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汽车悬架工作原理和调教方法解析

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放大字体  缩小字体    发布日期:2017-02-15  
核心提示:1、悬架是什么?悬架实际上就是由导向机构、弹性元件(弹簧)、减震器以及防倾杆(横向稳定杆)组成的可以约束车轮不让其随意转动的机构。图1 多连杆式独立悬架2、悬架开发的一般过程?在悬架开发的过程中,分为正向开发和逆向开发。正向开发:即我们一般开发一件产品的过程,从设计到产品测试。逆向开发:根据别人开发的产
1、悬架是什么?
悬架实际上就是由导向机构、弹性元件(弹簧)、减震器以及防倾杆(横向稳定杆)组成的可以约束车轮不让其随意转动的机构。

图1 多连杆式独立悬架

2、悬架开发的一般过程?
在悬架开发的过程中,分为正向开发和逆向开发。

正向开发:即我们一般开发一件产品的过程,从设计到产品测试。

逆向开发:根据别人开发的产品扫描悬架的硬点和结构以及齿轮,根据这些已知因素开发出产品。

(硬点:简单理解为导向机构和减震器的连接点,硬点的位置设计非常重要,因为它直接决定了悬架系统的运动轨迹,决定车轮跳动的方向。如图所示,这是利用德国专业悬架设计软件VI-grade确定硬点的一系列参数。)


3、悬架的一般组成
机械悬架的组成形式主要有四部分:

(1)弹簧
弹簧是悬架系统中较为重要的一部分,主要作用是存储车轮传来的振动和冲击能量。

(2)减震器
减震器与弹簧是直接的机械连接,可以将弹簧存储的能量消化吸收掉。

(3)防侧倾杆
抑制车辆的过分侧倾,使系统趋于稳定。

(4)导向机构
主要作用为传递加速、制动、转向时的力和力矩。

4、悬架的工作原理
在讲解悬架的工作时,我们以极限转弯为例。

当车辆入弯刹车时,后悬架的弹簧需要合理的将载荷从后向前转移,后悬架的弹簧通常较为柔软,柔性较大,增强后轮的抓地力。

随着车辆逐渐驶向弯心,车辆的重量会逐渐向靠近弯道外侧的轮胎转移,减震器中的阻尼开始吸收弹簧因侧向力而变形所产生的能量。在弯心时,防侧倾杆会把一部分载荷转移到内侧轮胎,进而抑制车身整体向外部倾斜,可以更好地控制姿态。

过了弯心之后,防侧倾杆开始释放所吸收的能量,弹簧开始吸收能量。

出弯加速时,重量向车尾转移,后悬挂的软弹簧可以吸收因重量转移而产生的能量,稳定车辆的后轮,增大最大牵引力。

常见的悬挂类型

(1) 麦弗逊式独立悬架



麦弗逊式独立悬架最大的优点就是结构简单、成本低、垂直方向稳定性较好。但是缺点也很明显,因为它是垂向布置,且在侧向支撑结构不足,所以在轮胎跳动的过程中,车轮的外倾角变化较大。这一点在车轮过弯跳动时尤为明显。

(2)双叉臂式独立悬架

双叉臂式独立悬架最大的优势在于使用了多连杆结构,但其也无法避免外倾轮跳动的现象。但是由于其侧向连杆数量较多,因此可以进行侧向优化,在优化悬架结构的过程中,硬点位置的优化最为重要,硬点优化可以使侧倾角在悬架允许跳动的范围内变化。

5、前束角和外倾角的重要作用




前轮束角分为正前束和负前束,正前束有利于提高直线行驶的稳定性,负前束则可以改善车辆的转向能力。外倾角则表示车轮偏离法线方向的夹角,主要作用是改善车轮的抓地力。

家用车一般选用:负的外倾角搭配负的前束角,这样做的目的是在提高车轮转向能力的基础上最大程度上减小束角带来的轮胎磨损问题。

包括我们见到的F1赛车、跑车,大部分也是使用负的外倾角搭配负的前束角。在车轮高速过弯时,轮胎侧向力较大,重量大部分集中在外轮胎,为了提高外轮胎的抓地力,较小的负外倾角可以补偿轮胎转弯过程中的侧偏角,使轮胎最大程度上垂直于地面,进而保持轮胎的最大抓地力。

以上我们讨论的工况大部分为转弯,转弯最怕的就是过大的侧倾力。那么,如何提高车辆的防侧倾能力呢,在优化悬架的过程中,我总结了以下几点:

1.适当加大防侧倾杆的扭转刚度。

2.适当增大螺旋弹簧的刚度,对减震器阻尼进行适当调整,以提高吸振能力和支撑能力。

3.选用稍微软一点的弹簧,适当的控制侧倾角。
当然,以上仅仅是理想状态下的调节方法,调节过程中会出现很多矛盾问题,只能牺牲一部分性能来提高另一部分性能。

6、使用VI-grade优化设计悬架
在本次优化案例中,我使用了VI-grade软件对一款赛车的双叉臂悬架进行了设计和优化。



第一张图是选择该悬架系统的硬点位置,包括前后上悬臂,下悬臂和车轮中心等硬点的绝对坐标,来对整个系统进行设计。

第二张图是确定车轮的轮径等必要参数,以及fx,fy等坐标参数,对于这些参数的确定,是一个较为复杂的过程,进行计算求取之后要不断优化数值。

悬架设计结束后需要进行百公里加速测试(acceleration测试工况),8字转弯平顺性测试(skipped工况),整体跑道测试工况。进而来测试悬挂优化之后的性能。 
 
 
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