The Automotive Chassis：
Vol. 1：Components Design
——SUSPENSIONS
3.1 INTRODUCTION
By vehicle suspension we mean a mechanism that links the wheel directly to the body or to a frame attached to the it.
Because a rigid vehicle with more than three wheels is a hyperstatic system, it is necessary for the vehicle structure to be flexible enough to allow the simultaneous contact of the wheels with the ground. Alternatively the wheels may be connected to a rigid body through a deformable system, the suspension. This second solution is adopted by most vehicles, while the first, widely found in horse carriages in the past, is now used on particularly slow vehicles.
In many cases, to suspension deformation must be added structural deformation, which plays an important role in the handling and comfort characteristics of a vehicle.
To accomplish their task, suspensions must:
bull; Allow a distribution of forces, exchanged by the wheels with the ground, complying with design specifications in every load condition
bull; Determine the vehicle trim under the action of static and quasi-static forces
We should not, in fact, forget that by introducing a deformable linkage on a vehicle, geometric variations of the body position are introduced as a function of payload and payload position; these variations are described through the three coordinates of the center of gravity and the three angles of the body reference system (yaw, roll, pitch angle). They are included under the term vehicle static trim. A complete definition of the body reference system is given in the fourth part of this book, in volume two.
In addition to this function, which is accomplished basically with an elastic system, there is another, not less important function:
bull; To absorb and smooth out shocks that are received by the wheel from road irregularities and transmitted to the body
It should be remembered that this task requires the application of a suitable damping system; this function is so important that suspensions are also applied to two or three wheel vehicles that are not hyperstatic bodies.
In theory, tires alone could isolate the vehicle body from forces coming from the road, but their elastic and damping properties are not sufficient to achieve suitable handling and comfort targets, unless at very low speed and on smooth roads.
Suspensions are therefore essential for achieving adequate road holding behavior (handling) and comfort. They determine the distinctive characteristics of each vehicle.
Wheels must be, therefore, free to move in a direction almost perpendicular to the ground, in addition to their rotation and steering motion. This vertical motion must be managed through the suspension linkages in order to guarantee the tirersquo;s correct position with reference to the ground. The capacity of a tire to react to suitable forces is, in fact, determined by the angles between the equator plane of the wheel with the ground and with the hub speed.
If the suspension is a kind of filter between road and body, designed to limit the amount of forces produced by road irregularities and maneuvers, this filter must not impair vehicle controllability in possible driving situations. Road holding depends not only on the mass properties of the vehicle (mass and moments of inertia), on its geometric properties (kind of traction, center of gravity position, wheelbase, track), and on its tires, but on suspensions, too.
Suspensions are usually divided into three classes: independent, dependent and semi-independent suspensions.
The first class presents no mechanical linkage between the two hubs of the same axle; a force acting on a single wheel does not affect the other; steering linkages, anti-roll bars or auxiliary frames are not taken into account in this description.
Dependent wheel suspensions or rigid axles provide for a rigid linkage between the two wheels of the same axle; each motion of a wheel caused by road irregularities affects the coupled wheel as well. Semi-rigid suspensions have intermediate characteristics between the other two categories. In these suspensions wheel hubs cannot be considered independent because they are not linked with an articulated structure; indeed this structurersquo;s mechanical characteristics ensure that flexibility cannot be neglected. In practice, this category includes so-called twist axles.
Another important characteristic within these families separates steering from non-steering suspensions; while independent suspensions can be, in principle, designed to become steering suspensions, dependent suspensions are no longer applied to steering axles, with the exception of industrial vehicles and off-road vehicles. The same applies without exception to semi-rigid suspensions.
Most suspensions can be applied to both driving and idling axles without impact on suspension design, other than for joint stiffness.
