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轻型越野汽车悬架系统设计与
沈祖英
江铃集团新能源汽车有限公司 江西省南昌市 330001摘 要：主要研究轻型越野汽车悬架系统,在建立悬架模型基本方程的前提下,给出了一套完整的设计计算方法,具有较高的实用价值.
关键词：悬架；频率；横向稳定杆；侧倾刚度
作者简介
沈祖英( 1974-),男,江西九江人,工程师,本科学历.研究方向车辆工程.
1 基于一种轻型越野汽车悬架模型构成
汽车虽然是一个多质量的复杂的振动系统,但我们可将该汽车的簧载质量简化成为：由前轴质量M1,后轴质量M2以及质心上的质量M3所组成,这三个集中质量有无质量的刚性杆连接,如图1所示,他们的大小由下述三个条件决定：
(1)总质量保持不变：M1+M2+M3等于M
(2)质量位置不变：M1a-M2b等于0
(3)转动惯量Iy的值保持不变
ly等于M2py等于 M1a2+M2b2
式中py一绕横轴y的回转半径
a、b车身重心至前、后轴的距离由上面可得三个集中质量值：
由上式可以看出,当簧载质量分配系数等于1时,联系质量M,等于0,且汽车文献资料统计,大部分汽车￡等于0 8~等于1.2,E等于1的情况下,前轴上的集中质量M．,M,的垂直方向运动相互独立.即前轴M．和后轴M,构成双质量系统振动.那么车身振动就是最简单的单质量振动系统.它由簧载质量M和弹簧刚度C及减振器阻力系数为K的悬架组成,q是输入的路面不平度函数.
根据牛顿第二定律运动方程为：
MZ 等于-Fs-Fr
式中：Fs等于C( Z-q) 弹簧力
FFK (Z-q) -阻尼力
此系统运动微分方程为：
MZ +KZ +Cz等于Kq +Cq
由于汽车悬架系统的相对阻尼系数小,又阻尼固有频率∞d比车身固有频率∞.只下降3%,所以在此分析悬架系统,车身振动固有频率按无阻尼自由振动情况考虑.
根据振动方程：
式中C为弹簧刚度
M-为簧载质量
f-为悬架静挠度
2 前悬架角刚度计算
(1)前悬架侧倾刚度
Sf一为前悬架系统弹簧中心矩
Cf一为前悬架系统弹簧刚度
(2)后悬架侧倾刚度
Sr-为前悬架系统弹簧中心矩
Cr-为前悬架系统弹簧刚度
在确定前后悬架系统是否需要增加横向稳定杆及横向稳定杆直径时,我们可以设置车辆满载左侧向加速度为0.4g时,车厢侧倾角2.5°边界条件模式确定,同时车辆簧载质量的质心位置,可通过汽车总质心位置计算得到,见图2：
M-汽车整车质量,H-汽车质心高度
m-汽车簧载质量,h-簧载质量质心高度
M×H等于m×h+m,×h1
则：0.4g时侧倾力矩为：m×0.4g×h.
汽车作稳态圆周行驶时,车厢侧倾角中确定于侧倾力矩M.与悬架总的角刚度C,
即：
轻型越野车在做0.4g侧向加速度时,侧
倾角为2.5°,则悬架总角刚度C,
3 横向稳定杆角刚度计算
根据车辆布置空问设计的横向稳定杆的外形尺寸如图3所示：
计算横向稳定器角刚度时引用符号：
F-车身侧倾时,作用在稳定杆两端铰点的力；
F1一车身侧倾时,稳定杆铰点相对车身垂直位移；
F2一车身侧倾时,车轮相对车身垂直位移；
对于非独立悬架：
B-轮距
如图3所示,在求横向稳定杆弯耳受到F作用下,位移F,可用能量法,即利用在车身侧倾时,作用于横向稳定杆弯耳上外力F所做的功等于稳定杆各段的弯曲和扭转位能总和.
横向稳定杆半边的位能之和E等于12段的扭转位能El与13段的弯曲位能E2以及11和14段的弯曲位能E3和E4之和,如图4所示.
根据《材料力学》l2段的扭转位能是：
E拉压弹性模量
G-剪切弹性模量
Jp杆截而的极惯性矩
J-杆的惯性矩
E等于2.1Xl05 N /mm2. G等于8.1Xl04N/mm2
车身在侧倾时会受到横向稳定杆所产生的阻力作用,因此必须存车身上作用有某一力矩Ms,才能使车身倾斜角,根据虚位移原理可得：
d为横向稳定杆直径
前后悬架侧倾刚度比：
4 计算示例
我们设计参数如下：
前悬架的刚度：44N/mm,前振频设计为；空载72次／分钟,满载66次／分钟；后悬架的刚度：60N/mm,后振频设计为；空载76次／分钟,满载68次／分钟；
根据车辆布置要求,横向杆结构参数如下：11等于750mm, 12等于921mm, 13等于350mm,14等于ll6.5mm, l5等于85.5mm, 16等于319mm
经计算得：
前悬架侧倾刚度为：
CmR 等于21128N.m/rad等于369N.m/deg,
后悬架侧倾刚度为：
Cm R等于28650N.m/rad等于500N.m/deg
0.4g时侧倾力矩为：
m×0.4g×h等于3005N.m
悬架总角刚度：C1202N.m/deg
前悬架增加横向稳定杆扭转刚度：
Cmw 等于233 N.m
前悬架侧倾总刚度：
CmF+COW等于702N.m/deg
求得前悬架横向稳定杆直径d等于30mm
前后悬架的侧倾刚度比：
5 结语
通过上述计算方法设计的轻型车辆悬架系统,通过该实际轻型越野汽车操纵稳定及乘坐舒适性测试,测试结果性能优良,表明上述悬架系统计算方法在工程设计应用方而具有较高的价值.
参考文献：
[1]余志生.汽车理论机械工业出版社,1996.5
[2]林秉华.最新汽车设计实用手册黑龙江人民出版社．2005.6
[3]刘鸿文.材料力学高等教育出版社,2011.1
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