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懸架系統(tǒng)原理
文獻(xiàn)翻譯
題 目 可控并聯(lián)雙筒式減震器設(shè)計
學(xué)生姓名 師國賓
專業(yè)班級 機(jī)制08-4班
學(xué) 號 200802010431
院 （系） 機(jī)電工程學(xué)院
指導(dǎo)教師(職稱) 肖艷秋（副教授）
完成時間 2012年 3月10日
懸架系統(tǒng)原理
Kaoru Aoki, Shigetaka Kuroda, Shigemasa Kajiwara, Hiromitsu Sato and Yoshio Yamamoto
Honda R&D Co.,Ltd.
摘要
本文主要研究輕型汽車前獨立懸架的設(shè)計分析方法以及輪胎磨損與懸架運動、前輪定位參數(shù)的關(guān)系。
首先對雙橫臂獨立懸架的各主要組成部件如減振器的選型設(shè)計、橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計校核、扭桿彈簧設(shè)計以及對雙橫臂式和麥弗遜式獨立懸架的運動進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的計算方法，編制了一套具有一定實用價值的前獨立懸架設(shè)計分析軟件。并且采用前輪定位儀，進(jìn)行了實驗驗證。
論文對雙橫臂獨立懸架參數(shù)提出以減小輪胎磨損為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。提出了通過優(yōu)選、調(diào)整懸架初始位置狀態(tài)，以及優(yōu)化確定轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點位置的方法，來減小輪胎磨損。同時采用正交實驗的方法分析了雙橫臂獨立懸架各結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝參數(shù)對懸架性能和輪胎磨損的影響，確定出最大的影響因素及次要因素。
然后從輪胎模型入手分析前輪定位參數(shù)同輪胎磨損的關(guān)系。以輪胎磨損能量作為評價指標(biāo)，選取刷子輪胎模型，對輪胎在穩(wěn)態(tài)縱滑狀態(tài)下、穩(wěn)態(tài)縱滑側(cè)偏狀態(tài)下和邊界條件下的輪胎磨損進(jìn)行了分析研究，確定了量化模型。并以輪胎側(cè)偏角為中間變量，建立了前輪定位參數(shù)同輪胎磨損之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了計算機(jī)仿真計算。從而可對懸架進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，以減小對輪胎磨損的影響，提高車輛的行駛性能和使用經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞：汽車；獨立懸架；輪胎磨損；定位參數(shù)
懸架系統(tǒng)雖不是汽車運行不可或缺的部件，但有了它人們可以獲得更佳的駕駛感受。簡單的說，它是車身與路面之見的橋梁。懸架的行程涉及到懸浮于車輪之上的車架，傳動系的相對位置。就像橫跨于舊金山海灣之上的金門大橋，它連接了海灣兩側(cè)。去掉汽車上的懸架就像是你做一次冷水潛泳通過海灣一樣，你可以平安的渡過整個秋天，但會疼痛會持續(xù)幾周之久。想想滑板吧！它直接接觸路面你可以感受到每一塊磚，裂隙及其撞擊。這簡直就是一種令人全身都為之震顫的體驗。當(dāng)輪子滑過路面時，就會在此產(chǎn)生震動，沖擊，這種震動的旅程時對你的身體和勇氣的檢驗。如果你沒感到隨時都有被掀翻之勢，那么你或許會樂在其中吧！這就是你會在沒有懸架的汽車上將會體驗到的。汽車的懸架分為兩種基本類型：整體和獨立懸架。
整體懸架（也叫剛性梁，剛性軸）是聯(lián)接車輛上下兩部分的一種主要形式。正如其名，它是用一根金屬材料——軸，來連接兩側(cè)車輪的。鋼板彈簧在車架之下；在兩半軸中間裝有差速器，允許兩側(cè)的輪子以不同的角速度旋轉(zhuǎn)。
