目录
摘Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ
1 绪 3
11 悬架概述 3
12 悬架分类 4
13 重型载货汽车悬架系统目前工作状况 5
14 悬架技术研究现状发展趋势 6
141悬架技术研究现状 6
142悬架技术发展趋势 6
143悬架设计技术求 6
2 空气悬架结构 7
21 空气悬架结构简介 7
211空气悬架系统基结构 7
212空气弹簧类型 7
213导机构 8
214高度控制阀 8
22 空气悬架系统工作原理 8
3 悬架参数确定 10
31 载货汽车结构参数 10
32 悬架静挠度 10
33 悬架动挠度 11
34 悬架弹性特性 11
4 弹性元件设计 13
41 空气弹簧力学性 13
411空气弹簧刚度计算 13
412空气弹簧固频率计算 15
413空气弹簧刚度特性分析 16
42 高度控制阀 18
5 悬架导机构设计 19
51 悬架导机构概述 19
52 横稳定杆选择 19
53 侧顷力臂计算方法 20
54 稳定杆角刚度计算 22
55 悬架侧倾角校核 23
6 减振器机构类型参数选择计算 24
61 分类 24
62 参数选择计算 25
7 技术济性分析 30
8 结 31
参考文献 32
致谢 33
附录A 译文 34
附录B 外文原文 41
附录C 维图形…………………………………………………………………………………………51
1 绪
11 悬架概述
悬架车架（承载式车身）车桥（车轮）间切传力连接装置总称功路面作车轮垂直反力（支承力）反力（牵引力制动力）侧反力反力造成力矩传递车架（承载式车身）保证汽车正常行驶
现代汽车悬架种结构形式般弹性元件减振器导机构三部分组成汽车行驶路面绝坦路面作车轮垂直反力击性特坏路面高速行驶时种击力达数值击力传车架车身时引起汽车机件早期损坏传员货物时员感极舒适货物受损伤缓击汽车行驶系统中采弹性充气轮胎外悬架中必须装弹性元件车架（车身）车桥（车轮）间作弹性联系弹性系统受击产生振动持续振动易员感舒适疲劳悬架应具减振作振动迅速衰减（振幅迅速减）许结构形式汽车悬架中设专门减振器
悬架重组成部分进行简单介绍
()弹性元件
弹性元件车架车身车桥车轮弹性连接起空气弹簧钢板弹簧螺旋弹簧扭杆弹簧等
(1)空气弹簧
空气弹簧橡胶囊围成密闭容器中贮入压缩空气利空气压缩性实现弹簧作种弹簧刚度变作弹簧载荷增加时容器定量气体气压升高弹簧刚度增反载荷减时弹簧气压降刚度减空气弹簧具较理想弹性特性
着科学技术突飞猛进生活水断提高汽车坐舒适性方面性提出更高求便迫汽车生产厂家断引进先进技术生产出更产品保持强竞争力空气弹簧设计研究越越受车辆设计员青睐文空气弹簧进行研究探讨
(2)钢板弹簧
片等长等曲率钢板叠合成钢板弹簧具缓作外定减震作
(3)螺旋弹簧
具备缓作轿车独立悬挂装置没减震传力功必须设专门减震器导装置
(4)扭杆弹簧
弹簧杆做成扭杆端固定车架端通摆臂车轮相连利车轮跳动时扭杆扭转变形起缓作适合独立悬挂
(二)导装置
导装置指悬架中某传力时承担着车轮定轨迹相车架车身跳动务机构导装置点作：①车架车桥间传递力矩②车桥车轮定轨迹相车身车架跳动
(三)减振装置
减振装置消耗振动量衰减振动弹性系统受击会产生振动减震器振幅迅速减避免持续振动驾驶员舒适疲劳
车轮相车架车身跳动时车轮（特转轮）运动轨迹应符合定求否汽车某行驶性（特操稳定性）利影响悬架中某传力构件时承担着车轮定轨迹相车架车身跳动务传力构件起导作称导机构
见述三组成部分分起缓减振导作然三者务传力
4
3
2
1
5
1—弹性元件 2—推力杆 3—减振器 4—横稳定器 5—横推力杆
图11 汽车悬架组成示意图
12 悬架分类
根导机构型式汽车悬架分非独立悬架独立悬架非独立悬架结构特点左右车轮根整体轴连接悬架车价（车身）连接独立悬架结构特点左右车轮通悬架车架（车身）连接
独立悬架侧车轮单独通弹性悬架悬挂车架车身面优点：质量轻减少车身受击提高车轮面附着力刚度较软弹簧改善汽车舒适性发动机位置降低汽车重心降低提高汽车行驶稳定性左右车轮单独跳动互相干减车身倾斜震动独立悬架存着结构复杂成高维修便缺点现代轿车采独立式悬架结构形式独立悬架分横臂式臂式连杆式烛式麦弗逊式悬架等
图12 独立悬架
非独立悬架结构特点两侧车轮根整体式车架相连车轮连车桥起通弹性悬架悬挂车架车身面非独立悬架具结构简单成低强度高保养容易行车中前轮定位变化优点舒适性操稳定性较差现代轿车中基已货车客车
图13 非独立悬架
13 重型载货汽车悬架系统目前工作状况
现代载货运输特点求样化简单货物甲运送乙运输方式满足运输求济领域中道路情况运输安全性守时性灵活性运输价格效率直接关系企业命运存亡运输质量安全首先通行驶系统保证越越车辆制造者汽车企业家认识悬架系统重性目前重型载货汽车直面着问题：汽车载重量性间矛盾载货汽车空载时汽车舒适性会满载时差尤型工程运输车凹凸路面甚露天矿山长时间返行驶时种情况更加明显空载少量载荷时货车性差样会驾驶员坐者容易感疲劳引发交通事造成严重果载重货车言根途工况客户需求承载力性必须综合考虑目前重型载货汽车动式定刚度悬架系统求较高承载力势必悬架刚度然根研究知悬架刚度越汽车行驶性安全性越差承载力性直载货汽车悬架系统设计中—永恒矛盾
14 悬架技术研究现状发展趋势
141悬架技术研究现状
机械装置基规律指出：载货汽车良舒适性操稳定性良承载力定刚度定阻尼减震器传统悬架中时满足传统悬架设计程中避免进行坐舒适性操稳定性折衷年传统悬架结构断更新完善采优化设计方法进行设计已汽车(特轿车)坐舒适性操稳定性提高例横臂式独立悬架臂式独立悬架车轮销移动悬架(烛式麦弗逊式)等等采传统悬架系统然受许限制终设计悬架参数(弹簧刚度减振器阻尼系数)调节致传统悬架系统保证汽车种特定道路速度条件达性优折衷
142悬架技术发展趋势
前型商汽车半挂车中采空气悬架系统越越空气悬架突出优点性维修少寿命长承运客货物保护钢板弹簧悬架着提高整车路面损坏程度减少
钢板弹簧载荷产生弯曲样会导致整车面距离总发生变化果保持弹簧弹性增加载荷话会降低弹簧固频率甚弹簧特性发生改变
空气弹簧基空气压缩性封闭气囊里空气弹性元件空气弹簧通气囊压力衡载荷空气弹簧固频率稳定弹性性稳定样意味着空气弹簧更加接理想状态
着国高速公路迅速发展公路运输量增加汽车性求越越高空气悬架着身优越性货车应必越越广泛外着重型载货汽车路面破坏机理研究认识进步加深政府高速路养护进步重视空气悬架重型货车应必进步增加空气悬架设计进行深入研究显越越重
143悬架设计技术求
悬架提出设计求：
（1）保证汽车良行驶性
（2）具适合衰减振动力
（3）保证汽车具良操稳定性
（4）汽车制动加速时保证车身稳定性减少车身倾转弯时车身侧倾角适合
（5）良隔声力
（6）结构紧凑占空间尺寸
（7）传递车身车轮间种力力矩满足零部件质量时保证足够强度寿命
2 空气悬架结构
21 空气悬架结构简介
211空气悬架系统基结构
空气弹簧悬架具变刚度刚度振动频率低车身高度变等优点典型机械式空气悬架包括部分：
(1)空气弹簧
空气弹簧橡胶囊围成密闭容器中贮入压缩空气利空气压缩性实现弹簧作种弹簧刚度变作弹簧载荷增加时容器定量气体气压升高弹簧刚度增反载荷减时弹簧气压降刚度减空气弹簧具较理想弹性特性
(2)导机构
导机构承受汽车力力矩横力空气悬架承受垂直载荷需安装导机构承受横力力力矩车桥(者车轮)定轨迹相车身车架跳动
(3)减振装置
减振装置消耗振动量衰减振动空气作空气弹簧工作介质摩擦极板簧相空气弹簧身少量阻尼空气悬架必须装阻尼器阻尼相应增加达迅速衰减振动目果阻尼会反应迟钝车身传递高频振动击减振器阻尼匹配否合理影响悬架性
(4)高度控制阀
高度控制阀空气弹悬架系统重组成部分功：①整车载荷变化保持合理悬架行程②高速时降低车身高度保持车身稳定性减少空气阻力⑨起伏路面提高车身高度提高汽车通性空气弹簧优越性通安装高度控制阀充分显现出
(5)附属装置
空气弹簧压缩空气作介质必须装压气机产生压缩空气外进步提高空气弹簧性部分空气悬架装辅助气室现着科技迅速发展高档客车轿车商车已成功电控空气悬架种悬架高度传感器电子控制单元控制空气弹簧充气排气更加提高空气悬架控制精度反应速度功时缺点：种汽车悬架结构更复杂成非常高
国应广泛汽车悬架发展必然趋势
212空气弹簧类型
空气弹簧结构设计成类型根压缩空气容器空气弹簧分囊式膜式两种形式
(1)囊式空气弹簧
囊式空气弹簧夹帘线橡胶气囊密闭容器中压缩气体组成气囊层气密性橡胶制成外层耐油橡胶制成根橡胶气囊曲数分单曲双曲曲囊式空气弹簧气囊段间镶嵌金属轮缘承受气体压张力囊式空气弹簧效面积变化率较刚度较振动频率较高囊式空气弹簧说适选择空气弹簧效面积变化率辅助气室容积效降低振动频率着段数增加空气弹簧刚度会变气囊变形曲部均分担曲段数越空气弹簧效直径变化率会越
(2)膜式空气弹簧
膜式空气弹簧构造金属外筒筒缸筒活塞间放置橡皮膜通膜变形实现整体伸缩外筒壁筒外壁预先出适倾斜曲面橡皮膜伸缩时该壁面发生变形受压面积变形变化获标准高度软位移时变硬特性合适非线性弹簧特性膜式空气弹簧国外客车应日益广泛膜式空气弹簧效直径变化较刚度较低振频率较低．膜式空气弹簧底座时活塞该空气弹簧效直径通改变活塞外形改变需弹性特性许膜式空气弹簧底座作辅助气室增加空气弹簧总容积改善空气弹簧性提高空气弹簧系统隔振效果效措施
213导机构
导传力机构空气悬架重组成部件承受汽车侧力力力矩定强度布置方式合理空气弹簧悬架中空气弹簧承受垂直载荷果导机构布置合理会空气弹簧带负担发生扭曲摩擦等现象恶化减震效果缩短空气弹簧寿命
汽车空气悬架导机构点作：①车架车桥间传递力矩②车桥车轮定轨迹相车身车架跳动空气悬架中导机构重作
214高度控制阀
高度控制阀空气悬架系统重组成部分作保证车辆静载荷路面保持定高度空气弹簧优势采高度控制阀情况充分体现汽车空气悬架高度控制阀般分机械式电磁式组成分带延时机构高度控制阀带延时机构高度控制阀目前国空气悬架采机械式高度阀针带延时机构带延时机构两种机械式高度阔进行简单介绍延时机构缓弹簧油压减振器组成作：车辆运行时正常振动中保证空气弹簧高度变化起进排气作静载荷变化极低频率振动时保证空气弹簧进行充排气汽车正常振动中高度阀进排气阀会频繁开减少压缩空气浪费带延时机构高度阀时车辆运行程中高度阀进排气阁断关闭空气消耗量般空气通道设置节流孔排气通道外加长橡胶软便限制空气流量避免空气中水分灰尘堵塞孔
22 空气悬架系统工作原理
理想状态装空气弹簧悬架汽车通压缩空气压力够载荷道路条件变化进行动调节满载空载整车高度会发生变化提高坐舒适性空气悬架工作原理：空气压缩机供储气筒压缩空气储气筒装压力保护阀储气筒压力超出设定压力时压力保护阀会动开载压力卸掉车辆直路面行驶时高度阀充气阀门排气阀门均关闭空气弹簧气囊充气放气车架高度保持变车辆行驶路面转弯时车轮产生跳动转弯离心力会车架产生倾斜连接车架高度控制阀控制杆会转定角度车辆载荷增加时空气弹簧压缩车架整体移高度控制阀控制杆旋转控制阀充气阀门开压缩空气高度控制阀气囊充气气压作车架回升高度控制阀控制杆旋转控制阀充气阀门开度逐渐变直关闭时车架恢复设定高度空气弹簧气囊回升原高度车辆载荷降时空气弹簧气囊腔压缩空气作伸长车架整体移高度控制阀控制杆旋转控制阀放气阀门开压缩空气高度控制阀外界排出车架降高度控制阀控制杆旋转控制阀放气阀门开度逐渐变直关闭时车架逐渐恢复设定高度
3 悬架参数确定
31 载货汽车结构参数
重型载荷汽车货车种吨位必须满足14t称重型载荷汽车
针目前国载货汽车空气悬架系统设计研究较少文现东风日产柴牌DND1250CWB459P钢板弹簧悬架载货汽车基础进行空气悬架改装设计轴载货车辆空气悬架系统设计具定参考意义DND1250CWB459P整车参数表示满足舒适性行驶稳性求 悬架求全部采空气弹簧前悬架采四连杆机构空气悬架系统 空气弹簧布置桥正方 作弹性元件承受全部垂直载荷悬架全部采空气悬架空气弹簧布置桥连接车架方
整车尺寸参数货车外廓尺寸长10150mm宽2400mm高2985mm轴距4615+1300mm轮距（前）20451860mm前悬1400mm悬2835mm整车质量参数整车整备质量9805kg额定载质量15000kg总质量25000kg前轴中轴轴距3 800mm中轴轴轴距1380mm前悬轮距1958mm悬轮距1800mm车轮静力半径540mm满载时整车重心高度1800mm前轮定位参数销倾角3°30′销倾角1°30′前轮外倾角1°30′前轮前束0mm1mm
32 悬架静挠度
悬架静挠度指汽车满载静止时悬架载荷时悬架刚度c
数汽车言悬架质量分配系数似认前桥方车身部分集中质量垂直振动相互独立偏频表示振动频率偏频越汽车性越采钢板弹簧载货汽车偏频略高轿车前悬架约13Hz悬架超15Hz采空气弹簧数值进步降低载货汽车0812Hz减汽车角振动般汽车前悬架偏频约085095
（31）
前悬架刚度（Ncm）前悬架簧质量（kg）采弹性特性线性变化悬架时前悬架静挠度式表示
式中g重力加速度g9810mm
代式（31）
（32）
式中 单位mm
式知悬架静挠度直接影响车身振动偏频n保证汽车良行驶性必须正确选取悬架静挠度
选取前悬架静挠度值时希悬架静挠度前悬架静挠度利防止车身产生较角振动理分析证明：汽车较高车速驶单路障＜1时车身角振动＞1时推荐取＝（08～09）考虑货车前轴荷差推荐
途汽车性求样运送轿车性求高客车次载货车更次普通级轿车满载情况前悬架偏频求100～145Hz悬架求117～158Hz原轿车级越高悬架偏频越高级轿车满载情况前悬架偏频求080～115Hz悬架求098～130Hz货车满载时前悬架偏频求150～210Hz悬架求170～217Hz选定偏频利式(3—2)计算出悬架静挠度
33 悬架动挠度
悬架动挠度指满载衡位置开始悬架压缩结构允许形变求悬架应足够动挠度防止破坏路面行驶时常碰撞缓块货车取6090mm
汽车新手册采空气弹簧载货汽车偏频09Hz1Hz代公式（32）3070mm2487mm设计选取90mm60mm
34 悬架弹性特性
悬架受垂直外力F引起车轮中心相车身位移厂(悬架变形)关系曲线称悬架弹性特性切线斜率悬架刚度
悬架弹性特性线性弹性特性非线性弹性特性两种悬架变形厂受垂直外力F间呈固定例变化时弹性特性直线称线性弹性特性时悬架刚度常数悬架变形受垂直外力F间呈固定例变化时弹性特性图3—1示时悬架刚度变化特点满载位置(图中点8)附刚度曲线变化缓性良距满载较远两端曲线变陡刚度增样限动挠度范围线性悬架更动容量悬架动容量系指悬架静载荷位置起变形结构允许变形止消耗功悬架动容量越缓块击穿性越
空载满载时簧质量变化货车客车减少振动频率车身高度变化应选刚度变非线性悬架轿车簧质量中然变化减少车轴车架撞击减少转弯行驶时侧倾制动时前俯角加速时仰角应采刚度变非线性悬架
钢板弹簧非独立悬架弹性特性视线性带副簧钢板弹簧空气弹簧油气弹簧等均刚度变非线性弹性特性悬架
图3—1 悬架弹性特性曲线
1—缓块复原点 2—复原行程缓块脱离支架 3—弹簧弹性特性曲线 4—复原行程5—压缩行程 6—缓块压缩期悬架弹性特性曲线 7—缓块压缩时开始接触弹性支架 8—额定载荷
4 弹性元件设计
空气悬架应型客车轨电车高级轿车长途运输重型载货汽车挂车应弹性元件夹帘线橡胶囊模充入腔压缩空气组成种悬架弹性元件减振器导机构外般装车身高度调节装置
空气弹簧设计较柔软空气悬架较低固频率时空气弹簧变刚特性频率较载荷变化范围保持变提高汽车性空气悬架优点通调节车身高度客车板高度载货汽车货箱高度哦载荷变化基保持变外空气悬架具空气弹簧寿命长质量噪音低等优点
结构特点空气弹簧分囊式膜式两类囊式空气弹簧结构相简单制造方便刚度较高常型客车轨电车载货汽车常配辅助气室降低弹簧刚度膜式空气弹簧刚度适应作轿车悬架等空气压力尺寸承载力动刚度会增
橡胶囊元件囊式空气弹簧承受压张力钢质腰环分割气囊分节数分单曲双曲曲气囊三种囊式空气弹簧结构较简单制造容易成低工作时橡胶膜曲率变化寿命长次设计选取双曲空气弹簧
图 4—1 双曲气囊空气弹簧
1—盖 2—橡胶膜 3—腰环 4—底座
41 空气弹簧力学性
空气弹簧支承弹性作取决空气弹簧压缩空气容积气体压缩系数基决定理想空气弹簧力学性
411空气弹簧刚度计算
空气弹簧利橡胶气囊压缩空气反作力作弹性恢复力弹性元件刚度空气弹簧重性参数理公式空气弹簧垂直刚度C计算：
(41)
—橡胶气囊压缩气体工作压力
—标准气压取01MPa
—空气弹簧效承压面积
L—空气弹簧效行程
—气弹簧效承压面积变化
V空气弹簧空气体积
n变指数取决空气弹簧形变速度空气弹簧缓慢振动时弹簧气体状态变化视等温变化n1空气弹簧剧烈振动时弹簧气体状态变化视绝热程n1．3～1．4次设计选取n1380
囊式空气弹簧效面积变化率空气弹簧固频率影响较空气弹簧等压条件效面积变化率0次设计选取0
式（4l）知空气弹簧效承压面积交化率空气弹簧刚度影响显著囊式空气弹簧工作时效承压面积交化率较弹簧刚度较分担气囊形变曲囊越气囊效承面积变化率越曲囊增减囊式空气弹簧刚度橡胶气囊正常工作气压范围膜式空气弹簧效承压积面变化率囊式气弹簧膜式空气弹簧刚度囊式空气簧时膜式空气弹簧通改变活塞底部形状控制效承压面积变化率获理想弹性特性外囊式空气弹簧通添加辅助气室膜式空气弹簧利活塞底座空心腔作辅助气室增气体体积降低弹簧刚度