Considering elastic and damping systems only, suspensions can be classified as passive or active. In the first family the elastic reaction of the suspension system is determined solely by its deformation and the damping system can only waste part of the received energy. In the second family the suspension system can receive energy from other sources (the engine, or some intermediate storage of engine energy) to affect body motion, with the objective of limiting this motion close to its static equilibrium condition.
The objective of this kind of suspension is to limit body displacement to a minimum, necessary for transferring to the driver a sufficient perception of vehicle stability. We will comment on this kind of suspension in the chapter dedicated to chassis control systems and we will see tha
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汽车底盘（卷1）：组件设计——悬架
3.1 引言
通过车辆悬架, 我们指的是将车轮直接连接到车身或连接到它的框架的机制。
因为有三个及以上车轮的刚性车辆是一个超静定系统, 车辆结构必须足够灵活, 使车轮与地面同时接触。另外, 车轮也可以通过可变形系统--悬架连接到刚性车辆。这第二个解决方案是大多数车辆采用, 而第一个, 广泛发现与过去的马车时代, 即使用在现在也是用于特别缓慢的车辆。
大多情况下, 悬架变形必须增加结构变形, 这在车辆的搬运和舒适特性中起着重要的作用。
为了实现车辆的功能, 悬架必须:
允许分配的力量, 与地面交换的车轮, 遵守设计规范在每一个负载条件
静态和准静态力作用下车辆修剪的确定。
事实上, 我们不应该忘记通过在车辆上引入变形连杆机构, 将车身位置的几何变化引入到有效载荷和有效载荷位置的函数中;这些变化是通过三维坐标的重心和三个角度的身体参考系统 (偏航, 滚动, 俯仰角) 描述。他们被包括在期限之下汽车静态修剪。本书第四部分第二卷对人体参考系统作了完整的定义。
除了基本上用弹性系统实现的这个功能之外，还有另一个重要的功能：
吸收和平滑车轮从道路违规现象中接收到的冲击, 并将其传送到车体上
应记住, 这项任务需要应用适当的阻尼系统;这项功能是如此重要, 悬架也适用于三轮车辆, 不是超静定的机构。
理论上, 只有轮胎可以将车身与来自路面的力量隔离开来, 但它们的弹性和阻尼性能不足以达到适当的处理和舒适性目标, 除非车速非常低, 道路平整。
因此, 悬架对于实现充分的道路保持行为(处理) 和舒适是至关重要的。他们决定每辆车的独特特性。