整體式懸架的車輛在行進(jìn)中，由于兩側(cè)的車輪共用一根周因此，當(dāng)某一側(cè)車輪跳動時另一側(cè)也會隨之運動。它們的反饋結(jié)果就像是一個整體?？梢韵胂竦牡剑@不可能有舒適的駕駛體驗的。
雖然可以借助于彈簧來衰減猛烈的震動，但仍然存在較強(qiáng)的震動。那么，既然如此為什么還要用這種懸架呢？第一，它很堅固，由于采用了一體化的結(jié)構(gòu)，固定軸式懸架系統(tǒng)具有著其他方式懸架不可替代的承載能力。它們經(jīng)常應(yīng)用于行駛于較差路況的車輛。你可以在卡車和重載車輛上見到它。
一種由固定軸式懸架變形系統(tǒng)叫做TIB懸架系統(tǒng)（或叫半固定軸式）。在這種結(jié)構(gòu)中，有兩根剛性軸而非一根。這種設(shè)計可兼得較大的剛性和較好的韌性，通常用于輕卡的前懸。
另外一種基本結(jié)構(gòu)是叫做獨立懸架的系統(tǒng)。想它的名字一樣，它是由兩個獨立存在的“橋”分別連接兩側(cè)的車輪。到目前為止，這種結(jié)構(gòu)可以提供最舒適的乘坐環(huán)境，多見于乘用車，小型貨車和其他的小型車輛。這是目前較為流行的一種懸架系統(tǒng)。如果你喜歡較軟的懸架，那么獨立懸架無疑是最佳選擇。除了軸，車輪，輪胎，今天的懸架系統(tǒng)使用的兩個重要部件是彈簧和減震器，以增強(qiáng)車輛的安全和舒適性。
彈簧：
在一輛車上彈簧是懸架系統(tǒng)的主要部件。有集中不同的彈簧，比如扭桿彈簧，但幾乎所有的車輛都采用螺旋彈簧來構(gòu)成四輪獨立懸架系統(tǒng)。許多卡車也用螺旋彈簧，而重載卡車則使用 彈簧安裝于其后懸。
彈簧可以減緩和儲存來自路面的振動，沖擊等能量。它通過壓縮和伸展來衰減振動。當(dāng)一輛車子的某一個輪子遇到一個凸起而向上跳動時，彈簧就會衰減額外的能量。以此來保證能量傳遞的連貫性，在此過程中確保車輪始終與路面保持接觸。
彈簧壓縮或伸展量的大小是由“彈簧剛度”決定的。彈簧剛度以每英寸的變形量是由多少載荷所引起來表示的。比如,1 inch/pound,所以200磅的負(fù)荷可以產(chǎn)生2 inch的變形量。彈簧變形量是由很多的因素決定的。對于螺旋彈簧而言，包括有效圈數(shù)，彈簧中徑，彈簧鋼絲直徑。有效圈數(shù)越少，剛度越小。
彈簧的設(shè)計影響到車輛的舒適性與操縱穩(wěn)定性。由于彈簧衰減了大部分的能量，因而可以提供較好的駕駛環(huán)境。畢竟它可以衰減由于路面產(chǎn)生的能量。但總會有工程交換的。這種彈簧會使車輛的重心較高，從而在輪子跳動時導(dǎo)致不穩(wěn)定工況。這種工況的產(chǎn)生是由于彈簧的壓縮和伸展的量不同而引起的。車身的“翻滾”大都發(fā)生在懸架之上。這種“翻滾”叫做載荷轉(zhuǎn)移，是由于某一車輪跳動是汽車的重心偏移的離心力所引起的。載荷轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致某一車輪承受較大的附加載荷，這將會產(chǎn)生有害的拖拽力，不利于操縱穩(wěn)定性。
減振器：
懸架的另外一個重要部件是減震器。減震器在懸架系統(tǒng)中扮演著衰減振動最后防線的角色，而這本是彈簧的職責(zé)。減振器可以衰減由于路面致使彈簧上下跳動而產(chǎn)生的振動的影響。人們不喜歡限程減振器；他們更喜歡阻尼器。如果不加處理——就是被你，我叫做振動衰減器東西。減振器工作中有兩個行程――壓縮和伸張。壓縮行程發(fā)生在活塞向下運動，在活塞套筒密閉的內(nèi)室向下擠壓液壓油。伸張行程發(fā)生在活塞向上方的套筒頂部運動時，此時被壓縮的液體將向上充滿套筒。
如果沒有減振器，彈簧衰減的能量將會以不可控制的速率釋放。彈簧的慣性將導(dǎo)致它猛烈的彈回和擴(kuò)張。這時彈簧還可以再次被壓縮，但是又會被壓縮過量。此后，彈簧仍舊會以其自然頻率被彈回直至它的能量被摩擦力損耗完。這種作用十分不利于車輛穩(wěn)定性。
迷惑了吧? 下面是個模型（來闡釋這個概念）。如果你有一個繃帶 ——并且近日又沒用它，你可以用它做個試驗。用手拿著它在空中使他壓縮?，F(xiàn)在，拿著一端放開另一端，繃帶就會衰減由于地心引力而產(chǎn)生的潛在能量。（就像車上的彈簧衰減路面的振動那樣），它會上上下下的持續(xù)很長時間。如果一輛車沒有減振器的協(xié)作它就會像這樣。