1）前悬空气弹簧刚度计算
前悬架四气囊四减震器两高度控制阀两根横推力杆两根推力杆构成四连杆结构根GBT1306191汽车空气弹簧规定次选取弹簧型号B7380X390囊式空气弹簧
设前悬架非簧载质量500kg计算前悬架支空气弹簧承受负载
式中：G前悬轴载荷6370kgi空气弹簧数前悬簧载质量前悬非簧载质量代入推出14675kg空气弹簧受力143815N
n变指数处选取1380橡胶气囊压缩气体工作压力取标准气压取01MPa空气弹簧效承压面积390mm设计高度载荷143815N时弹簧部压强03Mpa计算1438150348010V空气弹簧体积V390×480×10187×10mm效面积变化率空气弹簧等压条件0述数代入公式（41）计算前悬空气弹簧刚度698Nmm
2）悬空气弹簧刚度计算
悬架四气囊四减震器两高度控制阀两根横推力杆两根推力杆构成四连杆结构根GBT 1306191汽车空气弹簧规定次选取弹簧型号B7380X390囊式空气弹簧
式中：悬轴载荷12740kgj空气弹簧数悬簧载质量悬非簧载质量1000kg代入推出2935kg空气弹簧受力28763N
种空气弹簧变指数效面积变效面积变化率然零橡胶气囊压缩气体工作压力取参数代入式子（41）悬空气弹簧刚度1189Nmm
412空气弹簧固频率计算
弹簧振动固频率表示
（42）
式中 g—重力加速度 g9810mm
D—气囊圆截面效直径
空气弹簧垂直刚度知时式计算固频率：
—气体常数汽车载荷缓慢变化时弹簧空气状态变化接等温程取＝1汽车行驶程振动时弹簧空气状态变化接绝热程取＝14实际计算时通常取＝12～14
式子（42）出：
1）频率选择充气压力关越固频率越低种影响压力较低时尤明显充气压力提高时接1时提高降低固频率明显影响频率折算高度H关H越固频率越低特较气囊增加H降低固频率明显影响较气囊H影响明显
2）频率效面积变化率关越n越高越n越低
充气压力提高时接1时提高降低固频率明显影响次设计选取1n变指数处选取1380效直径变化率般囊式空气弹簧效直径变化率035～040膜式空气弹簧效直径变化率010～02间次设计选取04述参数代入（42）中空气弹簧固频率094Hz
413空气弹簧刚度特性分析
充满气体空气弹簧作外力会引起弹簧微变形相应气体容积变化量囊壁变形做功外力作功相忽略外力作功等气体受压作功
（4－3）
式中—弹簧空气绝压强
—标准气压强
定义弹簧效面积
（4－4）
（4－5）
式位移求导空气弹簧刚度
（4－6）
表明空气弹簧刚度两部分构成分气体体积变化效面积变化引起设计空气弹簧时两方面加考虑
静衡位置时代式(4－6)静衡位置弹簧刚度
（4－7）
中出想获较软刚度应该增布置允许占高空间常常采增加辅助气室办法达增减刚度目
空气弹簧法承受侧力转矩必须悬架选择恰导杆系目前常三种方式：①钢板弹簧作导元件种方法优点利前零部件便改装时板簧空气弹簧联合作悬架弹性特性更接理想悬架偏频载荷范围似保持变②臂式种方式增加设计灵活性较保证悬架倾特性车轮跳动时销倾角变化量满足求③A型架式实际臂式变形侧刚度较减车身侧摆动加速度减悬架中出现附加载荷重型车悬架轿车般前悬采双横臂悬采臂式导机构
空气悬架车身高度调节机构端固定车架端固定车身联动阀车引高度变化时阀动作开相应气路弹簧气室中补充弹簧气室放出空气达测节车身高度目
汽车正常行驶程中垂振动侧倾车身车桥间总会发生相位移设计车身高度调节器时必须采取必措施防止类情况车身高度调节器频繁动作
42 高度控制阀
高度控制阀空气悬架系统重组成部分作保证车辆静载荷路面保持定高度空气弹簧优势采高度控制阀情况充分体现
高度控制阀（称高度阀）分机械式电磁式组成分带延时机构带延时机构考虑目前国空气悬架采机械式高度阀针带延时机构带延时机构两种机械式高度阀进行研究
带延迟机构高度阀工作原理：车体荷重增加时车体降空气弹簧压缩控制杆推方凸轮转动带动活塞顶开进排气阀风缸中压缩空气通段节流通道流入空气弹簧车架恢复定高度控制杆会返回衡位置时进气阀关闭压缩空气关断车体荷重减少时车体升空气弹簧伸长荷重增加时情况相反控制杆拉进排气阀开空气弹簧空气节流通道活塞通道排出
图4—2 带延时机构高度阀示意图
高度阀特性参数截止频率般1Hz感带mm动作延迟时间s低流量120 LMin标准流量350 LMin排气气流流速875 Lmin
5 悬架导机构设计
51 悬架导机构概述
空气悬架组成部分空气弹簧外导杆件减振器横稳定器高度控制组件缓限位部件等组成中导机构发挥着非常重作
导传力机构空气悬架中重部件承受汽车力侧力力矩定强度布置方式合理避免运动干涉空气弹簧悬架中承受垂直减振消振果导机构设计合理会增加空气弹簧负担甚会发生扭曲摩擦等现象恶化减振效果缩短弹簧寿命
汽车空气悬架导机构作：①车架(承载式车身)车桥(车轮)间传递力力矩②车桥(车轮)定轨迹相车身车架跳动
重型汽车空气悬架导机构组成型式种：（1）钢板弹簧混合式导机构（2）双横臂式导机构（3）双臂式导机构
设计选双臂式导机构
图5—1 双臂四连杆导机构
重型汽车空气悬架设计中双臂式导机构广泛采臂般布置两边面两根推力杆位置方式根需进行灵活安排种两臂样布置种两根臂合起布置中间两种方式承受侧力需横推力杆面两根推力杆倾斜布置构成三角形架面两根推力杆构成四连杆机构设计时般采4X4X4设计思想：四气囊四减震器四连杆结构现重型汽车采v型推力杆结构较流行种结构传递力时传递横力机构较紧凑简洁空间布置更合理
52 横稳定杆选择
降低汽车固振动频率改善行驶性现轿车悬架垂直刚度值较汽车侧倾角刚度值较结果汽车转弯侧倾严重影响汽车行驶稳定性现代汽车装横稳定杆加悬架侧倾角刚度改善汽车行驶稳定性横稳定杆带处增加悬架侧倾角刚度减汽车转时车身侧倾角外适选择前悬架侧倾角刚度值助汽车获需足转特性通汽车前悬架中装横稳定杆者前悬架中安装悬架中安装会汽车趋转横稳定杆带利素：汽车坑洼路面行驶时左右轮间垂相位移横稳定杆作增加车轮处垂刚度会影响汽车性
悬架中横稳定杆兼起部分导杆系作余情况设计时应注意避免悬架导杆系发生运动干涉缓隔振降低噪声横稳定杆车轮车架连接处均橡胶支承次设计选取DND1250CWB459P前横稳定杆形状图示
图5—2 横稳定杆外形图
53 侧顷力臂计算方法
现讨侧顷力臂计算方法 双臂式非独立前悬架布置方式图5—3示
图5—3 臂式非独立悬架布置形式
种悬架中推力杆传递轮胎车身力车身受侧顷力作时面通两根斜布置导杆约束反力台力Y衡Y作点0通车轴横垂直面投影0m侧顷力矩中心单臂式悬架侧倾力矩中心双臂类似篇幅限文详细描述
整车侧倾力臂h计算：
（51）
式中悬挂质量重心高度
整车侧倾力矩中心高度
根质心公式簧载质量质心高度：
（52）
式中：G满载整车质量G25000kg非簧载总质量2500kg车轮静力半径540mm满载时整车重心高度1800mm述参数代入公式1940mm
（53）
式中 —分车身前轴处侧倾力矩中心高度
a—整车悬挂质量重心前轴距离
l—轴距
根载荷分配关系质心距前轴距离：
（54）
根章节计算知前轴簧载质量5870kg 11740kg前轴中轴间距3800mm中轴轴间距1380mm参数代入面（54）公式a2990mm
根计算知前悬架簧载质心侧倾中心距离650mm悬架簧载质心侧倾中心侧倾距离680mm：轴距l4615+1300mm（54）a2990mm起代入（53）665mm
出整车侧倾力臂19406651275mm
54 稳定杆角刚度计算
横稳定杆机构图54示根材料力学原理求出稳定杆角刚度
根材料力学原理求出稳定杆角刚度连接点橡胶件变形稳定杆侧倾角刚度会减1530
（55）
式中：E材料弹性模量E206X10MPa I稳定杆截面惯性矩惯性距根选取DND1250CWB459P前横稳定杆直径d60mm余参数图54示
图5—4 横稳定杆计算简图
参数代入公式（55）前横稳定杆角刚度横稳定杆角刚度
整车侧倾角刚度前悬架刚度：
（56）
式中：前悬架空气弹簧跨度前横稳定杆角刚度
参数代入公式（56）
55 悬架侧倾角校核
悬架侧倾角刚度系数指簧质量产生单位侧倾角时悬架车身弹性恢复力矩簧质量侧倾角影响侧倾角坐侧倾角刚度侧倾角汽车员缺乏舒适感安全感侧倾角刚度侧倾角汽车缺乏汽车发现侧翻感觉时轮胎侧偏角增果发生轮会汽车增加转
整车侧倾角进行简单校核侧倾角极时根绕侧轴力矩条件推出侧倾角
（57）
式中：μ心加速度选取04g
簧载质量质心高度
簧载质量
h簧载质量侧倾力臂
整车侧倾角刚度
章节求参数代入公式（57）簧载质量质心高度1940mmh簧载质量侧倾力臂h1275mm整车侧倾角刚度 004rad 223°求侧惯性力等04倍车重时货车车身侧倾角超车身侧倾角2～5范围侧倾角刚度满足设计求
6 减振器机构类型参数选择计算
61 分类
悬架中减振器部充液体液力式减振器汽车车身车轮振动时减振器液体流阻尼孔时摩擦液体粘性摩擦形成振动阻力振动量转变热散发周围空气中达迅速衰减振动目果量耗散仅仅压缩行程者伸张行程进行种减振器称单作式减振器反称双作式减振器者减振作前者广泛应
根结构形式减振器分摇臂式筒式两种然摇臂式减振器够较工作压力(10—20MPa)条件工作工作特性受活塞磨损工作温度变化影响遭淘汰筒式减振器工作压力然仅25～5MPa工作性稳定现代汽车广泛应筒式减振器分单筒式双筒式充气筒式三种双筒充气液力减振器具工作性稳定干摩擦阻力噪声低总长度短等优点轿车越越应
设计减振器时应满足基求期间保证汽车行驶性性稳定
现代汽车采筒式减振器车架车轴相运动时减振器油液孔壁间摩擦形成车身振动阻力种阻力工程称阻尼力阻尼力会车身振动转化热油液壳体吸收更实现轿车行驶稳性安全性阻尼系数固定某数值汽车运行状态变化悬挂性总处优状态附汽车减振器调式根传感器信号动选择
(1) 压缩行程（车桥车架相互）减振器阻尼力较便充分发挥弹性元件弹性作缓击时弹性元件起作
(2) 悬架伸张行程中（车桥车架相互远离）减振器阻尼力应迅速减振
(3) 车桥（车轮）车桥间相速度时求减振器动加液流量阻尼力始终保持定限度避免承受击载荷
双作筒式减振器工作原理说明压缩行程时指汽车车轮移车身减振器受压缩时减振器活塞移动活塞腔室容积减少油压升高油液流流通阀流活塞面腔室（腔）腔活塞杆占部分空间腔增加容积腔减容积部分油液推开压缩阀流回贮油缸阀油节约形成悬架受压缩运动阻尼力减振器伸张行程时车轮相远离车身减振器受拉伸时减振器活塞移动活塞腔油压升高流通阀关闭腔油液推开伸张阀流入腔活塞杆存腔流油液足充满腔增加容积腔产生真空度时储油缸中油液推开补偿阀流进腔进行补充阀节流作悬架伸张运动时起阻尼作
伸张阀弹簧刚度预紧力设计压缩阀样压力作伸张阀相应常通缝隙通道载面积总压缩阀相应常通缝隙通道截面积总减振器伸张行程产生阻尼力压缩行程阻尼力达迅速减振求次设计选取双筒式液力减振器
图6—1 双筒式液力减振器
1—活塞 2—工作缸筒 3—贮油缸筒 4—底阀座 5—导座 6—回流孔活塞杆 7—油封 8—防尘罩 9—活塞杆
62 参数选择计算
1相阻尼系数
减振器卸荷阀开前减振器中阻力F减振器振动速度间关系
(6－1)
式中减振器阻尼系数
图6—2b示出减振器阻力－速度特性图该图具特点：阻力－速度特性四段似直线线段组成中压缩行程伸张行程阻力－速度特性占两段段特性线斜率减振器阻尼系数减振器四阻尼系数没特指明时减振器阻尼系数指卸荷阀开启前阻尼系数言通常压缩行程阻尼系数伸张行程阻尼系数等
图6—2 减振器特性
a）阻力位移特性b)阻力速度特性
汽车悬架阻尼簧质量振动周期衰减振动相阻尼系数评定振动衰减快慢程度表达式
(6－2)
式中c悬架系统垂直刚度簧质量
式(6－2)表明相阻尼系数物理意义：减振器阻尼作刚度c簧质量悬架系统匹配时会产生阻尼效果值振动迅速衰减时较路面击力传车身值反通常情况压缩行程时相阻尼系数取伸张行程时相阻尼系数取两者间保持 ＝(025～050) 关系
设计时先选取均值摩擦弹性元件悬架取＝025～035摩擦弹性元件悬架值取行驶路面条件较差汽车值应取般取＞03避免悬架碰撞车架取＝05
2减振器阻尼系数
减振器阻尼系数悬架系统固振动频率理实际应根减振器布置特点确定减振器阻尼系数例减振器图6－
3a安装时减振器阻尼系数式计算
图6—3 减振器安装位置
(6－3)
式中n双横臂悬架臂长a减振器横臂连接点横臂车身铰接间距离
减振器图6－3b示安装时减振器阻尼系数占式计算
(6－4)
式中a减振器轴线铅垂线间夹角
减振器图6－3c示安装时减振器阻尼系数式计算
(6－5)
分析式(6－3)～式(6－4)知：横臂长度n变条件改变减振器横固定点位置者减振器轴线铅垂线间夹角会影响减振器阻尼系数变化
3卸荷力
减传车身击力减振器活塞振动速度达定值时减振器开卸荷时活塞速度称卸荷速度减振器安装图6－3b示时
(6－6)
式中卸载速度般015～030msA车身振幅取±40mm悬架振动固频率
已知伸张行程时阻尼系数载伸张行程卸荷力
4简式减振器工作缸直径D
根伸张行程卸荷力计算工作缸直径D
（6－7）
式中工作缸允许压力取3～4Mpa连杆直径缸筒直径双筒式减振器取＝040～050单筒式减振器取＝030～035
减振器工作缸直径D203040（45）5065mm等种选取时应标准选
贮油筒直径＝（135～150）D壁厚取2mm材料选20号钢
1）前悬架减振器设计
悬架阻尼力
式中：悬架相阻尼考虑舒适性较素汽车新实手册悬架阻尼前悬架取08减振器测试时加载速度取052ms点i汽车车轮减振器跳动行程杠杆设计取i1C悬架刚度698Nmm悬架簧载质量前悬架5870kg代入述数
悬架阻尼力052×2×08××16841N
前减振器安装方垂直方夹角10°前悬架阻尼力173619N
悬架压缩时压缩阻力复原阻力
（复原压缩力范围10~20间里取）代入
31567N 157835
根压缩阻力复原阻力选取减振器型号481700131397号减振器
2)悬架减震器设计
根前悬架计算方法悬架阻尼力
式中：悬架相阻尼考虑舒适性较素汽车新实手册悬架阻尼前悬架取06减振器测试时加载速度取052ms点i汽车车轮减振器跳动行程杠杆设计取i1C悬架刚度
1189Nmm悬架簧载质量悬架11740kg代入述数
悬架阻尼力052×2×06××233136N
根减振器垂直布置悬架压缩时 压缩阻力 42385N复原时 复原阻力211942N
压缩阻力复原阻力减振器行程样选择481700131397号减振器
7 技术济性分析
1）技术背景
车空气悬架系统流行发达国家汽车行业先进产品优点：仅提高员坐舒适性道路起保护作
然年中国关部门促进空气悬架系统汽车颁布相关法规然未年中国市场车空气悬架系统需求会迅猛增长前中国车空气悬架系统工业发展缓慢
发达国家空气悬架系统应情况：发达国家道路保护越越严格户减少汽车良振动求非常强烈客坐舒适性求高车空气悬架系统发达国家快速发展前发达国家100中型客车空气悬架系统40卡车挂车牵引车空气悬架系统
中国方面远发达国家：中国汽车超载现象十分严重户愿意购买装配钢板弹簧系统汽车装配钢板弹簧系统汽车户增加弹簧片满足超载欲
2）技术创新
目前中国市场车空气悬架系统三类：
第类着引进车型整体进入中国市场空气悬架系统西安沃尔沃常州维柯亚星奔驰等引进车型空气悬架系统属类类中国车空气悬架系统市场占导位
第二类直接国外引进车空气悬架系统类车空气悬架系统供货周期般三月难适应中国月供货惯运输成高弊病中国服水土进口空气悬架系统国外企业国外路况车况运输特点设计中国路况车况运输特点相匹配中国企业生产汽车进口空气悬架系统陷入非常尴尬境
第三类企业引进消化吸收国外先进车空气悬架系统技术基础兼顾中国汽车状况道路情况运输特点坚持先进性性相结合原户具体车型进行二次开发性化设计确保结构匹配合理性科学性量体裁衣改善底盘整体性北京精德精汽车底盘系统限公司方面典范
3）济性分析
便宜车空气悬架系统价格三四万元业界常常空气悬架系统发动机起称汽车价格高零部件车钢板弹簧系统价格万元中国户购买汽车时普遍热衷装配钢板弹簧系统汽车装配空气悬架系统汽车感兴趣
中国空气悬架系统中型客车中型客车总量中占例足10空气悬架系统卡车挂车牵引车更微微
中国高速公路高速发展必然会促进中国车空气悬架系统发展
空气悬架应卡车挂车牵引车问题技术积累程急产学研结合中国特色中国车空气悬架系统行业应走产学研相结合道路高校技术理优势企业实践机结合起现形势全国高举开发发展旗帜媒体呼吁关坚持面旗帜
够克服困难
8 结
次设计悬架系统进行结构设计通悬架静动挠度计算悬架弹性特性分析确定悬架参数空气弹簧刚度固频率计算刚度特性分析进行弹性元件设计导机构选择侧倾力臂计算稳定杆角刚度计算侧倾角校核进行导机构设计悬架减震器计算选择
文章空气悬架结构入手着重研究空气弹簧结构形式悬架机构空气悬架核心部件——空气弹簧进行力学性分析
文取成果工作量较时间短知识力尤理水较欠缺许足处会空气悬架做进步深入研究
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致谢
感谢专业老师学毕业文程中予关心帮助提供撰写文需资料
感谢老师传授技尤感谢指导老师武志斐老师辞辛苦帮修改文学更知识抽空讲解关制图方面技巧毕业设计提供例规定时间完成基务
