1、钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，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，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。现代汽车悬架的发展十分快，不断出现，崭新的悬架装置。按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，也就是说汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。1.3悬架的分类：汽车的悬架从大的方面来看，可以分为两类：非独立悬架和独立悬架系统。图2 独立悬架独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）
2、弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。如图2所示。独立悬架的类型及特点：图3独立悬架的车轴分成两段（如图3），每只车轮用螺旋弹簧独立地，弹性地连接安装在车架（或车身）下面，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。现在，前悬架基本上都采用独立悬架系统，最常见的有双横臂式和滑柱摆臂式（又称麦弗逊式）。双横臂式。图4
3、双横臂式独立前悬架 工作原理：由上短下长两根横臂连接车轮与车身，通过选择比例合适的长度，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。优点：结构比较复杂，但经久耐用，同时减振器的负荷小，寿命长。可以承载较大负荷，多用于轻型小型货车的前桥。缺点：因为有两个摆臂，所以占用的空间比较大。所以，乘用车的前悬架一般不用此种结构形式。麦弗逊式（滑柱连杆式）图5 麦弗逊式独立前悬架工作原理：这种悬架目前在轿车中采用很多。这种悬架将减振器作为引导车轮跳动的滑柱，螺旋弹簧与其装于一
4、体。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，并降低车子的重心。车轮上下运动时，主销轴线的角度会有变化，这是因为减振器下端支点随横摆臂摆动。以上问题可通过调整杆系设计布置合理得到解决。典型的结构如图6和7。图6 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7 麦弗逊悬架的另一种结构图 1-横向摆臂;2-球形支承;3-减振器外筒;4-弹簧;5-上支
5、承轴承;6-反跳缓冲弹簧麦弗逊独立悬架的特点：技术成熟，结构紧凑，响应速度快，占用空间少，便于装车及整车布局，多用于中低档乘用车的前桥。由于结构过于简单，刚度小，稳定性较差，转弯侧倾明显，必须加装横向稳定器，加强刚度。非独立悬架如图8所示。其特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。图81.4悬架的国内外发展情况汽车悬架的
6、发展十分迅速，不断出现崭新的悬架装置。正常情况按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，20世纪80年代以来主动悬架开始在一部分汽车上应用，并且目前还在进一步研究和开发中。主动悬架可以能主动地控制垂直振动及其车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼。随着当前世界汽车工业朝着高速、高性能、舒适、安全可靠的方向发展，空气悬架弹簧是当今汽车发展的一大趋势，特别是在大型客车和载重汽车上尤为突出。其实，早在20世纪50年代，空气悬架弹簧就开始应用在载重车、小轿车、大客车及铁道车辆上。到60年代，德国、美国等工业发达国家生产的大部分公共汽车上装有了主动式空气弹簧悬架
7、。国内早在20世纪60年代就设计生产了空气弹簧悬架，但由于工业技术条件有限，当时生产的产品使用效果不甚理想，以后在很长一段时期，产品没有进一步发展，因此，国外生产空气悬架弹簧的厂家凭借着资金与技术优势进入国内市场，为国内生产豪华客车的厂家配套成熟的主动式空气弹簧悬架产品。同时我国公路条件的改善为汽车悬架创造了基本的使用条件，并产生了很大的促进作用。高速公路的迅速发展、运输量的增加以及对高性能客车的需求，都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求。此外，重型汽车对路面破坏机制的研究及认识的进一步加深，政府对高速公路养护的重视，限制超载逐步在国内各地受到重视，这些因素都将促使新型悬架在重
8、型车市场的应用将进一步扩大。随着国内客车产品档次的逐步升级，空气悬架弹簧逐步被市场接受。目前，在国内有多家客车厂生产的豪华大客车装有空气悬架，如安凯、金龙客车、桂林大宇、合肥现代、杭州客车等，。由于主动式空气悬架弹簧价格较贵，为降低成本，有的企业部分车型前桥使用钢板弹簧，后桥使用空气悬架弹簧。由此可知悬架正充分关注这方面的变化，提高综合开发能力，以适应市场的需求和变化，新型悬架的诞生迫在眉睫。2悬架分析设计2.1悬架结构方案分析2.1.1 独立悬架与非独立悬架结构形式的选择为适应不同车型和不同类型车桥的需要，悬架有不同的结构型式，主要有独立悬架与非独立悬架。独立悬架与非独立悬架各自的特点在上一