因此，车轮必须能够在几乎垂直于地面的方向上自由移动，以及它们的旋转和转向运动。垂直运动必须通过悬架连杆进行操作，以保证轮胎相对于地面的正确位置。轮胎对合适力的反应能力实际上取决于车轮赤道面与地面之间的角度以及轮毂（gǔ）速度。
如果悬架是道路和车身之间的一种过滤器，旨在限制由道路不规则和操纵产生的力量，该过滤器不得损害车辆在可能的驾驶情况下的可控性。道路控制不仅取决于车辆的质量属性（质量和转动惯量），取决于其几何属性（牵引类型，重心位置，轴距，跑道），轮胎，还包括悬架。
悬架通常被划分成三类: 独立, 依赖和半独立悬架。
第一类不显示同一轴的两个轮毂之间的机械连接;在一只车轮上作用的力不影响另一轮子;在这一类中没有考虑转向连杆机构、防滚杆或辅助框架。
相关的车轮悬架或刚性车轴在同一车轴的两个车轮之间提供了刚性连接;由道路不平引起的车轮的每次运动也影响耦合的车轮。其他两个类别之间的半刚性悬架具有中间特性。在这些悬架中，轮毂不能被认为是独立的，因为它们不与铰接结构相连接;事实上，这种结构的机械特性确保了灵活性不容忽视。实际上，这个类别包括所谓的扭转轴。
这些结构的另一个重要特征是将转向与非转向暂停相分离;原则上，独立悬架可以设计成转向悬架，但除了工业车辆和越野车辆之外，悬架不再适用于转向车轴。半刚性悬架也同样适用。
大多数悬架既可以应用于驱动轴，也可以应用于怠速轴，而不会影响悬架设计，而不是关节刚度。
仅考虑弹性和阻尼系统，悬架可以分为被动式或主动式。在第一个系列中，悬架系统的弹性反应完全由其变形决定，阻尼系统只能浪费部分接收到的能量。在第二个系列中，悬架系统可以接收来自其他来源（发动机，或发动机能量的一些中间存储器）的能量以影响身体运动，目的是将该运动限制在接近其静态平衡状态。
这种悬架的目的是将车身位移限制在最小限度，这是将车辆稳定性充分感知给驾驶员所必需的。我们将在专门讨论底盘控制系统的章节中对这种悬架发表评论，并且我们将看到根据外部能源是仅用于修正静态配平还是动态配平来识别不同级别的活动。大多数车辆悬架是被动的。
最后还有两个额外的定义：由于悬架的应用, 我们将车辆质量的一部分, 可以自由地移动, 并根据地面来定义。不改变其位置的质量部分称为没有装弹簧质量。
一些悬架组分贡献部分到涌现的大量, 部分到没有装弹簧质量。为了评估这两种贡献, 这些元素的质量必须分为两部分, 理想地集中在悬浮节中, 以保护转动惯量和重心位置的方式。
3.1.1 悬架部件
为了完成上面描述的功能,悬架是用不同类别的组件构建的。
轴承部件和连接
这是将车轮与车身相连的机制的一部分, 并保证车轮的自由度及其正确位置, 并参照地面。他们确定车轮的相对运动, 参照车体;他们还转移到身体部分的负载从轮胎接触补丁。
主要弹性部件
包括弹簧 (线圈、棒材和叶簧)、防滚杆和止回弹簧。
这些部件将轮子与身体连接起来, 弹性地储存由不均匀的道路剖面产生的能量。他们不仅储存这种能量, 而且确定身体位置作为有效载荷实体和位置的函数。
辅助弹性部件
这些是连接接头上的弹性套管。对其中一些关节给予一定的弹性遵从性。
这一性质最初被视为一个缺点, 以避免联合润滑使用弹性关节。
最近人们认识到, 可以利用它来改进悬架的弹运动行为及其舒适性的设计。
这些关节的变形在确定车辆操纵方面起着重要的作用。
阻尼构件
这些基本上是减震器, 但我们应该记住, 主要和次要的弹性成员也有一个不可忽视的能力浪费能源。
3.1.2悬架对车身运动的影响
理论情况下，悬架应该允许车轮在相对于车辆的车身在垂直于道路的方向上移动，保持车轮平面保持平行于自身并且约束所有在x和y方向上的运动：单轮的悬架应该是一个具有单一自由度的系统，即在Z方向或者悬架转动的位移。
应该知道的是，如果车轮只能沿着Z轴移动，联动装置不应该将车身转动传递给轮毂，特别是侧倾角。
