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懸架參數(shù)對(duì)底盤性能的影響

2019-04-19 13:53:25·  來源：汽車技研  
　
我們都知道，懸架設(shè)計(jì)有各種的性能要求，對(duì)于這些性能，都需要同時(shí)且高水準(zhǔn)的滿足。但是懸架的很多性能，如舒適性和操縱穩(wěn)定性本身就是對(duì)立的，同時(shí)完全滿足各種
我們都知道，懸架設(shè)計(jì)有各種的性能要求，對(duì)于這些性能，都需要同時(shí)且高水準(zhǔn)的滿足。 但是懸架的很多性能，如舒適性和操縱穩(wěn)定性本身就是對(duì)立的，同時(shí)完全滿足各種要求是不可能的。所以，根據(jù)整車定位對(duì)懸架性能進(jìn)行合理的匹配是懸架設(shè)計(jì)工作的重中之重。今天，我們就先了解下懸架參數(shù)對(duì)整車性能到底有什么影響。
 
軸距
 
定義：從前橋軸心至后橋軸心測(cè)得的距離
 
對(duì)底盤性能的影響：
對(duì)行使性有決定性的影響。 與汽車長度相比，大的軸距可以使乘客合理的安置在車橋之間，從而減小負(fù)荷對(duì)載荷分配的影響。并且車身的前懸部分和車身的后懸部分都較短，使縱傾振動(dòng)的趨勢(shì)下降，這樣可以采用較軟的彈簧，提高行使平順性。相反，軸距較短則使轉(zhuǎn)彎輕便，即同樣的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角下，轉(zhuǎn)彎圓較小。
在前輪驅(qū)動(dòng)型式的車輛中優(yōu)先采用較長的軸距。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)形式的轎車來說，軸距較長就要求萬向節(jié)軸分段，盡管如此，大部分最近投入市場(chǎng)的這種形式汽車的軸距還是比以前的要長。比值K1可以作衡量依據(jù)。在現(xiàn)在轎車中這個(gè)值為：
    汽車越小，K1值應(yīng)越大。軸距一般在L=2150-3070之間。（例如：B級(jí)車，軸距2840，車輛長度4886；比值0.58）
輪距
 
定義：車輪接地點(diǎn)的間距
 
對(duì)底盤性能的影響：
 前輪距b V 和后輪距b h ， 對(duì)汽車的曲線行使性能和側(cè)傾具有決定性的影響 。輪距應(yīng)盡可能大，但其與汽車寬度的比值不能超過一個(gè)給定值。目前轎車的的輪距為 h =1205-1550。比值可作為衡量寬度利用率的參數(shù)，它盡可能大：
例如：B級(jí)車，輪距1565/1560，車輛寬度1810；比值0.865/0.862）
 
在懸架跳動(dòng)中，輪距變化對(duì)底盤性能的影響：
在幾乎所有的獨(dú)立懸架中，車輪的上下跳動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致輪距發(fā)生變化。輪距變化的后果由其產(chǎn)生的作用而定；輪距變化的缺點(diǎn)是會(huì)引起滾動(dòng)輪胎的側(cè)偏。從而（特別是輪胎斷面扁平時(shí)）產(chǎn)生側(cè)向力、較大的滾動(dòng)阻力和使直線行使能力下降。此外，輪距變化還對(duì)轉(zhuǎn)向系有影響。
在獨(dú)立懸架中，汽車駛過不平路面時(shí)車輪的上下跳動(dòng)會(huì)引起輪距的變化，從而使輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角α。由此不僅產(chǎn)生了側(cè)向力，還使直線行使的能力下降，滾動(dòng)阻力增大。
 
車輪外傾角
                            
定義：外傾角是指車輪中心平面和道路平面垂直線之間的夾角。如果車輪上部
向外傾斜，外傾角取正值。
 
外傾角對(duì)底盤性能的影響：
轎車的前輪通常設(shè)計(jì)得具有微小的正外傾角，以使車輪盡可能垂直于稍許有點(diǎn)拱形的路面滾動(dòng)，并使磨損均勻和滾動(dòng)阻力小。較為理想的外傾角值為：
γ = 5' ~ 10' 即約0.1º（例如：B級(jí)車，外傾角為11′），為了獲得良好的輪胎轉(zhuǎn)彎側(cè)偏性能，目前所取得外傾角大都偏離了理想制值。轎車空載時(shí)外傾角基本上在理想值附近，而加載狀況下車輪則取有輕微的負(fù)值外傾角。
 
