Z6悬架系统计算报告-20130要点

悬架方案设计计算
项目名称：Z6前后双横臂独立悬架
编希9: _________________________________
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会审： ________________________________
标准化：_______________________________
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1概述
1.1计算目的
通过计算，求得反映Z6轮边驱动电动车前、后悬架系统方案及
性能的基本特征，为零部件开发提供参考，计算内容主要包括悬架刚
度、悬架侧倾角刚度、刚度匹配、悬架偏频、静挠度和阻尼等。

1.2悬架系统基本方案介绍
Z6轮边驱动纯电动车前悬架系统采用双横臂独立悬架带横向稳定杆结构，后悬架系统采用双横臂独立悬架。

前、后悬架系统的结构图如图1-1、图1-2：
图1-1前悬架系统
图1-2后悬架系统1.3悬架系统设计的输入条件
悬架系统设计输入参数如表1-1:
2悬架系统的计算
2.1弹簧刚度
选定弹簧刚度：
前悬架弹簧刚度为：c S f =49.2N/mm
后悬架弹簧刚度为：C S r = 62.4N / mm
2.2悬架偏频的计算
悬架系统将车身与车轮弹性的连接起来，由此弹性元件与它所支承的质量组成的振动系统决定了车身的固有频率，这是影响汽车行驶平顺性的重要性能指标。

图2-1前悬架刚度计算示意图
1840
图2-2后悬架系统刚度计算示意图
2.2.1前悬架刚度计算
前悬架刚度按式（2-1）计算:
K = C sf
式中:
K ――悬架刚度，N/mm
b——前弹簧中心线与转向瞬时运动中心距离，mm
P――车轮中心面距转向瞬时运动中心距离，mm
根据图2-1得出b = 4334mm，p = 4629mm代入式（2-1）得前悬
架刚度为:
1225
(2-1) K f
49・2 4S2
= 56.1N / mm
取摆臂衬套的刚度为悬架刚度的15%,所以前悬架总刚度为:
K f =56.1 1 15% =64.5N /mm
222前悬架偏频计算
前悬架偏频按式（2-2）计算:
1000 K f
式中:
nf -----------
前悬架偏频
Kf ——前悬架刚度，N / mm mf ――前悬架簧载质量，Kg
mf1――前悬架满载簧载质量，Kg mf2 ――前悬架空载簧载质
量，Kg 根据表 1-1 得 m f1 = 3100-400 /2 =1350Kg
m f2 二 2000-400 /2 =800Kg
并把K f = 64.5N / mm 代入式（2-2）得出: 前悬架偏频：nf
诂任需严"10
2.2.3后悬架刚度计算
K r 二 C sr COS ：
2-2。

K r =C sr cos 0 [=62.4N/mm
考虑在悬架系统中橡胶块的变形，其刚度约为悬架刚度的
m f
(2-2)
（2-3）
:=0。

见图
式中：弹簧中心线与后轴垂线垂线间的夹角,
K r =62.4 1 15%i=71.8N / mm 15%-20% 此处取15%,因此
K r =62.4 1 15%i=71.8N / mm 224后悬架偏频计算
后悬架偏频按式（2-4）计算:
1 |1000的
式中：
n r -------- 后悬架偏频
K r
后悬架刚度，N/mm
m r—后悬架簧载质量，Kg
m r1 —后悬架满载簧载质量，Kg
m r2 -一后悬架空载簧载质量，Kg
根据表(1-1)得m r广3300-400 /2 =1450Kg
m r1 = 2050-400 /2 =825Kg 并把K r =71.8N /mm代入式(4-4)得出：
后悬架满载偏频：n r=丄J100""8 =1.12
2 八1450
2.3悬架静挠度的计算
静挠度也是表征悬架性能的参数，按式（2-5）计算:
f^ mg / K
式中：(2-4) (2-5)
K r =62.4 1 15%i=71.8N / mm f c 静挠度，mm;
前悬架满载静挠度，mm ；
前悬架空载静挠度，mm;
f ri 后悬架满载静挠度，mm; f r 2――后悬架空载静挠度，mm; m簧载质
量，Kg
2
g——重力加速度，m/s
K——悬架刚度，N/mm
所以按照（2-5）计算得出:
前悬架满载静挠度：上1350 汉9.8
f f4 = m f1
g / K f205.1mm
前悬架空载静挠度：800 9.8
f f 2- m f2
g / K f121.6mm
后悬架满载静挠度：z 1450^9.8
f r1= m r1
g / K r197.9mm
后悬架空载静挠度：z 825父9.8
f r2= m r2
g / K r112.6mm
满载后前静挠度比：197.9
f r1 / f f 1 0.96
满载后前静挠度比：f r2/ f f2二112^ =0.93
r2 f2 121.6
后悬架静挠度小于前悬架静挠度，有利于防止车身产生较大的纵向角振动。

