6.2.2 影響汽車行駛平順性的結構因素

影響汽車行駛平順性的結構因素

本章要點

6.1 汽車的通過性

6.2 汽車行駛的平順性

為了便於分析，需要對由多質量組成的汽車振動系統進行簡化。圖6-16為經過簡化的振動系統模型。在研究振動時，常將汽車由當量系統代替，即把汽車視為由彼此相聯繫的懸掛質量與非懸掛質量所組成。

汽車的懸掛質量 由車身、車架及其上的總成所構成。該質量通過質心的橫軸Y的轉動慣量為 ，懸掛質量由減振器和懸架彈簧與車軸、車輪相連。車輪、車軸構成的非懸掛質量為 ，車輪再經過具有一定彈性和阻尼的輪胎支承路面上。

懸架結構、輪胎、懸掛質量和非懸掛質量是影響汽車平順性的重要因素。

6.2.2.1 懸掛結構

懸掛結構主要指彈性元件、導向裝置與減振裝置，其中彈性元件與懸架系統中阻尼影響較大。

6.2.2.1.1 彈性元件

將汽車車身看成一個在彈性懸架上作單自由度振動的質量時，其固有頻率 為

(6-41)

式中： －懸架剛度， ；

－懸掛重力， ；

－重力加速度， ；

－懸掛重力 作用下的懸架的靜撓度，mm。

(6-42)

由式(6-41)可見，減少懸架剛度C，可降低車身的固有頻率 。當汽車的其它結構參數不變時，要使懸架系統有低的固有頻率，懸架就必須具備很大的靜撓度。它是指汽車滿載時，剛度不變的懸架在靜載荷下的變形量。對變剛度懸架，靜撓度是由汽車滿載時，懸架上的靜載荷和與相應的瞬時剛度來確定。

目前，汽車懸架的靜撓度 的變化範圍見表6-3。

表6-3 汽車懸架靜撓度的變化範圍，單位：mm

汽車前、後懸架靜撓度的匹配對行駛平順性也有很大影響，若前、後懸架的靜撓度以及振動頻率都比較接近，共振的機會減少。為了減少車身縱向角振動，通常後懸架的靜撓度 要比前懸架 的小些。據統計，一般取 =(0.7～0.9) 。對於短軸距的微型汽車，為了改善其乘坐舒適性，把後懸架設計得軟一些，也就是使 > 。

為了防止汽車在不平路面上行駛時經常衝擊緩衝塊，懸架還應有足夠的動撓度 (指懸架平衡位置到懸架與車架相碰時的變形)。

前、後懸架的動撓度常根據其相應的靜撓度選取，其數值主要取決於車型和經常使用的路面狀況，動撓度值與靜撓度之間的關係為

(6-43)

越野車的 可按貨車範圍取上限，以減少車輪懸空和懸架擊穿現象。

減少懸架剛度，即增大靜撓度，可提高汽車行駛平順性。但剛度降低會增加非懸掛質量的高頻振動位移。而大幅度的車輪振動有時會使車輪離開地面，前輪定位角也將發生顯著變化，在緊急制動時會產生嚴重的汽車「點頭」現象。轉彎時因懸架側傾剛度的降低，會使車身產生較大的側傾角。

為了防止路面對車輪的衝擊而使懸架與車架相撞，要相應地增加動撓度，即要有較大的緩衝間隙，對縱置鋼板彈簧，就要增加彈簧長度等，從而使懸架布置發生困難。

為了使懸架既有大的靜撓度又不影響其它性能指標，可採取一些相應措施，如採用懸架剛度可變的非線性懸架。由於非線性懸架的剛度隨動行程增大，就可以在同樣的動行程中，得到比線性懸架更多的動容量(指懸架從靜載荷時的位置起，變形到與車架部分接觸時的最大變形)。懸架的動容量越大，對緩衝塊撞擊的可能性就越小。現代貨車在後懸架上採用鋼板彈簧加副簧即為此種最簡易的辦法。為使載荷增減時，靜撓度保持不變，較為理想的是在懸架系統中設置自動調節車身高度的裝置。這樣，懸架彈性特性曲線就應如圖6-17所示那樣一條曲線。圖6-17畫出了有代表性的三條彈性曲線。曲線1、2和3分別表示靜載荷值為滿載 ，半載 和空載 時的情況。由於有一組曲線，雖然載荷發生了變化，但靜撓度 可以保持不變(靜撓度 指圖6-17上a-a′點在橫坐標上的投影到O點的距離，O點為曲線上a、a＂、a′諸點所作切線的交點)。

這組曲線的另一特點是這些曲線在懸架行程中各點的斜率也是不同的，即懸架剛度還隨行程而變化。一般是在靜載時(行程中間位置)剛度小，而在離靜載荷較遠的兩端，如在壓縮行程b、c、d處和伸張行程的A點處的剛度就較大，做到了在有限的動行程範圍內有足夠的動容量。

