汽車懸架動力學模擬系列一課件

1、汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架的主要功用 汽車懸架是將車架（或車身）與車軸（或直接與車輪）彈性聯(lián)接的部件。其主要功用如下：（1）緩和，抑制由于不平路面所引起的振動或沖擊以保證汽車具有良好的平順性。（2）迅速衰減車身和車橋（或車輪）的振動。（3）傳遞作用在車輪和車架（車身）之間的各種力（垂直力，縱向力，橫向力）和力矩（制動力矩和反作用力矩）。（4）保證汽車行駛所必要的穩(wěn)定性。汽車懸架的主要功用 汽車懸架是將車架（或車身）與車 懸架設(shè)計的基本概念懸架設(shè)計的矛盾 懸架是研究懸架系統(tǒng)的振動特性，討論懸架設(shè)計對平順性，穩(wěn)定性和通過性等性能的影響，從而做出妥善設(shè)計。柔與剛

2、懸架的發(fā)展趨勢是彈簧越來越軟（既由剛變?nèi)幔?。減振與激振懸架特性與路面特性堅固與笨重 懸架設(shè)計的基本概念懸架設(shè)計的矛盾汽車懸架應該滿：在所有載荷范圍內(nèi)自振頻率盡可能不變。懸架發(fā)生碰撞前的動行程不超過一定值（懸架的變剛性）。發(fā)生的振動能迅速衰減。在側(cè)向力的作用下懸架質(zhì)量的側(cè)向力較小。汽車具有某種程度的不足轉(zhuǎn)向。懸架質(zhì)量在制動時有抗“點頭”作用和在加速時有抗“仰頭”作用。 汽車對懸架的一般要求汽車懸架應該滿： 汽車對懸架的一般要求 懸架的分類獨立懸架：雙橫臂獨立懸架（麥弗遜獨立懸架），多聯(lián)桿獨立懸架，斜置拖曳臂獨立懸架，縱臂式獨立懸架等非獨立懸架：采用螺旋彈簧：拖曳臂式，扭轉(zhuǎn)梁式采用鋼板彈簧至于獨立

3、懸架和非獨立懸架的優(yōu)缺點在此不多說明，鋼板彈簧作為非獨立懸架的最常用結(jié)構(gòu)將在以后講解。 懸架的分類獨立懸架： 對前后輪獨立懸架的要求前獨立懸架：在負荷變化時，不致引起輪距的的顯著變化，而輪距的變化乃是輪胎磨損的原因。在負荷變化時，不使主銷后傾發(fā)生顯著的變化，而后傾角的變化影響行使平順性和車輪的變化。在負荷變化時，不引起主銷內(nèi)傾角發(fā)生顯著而急劇的變化，而內(nèi)傾角的變化影響車輪的穩(wěn)定與旋轉(zhuǎn)平面的位置。在負荷變化時，車輪不產(chǎn)生很大的縱向加速度，當汽車在不平路面行使時，縱向加速度導致縱向沖擊，而且所發(fā)生的力距作用到轉(zhuǎn)向節(jié)上，是方向盤上的力距急劇改變。側(cè)傾時，保證車輪與懸架質(zhì)量的傾斜相同，從而增大不足轉(zhuǎn)向

4、效應。后獨立懸架：在負荷變化時，不致引起輪距的的顯著變化，而輪距的變化乃是輪胎磨損的原因及汽車在不平路面上行使時產(chǎn)生橫向沖擊的原因。側(cè)傾時，保證車輪與懸架質(zhì)量的傾斜反向，從而減小后輪的偏離角和增強不足轉(zhuǎn)向效應。 對前后輪獨立懸架的要求前獨立懸架：懸架系統(tǒng)的預布置懸架結(jié)構(gòu)的選用和布置首先考慮今后對四驅(qū)布置的影響。通?？刹捎每v臂結(jié)構(gòu)或多聯(lián)桿結(jié)構(gòu)，但如果后軸采用扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)，則今后不能布置后驅(qū)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計懸架時，輪邊跳動按上下各跳動100 mm考慮。（M11前懸架總行程為150 mm，后懸架總行程為180 mm。）如果行程分配不合理，有可能引起過渡轉(zhuǎn)向。同時需要考慮傳動軸夾角。（發(fā)動機的布置位子）對于