 研究表明，當(dāng)外傾角γ=+5’～ +10’時(shí)，輪胎的磨損最均勻。更大的正值外傾角會(huì)使輪胎外側(cè)胎肩磨損加劇。而更大的負(fù)值外傾角則加劇內(nèi)側(cè)胎肩的磨損。
在采用獨(dú)立懸架和復(fù)合懸架的后懸架中，為了提高輪胎的側(cè)偏性能，車輪外傾角常設(shè)計(jì)成負(fù)值。但這種情況下存在著在滿載工況車輪外傾角負(fù)的太大的危險(xiǎn)。而這種危險(xiǎn)會(huì)使輪胎發(fā)熱過量并由此導(dǎo)致輪胎胎面剝離、爆胎。一般可以把這種形式的懸架的車輪外傾角又再設(shè)計(jì)成空載下取正值。
 
外傾角的運(yùn)動(dòng)變化
 
獨(dú)立懸架的缺點(diǎn)在于汽車作曲線行使時(shí)車輪隨車身一起傾斜，即車身外側(cè)車輪相對(duì)于地面向正的外傾角方向變化，從而降低了承載較高一側(cè)的輪胎（與車身內(nèi)側(cè)輪胎相比）的側(cè)偏性能。為了消除這一影響，轎車的懸架常常設(shè)計(jì)成車輪上跳時(shí)外傾角朝負(fù)值方向變化，而在下落時(shí)朝正值方向變化。
            