感谢夕相处学谢谢美回忆
感谢家没没切
附录A 译文
汽车悬架工作
By William Harris
University of Michigan
思考汽车性时候通常想马力扭矩加速度果驾驶员控制车活塞式发动机产生力量什汽车工程师已掌握四程燃发动机立刻注意力转移悬挂系统
双横臂独立悬架田雅阁轿跑车2005年
汽车悬架工作量轮胎路面间提供良操稳定性确保客舒适度文中探讨汽车悬架工作年发展未中走
1车辆动力学
果道路完全坦没违规行悬架没必汽车行驶路面绝坦刚铺公路细微缺陷汽车车轮相联系
缺陷聚焦车轮根牛顿运动定律力方两方面路面作车轮垂直反力击性特坏路面高速行驶时候种击力达数值
果没中间结构车轮垂直量会转移车架接着重力作车轮幅度回路面里需系统吸收量转垂直加速度车身受干扰车轮道路形状颠簸
发动机工作力量开动汽车烟酒称车辆动力学研究需解中概念理解什悬挂必数汽车工程师两角度考虑移动汽车动态：
1）坐—汽车力理坦道路
2）处理—汽车力安全加速刹车
特点进步描述三重原——道路隔离行驶转弯面介绍原工程师试图解决独特挑战
汽车悬架组成部分提供解决方案描述
2底盘系统
汽车悬架实际底盘部分包括位方车体重系统
图21底盘
制度包括：
1）框架—结构承载组件支持汽车引擎身体反受悬挂支持
2）悬挂系统—安装支持重量吸收击削弱帮助维持轮胎接触
3）转系统—底盘驾驶者直接指导车辆
4）轮胎轮子—部件抓力汽车运动途径路面摩擦力
悬挂车辆系统
通图片概述三基组成部分悬挂弹簧阻尼器防摇杆
3弹簧
1）线圈弹簧—弹簧常见类型质重型扭杆围绕轴圈线圈弹簧压缩扩展吸收量方案
2）钢板弹簧—弹簧型层次金属称叶联系起作独立单元钢板弹簧初应马车符合美国标准汽车直1985年天卡车重型车辆
3）扭杆—钢筋提供coilspringlike性工作：杆端固定车架端连接叉杠杆移动垂直扭杆车轮撞垂直运动转移横臂然通利传动扭杆扭杆扭曲轴线提供弹簧力欧洲汽车制造商该系统广泛帕卡德克莱斯勒美国惠普克莱斯勒20世纪50年代60年代通
4）空气弹簧—空气弹簧空气弹簧空气弹簧中包括圆柱形室空气位置间车轮汽车车身压缩空气吸收车轮振动特性概念实际世纪前马车发现时代空气弹簧充气皮革隔膜波纹20世纪30年代模压橡胶空气弹簧取代
基弹簧位车—车轮间框架—工程师常常感方便谈谈簧载质量簧质量
4 弹簧簧质量
松散弹簧汽车豪华轿车（认林肯城市车）吞振动提供超级稳样车容易制动加速时候造成身体晃动严格车辆跑车（认马达Miata身）颠簸道路量减少身体震动方案意味着更积极驱动
弹簧身起简单设备设计实施汽车衡客舒适处理复杂务事情更复杂弹簧身提供完全什呢？弹簧够吸收量散热结构阻尼器必须样做
5 减振器
加速车架车身振动衰减改善汽车行驶性爱数汽车悬架系统部装减振器减振器弹性元件联安装
减振器阻尼力越振动消越快联弹性元件作充分发挥时阻尼力导致减振器连接零件车架损坏
减振器基安装车轮架车轮间油泵部安装击连接帧（弹簧重量）较低安装连接轴轮（没装弹簧重量）双设计里减振器部安装连接活塞杆连接活塞充满液压油坐常见类型称压力外已知储备
汽车车轮路遇碰撞造成线圈弹簧伤害弹簧量转移减震器穿越活塞杆活塞进入降低活塞减慢弹簧伸缩速率
减振器工作2周期——压缩周期周期延长压缩周期时活塞运动压缩液压流体活塞室延长周期发生活塞走顶端压力压缩流体述活塞室典型汽车轻型卡车更阻力扩展周期压缩循环方面压缩周期控制车辆运动拍体重量时扩展控制弹簧重量较重
现代减振器速度敏感—悬浮移动速度越快减振器阻力越规定击适应道路条件控制出现需方案行驶车辆包括弹跳摇摆刹车加速
6Struts防摇杆
种常见阻尼结构减震器安装弹簧执行两项工作：提供减震器阻尼作提供车辆悬挂支撑结构意味着提供支柱减振器控制辆汽车重量转移速度身重量
图61支撑设计
辆汽车击处理认关键安全功磨损击车辆重量侧转移边前降低轮胎抓力力道路处理制动性
7防摇杆
防摇杆（称防侧倾杆）减震器起移动汽车额外稳定防摇杆种金属杆跨越整轴两侧悬挂系统效连接起
车轮悬架移动防摇杆转转移车轮创建更性减少汽车摇摆基原天汽车作标准配置防摇装置杆机构果没包容易安装杆机构
8未汽车悬架
然增强改善弹簧减振器汽车悬架基设计年没显著
变化改变品牌新悬挂设计构思Bose—相Bose声技术方面创新闻名已知介绍专家甚说Bose汽车悬架全独立设计推出进步
图 81前悬架模块
工作呢Bose系统传统击弹簧安装轮子代线性电磁马达（LEM）该发动机处传统惯性流体阻尼器实现限制该轮议案够什方盘情况进行精细控制该车体保持水LEM抵消车身振动加速刹车转弯时候司机控制更加心应手
幸种模式暂时法直2009年高档豪华车提供前司机必须真实起百年考验悬挂
附录B 外文原文
How Car Suspensions Work
By William Harris
University of Michigan
When people think of automobile performance they normally think of horsepower torque and zeroto60 acceleration But all of the power generated by a piston engine is useless if the driver can't control the car That's why automobile engineers turned their attention to the suspension system almost as soon as they had mastered the fourstroke internal combustion engine
Doublewishbone suspension on Honda Accord 2005 Coupe
The job of a car suspension is to maximize the friction between the tires and the road surface to provide steering stability with good handling and to ensure the comfort of the passengers In this article we'll explore how car suspensions work how they've evolved over the years and where the design of suspensions is headed in the future
1 Vehicle Dynamics
If a road were perfectly flat with no irregularities suspensions wouldn't be necessary But roads are far from flat Even freshly paved highways have subtle imperfections that can interact with the wheels of a car It's these imperfections that apply forces to the wheels According to Newton's laws of motion all forces have both magnitude and direction A bump in the road causes the wheel to move up and down perpendicular to the road surface The magnitude of course depends on whether the wheel is striking a giant bump or a tiny speck Either way the car wheel experiences a vertical acceleration as it passes over an imperfection
Without an intervening structure all of wheel's vertical energy is transferred to the frame which moves in the same direction In such a situation the wheels can lose contact with the road completely Then under the downward force of gravity the wheels can slam back into the road surface What you need is a system that will absorb the energy of the vertically accelerated wheel allowing the frame and body to ride undisturbed while the wheels follow bumps in the road
The study of the forces at work on a moving car is called vehicle dynamics and you need to understand some of these concepts in order to appreciate why a suspension is necessary in the first place Most automobile engineers consider the dynamics of a moving car from two perspectives
1) Ride a car's ability to smooth out a bumpy road
2) Handling a car's ability to safely accelerate brake and corner
These two characteristics can be further described in three important principles road isolation road holding and cornering The table below describes these principles and how engineers attempt to solve the challenges unique to each
A car's suspension with its various components provides all of the solutions described
2 The Chassis System
The suspension of a car is actually part of the chassis which comprises all of the important systems located beneath the car's body
Figure 21 Chassis
These systems include
1) The frame structural loadcarrying component that supports the car's engine and body which are in turn supported by the suspension
2) The suspension system setup that supports weight absorbs and dampens shock and helps maintain tire contact
3) The steering system mechanism that enables the driver to guide and direct the vehicle
4) The tires and wheels components that make vehicle motion possible by way of grip andor friction with the road
So the suspension is just one of the major systems in any vehicle
With this bigpicture overview in mind it's time to look at the three fundamental components of any suspension springs dampers and antisway bars
3 Springs
Today's springing systems are based on one of four basic designs
1）Coil springs This is the most common type of spring and is in essence a heavyduty torsion bar coiled around an axis Coil springs compress and expand to absorb the motion of the wheels
2）Leaf springs This type of spring consists of several layers of metal (called leaves) bound together to act as a single unit Leaf springs were first used on horsedrawn carriages and were found on most American automobiles until 1985 They are still used today on most trucks and heavyduty vehicles
3）Torsion bars Torsion bars use the twisting properties of a steel bar to provide coilspringlike performance This is how they work One end of a bar is anchored to the vehicle frame The other end is attached to a wishbone which acts like a lever that moves perpendicular to the torsion bar When the wheel hits a bump vertical motion is transferred to the wishbone and then through the levering action to the torsion bar The torsion bar then twists along its axis to provide the spring force European carmakers used this system extensively as did Packard and Chrysler in the United States through the 1950s and 1960s
4）Air springs Air springs which consist of a cylindrical chamber of air positioned between the wheel and the car's body use the compressive qualities of air to absorb wheel vibrations The concept is actually more than a century old and could be found on horsedrawn buggies Air springs from this era were made from airfilled leather diaphragms much like a bellows they were replaced with moldedrubber air springs in the 1930s
Based on where springs are located on a car ie between the wheels and the frame engineers often find it convenient to talk about the sprung mass and the unstrung mass