9、章中已经作了介绍，本章不再累述，轿车对乘坐舒适性要求较高，故选择独立悬架。2.1.2 悬架具体结构形式的选择麦弗逊式独立悬架是独立悬架中的一种，是一种减振器作滑动支柱并与下控制臂铰接组成的一种悬架形式,与其它悬架系统相比,结构简单、性能好、布置紧凑,占用空间少。因此对布置空间要求高的发动机前置前驱动轿车的前悬架几乎全部采用了麦弗逊式悬架。此次设计的悬架为发动机前置前轮驱动的桑塔纳2000车型，故选择麦弗逊式独立悬架形式。2.2弹性元件弹性元件是悬架的最主要部件，因为悬架最根本的作用是减缓地面不平度对车身造成的冲击，即将短暂的大加速度冲击化解为相对缓慢的小加速度冲击。使人不会造成伤害及不舒服的感
10、觉；对货物可减少其被破坏的可能性。弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧等常用类型。除了板弹簧自身有减振作用外，配备其它种类弹性元件的悬架必须配备减振元件，使已经发生振动的汽车尽快静止。钢板弹簧是汽车最早使用的弹性元件，由于存在诸多设计不足之处，现逐步被其它种类弹性元件所取代，本文选择螺旋弹簧。2.3减振元件减振元件主要起减振作用。为加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内都装有减振器。减振器和弹性元件是并联安装的，如图8所示。汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。液力减振器的作用原理是当车架与车桥作往复相对运动时，而减振器中的活塞在缸筒内也作往复运
11、动，则减振器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。此时，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，而被油液和减振器壳体所吸收，然后散到大气中。本文选择双筒式液力减振器。图8 含减振器的悬架简图1.车身2.减震器3.弹性原件4.车桥2.4传力构件及导向机构车轮相对于车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。对前轮导向机构的要
12、求（1）悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过+4.0mm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损；（2）悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度；（3） 汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在0.4g侧向加速度作用下，车身侧倾角6-7度。并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。（4） 制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用。（5） 具有足够的疲劳强度和寿命，可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。2.5横向稳定器在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件横向稳定器。横向稳定器实际是一根近似U型的杆件，两个
13、端头与车轮刚性连接，用来防止车身产生过大侧倾。其原理是当一侧车轮相对车身位移比另外一侧位移大时，稳定杆承受扭矩，由其自身刚性限制这种倾斜，特别是前轮，可有效防止因一侧车轮遇障碍物时，限制该侧车轮跳动幅度。3 悬架主要参数的确定悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同配合确定。此次设计是对桑塔纳2000前独立悬架设计。桑塔纳2000参数：长/宽/高（mm） 4680/1700/1423 发动机型式 74千瓦4缸2气门电子控制多点喷射汽油机（AYJ） 变速器型式 自动变速箱/
14、手动变速箱 排量（毫升） 1781 最大功率（KW） 72/5200 最大扭矩（N.m） 155/3500 油耗（L/100km） 6.2 轴距（mm） 2656 前轮距（mm）1414 后轮距（mm）1422 满载质量（kg）1540 空车质量（kg）1120 满载前轴允许负荷810kg 满载后轴允许负荷160mm 符合要求已知：已知整车装备质量：m =1120kg，取簧上质量为1060kg；取簧下质量为60kg，则由轴荷分配图知：空载前轴单轮轴荷取60%：=318kg满载前轴单轮轴荷取50%：（满载时车上5名成员，60kg/名）。悬架刚度：=4悬架主要零件设计4.1 螺旋弹簧的设计4.1.
