影响汽车行驶平顺性的结构因素

6.1 汽车的通过性

汽车的悬挂质量 由车身、车架及其上的总成所构成。该质量通过质心的横轴Y的转动惯量为 ，悬挂质量由减振器和悬架弹簧与车轴、车轮相连。车轮、车轴构成的非悬挂质量为 ，车轮再经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支承路面上。

悬架结构、轮胎、悬挂质量和非悬挂质量是影响汽车平顺性的重要因素。

6.2.2.1 悬挂结构

悬挂结构主要指弹性元件、导向装置与减振装置，其中弹性元件与悬架系统中阻尼影响较大。

6.2.2.1.1 弹性元件

将汽车车身看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量时，其固有频率 为

                                   (6-41)

式中：  －悬架刚度， ；

－悬挂重力， ；

－重力加速度， ；

－悬挂重力 作用下的悬架的静挠度，mm。

                                        (6-42)

由式(6-41)可见，减少悬架刚度C，可降低车身的固有频率 。当汽车的其它结构参数不变时，要使悬架系统有低的固有频率，悬架就必须具备很大的静挠度。它是指汽车满载时，刚度不变的悬架在静载荷下的变形量。对变刚度悬架，静挠度是由汽车满载时，悬架上的静载荷和与相应的瞬时刚度来确定。

目前，汽车悬架的静挠度 的变化范围见表6-3。

 表6-3 汽车悬架静挠度的变化范围，单位：mm

为了防止汽车在不平路面上行驶时经常冲击缓冲块，悬架还应有足够的动挠度 (指悬架平衡位置到悬架与车架相碰时的变形)。

前、后悬架的动挠度常根据其相应的静挠度选取，其数值主要取决于车型和经常使用的路面状况，动挠度值与静挠度之间的关系为

                        (6-43)

越野车的 可按货车范围取上限，以减少车轮悬空和悬架击穿现象。

减少悬架刚度，即增大静挠度，可提高汽车行驶平顺性。但刚度降低会增加非悬挂质量的高频振动位移。而大幅度的车轮振动有时会使车轮离开地面，前轮定位角也将发生显著变化，在紧急制动时会产生严重的汽车“点头”现象。转弯时因悬架侧倾刚度的降低，会使车身产生较大的侧倾角。

为了防止路面对车轮的冲击而使悬架与车架相撞，要相应地增加动挠度，即要有较大的缓冲间隙，对纵置钢板弹簧，就要增加弹簧长度等，从而使悬架布置发生困难。

为了使悬架既有大的静挠度又不影响其它性能指标，可采取一些相应措施，如采用悬架刚度可变的非线性悬架。由于非线性悬架的刚度随动行程增大，就可以在同样的动行程中，得到比线性悬架更多的动容量(指悬架从静载荷时的位置起，变形到与车架部分接触时的最大变形)。悬架的动容量越大，对缓冲块撞击的可能性就越小。现代货车在后悬架上采用钢板弹簧加副簧即为此种最简易的办法。为使载荷增减时，静挠度保持不变，较为理想的是在悬架系统中设置自动调节车身高度的装置。这样，悬架弹性特性曲线就应如图6-17所示那样一条曲线。图6-17画出了有代表性的三条弹性曲线。曲线1、2和3分别表示静载荷值为满载 ，半载 和空载 时的情况。由于有一组曲线，虽然载荷发生了变化，但静挠度 可以保持不变(静挠度 指图6-17上a-a′点在横坐标上的投影到O点的距离，O点为曲线上a、a＂、a′诸点所作切线的交点)。

这组曲线的另一特点是这些曲线在悬架行程中各点的斜率也是不同的，即悬架刚度还随行程而变化。一般是在静载时(行程中间位置)刚度小，而在离静载荷较远的两端，如在压缩行程b、c、d处和伸张行程的A点处的刚度就较大，做到了在有限的动行程范围内有足够的动容量。

采用变刚度特性曲线的悬架，对于载荷变化较大的货车而言，会明显地改善行驶平顺性。例如，某货车在满载时，后悬架的载荷约为空车的4倍多，假定悬架刚度不变，若满载时的静挠度等于100mm时，则空车时的静挠度将不到25mm。不难算出，满载时的振动频率为1.6Hz，而空车时的频率则为3.2Hz。显然，空车时的振动频率过高，平顺性很差。如果采用变刚度悬架，使空车时的刚度比满载时的低，就会降低空车的振动频率而改善汽车行驶的平顺性。