4 Sprung and Unstrung Mass
The sprung mass is the mass of the vehicle supported on the springs while the unstrung mass is loosely defined as the mass between the road and the suspension springs The stiffness of the springs affects how the sprung mass responds while the car is being driven Loosely sprung cars such as luxury cars (think Lincoln Town Car) can swallow bumps and provide a supersmooth ride however such a car is prone to dive and squat during braking and acceleration and tends to experience body sway or roll during cornering Tightly sprung cars such as sports cars (think Mazda Miata) are less forgiving on bumpy roads but they minimize body motion well which means they can be driven aggressively even around corners
So while springs by themselves seem like simple devices designing and implementing them on a car to balance passenger comfort with handling is a complex task And to make matters more complex springs alone can't provide a perfectly smooth ride Why Because springs are great at absorbing energy but not so good at dissipating it Other structures known as dampers are required to do this
5 Shock Absorbers
Unless a dampening structure is present a car spring will extend and release the energy it absorbs from a bump at an uncontrolled rate The spring will continue to bounce at its natural frequency until all of the energy originally put into it is used up A suspension built on springs alone would make for an extremely bouncy ride and depending on the terrain an uncontrollable car
Enter the shock absorber or snubbed a device that controls unwanted spring motion through a process known as dampening Shock absorbers slow down and reduce the magnitude of vibratory motions by turning the kinetic energy of suspension movement into heat energy that can be dissipated through hydraulic fluid To understand how this works it's best to look inside a shock absorber to see its structure and function
A shock absorber is basically an oil pump placed between the frame of the car and the wheels The upper mount of the shock connects to the frame (ie the sprung weight) while the lower mount connects to the axle near the wheel (ie the unstrung weight) In a twintube design one of the most common types of shock absorbers the upper mount is connected to a piston rod which in turn is connected to a piston which in turn sits in a tube filled with hydraulic fluid The inner tube is known as the pressure tube and the outer tube is known as the reserve tube The reserve tube stores excess hydraulic fluid
When the car wheel encounters a bump in the road and causes the spring to coil and uncoil the energy of the spring is transferred to the shock absorber through the upper mount down through the piston rod and into the piston Orifices perforate the piston and allow fluid to leak through as the piston moves up and down in the pressure tube Because the orifices are relatively tiny only a small amount of fluid under great pressure passes through This slows down the piston which in turn slows down the spring
Shock absorbers work in two cycles the compression cycle and the extension cycle The compression cycle occurs as the piston moves downward compressing the hydraulic fluid in the chamber below the piston The extension cycle occurs as the piston moves toward the top of the pressure tube compressing the fluid in the chamber above the piston A typical car or light truck will have more resistance during its extension cycle than its compression cycle With that in mind the compression cycle controls the motion of the vehicle's unstrung weight while extension controls the heavier sprung weight
All modern shock absorbers are velocitysensitive the faster the suspension moves the more resistance the shock absorber provides This enables shocks to adjust to road conditions and to control all of the unwanted motions that can occur in a moving vehicle including bounce sway brake dive and acceleration squat
6 Struts and Antisway Bars
another common dampening structure is the strut basically a shock absorber mounted inside a coil spring Struts perform two jobs They provide a dampening function like shock absorbers and they provide structural support for the vehicle suspension That means struts deliver a bit more than shock absorbers which don't support vehicle weight they only control the speed at which weight is transferred in a car not the weight itself
figure 61 Common strut design
Because shocks and struts have so much to do with the handling of a car they can be considered critical safety features Worn shocks and struts can allow excessive vehicleweight transfer from side to side and front to back This reduces the tire's ability to grip the road as well as handling and braking performance
7 Antisway Bars
Antisway bars (also known as antiroll bars) are used along with shock absorbers or struts to give a moving automobile additional stability An antisway bar is a metal rod that spans the entire axle and effectively joins each side of the suspension together
When the suspension at one wheel moves up and down the antisway bar transfers movement to the other wheel This creates a more level ride and reduces vehicle sway In particular it combats the roll of a car on its suspension as it corners For this reason almost all cars today are fitted with antisway bars as standard equipment although if they're not kits make it easy to install the bars at any time
8The Future of Car Suspensions
While there have been enhancements and improvements to both springs and shock absorbers the basic design of car suspensions has not undergone a significant evolution over the years But all of that's about to change with the introduction of a brandnew suspension design conceived by Bose the same Bose known for its innovations in acoustic technologies Some experts are going so far as to say that the Bose suspension is the biggest advance in automobile suspensions since the introduction of an allindependent design
Figure 31 Suspension Front Module
How does it work The Bose system uses a linear electromagnetic motor (LEM) at each wheel in lieu of a conventional shockandspring setup Amplifiers provide electricity to the motors in such a way that their power is regenerated with each compression of the system The main benefit of the motors is that they are not limited by the inertia inherent in conventional fluidbased dampers As a result an LEM can extend and compress at a much greater speed virtually eliminating all vibrations in the passenger cabin The wheel's motion can be so finely controlled that the body of the car remains level regardless of what's happening at the wheel The LEM can also counteract the body motion of the car while accelerating braking and cornering giving the driver a greater sense of control
Unfortunately this paradigmshifting suspension won't be available until 2009 when it will be offered on one or more highend luxury cars Until then drivers will have to rely on the triedandtrue suspension methods that have smoothed out bumpy rides for centuries
References
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附录C