5、導向干系的設(shè)計和布置，通常希望竟量的設(shè)計的長一些，且設(shè)計狀態(tài)竟量的水平布置。對于輪胎承受側(cè)向力而影響整車的轉(zhuǎn)向情況來說，選者懸架的形式就很重要。例如：斜置拖曳臂的懸架就沒有帶橫向推力桿的拖曳臂懸架好（S11后懸架）。對于采用寬輪胎的汽車，在設(shè)計前懸架的車輪外傾時通常將外傾角設(shè)計為0，以便充分發(fā)揮輪胎的接地面積，提高整車性能。在車坐2-3人時轎車的前輪通常設(shè)計的具有微小的正外傾角，以便輪胎盡可能垂直于稍有拱形的路面滾動，并使磨損均勻和滾動阻力小。理想的值為=5-10即約為0.1，公差通常為30。在采用獨立懸架和復合式后懸架中，為提高輪胎的側(cè)偏性能，車輪的外傾角常設(shè)計成負值。懸架系統(tǒng)的預布置懸架結(jié)

6、構(gòu)的選用和布置首先考慮今后對四驅(qū)布置的如果汽車僅有一個很小的車輪上跳行程，即車身外側(cè)的下沉量小于車身內(nèi)側(cè)的抬起量，內(nèi)側(cè)輪胎載和加劇，從而使質(zhì)心從w點移動到w點上質(zhì)心高為 Hw，結(jié)果出現(xiàn)臨界的難以控制的過渡轉(zhuǎn)向(后懸架尤為明顯)。WWFHwHw如果汽車僅有一個很小的車輪上跳行程，即車身外側(cè)的下沉量小于車7. 注意整車姿態(tài)，懸架決定整車資態(tài)，同時又與造型緊密相連，一但造型確定再更改懸架行程就十分困難。8. 一般K和W的取值為越野車取較小值，一般車取中間值，豪華車取較大值。 K-前懸架輪心與輪罩的距離； W-后懸架輪心與輪罩的距離； 為了確保所期望的行使特性和直線行駛能力及避免輪胎的過渡磨損，我們首

7、先要確定前橋的定位參數(shù)。輪距變化的缺點是會引起滾動輪胎的側(cè)偏，在獨立懸架中，汽車行駛過不平路面時車輪的上下跳動引起輪距的變化使輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角，從而產(chǎn)生側(cè)向力，較大的滾動阻力和使直線行駛能力下降。在所有的獨立懸架中，極點P的位置確定了瞬時輪距的變化+-b汽車懸架動力學模擬系列一課件前后懸架布置時輪心與輪罩中心一般來說，運動感強的車該值就會取較大的正值，越野車一般采用的是較小值或負值。常規(guī)車輛的取值范圍是2030。 前后懸架布置時輪心與輪罩中心一般來說，運動感強的車該值就前 懸 架預布置車輪最大尺寸車 輪 行 程乘 坐 舒 適 性方 向 盤 轉(zhuǎn) 角最 小 轉(zhuǎn) 彎 半 徑操 穩(wěn)操 縱 感 覺前 懸

8、架預布置車輪最大尺寸車 輪 行 程乘 定義轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾何尺寸前懸架各控制點的確定 在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計過程中，首先要確定轉(zhuǎn)向梯形，以保證車輪能繞一個轉(zhuǎn)向中心在不同的圓周上作無滑動的純滾動。對轎車來說，通常采用斷開式轉(zhuǎn)向梯型機構(gòu)，有時為了提高車輛的靈活性，減小轉(zhuǎn)彎半徑而改變轉(zhuǎn)向梯型。采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器時，轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)端接頭T的運動軌跡與地面平行，相反外接頭U的運動軌跡是一條圓弧線，當沒有主銷后傾時，U點的運動軌跡于轉(zhuǎn)向節(jié)軸線EG垂直。底盤的設(shè)計首先要確定（與輪距的變化有關(guān)）前懸架的側(cè)傾中心高度，以便隨后確定相應的后橋側(cè)傾中心高度。前懸架側(cè)傾中心高度在：0120mm，后懸架側(cè)傾中心高度在：80 15

9、0mm。懸架側(cè)傾中心高度的方法定義轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾何尺寸前懸架各控制點的確定 在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向軸線ZYD采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器時，轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)端接頭T的運動軌跡與地面平行，相反外接頭U的運動軌跡是一條圓弧線，當沒有主銷后傾時，U點的運動軌跡與轉(zhuǎn)向節(jié)軸線EG垂直。轉(zhuǎn)向機轉(zhuǎn)向軸線ZYD采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器時，轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)端q o整車轉(zhuǎn)向幾何尺寸：定義轉(zhuǎn)向半徑，轉(zhuǎn)向角和阿克曼角阿克曼角：Ctg1- Ctg 2 = q/p為了提高車輛的靈活性，減小轉(zhuǎn)彎半徑而改變轉(zhuǎn)向梯型阿克曼偏差q o整車轉(zhuǎn)向幾何尺寸：定義轉(zhuǎn)向半徑，轉(zhuǎn)向角和阿克曼角q12修改以達到不同的方向盤轉(zhuǎn)角轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比一般為15-17在作加長車時要考

