懸架系統(tǒng)對整車性能的影響

王玉成　孫紅麗

摘 要：本文系統(tǒng)分析了懸架系統(tǒng)對整車性能的影響，并且給出了整車因懸架問題導(dǎo)致的各種故障以及從設(shè)計角度及質(zhì)量控制角度如何避免。

關(guān)鍵詞：懸架 板簧 定位參數(shù) 弧高 半懸長 疲勞壽命

懸架是車架與車橋或輪胎之間的所有力傳遞裝置的總稱，作為非獨懸結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣的一種彈性元件，鋼板彈簧在整車中的布置，其結(jié)構(gòu)形式、尺寸、疲勞壽命等對整車的性能、可靠性都起著至關(guān)重要的作用。整車出現(xiàn)的一些典型的故障模式如跑偏、振動、方向盤抖動，吃胎等都與懸架系統(tǒng)有直接或間接的關(guān)系，本文以某輕型卡車為例，系統(tǒng)介紹如何從設(shè)計的角度避免以上缺陷的發(fā)生。

整車布置懸架系統(tǒng)時，要考慮與懸架系統(tǒng)密切相關(guān)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)緊密相連，不能單純的獨立開來。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行方向機的布置時，要充分考慮轉(zhuǎn)向器與板簧支架之間的位置關(guān)系，同時懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置時要進(jìn)行懸架干涉的計算，一般來說輕卡的懸架干涉量要控制在2毫米以內(nèi)，如某品牌輕卡在更換方向機垂臂后未進(jìn)行懸架干涉量的計算，導(dǎo)致懸架干涉量較大，因此批量出現(xiàn)空載時方向盤很正，但裝載后方向盤不正的情況，這種情況應(yīng)該在設(shè)計階段就避免。同時若懸架干涉量較大，車輛在制動時，懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系拉桿（直拉桿）在運動學(xué)上的干涉會導(dǎo)致車輛的制動跑偏，跑偏是一種非常危險的故障模式，嚴(yán)重的會導(dǎo)致車毀人亡，這種情況要引起設(shè)計人員的注意，這是因設(shè)計原因?qū)е碌闹苿优芷?/p>

2 汽車行駛系統(tǒng)中的其它子系統(tǒng)

2.1 車架總成

在車架總成中，車架上的板簧支架與板簧吊耳支架與板簧緊密相連，在進(jìn)行上述支架的布置時，首先要考慮如何獲得較好的不足轉(zhuǎn)向特性，比較好的不足轉(zhuǎn)向特性一方面可以通過懸架的布置來獲得，一般的，為獲得較好的不足轉(zhuǎn)向，要求前板簧的布置前高后低，而后板簧的布置前低后高，而過度轉(zhuǎn)向是一種較為危險的狀態(tài)，設(shè)計時應(yīng)予以避免。

2.2 車橋

車輛要想順利的行駛，需要有正確的前輪定位參數(shù)，與懸架系統(tǒng)有關(guān)的定位參數(shù)便是主銷后傾角，其主要作用是形成回正的穩(wěn)定力矩。對于前軸來說，有的本身帶一個主銷后傾角，有的主銷后傾角為零，設(shè)計人員在車架設(shè)計時，會通過板簧在車架上的布置，會最終讓主銷形成一個主銷后傾角，對于輕卡來說，一般設(shè)計為1.5～2.5°，最大不超過3°。有的主機廠會在板簧的底部安裝一個1.5～3°左右的斜鐵，其主要作用也是調(diào)整主銷后傾角，裝配時注意不要裝反。市場上的一些車輛在出現(xiàn)擺頭等疑難雜癥時，有的增加斜鐵管用。板簧布置的不合理導(dǎo)致主銷后傾角過大，一些前軸載荷較大的車輛，其在泥濘的路上行駛時，回正力矩過大，方向盤的瞬間自動回位會導(dǎo)致對駕駛員手臂的傷害（另外轉(zhuǎn)向器效果高，方向盤自由間隙太小等也會導(dǎo)致回正力矩大）。若主銷后傾角過小，會導(dǎo)致車輛的回正效果很差，此時駕駛員會感到方向盤“發(fā)粘”，很多車輛在駛時，還會出現(xiàn)“跑偏”現(xiàn)象。

3 整車設(shè)計布置時與懸架有關(guān)的各種計算

3.1 計算懸架的偏頻

人體習(xí)慣的垂直振動頻率是步行時身體上下振動的頻率，約為1-1.6HZ，車身的振動頻率應(yīng)當(dāng)盡可能的處于或者接近這一范圍。因此正常計算中要進(jìn)行懸架固有頻率的計算。同時前后懸架的偏頻比值應(yīng)在合理的范圍內(nèi)。若懸架偏頻不合適會給人造成不適感。偏頻按以下公式計算：，其中C為懸架剛度。

3.2 進(jìn)行側(cè)傾校核

側(cè)傾角剛度可以用KΦr=1/2K'lB2來計算，其中K'l為懸架的線剛度，B為輪距。懸架總的側(cè)傾角剛度為前后懸架的側(cè)傾角剛度及橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度之和。行業(yè)推薦的車輛的最大側(cè)傾角為6°，一般不超過7°。若設(shè)計的側(cè)傾角剛度太大，則會給人感覺板簧太硬，太軟在車輛轉(zhuǎn)彎時會給人側(cè)傾不安全的感覺。