採用變剛度特性曲線的懸架，對於載荷變化較大的貨車而言，會明顯地改善行駛平順性。例如，某貨車在滿載時，後懸架的載荷約為空車的4倍多，假定懸架剛度不變，若滿載時的靜撓度等於100mm時，則空車時的靜撓度將不到25mm。不難算出，滿載時的振動頻率為1.6Hz，而空車時的頻率則為3.2Hz。顯然，空車時的振動頻率過高，平順性很差。如果採用變剛度懸架，使空車時的剛度比滿載時的低，就會降低空車的振動頻率而改善汽車行駛的平順性。

6.2.2.1.2 阻尼系統的阻尼

為了衰減車身自由振動和抑制車身、車輪的共振，以減小車身的垂直振動加速度和車輪的振幅(減小車輪對地面壓力的變化，防止車輪跳離地面)，懸架系統中應具有適當的阻尼。

在懸架系統中，引起振動衰減的阻尼來源很多。例如，在有相對運動的摩擦副中，輪胎變形時橡膠分子間產生摩擦，或在系統中設減振器等。對於各種懸架結構，以鋼板彈簧懸架系統的干摩擦最大，鋼板彈簧葉片數目越多，摩擦越大。所以，有的汽車採用鋼板彈簧懸架時，可以不裝減振器，但阻尼力的數值很不穩定，鋼板生鏽後阻力過大，不易控制。而採用其它內摩擦很小的彈性元件(如單片鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧等)的懸架，必須使用減振器，以吸收振動能量，使振動迅速得到衰減。

減振器的阻力常用相對阻尼係數 來評價，即

(6-44)

式中： －減振器阻力係數；

－懸掛質量。

為了使減振器阻尼效果好，又不傳遞大的衝擊力，常把壓縮行程的阻尼和伸張行程的阻尼取不同值。在彈性元件的壓縮行程，為了減少減振器傳遞的路面衝擊力，選擇較小的相對阻尼係數 ；而在伸張行程，為使振動迅速衰減，選擇較大的相對阻尼係數 。一般減振器的 與 之間的關係為

= (0.25 ～0.5) (6-45)

單向作用減振器時， =0，即減振器壓縮行程無阻尼，只在伸張行程有阻尼作用。

對於不同懸架結構型式及不同的使用條件，滿足平順性要求的相對阻尼係數的大小應有所不同。在設計時，通常先取壓縮行程和伸張行程相對阻尼係數的平均值。

對於無內摩擦的彈性元件(如螺旋彈簧)懸架， ＝0.25～0.35。對於有內摩擦的鋼板彈簧懸架，相對阻尼係數較小。如解放牌載貨汽車前懸架的相對阻尼係數 0.13；其中 =0.174， =0.086。後懸架的 可取稍大值。對於越野汽車或行駛路麵條件較差的汽車取值較大，一般 >0.3。為避免懸架碰到車架， 也應加大，可取0.54。

減振器可提高汽車行駛平順性，還可增加懸架的角剛度，改善車輪與道路的接觸條件，防止車輪離開路面，因而可改善汽車的穩定性，提高汽車的行駛安全性。改進減振器的性能，對提高汽車在不平道路上的行駛速度有很大的作用。

懸架系統的干摩擦可使懸架的彈性元件部分或人為地被鎖住，使汽車只在輪胎上發生振動，因而增加振動頻率，且使路面衝擊容易傳給車身。因此，為了減少鋼板彈簧葉片間的摩擦，應減少片數；妥善地計算各片在自由狀態時的曲率半徑，將各片端部切成梯形或半圓形，以保證各片間接觸壓力分布均勻；在各片間加潤滑脂或減摩襯墊等方法減少干摩擦。

6.2.2.2 輪胎

輪胎對行駛平順性的影響取決於輪胎的徑向剛度，輪胎的展平能力以及輪胎內摩擦所引起的阻尼作用。減少輪胎徑向剛度，可使懸架換算剛度減小10%～15%。當汽車行駛於不平道路時，由於輪胎的彈性作用，輪胎位移曲線較道路斷面輪廓要圓滑平整，其長度較道路坎坷不平處的實際長度大，而曲線的高度則較道路不平的實際高度小，即所謂的輪胎展平能力。它可使汽車在高頻的共振振動減小。由於輪胎內摩擦所引起的阻尼作用，對於轎車輪胎的相對阻尼係數 可達0.05～0.106。

為了提高汽車行駛平順性，輪胎徑向剛度應儘可能減小。在採用足夠軟的懸架的情況下，在相當大的行駛速度範圍內，低頻共振的可能性完全可以消除。但輪胎剛度過低，會增加車輪的側向偏離，影響穩定性，同時，還使滾動阻力增加，輪胎壽命降低。