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摘Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ
1 绪 3
11 悬架概述 3
12 悬架分类 4
13 重型载货汽车悬架系统目前工作状况 5
14 悬架技术研究现状发展趋势 6
141悬架技术研究现状 6
142悬架技术发展趋势 6
143悬架设计技术求 6
2 空气悬架结构 7
21 空气悬架结构简介 7
211空气悬架系统基结构 7
212空气弹簧类型 7
213导机构 8
214高度控制阀 8
22 空气悬架系统工作原理 8
3 悬架参数确定 10
31 载货汽车结构参数 10
32 悬架静挠度 10
33 悬架动挠度 11
34 悬架弹性特性 11
4 弹性元件设计 13
41 空气弹簧力学性 13
411空气弹簧刚度计算 13
412空气弹簧固频率计算 15
413空气弹簧刚度特性分析 16
42 高度控制阀 18
5 悬架导机构设计 19
51 悬架导机构概述 19
52 横稳定杆选择 19
53 侧顷力臂计算方法 20
54 稳定杆角刚度计算 22
55 悬架侧倾角校核 23
6 减振器机构类型参数选择计算 24
61 分类 24
62 参数选择计算 25
7 技术济性分析 30
8 结 31
参考文献 32
致谢 33
附录A 译文 34
附录B 外文原文 41
附录C 维图形…………………………………………………………………………………………51
1 绪
11 悬架概述
悬架车架（承载式车身）车桥（车轮）间切传力连接装置总称功路面作车轮垂直反力（支承力）反力（牵引力制动力）侧反力反力造成力矩传递车架（承载式车身）保证汽车正常行驶
现代汽车悬架种结构形式般弹性元件减振器导机构三部分组成汽车行驶路面绝坦路面作车轮垂直反力击性特坏路面高速行驶时种击力达数值击力传车架车身时引起汽车机件早期损坏传员货物时员感极舒适货物受损伤缓击汽车行驶系统中采弹性充气轮胎外悬架中必须装弹性元件车架（车身）车桥（车轮）间作弹性联系弹性系统受击产生振动持续振动易员感舒适疲劳悬架应具减振作振动迅速衰减（振幅迅速减）许结构形式汽车悬架中设专门减振器
悬架重组成部分进行简单介绍
()弹性元件
弹性元件车架车身车桥车轮弹性连接起空气弹簧钢板弹簧螺旋弹簧扭杆弹簧等
(1)空气弹簧
空气弹簧橡胶囊围成密闭容器中贮入压缩空气利空气压缩性实现弹簧作种弹簧刚度变作弹簧载荷增加时容器定量气体气压升高弹簧刚度增反载荷减时弹簧气压降刚度减空气弹簧具较理想弹性特性
着科学技术突飞猛进生活水断提高汽车坐舒适性方面性提出更高求便迫汽车生产厂家断引进先进技术生产出更产品保持强竞争力空气弹簧设计研究越越受车辆设计员青睐文空气弹簧进行研究探讨
(2)钢板弹簧
片等长等曲率钢板叠合成钢板弹簧具缓作外定减震作
(3)螺旋弹簧
具备缓作轿车独立悬挂装置没减震传力功必须设专门减震器导装置
(4)扭杆弹簧
弹簧杆做成扭杆端固定车架端通摆臂车轮相连利车轮跳动时扭杆扭转变形起缓作适合独立悬挂
(二)导装置
导装置指悬架中某传力时承担着车轮定轨迹相车架车身跳动务机构导装置点作：①车架车桥间传递力矩②车桥车轮定轨迹相车身车架跳动
(三)减振装置
减振装置消耗振动量衰减振动弹性系统受击会产生振动减震器振幅迅速减避免持续振动驾驶员舒适疲劳
车轮相车架车身跳动时车轮（特转轮）运动轨迹应符合定求否汽车某行驶性（特操稳定性）利影响悬架中某传力构件时承担着车轮定轨迹相车架车身跳动务传力构件起导作称导机构
见述三组成部分分起缓减振导作然三者务传力
4
3
2
1
5
1—弹性元件 2—推力杆 3—减振器 4—横稳定器 5—横推力杆
图11 汽车悬架组成示意图
12 悬架分类
根导机构型式汽车悬架分非独立悬架独立悬架非独立悬架结构特点左右车轮根整体轴连接悬架车价（车身）连接独立悬架结构特点左右车轮通悬架车架（车身）连接
独立悬架侧车轮单独通弹性悬架悬挂车架车身面优点：质量轻减少车身受击提高车轮面附着力刚度较软弹簧改善汽车舒适性发动机位置降低汽车重心降低提高汽车行驶稳定性左右车轮单独跳动互相干减车身倾斜震动独立悬架存着结构复杂成高维修便缺点现代轿车采独立式悬架结构形式独立悬架分横臂式臂式连杆式烛式麦弗逊式悬架等
图12 独立悬架
非独立悬架结构特点两侧车轮根整体式车架相连车轮连车桥起通弹性悬架悬挂车架车身面非独立悬架具结构简单成低强度高保养容易行车中前轮定位变化优点舒适性操稳定性较差现代轿车中基已货车客车
图13 非独立悬架
13 重型载货汽车悬架系统目前工作状况
现代载货运输特点求样化简单货物甲运送乙运输方式满足运输求济领域中道路情况运输安全性守时性灵活性运输价格效率直接关系企业命运存亡运输质量安全首先通行驶系统保证越越车辆制造者汽车企业家认识悬架系统重性目前重型载货汽车直面着问题：汽车载重量性间矛盾载货汽车空载时汽车舒适性会满载时差尤型工程运输车凹凸路面甚露天矿山长时间返行驶时种情况更加明显空载少量载荷时货车性差样会驾驶员坐者容易感疲劳引发交通事造成严重果载重货车言根途工况客户需求承载力性必须综合考虑目前重型载货汽车动式定刚度悬架系统求较高承载力势必悬架刚度然根研究知悬架刚度越汽车行驶性安全性越差承载力性直载货汽车悬架系统设计中—永恒矛盾
14 悬架技术研究现状发展趋势
141悬架技术研究现状
机械装置基规律指出：载货汽车良舒适性操稳定性良承载力定刚度定阻尼减震器传统悬架中时满足传统悬架设计程中避免进行坐舒适性操稳定性折衷年传统悬架结构断更新完善采优化设计方法进行设计已汽车(特轿车)坐舒适性操稳定性提高例横臂式独立悬架臂式独立悬架车轮销移动悬架(烛式麦弗逊式)等等采传统悬架系统然受许限制终设计悬架参数(弹簧刚度减振器阻尼系数)调节致传统悬架系统保证汽车种特定道路速度条件达性优折衷
142悬架技术发展趋势
前型商汽车半挂车中采空气悬架系统越越空气悬架突出优点性维修少寿命长承运客货物保护钢板弹簧悬架着提高整车路面损坏程度减少
钢板弹簧载荷产生弯曲样会导致整车面距离总发生变化果保持弹簧弹性增加载荷话会降低弹簧固频率甚弹簧特性发生改变
空气弹簧基空气压缩性封闭气囊里空气弹性元件空气弹簧通气囊压力衡载荷空气弹簧固频率稳定弹性性稳定样意味着空气弹簧更加接理想状态
着国高速公路迅速发展公路运输量增加汽车性求越越高空气悬架着身优越性货车应必越越广泛外着重型载货汽车路面破坏机理研究认识进步加深政府高速路养护进步重视空气悬架重型货车应必进步增加空气悬架设计进行深入研究显越越重
143悬架设计技术求
悬架提出设计求：
（1）保证汽车良行驶性
（2）具适合衰减振动力
（3）保证汽车具良操稳定性
（4）汽车制动加速时保证车身稳定性减少车身倾转弯时车身侧倾角适合
（5）良隔声力
（6）结构紧凑占空间尺寸
（7）传递车身车轮间种力力矩满足零部件质量时保证足够强度寿命
2 空气悬架结构
21 空气悬架结构简介
211空气悬架系统基结构
空气弹簧悬架具变刚度刚度振动频率低车身高度变等优点典型机械式空气悬架包括部分：
(1)空气弹簧
空气弹簧橡胶囊围成密闭容器中贮入压缩空气利空气压缩性实现弹簧作种弹簧刚度变作弹簧载荷增加时容器定量气体气压升高弹簧刚度增反载荷减时弹簧气压降刚度减空气弹簧具较理想弹性特性
(2)导机构
导机构承受汽车力力矩横力空气悬架承受垂直载荷需安装导机构承受横力力力矩车桥(者车轮)定轨迹相车身车架跳动
(3)减振装置
减振装置消耗振动量衰减振动空气作空气弹簧工作介质摩擦极板簧相空气弹簧身少量阻尼空气悬架必须装阻尼器阻尼相应增加达迅速衰减振动目果阻尼会反应迟钝车身传递高频振动击减振器阻尼匹配否合理影响悬架性
(4)高度控制阀
高度控制阀空气弹悬架系统重组成部分功：①整车载荷变化保持合理悬架行程②高速时降低车身高度保持车身稳定性减少空气阻力⑨起伏路面提高车身高度提高汽车通性空气弹簧优越性通安装高度控制阀充分显现出
(5)附属装置
空气弹簧压缩空气作介质必须装压气机产生压缩空气外进步提高空气弹簧性部分空气悬架装辅助气室现着科技迅速发展高档客车轿车商车已成功电控空气悬架种悬架高度传感器电子控制单元控制空气弹簧充气排气更加提高空气悬架控制精度反应速度功时缺点：种汽车悬架结构更复杂成非常高
国应广泛汽车悬架发展必然趋势
212空气弹簧类型
空气弹簧结构设计成类型根压缩空气容器空气弹簧分囊式膜式两种形式
(1)囊式空气弹簧
囊式空气弹簧夹帘线橡胶气囊密闭容器中压缩气体组成气囊层气密性橡胶制成外层耐油橡胶制成根橡胶气囊曲数分单曲双曲曲囊式空气弹簧气囊段间镶嵌金属轮缘承受气体压张力囊式空气弹簧效面积变化率较刚度较振动频率较高囊式空气弹簧说适选择空气弹簧效面积变化率辅助气室容积效降低振动频率着段数增加空气弹簧刚度会变气囊变形曲部均分担曲段数越空气弹簧效直径变化率会越
(2)膜式空气弹簧
膜式空气弹簧构造金属外筒筒缸筒活塞间放置橡皮膜通膜变形实现整体伸缩外筒壁筒外壁预先出适倾斜曲面橡皮膜伸缩时该壁面发生变形受压面积变形变化获标准高度软位移时变硬特性合适非线性弹簧特性膜式空气弹簧国外客车应日益广泛膜式空气弹簧效直径变化较刚度较低振频率较低．膜式空气弹簧底座时活塞该空气弹簧效直径通改变活塞外形改变需弹性特性许膜式空气弹簧底座作辅助气室增加空气弹簧总容积改善空气弹簧性提高空气弹簧系统隔振效果效措施
213导机构
导传力机构空气悬架重组成部件承受汽车侧力力力矩定强度布置方式合理空气弹簧悬架中空气弹簧承受垂直载荷果导机构布置合理会空气弹簧带负担发生扭曲摩擦等现象恶化减震效果缩短空气弹簧寿命
汽车空气悬架导机构点作：①车架车桥间传递力矩②车桥车轮定轨迹相车身车架跳动空气悬架中导机构重作
214高度控制阀
高度控制阀空气悬架系统重组成部分作保证车辆静载荷路面保持定高度空气弹簧优势采高度控制阀情况充分体现汽车空气悬架高度控制阀般分机械式电磁式组成分带延时机构高度控制阀带延时机构高度控制阀目前国空气悬架采机械式高度阀针带延时机构带延时机构两种机械式高度阔进行简单介绍延时机构缓弹簧油压减振器组成作：车辆运行时正常振动中保证空气弹簧高度变化起进排气作静载荷变化极低频率振动时保证空气弹簧进行充排气汽车正常振动中高度阀进排气阀会频繁开减少压缩空气浪费带延时机构高度阀时车辆运行程中高度阀进排气阁断关闭空气消耗量般空气通道设置节流孔排气通道外加长橡胶软便限制空气流量避免空气中水分灰尘堵塞孔
22 空气悬架系统工作原理
理想状态装空气弹簧悬架汽车通压缩空气压力够载荷道路条件变化进行动调节满载空载整车高度会发生变化提高坐舒适性空气悬架工作原理：空气压缩机供储气筒压缩空气储气筒装压力保护阀储气筒压力超出设定压力时压力保护阀会动开载压力卸掉车辆直路面行驶时高度阀充气阀门排气阀门均关闭空气弹簧气囊充气放气车架高度保持变车辆行驶路面转弯时车轮产生跳动转弯离心力会车架产生倾斜连接车架高度控制阀控制杆会转定角度车辆载荷增加时空气弹簧压缩车架整体移高度控制阀控制杆旋转控制阀充气阀门开压缩空气高度控制阀气囊充气气压作车架回升高度控制阀控制杆旋转控制阀充气阀门开度逐渐变直关闭时车架恢复设定高度空气弹簧气囊回升原高度车辆载荷降时空气弹簧气囊腔压缩空气作伸长车架整体移高度控制阀控制杆旋转控制阀放气阀门开压缩空气高度控制阀外界排出车架降高度控制阀控制杆旋转控制阀放气阀门开度逐渐变直关闭时车架逐渐恢复设定高度
3 悬架参数确定
31 载货汽车结构参数
重型载荷汽车货车种吨位必须满足14t称重型载荷汽车
针目前国载货汽车空气悬架系统设计研究较少文现东风日产柴牌DND1250CWB459P钢板弹簧悬架载货汽车基础进行空气悬架改装设计轴载货车辆空气悬架系统设计具定参考意义DND1250CWB459P整车参数表示满足舒适性行驶稳性求 悬架求全部采空气弹簧前悬架采四连杆机构空气悬架系统 空气弹簧布置桥正方 作弹性元件承受全部垂直载荷悬架全部采空气悬架空气弹簧布置桥连接车架方
整车尺寸参数货车外廓尺寸长10150mm宽2400mm高2985mm轴距4615+1300mm轮距（前）20451860mm前悬1400mm悬2835mm整车质量参数整车整备质量9805kg额定载质量15000kg总质量25000kg前轴中轴轴距3 800mm中轴轴轴距1380mm前悬轮距1958mm悬轮距1800mm车轮静力半径540mm满载时整车重心高度1800mm前轮定位参数销倾角3°30′销倾角1°30′前轮外倾角1°30′前轮前束0mm1mm
32 悬架静挠度
悬架静挠度指汽车满载静止时悬架载荷时悬架刚度c
数汽车言悬架质量分配系数似认前桥方车身部分集中质量垂直振动相互独立偏频表示振动频率偏频越汽车性越采钢板弹簧载货汽车偏频略高轿车前悬架约13Hz悬架超15Hz采空气弹簧数值进步降低载货汽车0812Hz减汽车角振动般汽车前悬架偏频约085095
（31）
前悬架刚度（Ncm）前悬架簧质量（kg）采弹性特性线性变化悬架时前悬架静挠度式表示
式中g重力加速度g9810mm
代式（31）
（32）
式中 单位mm
式知悬架静挠度直接影响车身振动偏频n保证汽车良行驶性必须正确选取悬架静挠度
选取前悬架静挠度值时希悬架静挠度前悬架静挠度利防止车身产生较角振动理分析证明：汽车较高车速驶单路障＜1时车身角振动＞1时推荐取＝（08～09）考虑货车前轴荷差推荐
途汽车性求样运送轿车性求高客车次载货车更次普通级轿车满载情况前悬架偏频求100～145Hz悬架求117～158Hz原轿车级越高悬架偏频越高级轿车满载情况前悬架偏频求080～115Hz悬架求098～130Hz货车满载时前悬架偏频求150～210Hz悬架求170～217Hz选定偏频利式(3—2)计算出悬架静挠度
33 悬架动挠度
悬架动挠度指满载衡位置开始悬架压缩结构允许形变求悬架应足够动挠度防止破坏路面行驶时常碰撞缓块货车取6090mm
汽车新手册采空气弹簧载货汽车偏频09Hz1Hz代公式（32）3070mm2487mm设计选取90mm60mm
34 悬架弹性特性
悬架受垂直外力F引起车轮中心相车身位移厂(悬架变形)关系曲线称悬架弹性特性切线斜率悬架刚度
悬架弹性特性线性弹性特性非线性弹性特性两种悬架变形厂受垂直外力F间呈固定例变化时弹性特性直线称线性弹性特性时悬架刚度常数悬架变形受垂直外力F间呈固定例变化时弹性特性图3—1示时悬架刚度变化特点满载位置(图中点8)附刚度曲线变化缓性良距满载较远两端曲线变陡刚度增样限动挠度范围线性悬架更动容量悬架动容量系指悬架静载荷位置起变形结构允许变形止消耗功悬架动容量越缓块击穿性越
空载满载时簧质量变化货车客车减少振动频率车身高度变化应选刚度变非线性悬架轿车簧质量中然变化减少车轴车架撞击减少转弯行驶时侧倾制动时前俯角加速时仰角应采刚度变非线性悬架
钢板弹簧非独立悬架弹性特性视线性带副簧钢板弹簧空气弹簧油气弹簧等均刚度变非线性弹性特性悬架
图3—1 悬架弹性特性曲线
1—缓块复原点 2—复原行程缓块脱离支架 3—弹簧弹性特性曲线 4—复原行程5—压缩行程 6—缓块压缩期悬架弹性特性曲线 7—缓块压缩时开始接触弹性支架 8—额定载荷
4 弹性元件设计
空气悬架应型客车轨电车高级轿车长途运输重型载货汽车挂车应弹性元件夹帘线橡胶囊模充入腔压缩空气组成种悬架弹性元件减振器导机构外般装车身高度调节装置
空气弹簧设计较柔软空气悬架较低固频率时空气弹簧变刚特性频率较载荷变化范围保持变提高汽车性空气悬架优点通调节车身高度客车板高度载货汽车货箱高度哦载荷变化基保持变外空气悬架具空气弹簧寿命长质量噪音低等优点
结构特点空气弹簧分囊式膜式两类囊式空气弹簧结构相简单制造方便刚度较高常型客车轨电车载货汽车常配辅助气室降低弹簧刚度膜式空气弹簧刚度适应作轿车悬架等空气压力尺寸承载力动刚度会增
橡胶囊元件囊式空气弹簧承受压张力钢质腰环分割气囊分节数分单曲双曲曲气囊三种囊式空气弹簧结构较简单制造容易成低工作时橡胶膜曲率变化寿命长次设计选取双曲空气弹簧
图 4—1 双曲气囊空气弹簧
1—盖 2—橡胶膜 3—腰环 4—底座
41 空气弹簧力学性
空气弹簧支承弹性作取决空气弹簧压缩空气容积气体压缩系数基决定理想空气弹簧力学性
411空气弹簧刚度计算
空气弹簧利橡胶气囊压缩空气反作力作弹性恢复力弹性元件刚度空气弹簧重性参数理公式空气弹簧垂直刚度C计算：
(41)
—橡胶气囊压缩气体工作压力
—标准气压取01MPa
—空气弹簧效承压面积
L—空气弹簧效行程
—气弹簧效承压面积变化
V空气弹簧空气体积
n变指数取决空气弹簧形变速度空气弹簧缓慢振动时弹簧气体状态变化视等温变化n1空气弹簧剧烈振动时弹簧气体状态变化视绝热程n1．3～1．4次设计选取n1380
囊式空气弹簧效面积变化率空气弹簧固频率影响较空气弹簧等压条件效面积变化率0次设计选取0
式（4l）知空气弹簧效承压面积交化率空气弹簧刚度影响显著囊式空气弹簧工作时效承压面积交化率较弹簧刚度较分担气囊形变曲囊越气囊效承面积变化率越曲囊增减囊式空气弹簧刚度橡胶气囊正常工作气压范围膜式空气弹簧效承压积面变化率囊式气弹簧膜式空气弹簧刚度囊式空气簧时膜式空气弹簧通改变活塞底部形状控制效承压面积变化率获理想弹性特性外囊式空气弹簧通添加辅助气室膜式空气弹簧利活塞底座空心腔作辅助气室增气体体积降低弹簧刚度