3.3 懸架干涉計算

懸架干涉計算一般采用作圖法，通過作圖法，GH和G'H'即為運動不協(xié)調(diào)造成的軌跡偏差，這一偏差越小越好，偏差過大則應(yīng)修正B1點或A1點的位置，見下圖1。

3.4 制動時的縱扭干涉

汽車制動時，由于制動力矩會使得車橋與板簧一起產(chǎn)生縱向扭轉(zhuǎn)變形，因此會引起前輪定位參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)向，影響車輛的行駛穩(wěn)定性，因此懸架設(shè)計是應(yīng)計算板簧的縱向扭轉(zhuǎn)剛度。且要求其必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。

若扭轉(zhuǎn)角度不大時，θ≈tanθ=2δ/L=4M/L2K（θ為扭轉(zhuǎn)角，δ為板簧卷耳處變形，M為力矩，L為板簧伸直長度，K為板簧的垂直剛度）。

鋼板彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度可以計算為：KT=M/θ=1/4KL2kgf.mm/rad

緩沖塊滿載、極限位置校核。這個相對比較簡單，在此不再累述。

以上從與懸架系統(tǒng)相關(guān)的機構(gòu)系統(tǒng)的分析給出了其對整車性能的影響，下面從懸架的其它參數(shù)給出其對整車性能的影響。

3.4.1 板簧弧高

根據(jù)主機廠的要求，板簧弧高一般分為A、B、C或者0、+、-，即分為三組，每組范圍為0～4毫米左右，裝配完成后，板簧廠需要在板簧上做好標(biāo)記，主機廠裝配時配對使用。若左右板簧弧高超出要求，會導(dǎo)致：1、車輛左右高度不一，車輛從前、后看左高右低或左低右高。2、車輛在行駛過程中出現(xiàn)跑偏。特別注意的是因為車輛的重心并非在車輛的縱向面上，因此實際車輛前后軸左右輪的載荷并不一樣，以某總長5995毫米的輕卡為例，其前軸左前輪載荷比右邊重60kg左右，這樣也會導(dǎo)致車輛的歪斜，有的主機廠會在某邊板簧底部增加一個墊塊或者在設(shè)計成左右板簧的弧高差10毫米左右以彌補重量差。車輛左右弧高差別比較大時，還會引起跑偏，“吃胎”等現(xiàn)象。

3.4.2 半長

前簧半長是板簧的一個非常重要的控制參數(shù)，主機廠一般要求誤差為±1.5毫米，若半長控制不好，會導(dǎo)致前后軸不平行，車輛在行駛過程中會出現(xiàn)有規(guī)律的跑偏，這樣駕駛員在行車過程中需要不停的調(diào)整方向盤而給他們造成疲勞感。半長主要通過設(shè)備、工藝來保證。

3.4.3 懸架剛度

懸架剛度不但影響了車輛的承載，懸架剛度選擇不當(dāng)，還會引起與其他系統(tǒng)的共振，造成車輛中速時有規(guī)律的跳動。另外大部分輕卡后簧為主副簧結(jié)構(gòu)，主副簧的剛度若匹配不合適，會造成剛度瞬間增大的情況，影響乘坐舒適感。懸架剛度允許偏差為±6%。

3.4.4 疲勞壽命

板簧作為車輛主要承載件之一，若行車過程中出現(xiàn)斷裂，會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的故障，懸架的疲勞壽命，不同的廠家有不同的要求，主要區(qū)別為應(yīng)力條件及疲勞次數(shù)的不同。一些高端的少片高應(yīng)力板簧的疲勞壽命已經(jīng)可以做到800±500MPa，20萬次。提高疲勞壽命的因素很多，對同樣材料來說，重點是控制軋制（少片簧）、熱處理、應(yīng)力噴丸三個關(guān)鍵工藝，熱處理要重點進(jìn)行淬火爐內(nèi)氧含量的控制，控制好脫碳量、硬度及金相組織。噴丸重點控制好預(yù)應(yīng)力、噴丸強度及覆蓋率，最終可用殘余應(yīng)力來體現(xiàn)。一些高端車型的板簧要求殘余應(yīng)力要達(dá)到650MPa以上。

3.4.5 板簧平直段漆膜厚度

板簧平直段漆膜有的主機廠有厚度要求（一般要求不超過30um），若此處漆膜厚度較厚，車輛經(jīng)長時間使用后中心栓容易松，中心栓松后會導(dǎo)致板簧中心孔處的斷裂，造成較大質(zhì)量事故。一般板簧中心孔處斷裂都與板簧騎馬螺栓擰緊力矩有關(guān)，因此此處騎馬螺栓要求定期檢查并擰緊到規(guī)定力矩。

本文從設(shè)計角度對懸架在整車上的影響做了一個系統(tǒng)的介紹，給出了整車因懸架導(dǎo)致的各種故障以及從設(shè)計角度如何避免，希望對有關(guān)設(shè)計人員有所裨益。