 研究表明，當(dāng)外傾角γ=+5’～ +10’時(shí)，輪胎的磨損最均勻。更大的正值外傾角會(huì)使輪胎外側(cè)胎肩磨損加劇。而更大的負(fù)值外傾角則加劇內(nèi)側(cè)胎肩的磨損。
圖示給出了幾款獨(dú)立懸架的外傾角變化曲線。
前束和自轉(zhuǎn)向特性
定義：靜態(tài)前束角是指在靜止的汽車上（參考狀態(tài)下）汽車縱向中心平面和地面的交線之間的角度。如果車輪的前部靠近汽車縱向中心平面，則前束為正值；反之則為負(fù)值（后束角）。靜態(tài)總前束角是左右車輪前束角之和。
前束可用角度或長度表示：如果前束用長度（mm）表示。那么這里前束是指差值V=B-C既左右車輪輪輞邊緣后部間距大于前部的余量。前束應(yīng)在空載時(shí)車輪停在直線行使位置的狀態(tài)下，在車輪中心高度上測(cè)量。V和車橋上的兩個(gè)車輪有關(guān)。在用角度表達(dá)的形式下，車輪前束角δv與車輪側(cè)偏角相當(dāng)。也就是說，在具有前束的狀態(tài)下，汽車的兩個(gè)前輪是斜向?qū)χ玫摹Ｈ秉c(diǎn)是使?jié)L動(dòng)阻力增大。
前束V是指B-C的差值，單位為mm，在車輪中心高度處的輪輞邊緣上測(cè)得。
直線行駛的車輪具有最小的輪胎磨損和最小的滾動(dòng)阻力。滾動(dòng)中在接地面上出現(xiàn)一個(gè)由前向后的滾動(dòng)阻力FR，通過杠桿臂ra產(chǎn)生一個(gè)力矩，該力矩經(jīng)過轉(zhuǎn)向拉桿作用在轉(zhuǎn)向系上。
為了達(dá)到直線行駛目的，就規(guī)定了車輪相互斜相對(duì)立，即前束的方式。在前輪驅(qū)動(dòng)行駛的車輛中驅(qū)動(dòng)力是由后向前作用的，這是車輪前側(cè)受到擠壓,從而使的在此采用后束（即負(fù)前束）可能是有利的。為了不是反拖工況（即放松油門）下的行駛穩(wěn)定性變壞，前輪驅(qū)動(dòng)行駛的車輛也有部分采用前束。
一些轎車的出廠說明中表明：
            前        后
Mercedes 190E     +20′±10′            
Mercedes 500SE     +3±1mm        
FordＥ Ｅscort   -2.5±1mm
Audi 80            +10′±15′
Audi quattro       -10′±10′
（A=全輪驅(qū)動(dòng)，S=標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)型式，V=前輪驅(qū)動(dòng)）
這些說明適用于空載狀況。（例如：B級(jí)車，前束為0′）
前束的運(yùn)動(dòng)變化
比在靜止的汽車上調(diào)整出一個(gè)正確的前束更為重要的是，前束值在行使中能否保持，或者說是否會(huì)因汽車的上下跳動(dòng)而變化。后者可能是由于不足轉(zhuǎn)向性能的結(jié)果或者是為了達(dá)到確定的行使性能所需要的。為了不因輪胎的側(cè)偏而使磨損加劇，滾動(dòng)阻力加大以及直線行使能力受到損害，無論在車輪下落還是上跳都不應(yīng)出現(xiàn)前束值的變化。
側(cè)傾轉(zhuǎn)向引起的前束變化
圖示為幾輛轎車在運(yùn)動(dòng)過程中引起的前束變化曲線。在曲線行使時(shí)，上跳的車身外側(cè)車輪產(chǎn)生后束，而下落的內(nèi)側(cè)車輪產(chǎn)生前束。在車身側(cè)傾的影響下轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角輕微的回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向性。
后橋在側(cè)傾時(shí)產(chǎn)生側(cè)向力過度轉(zhuǎn)向-并非沒有危險(xiǎn)性。它可能在換道行使時(shí)引起二次轉(zhuǎn)向。為了防止這種情況發(fā)生并改善汽車的綜合性能，可將后軸也設(shè)計(jì)的具有側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向性。這時(shí)獨(dú)立懸架中上跳的車身外側(cè)產(chǎn)生前束，而下落的內(nèi)側(cè)車輪產(chǎn)生后束。
 如果在車身側(cè)傾或者是由于側(cè)向力的作用而上跳的車身外側(cè)前輪產(chǎn)生后束，而下落的內(nèi)側(cè)前輪產(chǎn)生前束，則轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角輕微地回轉(zhuǎn)一個(gè)角度δV，車橋具有不足轉(zhuǎn)向性。
非獨(dú)立懸架和復(fù)合式懸架的車輪（由于相互直接連接）在同向跳動(dòng)時(shí)前束一點(diǎn)也不變化。由于結(jié)構(gòu)公差或調(diào)整錯(cuò)誤，車橋也可能在汽車中傾斜安裝，即相對(duì)于汽車的縱向軸線，一個(gè)車輪具有前束，而另一個(gè)車輪有后束（圖3.58b）。在這種情況下，汽車不再巡軌而行，造成不穩(wěn)定行駛。
主銷內(nèi)傾角和主銷偏移距
定義：主銷內(nèi)傾角是指主銷軸線與一個(gè)垂直于路面的平面之間的夾角（如圖）。主銷偏移距是指主銷軸線與路面的交點(diǎn)至車輪中心平面之交線N′N距離rs。
在現(xiàn)代轎車中，它們的取值如下：
后輪驅(qū)動(dòng)型式車   σ＝11 o～14o30′，前輪驅(qū)動(dòng)型式車   σ＝11 o～14o30′
通常情況下rs＝-18～+30mm。
為了將主銷偏移距設(shè)計(jì)得比較小或?yàn)樨?fù)值，必須有較大的主銷內(nèi)傾角當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，在外傾角和主銷內(nèi)傾角之間也有直接關(guān)系。上跳的車輪將產(chǎn)生負(fù)的外傾角變化趨勢(shì)，這就意味著外傾角減小，而為了保證相同的總角度主銷內(nèi)傾角就要增大。
 為了獲得對(duì)轉(zhuǎn)向回正非常重要的轉(zhuǎn)向回正力矩MSυ要對(duì)始終作用在車輪接地點(diǎn)的垂直力Fn進(jìn)行靜力分析。將它移向車輪中心，并按轉(zhuǎn)向節(jié)軸線方向和其垂直方向分解成：
分解點(diǎn)的垂直力臂rs為：
       
