悬架对汽车行驶平顺性的影响

摘 要: 悬架系统是现代汽车上的重要组成之一。为了实现载货汽车悬架系统的优化设计,提高载货汽车悬架系统开发的可靠性、可预见性、缩短开发周期,本文针对载货汽车的实际特点,分析了悬架对汽车行驶平顺性的影响。

关键词: 悬架 汽车行驶平顺性 影响

汽车在行驶中对路面不平的降震程度,称为汽车的行驶平顺性。

从《汽车理论》得知,汽车行驶平顺性的评价方法,通常是根据人体对振动的生理反应,以及保持货物完整性的影响来制定的,并用表征振动的物理量,如频率、振幅、加速度、加速度变化率等作为行驶平顺性的评价指标。

目前常用汽车车身振动的固有频率(低频)和振动加速度来评价汽车的行驶平顺性。试验得知,为了保持汽车具有良好的行驶平顺性,车身振动的固有频率应为人体所习惯的步行时身体上下运动的频率,约为60―851/min(1Hz―1.6Hz),振动加速度的极限容许值为3―4m/s。

从保持所运货物完整性的观点出发,车身振动加速度也不能过大;如果车身加速度达到1g(g:重力加速度),则未经固定的货物可能离开货厢底版。所以,为保证所运货物完整无损,应取车身振动加速度的极限值为0.6―0.7g。

因此,在设计汽车或进行试验分析时,除车身振动固有频率外,还应以车身振动加速度作为行驶平顺性的评价指标。

汽车在路面上行驶时,乘员所承受的振动是随机性质的,且人体器官产生疲劳感觉与乘坐时间的长短有很大关系。因此,国际标准协会(ISO)在进行了大量调查研究的基础上,提出了人体感受振动极限的国际标准(ISO/TC108/DIS2631)。它把乘员承受振动的疲劳界限表示为加速度均方根值的频率函数,并与承受振动的时间有关。

这种评价振动的国际标准,目前正在试行之中,尚未在工程计算中得到推广。故在悬架设计时,初选悬架参数所用的平顺性指标仍以振动固有频率为主。

1.悬架弹性特性对汽车行驶平顺性的影响

汽车是一个多质量的复杂的振动系统,为简化计算,可将汽车身看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量,其固有频率n可由下式确定:

c――悬架刚度,N/mm;

G――簧载质量,N。

因为G/C=f(f――重量G作用下的悬架的静挠度,mm),则

从上面可看出,车身振动的固有频率n,由簧载重量G、悬架刚度C或悬架静挠度f决定。而这种力而后变形(G=C・f)的关系曲线称为悬架的弹性特性。

线性弹性特性,即悬架变形与所受载荷成比例地变化,所以其刚度C是常数。由上面公式可知车身振动频率将随载荷而变。一般钢板弹簧悬架即属此类。具有线性弹性特性的汽车,在使用中其车身振动的固有频率将随装载的多少而改变,尤其是后悬架载荷变化很大的货车和大客车。这种变化将使汽车前后悬架的频率相差过大,结果导致汽车车身的猛烈颠簸(纵向角振动),因而使汽车行驶平顺性变坏。为此,可采用具有非线性弹性特性的悬架,即悬架的刚度可随载荷的改变而变化,也称为变刚度悬架。

变刚度悬架的非线性弹性特性,由于刚度C随载荷而改变,可以使得在载荷变化时,保持车身振动的固有频率不变,从而获得良好的汽车行驶平顺性。

然而,这种较为理想的弹性特性的悬架是难于实现的。在悬架设计中,力求减小固有频率随载荷而变化的幅度(或范围),从而不同程度地改善汽车行驶平顺性。

非线性的悬架弹性特性可以采用适当的悬架结构(导向机构)或弹性元件(如加辅助弹簧、调节弹簧、空气弹簧等)来实现。

2.悬架系统中的阻尼对汽车行驶平顺性的影响

为了衰减车身的自由振动和抑制车身、车轮的共振,以减小车身的垂直振动加速度和车轮的振幅(减小车轮对地面压力的变化,防止车轮跳离地面),悬架系统中应具有适当的阻尼。

在悬架系统中,引起振动衰减的阻尼来源很多。例如,在有相对运动的摩擦副中,轮胎变形时橡胶分子间的摩擦,或在系统中装置减振器,等等。对于各种悬架结构,以钢板弹簧悬架系统中的干摩擦最大,钢板弹簧叶片数目越多,摩擦越大。所以,有的汽车采用钢板弹簧悬架时,可以不装减振器。而采用其他内摩擦很小的弹性元件(如螺旋弹簧、扭杆弹簧等)的悬架,则需用减振器使自由振动衰减,以提高汽车行驶平顺性。

虽然在悬架系统中存在干摩擦能衰减振动,但其阻尼力不稳定,不易控制,而且干摩擦的存在又使悬架在承受路面冲击时,将部分冲击传给车身,损害了行驶平顺性。故目前在多数汽车的悬架系统中尽量减少干摩擦而装有液力减振器,促使振动迅速衰减以提高汽车行驶平顺性。

钢板弹簧悬架系统中,可采用减少叶片数目,在叶片间加脂或减摩衬垫等方法减少干摩擦。

3.非簧载质量对汽车行驶平顺性的影响

由悬架支承的部件、总成等称为簧载质量(或悬挂质量),不是由悬架支承的部分称为非簧载质量(或非悬挂质量)。减小非簧载质量,使簧载质量与非簧载质量的比值较大,可以减小高频共振区车身振动加速度和减少车轮离开地面的机率。因此,在汽车设计中,为提高汽车行驶平顺性,采用非簧载质量较小的独立悬架更为有利。

综上,优化设计性能良好的悬架,可以有效改善汽车的平顺性,保证乘客的舒适与所运货物的完整,提高汽车的运输生产率,降低燃料消耗,延长零件使用寿命和提高零件的工作可靠性等。

参考文献:

[1]余志生.汽车理论.机械工业出版社,1995.

[2]张洪欣.汽车设计.机械工业出版社,1995.

[3]罗禹共等.轻型车悬架动态优化设计及其应用.汽车研究与开发,1997.3.

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