。

1.3前摆臂总成上各焊缝不允许有焊漏、焊瘤和裂纹。

3复合衬套

3.1复合衬套内轴管、外套管渗碳处理，有效硬化层一般要求深度（0.35±0.2） mm，表面硬度HV

（650±150）。

3.2复合衬套橡胶材料硬度： HS65±5；扯断强度≥20MPa；扯断伸长率≥500%；撕裂强度（B型）≥

50kN/m；。

3.3耐久性：（模拟整车装配尺寸条件下施加约束）

a)垂直耐久：进行Fz为-464N～3000N正弦波加载，频率3Hz，10万次；

b)侧向耐久：进行Ft为-3496N～9452N正弦波加载，频率3Hz，10万次；

c)径向耐久：进行Fd为-2385N～6773N正弦波加载，频率3Hz，10万次；

i.依次完成a、b、c试验后，复合衬套不能出现裂纹、脱胶损坏等缺陷。

3.4耐臭氧性能：按GB/T 7762进行试验，臭氧浓度（50±5）PPhm、温度（40±2）℃、相对湿度＜

65%、流速14mm/s、伸长率20%，经200h试验后无龟裂产生。

3.5脆性试验：按GB/T 1682进行试验，脆性温度应低于-40℃。

3.6压缩永久变形（100℃370H 25%压缩）≤35%。

3.7耐老化性：按GB/T 3512进行试验，温度（70±1）℃，时间72h；其硬度变化（HS）-15%～+15%，

扯断强度变化-30%～+30%，最大延伸率变化＜50%。

4、前摆臂总成本体焊缝破坏拉力不小于35kN。

5、收口强度：收口应可靠，翻边应均匀，底板应无轴向间隙，球头销座收口部位的承载大于25kN。

6、球头销防尘罩性能要求

6.1防尘罩安装正确，弹性卡簧锁紧可靠。

6.2球头销防尘罩材料：硬度：HS50±5；拉伸强度≥13.7MPa；扯断伸长率≥500%；撕裂强度（B

型）≥29.4kN/m

6.3压缩永久变形（100℃370H 25%压缩）≤55%。

6.4耐老化性：在100℃370 H下，硬度变化（HS）≤+15%，拉伸强度变化率-15%～+15%，延伸率变

化率-30%～0%；

6.5耐油性-1：（试验条件：JIS NO.1油70℃370h）硬度变化（HS）≤+15%，拉伸强度变化率：-25%～

0%，延伸率变化率：-30%～0%，体积变化率：-15%～0%；

6.6耐油性-2：（试验条件：JIS NO.3油70℃370h）硬度变化（HS）≤+20%，拉伸强度变化率：-55%～

0%，延伸率变化率：-50%～0%，体积变化率：0%～+25%；

6.7脆性试验：按GB/T 1682进行试验，脆性温度应低于-40℃。

6.8耐臭氧性能：按GB/T 7762进行试验，臭氧浓度（50±5）PPhm、温度（40±2）℃、相对湿度

＜65%、流速14mm/s、伸长率20%，经200h试验后无龟裂产生。

6.9耐泥水性能

i.在下述条件下，经100万次试验后，应无渗水等异常情况发生。

ａ）摆动角度：±20°；

ｂ）摆动频率：2Hz；

ｃ）转动角度：±25°；

ｄ）转动频率：0.3±0.03Hz；

ｅ）泥水：JIS Z 8901的 8号泥沙50g与1L水混合；

ｆ）喷水速率：15ml/s(每个循环)；

ｇ）喷水周期：喷水30分钟，间歇1个半小时。

6.10拔出强度：防尘罩拔出力≥20N。