后前悬架偏频比n r2/ n f2 =1.12/1.1 =1.02
悬架刚度匹配结论：一般空气悬架客车的空气弹簧根据整车簧载质量可自动调节内部气压，以获得足够的承载力并保持整车的高度，为悬架刚度可变的非线性弹性特性悬架。

前悬架偏频在 1.1 1.2之间, 后悬架偏频在1.1 1.4之间。

开发目标车前后悬架的空、满载静挠度
和频率值以及偏频比较合理，适合空气悬架客车
2.4侧倾角刚度计算 241前悬架侧倾角刚度
前悬架的侧倾角刚度由两部分共同作用，即空气弹簧引起 的侧倾角刚度与横向稳定杆引起的侧倾角刚度。

1）空气弹簧引起的侧倾角刚度按式（2-6）计算:
C 1 :bB I 2 C C 厂2忖一 C
xf
式中：
C f ----- 前空气弹簧引起的侧倾角刚度，
N mm/ rad
b ——
前弹簧中心线与转向瞬时运动中心距离，
mm
p
――车轮中心面距转向瞬时运动中心距离，
mm
B ——前轮距，mm
C xf ――前空气弹簧刚度，N / mm
根据图2-1得出b = 4334mm ， p = 4629mm ，根据表（1-1）得，
B = 1840mm ，并把
C sf =49.2N / mm 带入式（2-6）得出空气弹簧
的侧倾角刚度为:
参考KC 试验数据衬套扭转时的刚度约有15%的影响，则前悬 架由螺旋弹簧引起的侧倾角刚度为
C f = 7.3 107 1.15 =8.4 107
N mm/rad
2）横向稳定杆引起的角钢度按式（7）计算:
(2-6)
C xf
1 4334 1840 2
-2 IL 4629
49.2 = 7.3 107 N mm / rad
图2-2前横向稳定杆结构示意图
式中各参数参见示意图2-2:
C b __横向稳定杆引起的角刚度，N mm/rad
d ---- 稳定杆直径，mm
I ――稳定杆的截面惯性矩，
mm
2
E ——材料的弹性模量，(N/mm)
前稳定杆直径d =30mm ，因此|
八30 = 39760.8mm 4
64
64
前悬架稳定杆材料为：60si2MnA ，所以E = 206000( N/mm )
3EIL 2
(2-7
)
J 3 — a 3 q a b — 4L 2 b c
小3y 206000^ 39760.^ 11202
C
b 而厂
2 03—0
3 +-^-(350 + 210) +4"972(350 + 210) 考虑固定方式，新的稳定杆在车轮
处的等效侧倾角刚度与稳定杆所提供的侧倾角刚度比为i =0.5，稳定杆在车
轮处的等效刚度为：
0.5 C b =2.935 107 N mm/rad
由于连接件是橡胶元件，故实际刚度值一般比理论值减小
15%~30,取15%。

贝卩C b =2.935 107 0.85 = 2.49 107N mm/rad 所以
前悬架总的侧倾角刚度：
K f=C b C f= 8.40 1072.49 107=1.089 10N mm/rad
2.4.2后悬架侧倾角刚度
1 2
K r S F C sr cos-：：(2-8)
式中：
:——弹簧中心线与后轴垂线间的夹角，:=0
C sr ——弹簧刚度，C sr =62.4N/mm
S F——弹簧安装间距，S F = 1225mm
以上数据代入公式(2-8),得：
1 2° 7
K r1225262.4 cos0 =4.68 107N mm/rad
考虑到衬套扭转时的刚度有约20.%的影响：
C r=1.2 4.68 107 =5.62 107 N mm/rad
一般要求前悬架侧倾角刚度要大于后悬架侧倾角刚度，以满足汽车
= 5.87 1 07N mm/rad
稍有不足转向特性的要求，并且前、后悬架侧倾角刚度比
值一般在1.4~2.6之间。