15、1螺旋弹簧的刚度由于存在悬架导向机构的关系，悬架刚度C与弹簧刚度是不相等的，其区别在于悬架刚度C是指车轮处单位挠度所需的力；而弹簧刚度仅指弹簧本身单位挠度所需的力。例如麦弗逊独立悬架的悬架刚度C的计算方法：如下图所示。选定下摆臂长：EH=390.41mm；半轮距：B=740mm ；减震器布置角度：=14，高度561.76mm可知悬架刚度与弹簧刚度的关系如下：由图可知：C=（uCos/PCos）Cs （4-1）式中 C悬架刚度，Cs 弹簧刚度已知u=1995.95mm p=2103.02mm =4得：20.08 N/mm 4.1.2 计算弹簧钢丝直径d根据下面的公式可以计算：式中 i弹簧有效工作
16、圈数，先取8 G弹簧材料的剪切弹性模量，取Mpa弹簧中径，取110mm代入计算得：d=11.98mm4.1.3 确定钢丝直径d=12mm，弹簧外径D=122mm，弹簧有效工作圈数n=8；4.1.4 弹簧校核 （1）弹簧刚度校核 弹簧刚度的计算公式为：代入数据计算可得弹簧刚度为：N/mm 所以弹簧选择符合刚度要求。（2）弹簧表面剪切应力校核弹簧在压缩时其工作方式与扭杆类似，都是靠材料的剪切变形吸收能量，弹簧钢丝表面的剪应力为：式中 C弹簧指数（旋绕比），曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度影响的系数， P弹簧轴向载荷已知=110mm，d=12mm，可以算出弹簧指数C和曲度系数：=110/2=9.16
17、P=N则弹簧表面的剪切应力：=0.63=0.631000Mpa，因为，所以弹簧满足要求。4.1.5 小结 综上可以最终选定弹簧的参数为：弹簧钢丝直径d=12mm，弹簧外径D=122mm，弹簧有效工作圈数n=8。4.2 减振器结构类型的选择减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。汽车悬架系统中广泛采用液力式减震器。其作用原理是，当车架与车桥作往复相对运动时，减震器中的活塞在缸筒内业作往复运动，于是减震器壳体内的油液反复地从一个內腔通过另一些狭小的孔隙流入另一个內腔。此时，孔与油液见的摩擦力及液体分子内摩擦便行程对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转换为热能，被
18、油液所吸收，然后散到大气中。减振器大体上可以分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。故名思义，摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很易受油、水等的影响，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、易调整等优点，但现代汽车上已不再采用这类减振器。液力减振器首次出现于1901年，其两种主要的结构型式分别为摇臂式和筒式。与筒式液力减减振器振器相比，摇臂式减振器的活塞行程要短得多，因此其工作油压可高达75-30MPa，而筒式只有2.5-5MPa。筒式减振器的质量仅为摆臂式的约1/2，并且制造方便，工作寿命长，因而现代汽
19、车几乎都采用筒式减振器。筒式减振器最常用的三种结构型式包括:双筒式、单筒充气式和双筒充气式。双筒式液力减振器双筒式液力减振器双筒式液力减振器的工作原理如图9所示。其中A为工作腔，C为补偿腔，两腔之间通过阀系连通，当汽车车轮上下跳动时，带动活塞1在工作腔A中上下移动，迫使减振器液流过相应阀体上的阻尼孔，将动能转变为热能耗散掉。车轮向上跳动即悬架压缩时，活塞1向下运动，油液通过阀进入工作腔上腔，但是由于活塞杆9占据了一部分体积，必须有部分油液流经阀进入补偿腔C;当车轮向下跳动即悬架伸张时，活塞1向上运动，工作腔A中的压力升高，油液经阀流入下腔，提供大部分伸张阻尼力，还有一部分油液经过活塞杆与导向座
20、间的缝隙由回流孔6进人补偿腔，同样由于活塞杆所占据的体积，当活塞向上运动时，必定有部分油液经阀流入工作腔下腔。减振器工作过程中产生的热量靠贮油缸筒3散发。减振器的工作温度可高达120摄氏度，有时甚至可达200摄氏度。为了提供温度升高后油液膨胀的空间，减振器的油液不能加得太满，但一般在补偿腔中油液高度应达到缸筒长度的一半，以防止低温或减振器倾斜的情况下，在极限伸张位置时空气经油封7进入补偿腔甚至经阀吸入工作腔，造成油液乳化，影响减振器的工作性能。图9双筒式减振器工作原理图1-活塞；2-工作缸筒；3-贮油缸筒；4-底阀座；5-导向座；6-回流孔活塞杆；7-油封；8-防尘罩；9-活塞杆减振器的特性可