10、慮這個值q12修改以達到不同的方向盤轉(zhuǎn)角轎車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比一般為1阿克曼偏差 (o)方向盤轉(zhuǎn)角 (o)AB某些參考車型前軸的阿克曼角實例阿克曼偏差 (o)方向盤轉(zhuǎn)角 (o)A某些參考車型前軸的阿0510152025-400-300-200-1000100200300400方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向角的關(guān)系方向盤轉(zhuǎn)角 (o) 車輪轉(zhuǎn)角 (o)0510152025-400-300-200-10001002) 定義主銷的幾何尺寸包括：主銷后傾，主銷內(nèi)傾，主銷后傾拖距，主銷偏置距等 根據(jù)經(jīng)驗選取起始點2) 定義主銷的幾何尺寸Outer w. 方向盤轉(zhuǎn)角 (o) Inner w.主銷后傾角 (o) 主銷后傾角定

11、義主銷后傾角主銷后傾角影響：轉(zhuǎn)向時車輪外傾角的變化主銷拖距車輪上下跳動過程中的前束變化不平路面上的制動性能Outer w. 方向盤轉(zhuǎn)角 (o) 定義主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角影響：在前驅(qū)車型中通常在1214 轉(zhuǎn)向回正力距 制動時方向盤上的力 Outer w. 方向盤轉(zhuǎn)角 (o) Inner w.轉(zhuǎn)向變化車輪跳動變化主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角 (o)定義主銷內(nèi)傾角Outer w. 方向盤轉(zhuǎn)角 (oGeometrical trial (mm)定義拖距的尺寸主銷后傾拖距的影響：直線行使時的方向穩(wěn)定性 提供方向盤的橫向路感 Outer w. Steering wheel angle (o) Inner w.Var

12、iation in steeringVariation in wheel travel主銷后傾拖距Geometrical trial (mm)定義拖距的尺主銷偏置距 (mm)R.I. Angolo volante(o) R.E.定義主銷偏置距的大小主銷偏置距影響：轉(zhuǎn)向回正力距的大小，主銷主銷偏置距越大，回正力距也越大。 轉(zhuǎn)彎制動時方向盤力矩的大小 主銷偏置距通常取1830mm輪胎的根換對主銷偏置距也有影響所有的德國車均采用了負的主銷偏置距 Variation in steeringOuter w. 方向盤轉(zhuǎn)角 (o) Inner w.主銷偏置距 (mm)R.I. Angolo voBracci

13、o trasversale a centro ruota (mm)R.I. Angolo volante (o) R.E.AB定義車輪中心處的主銷偏置距車輪中心處的主銷偏置距影響： 驅(qū)動時的方向盤回正性當車輛通過障礙物的影響 由于輪胎受力不均引起的方向盤的擺動定義車輪中心處的主銷偏置距Braccio trasversale a centro r3) 定義懸架的幾何尺寸 根據(jù)經(jīng)驗選取起始點3) 定義懸架的幾何尺寸副車架邊緣制動盤邊緣ABDiskRimABM familyWheel輪胎: 225/55R17轉(zhuǎn)角:外側(cè)轉(zhuǎn)角大約30deg ，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角大約 35-36deg 考慮輪胎包絡(luò)線: 懸架的參考

14、基準 Steering axisA確定懸架邊界條件和設(shè)計硬點主銷已經(jīng)確定收集幾何約束定義主銷上的A點，A點在輪輞和等速萬向節(jié)中間， 位置越低越好定義主銷上的B點，盡可能低的位置但是要考慮： -輪胎上跳下跳目標 -支撐的功能性副車架邊緣制動盤邊緣ABDiskRimABM family考CBAZX減振器軸線于主銷軸線重合在X-Z平面內(nèi)定義減震器在麥弗遜懸架中通常于主銷重合，這是最簡單和最有效的解決方案。CBAZX減振器軸線于主銷軸線重合在X-Z平面內(nèi)定義減震器CBA減振器軸線轉(zhuǎn)向軸線ZYDEXYZAF下擺臂旋轉(zhuǎn)軸線D在Y-Z平面內(nèi)定義減震器根據(jù)輪胎尺寸定義C點（需要的話要考慮防滑鏈）D點是控制臂旋