然而我们所研究的任何一种联动装置都不能完全满足这种条件，而每一种汽车悬架都有其自身的特点；理想化特性的近似值是汽车特性的一部分。
车轮的位置状态也受接头刚度的影响，甚至球形接头或者圆柱形衬套也是相当可形变的，有时候联动装置也必须视为灵活的成分。
车轮位置状态不仅受车辆运动的影响而且受外力的影响。
图3.1转向几何结构图
在下面的几行中，我们将定义角度和线度的尺寸量度以用来描述悬架的行为状态，这些特性将参照前面提到的转向轴来描述。
在转向悬架中，转向轴或者主销轴是轮毂或者支柱所环绕的轴，因此车轮能够旋转或者转向（图3.1）。非转向悬架的联动装置能根据车身侧倾角或者所受外力来给车轮有限的自由度，以转动主销轴。这个额外转向角度的影响将在后面讨论。
主销轴和Z轴在XZ平面上投影直线的夹角被称为主销后倾角（图中V角），正如后面将要解释的，这个主销后倾角与确定方向盘返回能力有关。
O点(轮胎接触地面的中心)与P点（投影在XZ平面上的转向轴与地面的交点）之间的距离叫做纵向轨迹（图中的dl）。
车轮圆面与XZ平面之间的角度为倾角或者外倾角，而主销轴线与YZ平面之间的角度为主销角度（图中lambda;）。
我们应该记住，以保持与车身平行的方式（例如在纵向托臂中）连接车轮的悬挂适用于车轮相对于地面的倾斜角等于车身侧倾角的车轮。这是比较危险的，因为滚动角度会降低轮胎的转弯刚度。在两轮车上，结果是相反的且有利的；可变微调车辆同样如此，这将在第二卷中进行描述。
点O与点P在YZ平面上的投影距离是主引脚偏移（图中的dt）。
但是一个理想的悬架不允许车轮去改变其相对于地面的外倾角，我们将定义一个参照于地面且区别于实际外倾角和车身侧倾角的外倾角恢复角度，一个理想的悬架应该是外倾角恢复角度等同于车身侧倾角。
参考车身，我们将车轮圆平面与地面的交点和车辆X轴之间的角度定义为束角。它可以以度数或者以毫米为单位测量轮辋两点之间横向距离的差异。当车轮圆平面在车辆前方交叉并在相反的情况下向外倾斜时，它被称为前束。
其他被考虑的尺寸是轴距，同侧车轮的轮胎接触地面的中心与轨道在XZ平面上投影的距离，相同轴的车轮接触地面的中心在YZ平面上投影之间的距离，通常，涉及悬架的几何特性，半轴距和半轨迹是接触区域的中心与车辆重心在XZ与YZ平面上投影之间的距离。
当车身沿竖直方向（位移z）移动或者绕其x轴（滚转角phi;）旋转时，车轮的位置状态将会改变。作为z 和phi;的函数，可以绘制外倾角gamma;, 轨迹t,转向系统的特征角，转向角delta;等图像。这些函数一般都是强非线性的，但是他们可以将任何平衡位置线性化，导数part;t/part;z, part;t/part;phi;, part;gamma;/part;z, part;gamma;/part;phi;, part;delta;/part;z, part;delta;/part;phi;等容易被定义。他们可以视作无限多的处于平衡状态的小运动（瞬间运动），并且可以定义悬架的瞬间状态位置。
在概述新悬架的设计时，如今的数学模型是重要的。
通过一个简单的方法（参见图3.2），开始于悬架图，可以创建一个悬架方案，其中连杆用连接运动对偶的刚性梁表示（球形接头，衬套等），其中运动对偶能够通过悬架行程和车轮转向来模拟运动行为，仅考虑连接和主要弹性元件的贡献。
使用第二种方法，模型中提到的运动对偶能被交换成弹性元件，现在可以计算悬架的特征变化，其也可以作为施力函数。研究悬架的第二种方法涉及分析弹性运动学行为。这种迭代运用的简单仿真在设计与指定目标相关的悬架时具有根本重要性。
在下面的段落中，我们将分析目前汽车及其主要部件中最广泛使用的悬架方案。
图3.2，开始于悬架图，创建一个悬架方案，其中连杆用连接运动对偶的刚性梁构成（球形接头，衬套等），其中运动对偶能够通过悬架行程和车轮转向来模拟运动行为。
3.2独立悬架