1）前悬空气弹簧刚度计算
前悬架四气囊四减震器两高度控制阀两根横推力杆两根推力杆构成四连杆结构根GBT1306191汽车空气弹簧规定次选取弹簧型号B7380X390囊式空气弹簧
设前悬架非簧载质量500kg计算前悬架支空气弹簧承受负载
式中：G前悬轴载荷6370kgi空气弹簧数前悬簧载质量前悬非簧载质量代入推出14675kg空气弹簧受力143815N
n变指数处选取1380橡胶气囊压缩气体工作压力取标准气压取01MPa空气弹簧效承压面积390mm设计高度载荷143815N时弹簧部压强03Mpa计算1438150348010V空气弹簧体积V390×480×10187×10mm效面积变化率空气弹簧等压条件0述数代入公式（41）计算前悬空气弹簧刚度698Nmm
2）悬空气弹簧刚度计算
悬架四气囊四减震器两高度控制阀两根横推力杆两根推力杆构成四连杆结构根GBT 1306191汽车空气弹簧规定次选取弹簧型号B7380X390囊式空气弹簧
式中：悬轴载荷12740kgj空气弹簧数悬簧载质量悬非簧载质量1000kg代入推出2935kg空气弹簧受力28763N
种空气弹簧变指数效面积变效面积变化率然零橡胶气囊压缩气体工作压力取参数代入式子（41）悬空气弹簧刚度1189Nmm
412空气弹簧固频率计算
弹簧振动固频率表示
（42）
式中 g—重力加速度 g9810mm
D—气囊圆截面效直径
空气弹簧垂直刚度知时式计算固频率：
—气体常数汽车载荷缓慢变化时弹簧空气状态变化接等温程取＝1汽车行驶程振动时弹簧空气状态变化接绝热程取＝14实际计算时通常取＝12～14
式子（42）出：
1）频率选择充气压力关越固频率越低种影响压力较低时尤明显充气压力提高时接1时提高降低固频率明显影响频率折算高度H关H越固频率越低特较气囊增加H降低固频率明显影响较气囊H影响明显
2）频率效面积变化率关越n越高越n越低
充气压力提高时接1时提高降低固频率明显影响次设计选取1n变指数处选取1380效直径变化率般囊式空气弹簧效直径变化率035～040膜式空气弹簧效直径变化率010～02间次设计选取04述参数代入（42）中空气弹簧固频率094Hz
413空气弹簧刚度特性分析
充满气体空气弹簧作外力会引起弹簧微变形相应气体容积变化量囊壁变形做功外力作功相忽略外力作功等气体受压作功
（4－3）
式中—弹簧空气绝压强
—标准气压强
定义弹簧效面积
（4－4）
（4－5）
式位移求导空气弹簧刚度
（4－6）
表明空气弹簧刚度两部分构成分气体体积变化效面积变化引起设计空气弹簧时两方面加考虑
静衡位置时代式(4－6)静衡位置弹簧刚度
（4－7）
中出想获较软刚度应该增布置允许占高空间常常采增加辅助气室办法达增减刚度目
空气弹簧法承受侧力转矩必须悬架选择恰导杆系目前常三种方式：①钢板弹簧作导元件种方法优点利前零部件便改装时板簧空气弹簧联合作悬架弹性特性更接理想悬架偏频载荷范围似保持变②臂式种方式增加设计灵活性较保证悬架倾特性车轮跳动时销倾角变化量满足求③A型架式实际臂式变形侧刚度较减车身侧摆动加速度减悬架中出现附加载荷重型车悬架轿车般前悬采双横臂悬采臂式导机构
空气悬架车身高度调节机构端固定车架端固定车身联动阀车引高度变化时阀动作开相应气路弹簧气室中补充弹簧气室放出空气达测节车身高度目
汽车正常行驶程中垂振动侧倾车身车桥间总会发生相位移设计车身高度调节器时必须采取必措施防止类情况车身高度调节器频繁动作
42 高度控制阀
高度控制阀空气悬架系统重组成部分作保证车辆静载荷路面保持定高度空气弹簧优势采高度控制阀情况充分体现
高度控制阀（称高度阀）分机械式电磁式组成分带延时机构带延时机构考虑目前国空气悬架采机械式高度阀针带延时机构带延时机构两种机械式高度阀进行研究
带延迟机构高度阀工作原理：车体荷重增加时车体降空气弹簧压缩控制杆推方凸轮转动带动活塞顶开进排气阀风缸中压缩空气通段节流通道流入空气弹簧车架恢复定高度控制杆会返回衡位置时进气阀关闭压缩空气关断车体荷重减少时车体升空气弹簧伸长荷重增加时情况相反控制杆拉进排气阀开空气弹簧空气节流通道活塞通道排出
图4—2 带延时机构高度阀示意图
高度阀特性参数截止频率般1Hz感带mm动作延迟时间s低流量120 LMin标准流量350 LMin排气气流流速875 Lmin
5 悬架导机构设计
51 悬架导机构概述
空气悬架组成部分空气弹簧外导杆件减振器横稳定器高度控制组件缓限位部件等组成中导机构发挥着非常重作
导传力机构空气悬架中重部件承受汽车力侧力力矩定强度布置方式合理避免运动干涉空气弹簧悬架中承受垂直减振消振果导机构设计合理会增加空气弹簧负担甚会发生扭曲摩擦等现象恶化减振效果缩短弹簧寿命
汽车空气悬架导机构作：①车架(承载式车身)车桥(车轮)间传递力力矩②车桥(车轮)定轨迹相车身车架跳动
重型汽车空气悬架导机构组成型式种：（1）钢板弹簧混合式导机构（2）双横臂式导机构（3）双臂式导机构
设计选双臂式导机构
图5—1 双臂四连杆导机构
重型汽车空气悬架设计中双臂式导机构广泛采臂般布置两边面两根推力杆位置方式根需进行灵活安排种两臂样布置种两根臂合起布置中间两种方式承受侧力需横推力杆面两根推力杆倾斜布置构成三角形架面两根推力杆构成四连杆机构设计时般采4X4X4设计思想：四气囊四减震器四连杆结构现重型汽车采v型推力杆结构较流行种结构传递力时传递横力机构较紧凑简洁空间布置更合理
52 横稳定杆选择
降低汽车固振动频率改善行驶性现轿车悬架垂直刚度值较汽车侧倾角刚度值较结果汽车转弯侧倾严重影响汽车行驶稳定性现代汽车装横稳定杆加悬架侧倾角刚度改善汽车行驶稳定性横稳定杆带处增加悬架侧倾角刚度减汽车转时车身侧倾角外适选择前悬架侧倾角刚度值助汽车获需足转特性通汽车前悬架中装横稳定杆者前悬架中安装悬架中安装会汽车趋转横稳定杆带利素：汽车坑洼路面行驶时左右轮间垂相位移横稳定杆作增加车轮处垂刚度会影响汽车性
悬架中横稳定杆兼起部分导杆系作余情况设计时应注意避免悬架导杆系发生运动干涉缓隔振降低噪声横稳定杆车轮车架连接处均橡胶支承次设计选取DND1250CWB459P前横稳定杆形状图示
图5—2 横稳定杆外形图
53 侧顷力臂计算方法
现讨侧顷力臂计算方法 双臂式非独立前悬架布置方式图5—3示
图5—3 臂式非独立悬架布置形式
种悬架中推力杆传递轮胎车身力车身受侧顷力作时面通两根斜布置导杆约束反力台力Y衡Y作点0通车轴横垂直面投影0m侧顷力矩中心单臂式悬架侧倾力矩中心双臂类似篇幅限文详细描述
整车侧倾力臂h计算：
（51）
式中悬挂质量重心高度
整车侧倾力矩中心高度
根质心公式簧载质量质心高度：
（52）
式中：G满载整车质量G25000kg非簧载总质量2500kg车轮静力半径540mm满载时整车重心高度1800mm述参数代入公式1940mm
（53）
式中 —分车身前轴处侧倾力矩中心高度
a—整车悬挂质量重心前轴距离
l—轴距
根载荷分配关系质心距前轴距离：
（54）
根章节计算知前轴簧载质量5870kg 11740kg前轴中轴间距3800mm中轴轴间距1380mm参数代入面（54）公式a2990mm
根计算知前悬架簧载质心侧倾中心距离650mm悬架簧载质心侧倾中心侧倾距离680mm：轴距l4615+1300mm（54）a2990mm起代入（53）665mm
出整车侧倾力臂19406651275mm
54 稳定杆角刚度计算
横稳定杆机构图54示根材料力学原理求出稳定杆角刚度
根材料力学原理求出稳定杆角刚度连接点橡胶件变形稳定杆侧倾角刚度会减1530
（55）
式中：E材料弹性模量E206X10MPa I稳定杆截面惯性矩惯性距根选取DND1250CWB459P前横稳定杆直径d60mm余参数图54示
图5—4 横稳定杆计算简图
参数代入公式（55）前横稳定杆角刚度横稳定杆角刚度
整车侧倾角刚度前悬架刚度：
（56）
式中：前悬架空气弹簧跨度前横稳定杆角刚度
参数代入公式（56）
55 悬架侧倾角校核
悬架侧倾角刚度系数指簧质量产生单位侧倾角时悬架车身弹性恢复力矩簧质量侧倾角影响侧倾角坐侧倾角刚度侧倾角汽车员缺乏舒适感安全感侧倾角刚度侧倾角汽车缺乏汽车发现侧翻感觉时轮胎侧偏角增果发生轮会汽车增加转
整车侧倾角进行简单校核侧倾角极时根绕侧轴力矩条件推出侧倾角
（57）
式中：μ心加速度选取04g
簧载质量质心高度
簧载质量
h簧载质量侧倾力臂
整车侧倾角刚度
章节求参数代入公式（57）簧载质量质心高度1940mmh簧载质量侧倾力臂h1275mm整车侧倾角刚度 004rad 223°求侧惯性力等04倍车重时货车车身侧倾角超车身侧倾角2～5范围侧倾角刚度满足设计求
6 减振器机构类型参数选择计算
61 分类
悬架中减振器部充液体液力式减振器汽车车身车轮振动时减振器液体流阻尼孔时摩擦液体粘性摩擦形成振动阻力振动量转变热散发周围空气中达迅速衰减振动目果量耗散仅仅压缩行程者伸张行程进行种减振器称单作式减振器反称双作式减振器者减振作前者广泛应
根结构形式减振器分摇臂式筒式两种然摇臂式减振器够较工作压力(10—20MPa)条件工作工作特性受活塞磨损工作温度变化影响遭淘汰筒式减振器工作压力然仅25～5MPa工作性稳定现代汽车广泛应筒式减振器分单筒式双筒式充气筒式三种双筒充气液力减振器具工作性稳定干摩擦阻力噪声低总长度短等优点轿车越越应
设计减振器时应满足基求期间保证汽车行驶性性稳定
现代汽车采筒式减振器车架车轴相运动时减振器油液孔壁间摩擦形成车身振动阻力种阻力工程称阻尼力阻尼力会车身振动转化热油液壳体吸收更实现轿车行驶稳性安全性阻尼系数固定某数值汽车运行状态变化悬挂性总处优状态附汽车减振器调式根传感器信号动选择
(1) 压缩行程（车桥车架相互）减振器阻尼力较便充分发挥弹性元件弹性作缓击时弹性元件起作
(2) 悬架伸张行程中（车桥车架相互远离）减振器阻尼力应迅速减振
(3) 车桥（车轮）车桥间相速度时求减振器动加液流量阻尼力始终保持定限度避免承受击载荷
双作筒式减振器工作原理说明压缩行程时指汽车车轮移车身减振器受压缩时减振器活塞移动活塞腔室容积减少油压升高油液流流通阀流活塞面腔室（腔）腔活塞杆占部分空间腔增加容积腔减容积部分油液推开压缩阀流回贮油缸阀油节约形成悬架受压缩运动阻尼力减振器伸张行程时车轮相远离车身减振器受拉伸时减振器活塞移动活塞腔油压升高流通阀关闭腔油液推开伸张阀流入腔活塞杆存腔流油液足充满腔增加容积腔产生真空度时储油缸中油液推开补偿阀流进腔进行补充阀节流作悬架伸张运动时起阻尼作
伸张阀弹簧刚度预紧力设计压缩阀样压力作伸张阀相应常通缝隙通道载面积总压缩阀相应常通缝隙通道截面积总减振器伸张行程产生阻尼力压缩行程阻尼力达迅速减振求次设计选取双筒式液力减振器
图6—1 双筒式液力减振器
1—活塞 2—工作缸筒 3—贮油缸筒 4—底阀座 5—导座 6—回流孔活塞杆 7—油封 8—防尘罩 9—活塞杆
62 参数选择计算
1相阻尼系数
减振器卸荷阀开前减振器中阻力F减振器振动速度间关系
(6－1)
式中减振器阻尼系数
图6—2b示出减振器阻力－速度特性图该图具特点：阻力－速度特性四段似直线线段组成中压缩行程伸张行程阻力－速度特性占两段段特性线斜率减振器阻尼系数减振器四阻尼系数没特指明时减振器阻尼系数指卸荷阀开启前阻尼系数言通常压缩行程阻尼系数伸张行程阻尼系数等
图6—2 减振器特性
a）阻力位移特性b)阻力速度特性
汽车悬架阻尼簧质量振动周期衰减振动相阻尼系数评定振动衰减快慢程度表达式
(6－2)
式中c悬架系统垂直刚度簧质量
式(6－2)表明相阻尼系数物理意义：减振器阻尼作刚度c簧质量悬架系统匹配时会产生阻尼效果值振动迅速衰减时较路面击力传车身值反通常情况压缩行程时相阻尼系数取伸张行程时相阻尼系数取两者间保持 ＝(025～050) 关系
设计时先选取均值摩擦弹性元件悬架取＝025～035摩擦弹性元件悬架值取行驶路面条件较差汽车值应取般取＞03避免悬架碰撞车架取＝05
2减振器阻尼系数
减振器阻尼系数悬架系统固振动频率理实际应根减振器布置特点确定减振器阻尼系数例减振器图6－
3a安装时减振器阻尼系数式计算
图6—3 减振器安装位置
(6－3)
式中n双横臂悬架臂长a减振器横臂连接点横臂车身铰接间距离
减振器图6－3b示安装时减振器阻尼系数占式计算
(6－4)
式中a减振器轴线铅垂线间夹角
减振器图6－3c示安装时减振器阻尼系数式计算
(6－5)
分析式(6－3)～式(6－4)知：横臂长度n变条件改变减振器横固定点位置者减振器轴线铅垂线间夹角会影响减振器阻尼系数变化
3卸荷力
减传车身击力减振器活塞振动速度达定值时减振器开卸荷时活塞速度称卸荷速度减振器安装图6－3b示时
(6－6)
式中卸载速度般015～030msA车身振幅取±40mm悬架振动固频率
已知伸张行程时阻尼系数载伸张行程卸荷力
4简式减振器工作缸直径D
根伸张行程卸荷力计算工作缸直径D
（6－7）
式中工作缸允许压力取3～4Mpa连杆直径缸筒直径双筒式减振器取＝040～050单筒式减振器取＝030～035
减振器工作缸直径D203040（45）5065mm等种选取时应标准选
贮油筒直径＝（135～150）D壁厚取2mm材料选20号钢
1）前悬架减振器设计
悬架阻尼力
式中：悬架相阻尼考虑舒适性较素汽车新实手册悬架阻尼前悬架取08减振器测试时加载速度取052ms点i汽车车轮减振器跳动行程杠杆设计取i1C悬架刚度698Nmm悬架簧载质量前悬架5870kg代入述数
悬架阻尼力052×2×08××16841N
前减振器安装方垂直方夹角10°前悬架阻尼力173619N
悬架压缩时压缩阻力复原阻力
（复原压缩力范围10~20间里取）代入
31567N 157835
根压缩阻力复原阻力选取减振器型号481700131397号减振器
2)悬架减震器设计
根前悬架计算方法悬架阻尼力
式中：悬架相阻尼考虑舒适性较素汽车新实手册悬架阻尼前悬架取06减振器测试时加载速度取052ms点i汽车车轮减振器跳动行程杠杆设计取i1C悬架刚度
1189Nmm悬架簧载质量悬架11740kg代入述数
悬架阻尼力052×2×06××233136N
根减振器垂直布置悬架压缩时 压缩阻力 42385N复原时 复原阻力211942N
压缩阻力复原阻力减振器行程样选择481700131397号减振器
7 技术济性分析
1）技术背景
车空气悬架系统流行发达国家汽车行业先进产品优点：仅提高员坐舒适性道路起保护作
然年中国关部门促进空气悬架系统汽车颁布相关法规然未年中国市场车空气悬架系统需求会迅猛增长前中国车空气悬架系统工业发展缓慢
发达国家空气悬架系统应情况：发达国家道路保护越越严格户减少汽车良振动求非常强烈客坐舒适性求高车空气悬架系统发达国家快速发展前发达国家100中型客车空气悬架系统40卡车挂车牵引车空气悬架系统
中国方面远发达国家：中国汽车超载现象十分严重户愿意购买装配钢板弹簧系统汽车装配钢板弹簧系统汽车户增加弹簧片满足超载欲
2）技术创新
目前中国市场车空气悬架系统三类：
第类着引进车型整体进入中国市场空气悬架系统西安沃尔沃常州维柯亚星奔驰等引进车型空气悬架系统属类类中国车空气悬架系统市场占导位
第二类直接国外引进车空气悬架系统类车空气悬架系统供货周期般三月难适应中国月供货惯运输成高弊病中国服水土进口空气悬架系统国外企业国外路况车况运输特点设计中国路况车况运输特点相匹配中国企业生产汽车进口空气悬架系统陷入非常尴尬境
第三类企业引进消化吸收国外先进车空气悬架系统技术基础兼顾中国汽车状况道路情况运输特点坚持先进性性相结合原户具体车型进行二次开发性化设计确保结构匹配合理性科学性量体裁衣改善底盘整体性北京精德精汽车底盘系统限公司方面典范
3）济性分析
便宜车空气悬架系统价格三四万元业界常常空气悬架系统发动机起称汽车价格高零部件车钢板弹簧系统价格万元中国户购买汽车时普遍热衷装配钢板弹簧系统汽车装配空气悬架系统汽车感兴趣
中国空气悬架系统中型客车中型客车总量中占例足10空气悬架系统卡车挂车牵引车更微微
中国高速公路高速发展必然会促进中国车空气悬架系统发展
空气悬架应卡车挂车牵引车问题技术积累程急产学研结合中国特色中国车空气悬架系统行业应走产学研相结合道路高校技术理优势企业实践机结合起现形势全国高举开发发展旗帜媒体呼吁关坚持面旗帜
够克服困难
8 结
次设计悬架系统进行结构设计通悬架静动挠度计算悬架弹性特性分析确定悬架参数空气弹簧刚度固频率计算刚度特性分析进行弹性元件设计导机构选择侧倾力臂计算稳定杆角刚度计算侧倾角校核进行导机构设计悬架减震器计算选择
文章空气悬架结构入手着重研究空气弹簧结构形式悬架机构空气悬架核心部件——空气弹簧进行力学性分析
文取成果工作量较时间短知识力尤理水较欠缺许足处会空气悬架做进步深入研究
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致谢
感谢专业老师学毕业文程中予关心帮助提供撰写文需资料