該公式適用于常用的外傾角cosγ=1時(shí)的情況。如果汽車有主銷后傾角，力分量還要按角度τ繼續(xù)分解。rdyn由式rdyn＝U/2π（U為滾動(dòng)周長，在速度為60km/h時(shí)給出）車輪轉(zhuǎn)向時(shí)力與車輪軸線相夾角度δ在折算到整根車橋上的轉(zhuǎn)向角較小時(shí)，產(chǎn)生的近似轉(zhuǎn)向回正力矩為：
  （3.22）
精確值需要考慮轉(zhuǎn)向時(shí)由于側(cè)向力和車身側(cè)傾引起的主銷內(nèi)傾角變化以及所具有的主銷后傾角或前傾角。轉(zhuǎn)向回正力矩的大小取決于主銷偏移距的大小。主銷偏移距愈大，MSz也愈大,但前橋的縱向力敏感性也愈大；因此可以得出明確的趨勢(shì)是采用具有較小正值或負(fù)值的主銷偏離距。
主銷后傾
定義：主銷后傾角τ是指主銷軸線EG在xz平面上的投影與過車輪中心的垂直線之間的夾角?；蛘哂玫孛嫔宵c(diǎn)K和N之間的靜力表示，稱之為主銷后傾拖距nk。
主銷后傾和直線行駛
主銷后傾可以用茶水車效應(yīng)來比較。在這種車上被牽引車輪沿牽引拉力方向運(yùn)動(dòng)，車輪中心位于轉(zhuǎn)軸1后方。牽引力和大小滾動(dòng)阻力位于同一作用線上，即處于相互穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)閷?dǎo)向軸和車輪軸線前后排列。在汽車的車輪上（盡管有主銷偏移距和主銷）也存在同樣的效應(yīng)，這些車輪均可繞車軸旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)車輪都存在主銷后傾拖距并通過轉(zhuǎn)向橫拉桿連接。
       如果滾動(dòng)阻力作用在轉(zhuǎn)向軸1后方，則車輪沿牽引力方向被穩(wěn)定地拖動(dòng)。
   如果路面不平度或轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)使車輪自直線行駛方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度δ，則滾動(dòng)阻力分為FR•sinδ通過力臂ns（或nsg）使車輪回轉(zhuǎn)，直至返回直線行駛位置。左右出現(xiàn)的分力FR•cosδ相互抵消，它們僅使轉(zhuǎn)向橫拉桿受壓。車輪采用主銷前傾，則會(huì)產(chǎn)生相反的效果：汽車變得不穩(wěn)定。
主銷后傾在直線行駛時(shí)并不單有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。路面不平度在車輪接地點(diǎn)上引起交變的側(cè)向力，通過力臂ns（或nsg）產(chǎn)生繞轉(zhuǎn)向節(jié)軸的力矩（圖3.95），力矩作用在轉(zhuǎn)向橫拉桿上并會(huì)引起轉(zhuǎn)向沖擊及轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。此外，作用在車身上的風(fēng)力引起車輪接地點(diǎn)上出現(xiàn)反向作用的側(cè)向力Fs，前輪上的力Fsv通過后傾力臂ns（或nsg）產(chǎn)生力矩，這些力矩使汽車按風(fēng)作用方向轉(zhuǎn)向，即附加在車身被風(fēng)壓轉(zhuǎn)的方向上的。由于這些原因而使汽車的側(cè)風(fēng)敏感性升高。
轉(zhuǎn)彎時(shí)的回正力矩
 
作為車輪轉(zhuǎn)向的結(jié)果，由于車身側(cè)傾影響產(chǎn)生的主銷后傾角和內(nèi)傾角（或車輪外傾角）的變化也引起所有垂直力、側(cè)向力的力臂發(fā)生。在分析各個(gè)車輪時(shí)必須考慮這些非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。由于附加的彈性運(yùn)動(dòng)引起的誤差在此幾乎不可避免。
分析各個(gè)車輪的相互關(guān)系是非常復(fù)雜的，但對(duì)折算到整根車橋及汽車與地面平行的位置處的轉(zhuǎn)向阻力矩，尤其是在轉(zhuǎn)向角較小和轉(zhuǎn)彎車速不高時(shí)，卻是可以足夠精確地確定的。如果前橋具有主銷后傾，則計(jì)算垂直力引起的轉(zhuǎn)向阻力矩的公式
     