6.2.2.3. 懸掛質量

車身振動主要是以自振頻率進行的振動，即由於車身偏離平衡位置時所積蓄的能量所產生的振動。為了研究汽車在縱向垂直平面內的自由振動，將汽車的懸掛質量M分解為由無質量的剛性桿互相連接的前軸上的質量 、後軸上的質量 以及質心C上的質量 的三個集中質量(見圖6-18)。 它們的大小由下述三個條件決定。

總質量保持不變

(6-46)

質心位置不變

(6-47)

轉動慣性 的值保持不變

(6-48)

解式（6－46）、（6－47）和（6－48）可得出三個集中質量的值分別為

(6-49)

(6-50)

(6-51)

式中： －繞橫軸 的迴轉半徑；

、 －車身質心至前、後軸的距離；

－軸距。

由式（6－49）～式（6－51）可見，當懸掛質量分配係數等於1時，質心上的質量 =0。 此時，前、後軸上的集中質量 、 的垂直方向運動相互獨立。亦即，當前輪遇到路面不平度而引起振動時，質量 運動，而質量 不運動，反之亦然。

為了維持這個條件，應保證 相應數值，例如把質量分配到汽車的兩端(發動機前移，行李倉後移等)；或者改變汽車質心的位置。但這有時難以實現。

減少公共汽車和載貨汽車的懸掛質量。由於車身振動的低頻和加速度增加，會大大降低行駛平順性。在此情況下，為了保持良好的行駛平順性，應採用等撓度懸架，使懸架剛度隨懸掛質量的減小而減小。

座位的布置對行駛平順性也有很大影響。實際感受和試驗表明：座位接近車身的中部，其振動最小。座位位置常由它與汽車質心間的距離來確定，用座位到汽車質心距離與汽車質心到前(後)軸的距離之比評價座位的舒適性。該比值越小，車身振動對乘客的影響越小。

對載貨汽車和公共汽車，座位在高度上的布置也是重要的。為了減小水平縱向振動的振幅，座位在高度方面與汽車質量中心間的距離應該不大。

彈簧座椅剛度的選擇要適當，防止因乘客在座位上的振動頻率與車身的振動頻率重合而發生共振。對於具有較硬懸架的汽車，可採用較軟的坐墊。對於具有較軟懸架的汽車，可採用較硬的坐墊。

6.2.2.4. 非懸掛質量

減小非懸掛質量可降低車身的振動頻率，增高車輪的振動頻率。這樣就使低頻共振與高頻共振區域的振動減小，而將高頻共振移向更高的行駛速度，對行駛平順性有利。

其次減小非懸掛質量，還將引起高頻振動的相對阻尼係數增加( )，因而減振器所吸收的能量減少，工作條件可以獲得改善。非懸掛質量可因懸架導向裝置型式而改變，採用獨立懸架，可使非懸掛質量減小。

常用非懸掛質量與懸掛質量之比 評價非懸掛質量對行駛平順性的影響。比值越小，行駛平順性越好。對於現代轎車 =10.5～14.5％，可以保證良好的行駛平順性。

總之，影響行駛平順性的結構參數很多，且其關係錯綜複雜，必須對這些參數進行綜合分析，以便正確選擇參數，提高汽車行駛的平順性。

乘坐舒適性在很大程度上還取決座位的結構、尺寸、布置方式和車身(或載貨汽車的駕駛室)的密封性(防塵、防雨、防止廢氣進入車身)、通風保暖、照明、隔聲等效能，以及是否設有其它提高乘客舒適的設備(鐘錶、收音機、煙灰盒、 點煙器等)。

有些國外大客車，尤其是長途公共汽車的座位都充分考慮舒適性。如美國的長途客車因乘客乘坐時間長，要求有更好的舒適性，一般都設有半躺座椅或可調的活動座椅，座椅的布置儘可能使乘客面朝前方，並設有閱讀專用燈、洗漱室、快餐部和廣播設備，以適應長途旅行的需要。

另外，大客車的發動機多採用後置式，以利於隔絕雜訊和方便維修。車身越來越多採用承載式結構、空氣懸架，以減輕振動和雜訊。市內公共汽車因需經常起步、加速和換檔，傳動系統多採用液力－機械自動變速器和自動變速器，以實現自動換檔和無級變速，減輕駕駛員的疲勞和改善發動機功率的利用。

6.2.1汽車行駛平順性的評價指標

6.2.2 影響汽車行駛平順性的結構因素

圖6-16 四輪汽車的簡化模型

圖6-17 可變的懸架彈性曲線

圖6-18 雙軸汽車簡化的平面模型