前言
汽車工業已經成為我國國民經濟的支柱產業之一。隨著我國汽車工業強調進行自主開發，汽車產品的設計、分析、試驗技術等日益受到重視。汽車懸架和轉向系統的設計屬於汽車底盤設計的關鍵技術。作者從事汽車設計（主要是底盤設計）的學習、研究、試驗、分析、教學、設計工作已有30多年，特別是最近幾年參加了一些汽車車型的設計工作，對於汽車懸架和轉向系統設計的理論、方法都加深了認識，有了一定的實際設計與分析經驗。作者發現，雖然國內外已有不少涉及汽車懸架和轉向系統設計的專著、教材，它們各有特點，但是還存在改進的必要。因此，作者決定編寫本書。希望本書能夠對讀者比較全面、深入地學習、理解和掌握汽車懸架和轉向系統設計的基本理論和方法提供幫助。
在本書的編寫中，作者特別注意提供有關公式的推導過程，以培養車輛工程專業本科生、研究生和汽車工程師對於實際工程問題進行數學描述的能力，有利於提高他們創造性地解決實際工程問題的能力；由於汽車懸架和轉向系統的現有結構、設計和經驗數據對於實際設計工作具有非常重要的參考價值，儘可能包含了這些內容。書中提供了一些例題，基本上都是汽車懸架和轉向系統設計的實例，以幫助讀者更好地掌握有關理論和方法，從而在實際工作中予以套用。
本書旨在介紹汽車懸架和轉向系統設計的基本理論和方法，同時儘可能貼近實際設計開發工作的需要。全書共21章，內容包括：汽車懸架系統概述；輪胎與車輪；汽車零部件的載荷及其強度的計算方法；乘坐舒適性與懸架的彈性特性；懸架中彈性元件的設計；乘坐舒適性與減振器的主要參數及尺寸的選擇；轉向系統設計；車輪定位參數概述；汽車操縱穩定性及其評價指標；懸架的側傾中心、輪距變化和側傾角剛度；車輪外傾角和主銷內傾角的變化特性；車輪前束的變化特性；主銷縱向偏移距和主銷後傾角的變化特性；懸架的抗制動點頭和抗加速仰頭性能分析；懸架受力分析與強度計算；雙橫臂式獨立懸架和整體式轉向系統匹配設計的三維運動學分析方法；麥克弗森式獨立懸架和齒輪齒條式轉向系統的匹配設計；縱置鋼板彈簧整體車橋和整體式轉向系統匹配設計的三維運動學分析方法；多軸汽車轉向系統設計；線性三自由度車輛操縱性模型的建立；汽車的中心操縱性試驗及其模擬。
本書屬於套用技術著作，也可以作為工科高等院校車輛工程專業的教材和汽車及相關行業工程技術人員的參考書。希望本書可以幫助讀者更好地學習、理解和掌握汽車懸架和轉向系統設計的基本理論和方法，特別是提高在實際工作中正確、有效地套用這些理論和方法的能力。
王霄鋒2015年9月於清華園
圖書目錄
1汽車懸架系統概述
1.1懸架的基本功能及設計要求
1.2汽車懸架系統設計的一般步驟
1.3非獨立懸架
1.4複合式後懸架
1.5獨立懸架
1.5.1雙橫臂式懸架
1.5.2麥克弗森式懸架
1.5.3多連桿式懸架
1.5.4雙橫樑式懸架(雙驅動梁式懸架)
1.5.5單縱臂式和雙縱臂式懸架
1.5.6斜置單臂式後懸架
1.6平衡懸架
2輪胎與車輪
2.1對輪胎的要求
2.1.1對轎車和輕型卡車輪胎的要求
2.1.2對商用車輪胎的要求
2.2輪胎的設計
2.2.1斜交輪胎
2.2.2子午線輪胎
2.3輪胎的尺寸和標記
2.3.1轎車輪胎的標記
2.3.2輕型卡車輪胎的標記
2.3.3輪胎尺寸
2.3.4車輪外傾角的影響
2.4車輪
2.4.1轎車和輕型卡車的車輪
2.4.2中、重型商用車的車輪