感谢老师传授技尤感谢指导老师武志斐老师辞辛苦帮修改文学更知识抽空讲解关制图方面技巧毕业设计提供例规定时间完成基务
感谢夕相处学谢谢美回忆
感谢家没没切
附录A 译文
汽车悬架工作
By William Harris
University of Michigan
思考汽车性时候通常想马力扭矩加速度果驾驶员控制车活塞式发动机产生力量什汽车工程师已掌握四程燃发动机立刻注意力转移悬挂系统
双横臂独立悬架田雅阁轿跑车2005年
汽车悬架工作量轮胎路面间提供良操稳定性确保客舒适度文中探讨汽车悬架工作年发展未中走
1车辆动力学
果道路完全坦没违规行悬架没必汽车行驶路面绝坦刚铺公路细微缺陷汽车车轮相联系
缺陷聚焦车轮根牛顿运动定律力方两方面路面作车轮垂直反力击性特坏路面高速行驶时候种击力达数值
果没中间结构车轮垂直量会转移车架接着重力作车轮幅度回路面里需系统吸收量转垂直加速度车身受干扰车轮道路形状颠簸
发动机工作力量开动汽车烟酒称车辆动力学研究需解中概念理解什悬挂必数汽车工程师两角度考虑移动汽车动态：
1）坐—汽车力理坦道路
2）处理—汽车力安全加速刹车
特点进步描述三重原——道路隔离行驶转弯面介绍原工程师试图解决独特挑战
汽车悬架组成部分提供解决方案描述
2底盘系统
汽车悬架实际底盘部分包括位方车体重系统
图21底盘
制度包括：
1）框架—结构承载组件支持汽车引擎身体反受悬挂支持
2）悬挂系统—安装支持重量吸收击削弱帮助维持轮胎接触
3）转系统—底盘驾驶者直接指导车辆
4）轮胎轮子—部件抓力汽车运动途径路面摩擦力
悬挂车辆系统
通图片概述三基组成部分悬挂弹簧阻尼器防摇杆
3弹簧
1）线圈弹簧—弹簧常见类型质重型扭杆围绕轴圈线圈弹簧压缩扩展吸收量方案
2）钢板弹簧—弹簧型层次金属称叶联系起作独立单元钢板弹簧初应马车符合美国标准汽车直1985年天卡车重型车辆
3）扭杆—钢筋提供coilspringlike性工作：杆端固定车架端连接叉杠杆移动垂直扭杆车轮撞垂直运动转移横臂然通利传动扭杆扭杆扭曲轴线提供弹簧力欧洲汽车制造商该系统广泛帕卡德克莱斯勒美国惠普克莱斯勒20世纪50年代60年代通
4）空气弹簧—空气弹簧空气弹簧空气弹簧中包括圆柱形室空气位置间车轮汽车车身压缩空气吸收车轮振动特性概念实际世纪前马车发现时代空气弹簧充气皮革隔膜波纹20世纪30年代模压橡胶空气弹簧取代
基弹簧位车—车轮间框架—工程师常常感方便谈谈簧载质量簧质量
4 弹簧簧质量
松散弹簧汽车豪华轿车（认林肯城市车）吞振动提供超级稳样车容易制动加速时候造成身体晃动严格车辆跑车（认马达Miata身）颠簸道路量减少身体震动方案意味着更积极驱动
弹簧身起简单设备设计实施汽车衡客舒适处理复杂务事情更复杂弹簧身提供完全什呢？弹簧够吸收量散热结构阻尼器必须样做
5 减振器
加速车架车身振动衰减改善汽车行驶性爱数汽车悬架系统部装减振器减振器弹性元件联安装
减振器阻尼力越振动消越快联弹性元件作充分发挥时阻尼力导致减振器连接零件车架损坏
减振器基安装车轮架车轮间油泵部安装击连接帧（弹簧重量）较低安装连接轴轮（没装弹簧重量）双设计里减振器部安装连接活塞杆连接活塞充满液压油坐常见类型称压力外已知储备
汽车车轮路遇碰撞造成线圈弹簧伤害弹簧量转移减震器穿越活塞杆活塞进入降低活塞减慢弹簧伸缩速率
减振器工作2周期——压缩周期周期延长压缩周期时活塞运动压缩液压流体活塞室延长周期发生活塞走顶端压力压缩流体述活塞室典型汽车轻型卡车更阻力扩展周期压缩循环方面压缩周期控制车辆运动拍体重量时扩展控制弹簧重量较重
现代减振器速度敏感—悬浮移动速度越快减振器阻力越规定击适应道路条件控制出现需方案行驶车辆包括弹跳摇摆刹车加速
6Struts防摇杆
种常见阻尼结构减震器安装弹簧执行两项工作：提供减震器阻尼作提供车辆悬挂支撑结构意味着提供支柱减振器控制辆汽车重量转移速度身重量
图61支撑设计
辆汽车击处理认关键安全功磨损击车辆重量侧转移边前降低轮胎抓力力道路处理制动性
7防摇杆
防摇杆（称防侧倾杆）减震器起移动汽车额外稳定防摇杆种金属杆跨越整轴两侧悬挂系统效连接起
车轮悬架移动防摇杆转转移车轮创建更性减少汽车摇摆基原天汽车作标准配置防摇装置杆机构果没包容易安装杆机构
8未汽车悬架
然增强改善弹簧减振器汽车悬架基设计年没显著
变化改变品牌新悬挂设计构思Bose—相Bose声技术方面创新闻名已知介绍专家甚说Bose汽车悬架全独立设计推出进步
图 81前悬架模块
工作呢Bose系统传统击弹簧安装轮子代线性电磁马达（LEM）该发动机处传统惯性流体阻尼器实现限制该轮议案够什方盘情况进行精细控制该车体保持水LEM抵消车身振动加速刹车转弯时候司机控制更加心应手
幸种模式暂时法直2009年高档豪华车提供前司机必须真实起百年考验悬挂
附录B 外文原文
How Car Suspensions Work
By William Harris
University of Michigan
When people think of automobile performance they normally think of horsepower torque and zeroto60 acceleration But all of the power generated by a piston engine is useless if the driver can't control the car That's why automobile engineers turned their attention to the suspension system almost as soon as they had mastered the fourstroke internal combustion engine
Doublewishbone suspension on Honda Accord 2005 Coupe
The job of a car suspension is to maximize the friction between the tires and the road surface to provide steering stability with good handling and to ensure the comfort of the passengers In this article we'll explore how car suspensions work how they've evolved over the years and where the design of suspensions is headed in the future
1 Vehicle Dynamics
If a road were perfectly flat with no irregularities suspensions wouldn't be necessary But roads are far from flat Even freshly paved highways have subtle imperfections that can interact with the wheels of a car It's these imperfections that apply forces to the wheels According to Newton's laws of motion all forces have both magnitude and direction A bump in the road causes the wheel to move up and down perpendicular to the road surface The magnitude of course depends on whether the wheel is striking a giant bump or a tiny speck Either way the car wheel experiences a vertical acceleration as it passes over an imperfection
Without an intervening structure all of wheel's vertical energy is transferred to the frame which moves in the same direction In such a situation the wheels can lose contact with the road completely Then under the downward force of gravity the wheels can slam back into the road surface What you need is a system that will absorb the energy of the vertically accelerated wheel allowing the frame and body to ride undisturbed while the wheels follow bumps in the road
The study of the forces at work on a moving car is called vehicle dynamics and you need to understand some of these concepts in order to appreciate why a suspension is necessary in the first place Most automobile engineers consider the dynamics of a moving car from two perspectives
1) Ride a car's ability to smooth out a bumpy road
2) Handling a car's ability to safely accelerate brake and corner
These two characteristics can be further described in three important principles road isolation road holding and cornering The table below describes these principles and how engineers attempt to solve the challenges unique to each
A car's suspension with its various components provides all of the solutions described
2 The Chassis System
The suspension of a car is actually part of the chassis which comprises all of the important systems located beneath the car's body
Figure 21 Chassis
These systems include
1) The frame structural loadcarrying component that supports the car's engine and body which are in turn supported by the suspension
2) The suspension system setup that supports weight absorbs and dampens shock and helps maintain tire contact
3) The steering system mechanism that enables the driver to guide and direct the vehicle
4) The tires and wheels components that make vehicle motion possible by way of grip andor friction with the road
So the suspension is just one of the major systems in any vehicle
With this bigpicture overview in mind it's time to look at the three fundamental components of any suspension springs dampers and antisway bars
3 Springs
Today's springing systems are based on one of four basic designs
1）Coil springs This is the most common type of spring and is in essence a heavyduty torsion bar coiled around an axis Coil springs compress and expand to absorb the motion of the wheels
2）Leaf springs This type of spring consists of several layers of metal (called leaves) bound together to act as a single unit Leaf springs were first used on horsedrawn carriages and were found on most American automobiles until 1985 They are still used today on most trucks and heavyduty vehicles
3）Torsion bars Torsion bars use the twisting properties of a steel bar to provide coilspringlike performance This is how they work One end of a bar is anchored to the vehicle frame The other end is attached to a wishbone which acts like a lever that moves perpendicular to the torsion bar When the wheel hits a bump vertical motion is transferred to the wishbone and then through the levering action to the torsion bar The torsion bar then twists along its axis to provide the spring force European carmakers used this system extensively as did Packard and Chrysler in the United States through the 1950s and 1960s
4）Air springs Air springs which consist of a cylindrical chamber of air positioned between the wheel and the car's body use the compressive qualities of air to absorb wheel vibrations The concept is actually more than a century old and could be found on horsedrawn buggies Air springs from this era were made from airfilled leather diaphragms much like a bellows they were replaced with moldedrubber air springs in the 1930s
Based on where springs are located on a car ie between the wheels and the frame engineers often find it convenient to talk about the sprung mass and the unstrung mass