6.2.2.1.2 阻尼系统的阻尼

为了衰减车身自由振动和抑制车身、车轮的共振，以减小车身的垂直振动加速度和车轮的振幅(减小车轮对地面压力的变化，防止车轮跳离地面)，悬架系统中应具有适当的阻尼。

在悬架系统中，引起振动衰减的阻尼来源很多。例如，在有相对运动的摩擦副中，轮胎变形时橡胶分子间产生摩擦，或在系统中设减振器等。对于各种悬架结构，以钢板弹簧悬架系统的干摩擦最大，钢板弹簧叶片数目越多，摩擦越大。所以，有的汽车采用钢板弹簧悬架时，可以不装减振器，但阻尼力的数值很不稳定，钢板生锈后阻力过大，不易控制。而采用其它内摩擦很小的弹性元件(如单片钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等)的悬架，必须使用减振器，以吸收振动能量，使振动迅速得到衰减。

减振器的阻力常用相对阻尼系数 来评价，即

                                     (6-44)

式中：  －减振器阻力系数；

－悬挂质量。

为了使减振器阻尼效果好，又不传递大的冲击力，常把压缩行程的阻尼和伸张行程的阻尼取不同值。在弹性元件的压缩行程，为了减少减振器传递的路面冲击力，选择较小的相对阻尼系数 ；而在伸张行程，为使振动迅速衰减，选择较大的相对阻尼系数 。一般减振器的 与 之间的关系为

= (0.25 ～0.5)                                     (6-45)

单向作用减振器时， =0，即减振器压缩行程无阻尼，只在伸张行程有阻尼作用。

对于不同悬架结构型式及不同的使用条件，满足平顺性要求的相对阻尼系数的大小应有所不同。在设计时，通常先取压缩行程和伸张行程相对阻尼系数的平均值。

对于无内摩擦的弹性元件(如螺旋弹簧)悬架， ＝0.25～0.35。对于有内摩擦的钢板弹簧悬架，相对阻尼系数较小。如解放牌载货汽车前悬架的相对阻尼系数 0.13；其中 =0.174， =0.086。后悬架的 可取稍大值。对于越野汽车或行驶路面条件较差的汽车取值较大，一般 >0.3。为避免悬架碰到车架， 也应加大，可取0.54。

减振器可提高汽车行驶平顺性，还可增加悬架的角刚度，改善车轮与道路的接触条件，防止车轮离开路面，因而可改善汽车的稳定性，提高汽车的行驶安全性。改进减振器的性能，对提高汽车在不平道路上的行驶速度有很大的作用。

悬架系统的干摩擦可使悬架的弹性元件部分或人为地被锁住，使汽车只在轮胎上发生振动，因而增加振动频率，且使路面冲击容易传给车身。因此，为了减少钢板弹簧叶片间的摩擦，应减少片数；妥善地计算各片在自由状态时的曲率半径，将各片端部切成梯形或半圆形，以保证各片间接触压力分布均匀；在各片间加润滑脂或减摩衬垫等方法减少干摩擦。

6.2.2.2 轮胎

轮胎对行驶平顺性的影响取决于轮胎的径向刚度，轮胎的展平能力以及轮胎内摩擦所引起的阻尼作用。减少轮胎径向刚度，可使悬架换算刚度减小10%～15%。当汽车行驶于不平道路时，由于轮胎的弹性作用，轮胎位移曲线较道路断面轮廓要圆滑平整，其长度较道路坎坷不平处的实际长度大，而曲线的高度则较道路不平的实际高度小，即所谓的轮胎展平能力。它可使汽车在高频的共振振动减小。由于轮胎内摩擦所引起的阻尼作用，对于轿车轮胎的相对阻尼系数 可达0.05～0.106。

为了提高汽车行驶平顺性，轮胎径向刚度应尽可能减小。在采用足够软的悬架的情况下，在相当大的行驶速度范围内，低频共振的可能性完全可以消除。但轮胎刚度过低，会增加车轮的侧向偏离，影响稳定性，同时，还使滚动阻力增加，轮胎寿命降低。