2.5輪胎的彈性特性
2.6輪胎的不均勻性
2.7輪胎的滾動阻力
2.8輪胎的縱向滑動摩擦性能
2.8.1滑移率
2.8.2摩擦係數
2.8.3路面狀況對摩擦係數的影響
2.9輪胎的側偏特性
2.9.1輪胎的側偏角、側向力和回正力矩
2.9.2輪胎的側向摩擦係數和滑移率
2.9.3在乾燥路面上的輪胎側偏特性
2.9.4對輪胎側偏特性的影響因素
2.9.5汽車前、後輪胎的回正力矩所引起的力矩轉向
2.10輪胎模型——魔術公式
2.10.1Pacejka89魔術公式——輪胎縱向力的計算
2.10.2Pacejka89魔術公式——輪胎側向力的計算
2.10.3Pacejka89魔術公式——輪胎回正力矩的計算
2.10.4Pacejka89魔術公式——ADAMS的car模組中的輪胎屬性檔案
2.11一些輪胎的側偏特性和車輪外傾特性參數
3汽車零部件的載荷及其強度的計算方法
3.1概述
3.2車輪與路面接觸點處的作用力
3.2.1最大垂直力工況
3.2.2最大側向力工況
3.2.3最大制動力工況
3.2.4最大驅動力工況
3.3發動機轉矩引起的載荷
3.4汽車零部件的強度計算
3.5汽車零部件的許用應力與安全係數
3.5.1靜強度許用應力
3.5.2疲勞強度許用應力的估計
3.5.3材料的選擇
4乘坐舒適性與懸架的彈性特性
4.1前、後懸架靜撓度和動撓度的選擇
4.2懸架的彈性特性
4.3組合式懸架的彈性特性
4.4貨車後懸架主、副簧的剛度分配
5懸架中彈性元件的設計
5.1懸架中的彈性元件
5.2鋼板彈簧的設計和計算
5.2.1鋼板彈簧主要參數和尺寸的確定
5.2.2鋼板彈簧剛度的驗算
5.2.3鋼板彈簧總成在自由狀態下的弧高及曲率半徑的計算
5.2.4鋼板彈簧總成組裝後弧高的計算
5.2.5鋼板彈簧強度的驗算
5.2.6少片鋼板彈簧的結構特點
5.2.7漸變剛度少片鋼板彈簧的有限元分析
5.3扭桿彈簧的設計和計算
5.4螺旋彈簧的設計和計算
5.5空氣彈簧和油氣彈簧
5.5.1空氣彈簧
5.5.2油氣彈簧
6乘坐舒適性與減振器的主要參數及尺寸的選擇
6.1概述
6.2減振器的類型
6.2.1雙筒式減振器
6.2.2充氣的單筒式減振器
6.3減振器主要性能參數的選擇
6.3.1相對阻尼係數ψ的選擇
6.3.2減振器阻尼係數δa的確定
6.3.3最大卸荷力F0的確定
6.3.4減振器主要尺寸的選擇
7轉向系統設計
7.1概述
7.2機械轉向器
7.2.1齒輪齒條式轉向器
7.2.2整體式轉向器
7.3轉向系統的主要性能參數
7.3.1轉向系統的角傳動比
7.3.2轉向系統的轉矩傳動比
7.4轉向器的效率ηSG
7.4.1轉向器的正效率ηSG+
7.4.2轉向器的逆效率ηSG-
7.4.3影響轉向器效率的因素
7.5動力轉向系統概述
7.5.1動力轉向系統的優點與缺點
7.5.2動力轉向系統的主要性能要求
7.6整體式動力轉向器
7.6.1整體式動力轉向器的工作原理
7.6.2對動力助力系統工作過程的基本理解
7.6.3轉閥的特性曲線
7.7齒輪齒條式動力轉向器
7.8轉閥特性曲線的計算
7.9動力轉向泵
7.9.1對動力轉向泵的要求
7.9.2動力轉向泵的低速工作模式
7.9.3動力轉向泵的流量控制狀態
7.9.4動力轉向泵的限壓狀態