4 Sprung and Unstrung Mass
The sprung mass is the mass of the vehicle supported on the springs while the unstrung mass is loosely defined as the mass between the road and the suspension springs The stiffness of the springs affects how the sprung mass responds while the car is being driven Loosely sprung cars such as luxury cars (think Lincoln Town Car) can swallow bumps and provide a supersmooth ride however such a car is prone to dive and squat during braking and acceleration and tends to experience body sway or roll during cornering Tightly sprung cars such as sports cars (think Mazda Miata) are less forgiving on bumpy roads but they minimize body motion well which means they can be driven aggressively even around corners
So while springs by themselves seem like simple devices designing and implementing them on a car to balance passenger comfort with handling is a complex task And to make matters more complex springs alone can't provide a perfectly smooth ride Why Because springs are great at absorbing energy but not so good at dissipating it Other structures known as dampers are required to do this
5 Shock Absorbers
Unless a dampening structure is present a car spring will extend and release the energy it absorbs from a bump at an uncontrolled rate The spring will continue to bounce at its natural frequency until all of the energy originally put into it is used up A suspension built on springs alone would make for an extremely bouncy ride and depending on the terrain an uncontrollable car
Enter the shock absorber or snubbed a device that controls unwanted spring motion through a process known as dampening Shock absorbers slow down and reduce the magnitude of vibratory motions by turning the kinetic energy of suspension movement into heat energy that can be dissipated through hydraulic fluid To understand how this works it's best to look inside a shock absorber to see its structure and function
A shock absorber is basically an oil pump placed between the frame of the car and the wheels The upper mount of the shock connects to the frame (ie the sprung weight) while the lower mount connects to the axle near the wheel (ie the unstrung weight) In a twintube design one of the most common types of shock absorbers the upper mount is connected to a piston rod which in turn is connected to a piston which in turn sits in a tube filled with hydraulic fluid The inner tube is known as the pressure tube and the outer tube is known as the reserve tube The reserve tube stores excess hydraulic fluid
When the car wheel encounters a bump in the road and causes the spring to coil and uncoil the energy of the spring is transferred to the shock absorber through the upper mount down through the piston rod and into the piston Orifices perforate the piston and allow fluid to leak through as the piston moves up and down in the pressure tube Because the orifices are relatively tiny only a small amount of fluid under great pressure passes through This slows down the piston which in turn slows down the spring
Shock absorbers work in two cycles the compression cycle and the extension cycle The compression cycle occurs as the piston moves downward compressing the hydraulic fluid in the chamber below the piston The extension cycle occurs as the piston moves toward the top of the pressure tube compressing the fluid in the chamber above the piston A typical car or light truck will have more resistance during its extension cycle than its compression cycle With that in mind the compression cycle controls the motion of the vehicle's unstrung weight while extension controls the heavier sprung weight
All modern shock absorbers are velocitysensitive the faster the suspension moves the more resistance the shock absorber provides This enables shocks to adjust to road conditions and to control all of the unwanted motions that can occur in a moving vehicle including bounce sway brake dive and acceleration squat
6 Struts and Antisway Bars
another common dampening structure is the strut basically a shock absorber mounted inside a coil spring Struts perform two jobs They provide a dampening function like shock absorbers and they provide structural support for the vehicle suspension That means struts deliver a bit more than shock absorbers which don't support vehicle weight they only control the speed at which weight is transferred in a car not the weight itself
figure 61 Common strut design
Because shocks and struts have so much to do with the handling of a car they can be considered critical safety features Worn shocks and struts can allow excessive vehicleweight transfer from side to side and front to back This reduces the tire's ability to grip the road as well as handling and braking performance
7 Antisway Bars
Antisway bars (also known as antiroll bars) are used along with shock absorbers or struts to give a moving automobile additional stability An antisway bar is a metal rod that spans the entire axle and effectively joins each side of the suspension together
When the suspension at one wheel moves up and down the antisway bar transfers movement to the other wheel This creates a more level ride and reduces vehicle sway In particular it combats the roll of a car on its suspension as it corners For this reason almost all cars today are fitted with antisway bars as standard equipment although if they're not kits make it easy to install the bars at any time
8The Future of Car Suspensions
While there have been enhancements and improvements to both springs and shock absorbers the basic design of car suspensions has not undergone a significant evolution over the years But all of that's about to change with the introduction of a brandnew suspension design conceived by Bose the same Bose known for its innovations in acoustic technologies Some experts are going so far as to say that the Bose suspension is the biggest advance in automobile suspensions since the introduction of an allindependent design
Figure 31 Suspension Front Module
How does it work The Bose system uses a linear electromagnetic motor (LEM) at each wheel in lieu of a conventional shockandspring setup Amplifiers provide electricity to the motors in such a way that their power is regenerated with each compression of the system The main benefit of the motors is that they are not limited by the inertia inherent in conventional fluidbased dampers As a result an LEM can extend and compress at a much greater speed virtually eliminating all vibrations in the passenger cabin The wheel's motion can be so finely controlled that the body of the car remains level regardless of what's happening at the wheel The LEM can also counteract the body motion of the car while accelerating braking and cornering giving the driver a greater sense of control
Unfortunately this paradigmshifting suspension won't be available until 2009 when it will be offered on one or more highend luxury cars Until then drivers will have to rely on the triedandtrue suspension methods that have smoothed out bumpy rides for centuries
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