15、轉(zhuǎn)軸線和通過A點的Y-Z平面的交點。A, B, D點的相互位置決定了輪胎上下跳過程中的輪距的變化和外傾角的回正性CBA減振器軸線轉(zhuǎn)向軸線ZYDEXYZAF下擺臂旋轉(zhuǎn)軸線D在CBAZYD與轉(zhuǎn)動中心相關(guān)與輪胎尺寸相關(guān)與動力總成邊界相關(guān)車輪行程車輪外傾與車輪行程的關(guān)系得到足夠的輪胎上下跳過程中外傾角的回正性這可以通過將B點向內(nèi)移，或抬高D點或向外移動A點，但是所有這些都要同懸架的其他特性綜合考慮。車輪外傾角 (o)CBAZYD與轉(zhuǎn)動中心相關(guān)與輪胎尺寸相關(guān)與動力總成邊界相關(guān)車CBAZX轉(zhuǎn)向軸線與減振器軸線Arm 懸 轉(zhuǎn) 軸AYXEFFE下擺臂旋轉(zhuǎn)軸線定義控制臂旋轉(zhuǎn)軸線的傾角和E，F(xiàn)點的位置根據(jù)抗點頭角

16、定義控制臂旋轉(zhuǎn)軸線：如果增加在X-Z平面內(nèi)的傾角（即E點比F點低），抗點頭能力就能提高。（參考汽車的縱向角振動）CBAZX轉(zhuǎn)向軸線與減振器軸線Arm 懸 轉(zhuǎn) 軸AYXEFTie rodAIHEFYXAIHEAF定義轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何尺寸的所有點定義H點根據(jù)：阿克曼角和相應的幾何約束，同時考慮轉(zhuǎn)向力距的影響。定義I點的位置要將輪胎上下跳過程中的前束變化最小化Tie rodAIHEFYXAIHEAF定義轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何尺寸IHEAFIHEAF根據(jù)桿系幾何運動關(guān)系確定I點將I點放在輪胎上下跳過程中H點所形成的圓弧的中心IHEAFIHEAF根據(jù)桿系幾何運動關(guān)系確定I點為確定轉(zhuǎn)向橫拉桿的長度和位置需要知道的距離和

17、動點。轉(zhuǎn)向橫拉桿的位置可通過HR的連線給出（圖中還繪出了側(cè)傾中心）。如果側(cè)傾中心位置選定的較好可使輪距變化為。側(cè)傾中心為確定轉(zhuǎn)向橫拉桿的長度和位置需要知道的距離和動點。轉(zhuǎn)向橫拉桿下擺臂的常用布置形式和連接點的橫向受力情況行使方向下擺臂的布置形式下擺臂的常用布置形式和連接點的橫向受力情況行使方向下擺臂的布不同狀態(tài)下的受力情況不同狀態(tài)下的受力情況懸架的縱向穩(wěn)定性 所謂的懸掛縱向穩(wěn)定性是指汽車在制動和驅(qū)動時，懸掛系統(tǒng)抵抗車身發(fā)生縱向傾斜的能力。懸掛的縱向剛度取決于前后懸架的靜撓度和軸距，主要跟據(jù)平順性和總布置的要求來確定。對獨立懸架來說，使中心位置高于驅(qū)動橋車輪中心是非常重要的。BAFEez Fgz

18、Fe-Fez-FexFg-Fgz-FgxFbFa行駛方向懸架的縱向穩(wěn)定性 所謂的懸掛縱向穩(wěn)定性是指汽車如圖中右邊的靜力分析表明，由于車輪中心處移出的垂直位移于轉(zhuǎn)向軸的制動力b在橫臂上引起的反力Fex和Fgx，它們（由于橫臂斜置）又引起垂直方向分力 Fez= Fex *tan和Fgz = Fgx *tan 。在同一方向的合力必須為,即Fez和Fgz抵消車頭下沉。BAFEez FgzFe-Fez-FexFg-Fgz-FgxFbFa行駛方向如圖中右邊的靜力分析表明，由于車輪中心處移出的垂直位移于麥弗遜前懸架縱傾中心的確定麥弗遜前懸架縱傾中心的確定整車縱傾中心（前麥弗遜，后多聯(lián)桿）整車縱傾中心（前麥弗