21、用图10所示的示功图和阻尼力-速度曲线描述。减振器特性曲线的形状取决于阀系的具体结构和各阀开启力的选择。一般而言，当油液流经某一给定的通道时，其压力损失由两部分构成。其一为粘性沿程阻力损失，对一般的湍流而言，其数值近似地正比于流速。其二为进入和离开通道时的动能损失，其数值也与流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影响。由于油液粘性随温度的变化远比密度随温度的变化显著，因而在设计阀系时若能尽量利用前述的第二种压力损失，则其特性将不易受油液粘性变化的影响，也即不易受油液温度变化的影响。不论是哪种情形，其阻力都大致与速度的平方成正比，如图10所示。图中曲线A所示为在某一给定的A通道下阻尼力F与
22、液流速度v的关系，若与通道A并联一个直径更/大的通道B，则总的特性将如图中曲线A+B所示。如果B为一个阀门，则当其逐渐打开时，可获得曲线A与曲线A+B间的过渡特性。恰当选择A,B的孔径和阀的逐渐开启量，可以获得任何给定的特性曲线。阀打开的过程可用三个阶段来描述，第一阶段为阀完全关闭，第二阶段为阀部分开启，第三阶段为阀完全打开。通常情况下，当减振器活塞相对于缸筒的运动速度达到0. lm/s时阀就开始打开，完全打开则需要运动速度达到数米每秒。图10 阀的开启程度对减振器特性影响示意图图11给出了三种典型的减振器特性曲线。第一种为斜率递增型的，第二种为等斜率的（线性的），第三种为斜率递减型的。其中第
23、一种在小速度时，阻尼力较小，有利于保证平坦路面上的平顺性，第三种则在相当宽的振动速度范围内都可提供足够的阻尼力，有利于提高车轮的接地能力和汽车的行驶性能。根据汽车的型式、道路条件和使用要求，可以选择恰当的阻尼力特性。图11 典型的减振器特性曲线 图12 减振器斜置时计算传递比示意图需要注意的是，在大部分汽车上，减振器不是完全垂直安装，如图3.7所示为刚性桥非独立悬架的情况。这时减振器本身的阻尼力与车轮处的阻尼力之间存在差异，当左右车轮同向等幅跳动时，阻尼力的传递比，由于角度 （见图12）同时造成车轮处力的减小和减振器行程的减小，因此减振器的阻尼系数应为车轮处阻尼系数的倍。当车身侧倾时，相应的传
24、递比，式中B为轮距，b为减振器下固定点的安装距。单筒充气式液力减振器单筒充气式减振器的工作原理如图（13）所示。其中浮动活塞3将油液和气体分开并且将缸筒内的容积分成工作腔4和补偿腔2两部分。当车轮下落即悬架伸张时，活塞杆8带动活塞5下移，压迫油液经过伸张阀10从工作腔下腔流入上腔。此时，补偿腔2中的气体推动活塞3下移以补偿活塞杆抽出造成的容积减小;车轮上跳时，活塞5向上运动，油液通过压缩阀6由上腔流入下腔，同时浮动活塞向上移动以补偿活塞杆在油液中的体积变化。与前述的双筒式减振器相比，单筒充气式减振器具有以下优点:工作缸筒n直接暴露在空气中，冷却效果好;在缸筒外径相同的前提下，可采用大直径活塞，
25、活塞面积可增大将近一倍，从而降低工作油压;在充气压力作用下，油液不会乳化，保证了小振幅高频振动时的减振效果;由于浮动活塞将油、气隔开，因而减振器的布置与安装方向可以不受限制。其缺点在于:为保证气体密封，要求制造精度高;成本高;轴向尺寸相对较大;由于气体压力的作用，活塞杆上大约承受190-250N的推出力，当工作温度为100时，这一值会高达450N，因此若与双筒式减振器换装，则最好同时换装不同高度的弹簧。图13双筒充气式减振器的优点有:在小振幅时阀的响应也比较敏感;改善了坏路上的阻尼特性;提高了行驶平顺性;气压损失时，仍可发挥减振功能;与单筒充气式减振器相比，占用轴向尺寸小，由于没有浮动活塞，摩
26、擦也较小。因而本次设计选择双筒式减振器。图14 为双筒充气式减振器用于麦克弗逊悬架时的结构图。1-六方;2-盖板;3-导向座;4-贮油缸筒;5-补偿腔;6-活塞杆;7-弹簧托架;8-限位块;9-压缩阀;10-密封环;11-阀片;12-活塞紧固螺母;13-活塞杆小端;14-底阀（1）相对阻尼系数 相对阻尼系数的物理意义是：减震器的阻尼作用在与不同刚度C和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；值小则反之，通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数取小些，伸张行程时的相对阻尼系数取得大些，两者之间保持=（0.25-0.50）的关系。 设计时，先选取与的平均值。相对无摩擦的弹性元件悬架，取=0.2