你可能聽過“支撐桿”這個單詞，或者更平常點的麥弗遜—支撐桿。這個桿通常是作為減震器的主要結(jié)構(gòu)部件。對于支撐桿，減振器是安裝在螺旋彈簧內(nèi)圈的。如此也可減少空間，成本也不高。許多車都用麥弗遜式的結(jié)構(gòu)。振動和支撐桿可以幫助控制懸架在允許的范圍內(nèi)快速運動。這對于保持輪胎與地面接觸是很重要的。大多數(shù)的減振器在設(shè)計時更多的考慮增加彈簧伸展循環(huán)的阻力。這是因為擴(kuò)張行程決定著汽車彈簧的重量（通常為懸架重量的50％――100%）。另一方面，壓縮行程決定著車輛的非懸架質(zhì)量（車輪，輪胎，剎車，一半的懸架質(zhì)量）。很明顯，簧上質(zhì)量要遠(yuǎn)大于簧下質(zhì)量。所有現(xiàn)代汽車的減振動器都是快速反映類型的――懸架系統(tǒng)運動的越快，則減振器產(chǎn)生的阻尼力越大。這樣就使車輛適應(yīng)不同的道路狀況，且可使在運動行的車輛里不希望發(fā)生的運動得以控制。包括，振動，左右搖擺，制動前傾，和加速后傾。
橫向穩(wěn)定桿
橫向穩(wěn)定桿（也叫作防止?jié)L動桿）是用來協(xié)同減振器或支撐桿工作的以保持車輛的持續(xù)穩(wěn)定性。橫向穩(wěn)定桿是用金屬做成的圓桿，橫跨車輛中心線，有效的連接在懸架的兩邊。當(dāng)一個車輪上的懸架上下跳動時，橫向穩(wěn)定桿可以傳遞運動的能量給另一邊的車輪。這就增加了一個運動，而且，減少了車輛的傾斜。具有特殊意義的是：它可以防止在某一單獨的車輪上的懸架產(chǎn)生較大的傾斜。由于這個原因，幾乎當(dāng)今所有的乘用車加裝了橫向穩(wěn)定桿，且示為標(biāo)配。如果沒有，也可以隨時的裝上—一點不難。
現(xiàn)在，你就知道它—汽車懸架的基本原理。我們只是復(fù)雜的原理簡單化處理了。
未來的懸架：
當(dāng)加強(qiáng)和改進(jìn)彈簧和減振器時，汽車懸架的基本設(shè)計并沒有同步進(jìn)行，也沒有什么重大革命性的發(fā)展。但是這一切都隨著BOSE公司的懸架品牌的引入而發(fā)生改變--就是那個在聲學(xué)因發(fā)明創(chuàng)造引以為名的公司。一些專家已經(jīng)在說—BOSE的懸架是自汽車技術(shù)引入全獨立懸架以來在汽車懸架的最重大的進(jìn)步。
它是怎么工作的呢？BOSE的系統(tǒng)是在每一個車輪上裝一個線控電磁馬達(dá)（LEM）以控制一組減振器和彈性元件的狀態(tài)。功率放大器提供電力對馬達(dá)在這種情況下他們的力量再生以系統(tǒng)的各壓縮。 馬達(dá)的主要好處是, 他們因具有慣性，不限制于固有的在常規(guī)基于流體的阻尼特性。所以，一個LEM可以在任何的速度伸張和壓縮，自然它可衰減乘員艙體的所有振動。輪子的運動可以被很好的控制，因而，在輪子的任何運動狀態(tài)車體都可以保持可以接受的狀態(tài)。LEM同樣可以在汽車加、減速，轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的傾角較小，讓駕駛員以更好的狀態(tài)駕駛汽車。不幸的是，當(dāng)它通常都是出現(xiàn)在高端，甚至是超豪華的車上時，2009年之前是不可能有這種具有理想變換特性的懸架系統(tǒng)在普通車上見到的。在那以前，駕駛員所能體驗到的仍舊是幾個世紀(jì)以來的對付不平路面的方法。
如果更深入的學(xué)習(xí)你會接觸到更加專業(yè)的知識，看看特殊的彈簧和懸架的安裝了解一下它們的優(yōu)，缺點。 多注意路上跑（的車子），并且留心那些懸架的結(jié)構(gòu)，那樣你會學(xué)到不少的東西。其實，在我們生活中有許多值得學(xué)習(xí)的，我們應(yīng)該做的就是注意觀察。
參考文獻(xiàn)
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[6]Aoki, Kaoru, et al.: "An Integrated Motor Assist Hybrid System", SAE Paper No.2000-01-2059, Government / Industry Meeting, Washington, D.C., USA