19、遜，后多聯(lián)桿）汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件回正力距輪胎接地面輪胎痕跡對輪胎痕跡的回正力距回正力距輪胎接地面輪胎痕跡對輪胎痕跡的縱向載荷（通過障礙）橫向載荷行使方向僅承受橫向載荷不產(chǎn)生前束變化的子午線輪胎縱向剛度的克服僅承受縱向載荷縱向載荷橫向載荷行使方向僅承受橫向載荷不產(chǎn)生前束變化的子午線為緩和剛絲子午線胎的縱向剛度，BMW 3系列車型在前懸架上設(shè)計了一根鐮刀形的擺臂。該擺臂在縱向力的作用下繞只有少許變形的球膠D轉(zhuǎn)動并通過動臂4用大橡膠支座支撐在車身上。該支座的側(cè)向具有起始軟，隨即急劇遞增變化的彈性。轉(zhuǎn)向橫拉桿7位于橫臂相應的高度上，且?guī)?/p>

20、乎與支座連線GD平行，應此點U和G的運動圓弧半徑差不多相等，車輪的縱向運動不會引起前束的變化。為緩和剛絲子午線胎的縱向剛度，BMW 3系列車型在前懸架上設(shè)轉(zhuǎn)向布置型式 hydraulic EPS on column EPS on pinion EPS on rack轉(zhuǎn)向布置型式HYDRAULICEPS ON COLUMNHYDRAULICEPS ON COLUMNEPS ON PINIONEPS ON RACKEPS ON PINIONEPS ON RACK懸架的內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)懸架的內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)橡膠襯套三方向的曲線橡膠襯套三方向的曲線汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸

21、架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件汽車懸架動力學模擬系列一課件.前懸架運動學分析以麥弗遜懸架為例.前懸架運動學分析以麥弗遜懸架為例 分 析 內(nèi) 容前懸架 主銷分析 懸架單獨分析 ( 兩輪同時跳動, 靜態(tài)載荷下的變化 ) M 車型 計算最小轉(zhuǎn)彎半徑. 分 析 內(nèi) 容前懸架M 車型懸 架 設(shè) 計 目 標懸 架 設(shè) 計 目 標Mc Pherson 幾何模型M Ve

22、hicleMc Pherson 幾何模型M Vehicle轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的特征: 方向盤轉(zhuǎn)一圈，齒條橫向移動51 mm齒條最大橫向位移 148 mm因此方向盤每邊最大轉(zhuǎn)角是522度.汽車懸架動力學模擬系列一課件主銷分析（Kingpin Analysis）主銷分析（Kingpin Analysis）Steer ratioM VehicleAt the max wheel steering angle, the inner wheel reaches a steer angle of 38.63 deg, while the outer reaches 32.26 deg. 方向盤達到最大轉(zhuǎn)角時，內(nèi)

23、外輪的轉(zhuǎn)角At the max wheel steering angle, the inner wheel reaches a steer angle of 38.68 deg, while the outer reaches 32.10 deg. Steer ratioM VehicleAt the max主銷后傾角的變化 （Caster angle）M Vehicle主銷后傾角的變化 （Caster angle）M Vehic主銷后傾角與車輪跳動的關(guān)系（Caster angle vs. Wheel travel）主銷后傾角與車輪跳動的關(guān)系（Caster angle vs.主銷內(nèi)傾角（Kin

24、gpin angle）M Vehicle主銷內(nèi)傾角（Kingpin angle）M VehicleScrub radiusM VehicleScrub radiusM VehicleScrub radius WLCM VehicleScrub radius WLCM VehicleCaster moment arm WLCM VehicleCaster moment arm WLCM Vehicle單純的懸架運動分析單純的懸架運動分析YXZYXZWheel Travel AnalysisDe Dz Dg Dz l Dz Dx Dz Vehicle M“C” carTargetWheel Tra

25、vel AnalysisDe Dz DVehicle M“C” carTargetWheel Travel Analysis HRC vs. Wheel TravelVehicle M“C” carTargetWheel TrVehicle M“C” carTargetLateral Load AnalysisDe Fy De Mz Dg Fy Vehicle M“C” carTargetLateral Longitudinal Load AnalysisDe Fxd De Fxb Dx Fxd Vehicle M“C” carTargetLongitudinal Load AnalysisD

26、e 最小轉(zhuǎn)彎半徑分析 以M Vehicle為例最小轉(zhuǎn)彎半徑分析tftf front wheel track tw tire width l - wheel basea - distance between center mass location and front axle.R Turn radius at center mass location.RC Turn radius curb to curb alRcRType of TestAt the maximum steer wheel angle, it is calculated the minimum necessary space.In the test the maximum steer wheel angle is reached using a slow ramp steer at low velocity.In this test there are not only the forces obtained through Pacejkas model, but also the spin torque. tftf front wheel track alRcRCondition of