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摘 要:通过分析影响汽车平顺性的悬架主要参数及评价指标,阐明了悬架系统影响汽车平顺性的主要因素及改进对策,为汽车悬架系统在设计时提供了借鉴,为提高新产品舒适性、顾客满意度及产品质量有重要意义.
关 键 词:平顺性稳定性悬架簧载质量
中图分类号:TQ153文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010)02-021-02
1引言
汽车平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内,因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价,对于载货汽车还包括保持货物完好性,他是现代高速汽车的主要性能之一.
2汽车平顺性影响因素分析
汽车平顺性可由图1所示的“路面―汽车―人”系统的框图来分析.路面不平度和车速形成了对汽车振动系统的输入,此输入经过轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和簧载质量、非簧载质量构成的振动系统的传递,得到振动系统的输出时簧载质量或进一步经座椅传至人体的加速度,此加速度通过人体对振动的反应――舒适性来评价汽车的平顺性.当振动系统的输出作为优化的目标时,通常还要综合考虑车轮与路面间的动载和悬架弹簧的动挠度,他们分别影响行驶安全性和撞击悬架限位的概率.
图1
汽车前后悬架与其簧载质量组成的振动系统的固有频率,是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一.它由悬架刚度和簧载质量所决定.人体所习惯的垂直振动频率约为1～1.6Hz.车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围,才能满足舒适性要求.固有频率按下式计算:
式中:g-重力加速度,f-悬架静挠度,M-悬架簧载质量
2.1悬架刚度
悬架刚度(C等于Mg/f)是指悬架产生单位垂直压缩变形所需加于悬架上的垂直载荷,从固有频率公式可以看出,在悬架垂直载荷一定时,悬架刚度越小,固有频率就越低.但悬架刚度越小,载荷一定时悬架垂直变形就越大.这样若没有足够大的限位行程,就会使撞击限位块的概率增加.若固有频率选取过低,很可能会出现纵向角振动、转弯侧倾角过大等影响行驶安全的问题.
悬架的侧倾角刚度和悬架的垂直刚度之间是正比关系,减小垂直刚度的同时使侧倾角刚度随之减小.当汽车受侧向力作用发生车身侧倾时,若侧倾角过大,乘客会感到不舒适、降低行车安全感,如侧倾角过小,车身受到横向冲击较大,平顺性较差,乘客也会感到不舒适,司机路感也不好.整车侧倾角刚度应满足:当车身受到0.4g侧向加速度时,其侧倾角在2.5范围内,前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度,汽车有一定不足转向特性话闱靶懿嗲憬歉斩扔牒笮懿嗲憬歉斩缺扔υ.4～2.6范围内,如前后悬架本身不能满足上述要求或为了提高乘坐舒适性,可在前后悬架中加装横向稳定杆,在不增加垂直刚度的前提下提高汽车操纵稳定性.
2.2悬架的静挠度
悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频(汽车前、后部分车身的固有频率),在选取前、后悬架静挠度值时,应当使之接近,并希望后悬架的静挠度fc2比前悬架的静挠度fc1小些,这有利于防止车身产生较大的纵向角振动,推荐取fc2等于(0.8～0.9)fc1.但微型轿车因轴距短使后排座椅接近后轮,为了改善后排乘客的舒适性,常常将后悬架设计的偏软些.表1为各类汽车的偏频值和静、动挠度值的一般取值范围,对于舒适性要求高的汽车的偏频值取下限,而对于货车考虑到前后轴荷的差别和避免司机疲劳,前后静挠度值之比要更大些.
表1各类汽车的偏频值和静、动挠度值的一般取值范围
*轿车的静挠度为车内有3人时.
2.3非簧载质量
影响汽车平顺性的另一个悬架指标是非簧载质量.汽车的总质量可以分为簧载质量与非簧载质量两部分.由弹性元件承载的部分质量,如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧载质量.车轮、转向节、非独立悬架的车轴等属于非簧载质量.如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低,而车轮振动频率升高,这对减少共振,改善汽车的平顺性是有利的.非簧载质量对平顺性的影响,常用非簧载质量和簧载质量之比m/M进行评价,此比值越小越佳.表2列出了几种典型悬架的非簧载质量与簧载质量的比例关系.
表2几种典型悬架的非簧载质量与簧载质量的比例关系
汽车轴荷随整车装载质量不同而变化,尤其对于载货汽车的后悬架,空满载时的轴荷相差甚远,如果在预期的载荷变化范围之内悬架具有定刚度,即悬架的弹性特性是线性的,则可能满载时满足偏频要求而空载时偏频过大使平顺性降低,或者是空载时满足偏频要求而满载时动挠度过小,使行驶过程中频繁撞击限位块.为了解决这一矛盾,大客车的悬架与载货汽车的后悬架常采用空气弹簧、变刚度钢板弹簧的办法,使其具有非线性的弹性特性,使空载和满载固有频率保持一定或很小变化.图2所示为理论上的理想弹性特性,具有这种特性的悬架,在任意载荷状况下,系统的固有振动频率都保持不变,即:
式中P0――设计载荷,N,
CS0――设计载荷下的悬架刚度,N/mm,
f――悬架的挠度,mm.
图2
2.4相对阻尼比
影响汽车平顺性的另一重要指标是相对阻尼比.当汽车悬架仅有弹性元件而无摩擦或减振装置时,汽车悬挂质量的振动将会延续很长时间,使乘客感到不舒服.因此,悬架中一定要有减振的阻尼力.对于选定的悬架刚度,只有恰当地选择阻尼力才能充分发挥悬架的缓冲减振作用.
对于一个带有线性阻尼减振器的悬架系统可以用相对阻尼比来评价阻尼的大小或振动衰减的快慢程度.它表达为:
k-悬架阻尼元件的阻力系数
上式表明,减振器的阻尼作用除与其阻尼系数k有关外,也与悬架刚度及簧载质量有关.不同刚度和不同质量的悬架系统匹配时会产生不同的阻尼效果.为了获得良好的平顺性,典型的相对阻尼比如表3所示.
表3汽车悬架的偏频及相对阻尼比
对于不同的道路情况,要求的阻尼力也不尽相同.行驶在平坦的良好路面时,要求悬架有小的阻尼,行驶在坏路时,则要求有较大的阻尼.此外,现代汽车的减振器在压缩行程和伸张行程的阻尼系数k值也不一样,为充分发挥弹簧在压缩行程中作用,常把压缩行程的阻尼比设计得比伸张小,约为伸张行程的1/2左右.
液压减振器通过阀系的合理设计,可以方便的实现非线性阻尼特性,其阻尼力可以随活塞与钢筒相对运动的方向、速度以及二者之间的相对位置而变化.在设计载荷位置附近增加减振器液的附加通道,以便在良好路面行驶时,使阻尼系数较小以获得良好的平顺性,同时保证在大行程时还能提供足够的阻尼力.
3结束语
通过对“路面―汽车―人”系统的框图来分析影响汽车平顺性的悬架主要参数及评价指标,在进行悬架系统参数设计时,除考虑汽车行驶平顺性外,还要综合考虑对汽车的操纵稳定性、纵向稳定性的影响,并采取措施,在确保行车安全性的前提下提高行驶平顺性.