6.2.2.3. 悬挂质量

车身振动主要是以自振频率进行的振动，即由于车身偏离平衡位置时所积蓄的能量所产生的振动。为了研究汽车在纵向垂直平面内的自由振动，将汽车的悬挂质量M分解为由无质量的刚性杆互相连接的前轴上的质量 、后轴上的质量 以及质心C上的质量 的三个集中质量(见图6-18)。 它们的大小由下述三个条件决定。

总质量保持不变

                                     (6-46)

质心位置不变

                                        (6-47)

转动惯性 的值保持不变

                           (6-48)

解式（6－46）、（6－47）和（6－48）可得出三个集中质量的值分别为

                                               (6-49)

                                               (6-50)

                                             (6-51)

式中：  －绕横轴 的回转半径；

、 －车身质心至前、后轴的距离；

－轴距。

由式（6－49）～式（6－51）可见，当悬挂质量分配系数等于1时，质心上的质量 =0。 此时，前、后轴上的集中质量 、 的垂直方向运动相互独立。亦即，当前轮遇到路面不平度而引起振动时，质量 运动，而质量 不运动，反之亦然。

为了维持这个条件，应保证 相应数值，例如把质量分配到汽车的两端(发动机前移，行李仓后移等)；或者改变汽车质心的位置。但这有时难以实现。

减少公共汽车和载货汽车的悬挂质量。由于车身振动的低频和加速度增加，会大大降低行驶平顺性。在此情况下，为了保持良好的行驶平顺性，应采用等挠度悬架，使悬架刚度随悬挂质量的减小而减小。

座位的布置对行驶平顺性也有很大影响。实际感受和试验表明：座位接近车身的中部，其振动最小。座位位置常由它与汽车质心间的距离来确定，用座位到汽车质心距离与汽车质心到前(后)轴的距离之比评价座位的舒适性。该比值越小，车身振动对乘客的影响越小。

对载货汽车和公共汽车，座位在高度上的布置也是重要的。为了减小水平纵向振动的振幅，座位在高度方面与汽车质量中心间的距离应该不大。

弹簧座椅刚度的选择要适当，防止因乘客在座位上的振动频率与车身的振动频率重合而发生共振。对于具有较硬悬架的汽车，可采用较软的坐垫。对于具有较软悬架的汽车，可采用较硬的坐垫。

6.2.2.4. 非悬挂质量

减小非悬挂质量可降低车身的振动频率，增高车轮的振动频率。这样就使低频共振与高频共振区域的振动减小，而将高频共振移向更高的行驶速度，对行驶平顺性有利。

其次减小非悬挂质量，还将引起高频振动的相对阻尼系数增加( )，因而减振器所吸收的能量减少，工作条件可以获得改善。非悬挂质量可因悬架导向装置型式而改变，采用独立悬架，可使非悬挂质量减小。

常用非悬挂质量与悬挂质量之比 评价非悬挂质量对行驶平顺性的影响。比值越小，行驶平顺性越好。对于现代轿车 =10.5～14.5％，可以保证良好的行驶平顺性。

总之，影响行驶平顺性的结构参数很多，且其关系错综复杂，必须对这些参数进行综合分析，以便正确选择参数，提高汽车行驶的平顺性。

乘坐舒适性在很大程度上还取决座位的结构、尺寸、布置方式和车身(或载货汽车的驾驶室)的密封性(防尘、防雨、防止废气进入车身)、通风保暖、照明、隔声等效能，以及是否设有其它提高乘客舒适的设备(钟表、收音机、烟灰盒、 点烟器等)。

有些国外大客车，尤其是长途公共汽车的座位都充分考虑舒适性。如美国的长途客车因乘客乘坐时间长，要求有更好的舒适性，一般都设有半躺座椅或可调的活动座椅，座椅的布置尽可能使乘客面朝前方，并设有阅读专用灯、洗漱室、快餐部和广播设备，以适应长途旅行的需要。

6.2.2 影响汽车行驶平顺性的结构因素

图6-16 四轮汽车的简化模型

图6-17 可变的悬架弹性曲线

图6-18 双轴汽车简化的平面模型