根据以上计算结果得出前、后悬架侧
倾角刚度比值为1.94,满足开发需求 2.5整车的侧倾角计算
车厢侧倾角r 是和汽车操纵稳定性及平顺性有关的一个重要参 数。

侧倾角的数值影响到汽车的 横摆角速度稳态响应和横摆角速度瞬 态响应。

以下质心及侧倾中心示意图各参数是从悬架总布置图上测定 的。

图2-6
当汽车作稳态圆周行驶时，车厢侧倾角决定于侧倾力矩 M 与悬
架总的角刚度
、K 。

以下依据满载状态下稳态回转试验要求的
0.4g
m/s 2进行计算。

2.5.1悬架质量离心力引起的侧倾力矩
簧载质量离心力引起的侧倾力矩 M r1:
M 卄 aMh
（ 2-
9） 式中：
a y -----------侧向加速度：a y = 0.4g
M ——黄在质量， M = 4050 - 800 = 3250Kg
□
Dm 林上
鶴躺中阳
22SD IBD
L=WO
-
-
h——整车质心到侧倾轴线的距离为：h=812mm （见图2-6）以上公式代入式（2-9）,可得出侧倾力矩M^ :
M r1=a y Mh= 0.4 9.8 3250 812 =1.034 107 N mm
2.5.2侧倾后，悬架质量引起的侧倾力矩
车厢侧倾后，悬架质量的质心偏出距离e,因此，其重力引起
的侧倾力矩为：
M r2 二G s*e = G s*h* r （2-10）
式中：
G s ——为簧载质量重力为31850N
h ---- 整车质心到侧倾轴线的距离为：h = 812mm
r――整车侧倾角
M r2 =G s*e 二G s*h* r=31850 812 r=2.586 107r N mm
2.5.3总的侧倾力矩
M r = M r1 M 才2.586 r1.034 107N mm
2.5.4悬架总的侧倾角刚度
85.62 107=1.651 108N ：mm/rad
C =C f Cr =1.089 10
2.5.5整车的侧倾角
2.586 r1.034 107
得出十4.25
8
1.65M10
汽车转弯时，车身在0.4g的侧向加速度作用下，车身侧倾角不大于3~5°，显然满足要求。

2.6纵倾角刚度
在制动轻度Z =0.5时，当车辆发生纵倾时，前后悬架受力的变化量相当于轴荷转移量G
G =ZgM s h g/L （2-11）
式中：
Z ——制动强度：Z=0.5 ；
M s ——满载簧载质量M s 二6400 — 400 一400 二5600Kg
h g ---------- 簧载质心高（满载）h g = 1150mm
L ------ 轴距，L = 4000mm
通过上述计算出得到的轴荷转移量是7889 N
前后悬架变形由公式S-IG/2K可得出：
式中：K ――悬架刚度，前悬架为64.5N/mm，后悬架刚度为71.8N /
mm。

计算得：前悬架S f 7889 61.2mm
2 汉64.5
7889
后悬架S r 54.9mm
2汇71.8
整车纵倾角
V -180 S f ■ S r / L/蔥=180 61.2 54.9 /4000/蔥=1.66
整车纵倾角刚度为K = G L / 二二7889 4000 =1.9 107N：mm/deg
1.66
2.7减振器参数
汽车的悬架中安装减振器装置的作用是衰减车身的振动保证整车的行驶平顺性和操纵稳定性。

下面仅考虑由减振器引起的振动衰
减，不考虑其他方面的影响，以方便对减振器参数的计算。

汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的粘性摩擦形成振动阻尼，将振动能量转变为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的，汽车的悬架有了阻尼以后，簧载质量的振动时周期衰减振动，相对阻尼比t来评定振动衰减，相对阻尼比的物理意义是指减振器的阻尼作用在不同刚度和不同质量的悬架匹配时，会产生不同的阻尼效果。

2.7.1减振器平均阻力系数的确定
减振器阻力系数的确定：
4二'mn i2
(2-12) —
cos：
式中：
丫一一减振器阻尼力系数
■-――相对阻尼比
m 悬架一侧的簧载质量
n ----- 悬架偏频
i 杠杆比，i二旦
b
: ---- 减振器安装角，减振器轴线与Z坐标轴的夹角
根据前后悬减振器的布置形式，以下各参数取值如下：
表2-1参数列表
相对阻尼系数的选择:
对于无内摩擦的弹性元件(如螺旋弹簧)悬架，一般取
■- =0.25：0.35。

对于有内摩擦的悬架，相对阻尼系数取小些。

因此 空气弹
簧相对阻尼系数可取=0.2。

取前、后悬架相对阻尼系数均 为即/「=0.2。

前减振器平均阻力系数为:
后悬架减振器平均阻力系数为:
• r f r 迥r 2
/ 二。

・2 行2 825
* =
2322N / m/s (COSGf )
2.7.2减振器平均阻力系数的确定
通常状况下，将压缩行程时的相对阻尼比'c 取得小些，伸张行 程时的相对阻尼比'■ r ；这样，既可以保证整车的平顺性，又不降低 操纵稳定性，两者之间保持t C 二0.25 : 0.5 t r 。

为避免悬架碰撞车架,
一般把减振器拉伸和压缩组力按8:2 : 6:4的比例关系分配。

根据常 规类车型，选减振器拉伸和压缩阻力按10 : 3的比例关系分配。

因此根据前面计算得到：
前减振器压缩阻尼系数「工4984 10 =3834N/(m/s)
13
前减振器拉伸阻尼系数「二4984 3 =1150N/(m/s)
13
后减振器压缩阻尼系数、f 二2322 10 = 1786N / (m/s)
13
f
+ f '呼2 斗 02 110 800 13叭4984N/ m/s 2
COS ： f
2
COS 30
2
COS 0
后减振器拉伸阻尼系数:.f = 2322 3 = 536N / (m / s)
13
3悬架系统的计算结果
通过上面系统的计算得到Z6车型悬架系统主要性能参数，通过分析对比，以此保证与悬架相关的主要指标符合设计要求。

表3-1悬架计算结果参数
4整车及悬架参数。