如果车轮独立悬挂，则连杆必须限制车轮5/6的自由度（或者更多，对于轮毂，因为车轮可以自由地围绕其轴线旋转）。无约束的自由度应该被理解成在垂直于地面的方向上。目前使用的许多设备中没有一个完全符合这一要求。
由于悬架必须限制五个自由度，所依他们能够由五个末端带有球形铰链的杆组成的系统实现（图3.3），这种组合通常被称为多链接悬架，它具有通过将接头拧入或者柠出来改变杆的长度从而能够较大程度调节自由度的优点。但是由于它的复杂性，它在豪华车领域之外几乎没有运用，尽管现在更简单的多链路悬挂普遍运用。从五杆多联悬架到几乎所有配置都可以通过以不同方式对这些杆分组的方法来获得。
请注意，通常车轮的运动不是平面的，因此对运动特性的研究并不简单。然而使用计算机生成的轨迹很容易获得任何悬架的准确运动特性。如果点1和2以及点3和4重合，相应的杆将成为三角形元素：由此获得的悬架是横向四边形悬架，通常被称为SLA（短臂）或者A臂悬架（图3.4）。如果线12或者34平行，则车轮的运动将包含在垂直于线12的平面中。该机制在这样的平面上的投影是一个铰接的四边形，它的侧面13由车身创建。这种类型的前悬架显示在图3.77中，其中还详细描述了汽车发动机，以表明该解决方案允许车辆的机械部分比基于刚性轴的解决方案具有更大的自由度。
图3.3 基于五连杆装置的悬架结构将限制车轮5/6的自由度
图3.4 低横向四边形悬架
3.2.1 麦弗逊式悬架
如果上三角形被棱柱形导向器取代，则获得麦弗逊式悬架（图3.5）。它的简单性和为发动机留下相当大的空间的事实使其成为汽车前梁的常用解决方案，特别是在小型汽车中。
这种由大部分最广泛配置构成的悬架的描述将被分成三部分。
第一部分是定义悬架几何及其运动学的行为状态；第二部分将对这种悬架与其他类型的悬架比较，罗列其的优缺点。
这种解释方案也将用于其他悬架类型。
第三部分将致力于悬架和其他最重要组件的设计细节。
容易想象的相似部件也将应用于其他类型的悬架。因此这个部分不会重复说明，除非被评价和麦弗逊式悬架有很大的不同。
描述
麦弗逊式悬架是前梁最广泛运用的悬架，适用于所有的中小型车。有些制造商也在大型汽车上运用这个方案，有时候一些跑车上面也用；它有时候也运用于后梁。
我们首先描述车轮联动装置。在垂直运动过程中，凭借一个下部臂和一个与减震器连接的滑轨对车轮进行导向。这个设备也用作安装弹簧。上枢轴将其以车身连接。
图3.5 麦弗逊式悬架。该图显示确定侧倾中心的RC的几何构造，但未考虑轮胎的变形。
图3.6 麦弗逊式悬架适用于中型前驱动汽车的前梁。下臂（2）通过也被称为子框架（FIAT）的辅助框架链接到车身上。
我们参考应用于·中型车的前梁解决方案，如图3.6所示，然后继续描述最想关的细节。
下臂二通过弹性衬套3在两个不同点处通过辅助框架（也被称为副框架1）连接到主体。如图3.7所示，下臂也可以通过球形接头4连接到支柱五。
支柱是加工用于安装轮轴承的外圈的座的元件，内圈安装在与制动盘和车轮连接的轮毂上。在驱动轴上，轮毂通过花键固定在驱动轴上，允许从差速器向车轮传递扭矩。在支柱上使用两个法兰连接来固定制动钳。
在减震器6的本体底部（图3.8），焊接了两个支架7，它们以刚性方式栓接在支柱上。弹簧靠在两个座位上，其中一个固定为减震器的下座8和一个固定在止推轴承10上的上座；该轴承上部环固定在轮体上，且轮体固定在主体的弹簧支架上。
因此，减震器活塞与弹簧之间的界面的一侧是弹性安装件，另一侧则是本体。止动弹簧13适配于减震器活塞并且在减震器管接触其尖端时起作用;这种止动弹簧可防止金属与金属之间的直接接触，反过来也使其自身的弹性特性逐渐增强。
图3.7。下臂2
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