在側(cè)向力引起的轉(zhuǎn)向回正力矩中，主銷后傾的影響計(jì)入力臂ns中。在此計(jì)算中還必須附加考慮主銷內(nèi)傾角的影響。計(jì)算時(shí)：
               
Fsvg作用在車輪中心后距離為側(cè)向力臂nsg處  
 (3.34)
    如果轉(zhuǎn)向節(jié)軸在側(cè)視圖上是一條垂直線，情況2（圖3.89），計(jì)算公式?jīng)]有變化，只是nsg應(yīng)代入nτ+nR(即車輪中心在轉(zhuǎn)向軸后的距離與輪胎拖距之和)。
   當(dāng)汽車采用主銷前傾時(shí)，情況3，側(cè)向力使得車輪向轉(zhuǎn)彎方向轉(zhuǎn)動(dòng)，假如輪胎拖距的影響以及在前輪驅(qū)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)力Fa產(chǎn)生的回正作用（圖3.91和3.100）不足以與其平衡，主銷前傾時(shí)，式3.31中必須代入nR-nK。
   
圖3.97 將在前輪接地點(diǎn)出現(xiàn)的側(cè)向力沿轉(zhuǎn)向節(jié)軸及其垂線方向分解， 圖示為轉(zhuǎn)彎時(shí)車身外側(cè)車輪，則力Fsva·cosб產(chǎn)生回正作 用，而力Fsva·sinб使垂直力Fnva增大。
 
   在轉(zhuǎn)彎時(shí)增大的滾動(dòng)阻力FRkv在兩側(cè)車輪上的值為：
，然后將其（綜合起來考慮）分解成兩個(gè)分量：
圖3.98 在滾動(dòng)側(cè)偏角為αv的車輪上，轉(zhuǎn)彎側(cè)向力Fsv作用在車輪 中心后距離為輪胎拖距nR處，并使接地點(diǎn)（從而也使垂直力Fnv（圖 3.91a））偏向轉(zhuǎn)彎圓心方向。圖中力和標(biāo)出的距離在外側(cè)（a）和內(nèi)側(cè)（i）的大小是不同的：
                
當(dāng)主銷后傾時(shí)，情況1，后面的那個(gè)分力在兩個(gè)車輪上均產(chǎn)生回正作用（圖3.99）： (3.55)
 
在此討論的是作用在車輪中心（偏向轉(zhuǎn)彎圓心方向）的縱向力（圖3.86和3.91a）。所需的滾動(dòng)阻力系數(shù)可通過相應(yīng)輪胎計(jì)算公式式計(jì)算。
     
圖3.99 轉(zhuǎn)彎時(shí)由于輪胎的側(cè)偏角使?jié)L動(dòng)阻力FRka和FRki增大，將其沿側(cè)偏角αv方向分解。分力FRK·cosαv作用在車輪中心，并有力臂ra。αv愈大，主銷后傾拖距nk愈大，則因FRK·sinαv引起的轉(zhuǎn)向回正力矩也愈大。為了簡(jiǎn)明起見，在此不考慮輪胎拖距nk。
 
 前面的圖例同樣也適用于在前輪驅(qū)動(dòng)型式車輛上出現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)力Fa（折合到單個(gè)車輪上）。驅(qū)動(dòng)力也是作用在車輪中心上，但朝車輪轉(zhuǎn)向方向移動(dòng)rR。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)差速器和輪荷變化是±ΔFn將力矩均勻地分配給兩個(gè)前輪時(shí)，驅(qū)動(dòng)力FA（折算到整根車橋上）將產(chǎn)生下列力矩（圖3.100）：
力FA的大小或者是由附著系數(shù)μH決定（FA=μH·Gv），或者是取決于驅(qū)動(dòng)力矩；側(cè)偏距rR的大小在圖3.91a的說明中有敘述。
      
       圖3.100 轉(zhuǎn)彎時(shí)車身內(nèi)側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)力Fai的力臂ra+rR大于外側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)力Fa的力臂ra-rR。 
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