7.9.5動力轉向泵的特性曲線
7.9.6動力轉向泵的安裝
7.10動力轉向油罐
7.10.1動力轉向油罐的功能
7.10.2動力轉向油罐的類型
7.10.3動力轉向油罐的設計指南
7.11動力轉向油管
7.11.1動力轉向油管的功能
7.11.2動力轉向油管在車輛上的安裝
7.12轉向器角傳動比的變化規律
7.13轉向梯形設計
7.13.1兩軸汽車轉向時理想的內、外前輪轉角關係
7.13.2整體式轉向梯形機構的設計和校核
7.13.3輪胎側偏角對轉向時內、外前輪轉角之間理想關係的影響
7.14汽車內、外前輪轉角關係的試驗研究
7.14.1試驗方法
7.14.2試驗數據分析
7.15動力轉向系統的參數設計
7.15.1停車轉向阻力矩
7.15.2整體式動力轉向器的輸出力矩要求
7.15.3整體式動力轉向器的活塞面積與對動力轉向泵限壓壓力的要求
7.15.4整體式動力轉向器要求的流量和對動力轉向泵的流量要求
7.15.5動力助力失效時的轉向力分析
7.16汽車轉向傳動機構元件
7.17汽車轉向系統的摩擦特性
7.17.1整體式轉向器的摩擦特性
7.17.2齒輪齒條式轉向器的摩擦特性
7.18整體式轉向器的剛度試驗
7.19可變轉向力轉向系統
7.19.1概述
7.19.2流量調節動力轉向泵
7.19.3液壓作用式可變轉向力轉向系統
7.19.4電磁作用式可變轉向力轉向系統
7.19.5電動液壓動力轉向系統
7.19.6電動轉向系統
8車輪定位參數概述
8.1車輪定位參數
8.2車輪外傾角
8.3主銷後傾角
8.4主銷內傾角
8.5主銷偏移距
8.6前束
8.7車輪定位參數的變化
9汽車操縱穩定性及其評價指標
9.1不足轉向度的定義
9.2引起車輛不足轉向的原因
9.3線性假設
9.4線性三自由度車輛操縱性模型及模型參數
9.4.1車身側傾的影響
9.4.2輪胎力的影響
9.4.3輪胎回正力矩的影響
9.4.4車輛重量分布和輪胎側偏剛度的影響
9.4.5剛體車身回正力矩轉向
9.4.6側傾角剛度的測量
9.4.7制動轉向
9.5不足轉向度K的計算
9.5.1前橋轉向柔度Df的分析
9.5.2後橋轉向柔度Dr的分析
9.5.3車輛不足轉向影響的疊加
9.6汽車對前輪轉角階躍輸入的回響和常用操縱穩定性評價指標
9.7不足轉向度K、前橋轉向柔度Df和後橋轉向柔度Dr對汽車瞬態
回響的影響
9.8轎車動力學參數的統計結果
9.8.1質量和慣量特性
9.8.2懸架的K特性和C特性參數
9.8.3汽車操縱穩定性指標的統計範圍
10懸架的側傾中心、輪距變化和側傾角剛度
10.1懸架的側傾中心與車身的側傾軸線
10.2獨立懸架的側傾中心與輪距變化
10.3獨立懸架的側傾角剛度
10.3.1單橫臂式獨立懸架的側傾角剛度
10.3.2雙橫臂式獨立懸架的側傾角剛度
10.3.3麥克弗森式(滑柱擺臂式)獨立懸架的側傾角剛度
10.4非獨立懸架的側傾中心與側傾角剛度
10.4.1縱置鋼板彈簧非獨立懸架的側傾中心R及其側傾角剛度
10.4.2其他一些非獨立懸架的側傾中心
10.5拖臂扭轉梁式懸架的側傾中心
10.6車身側傾軸線的確定
10.7側傾角剛度在汽車前、後橋上的分配及其對汽車操縱穩定性的影響
10.8橫向穩定桿的設計
11車輪外傾角和主銷內傾角的變化特性
11.1車輪外傾角的變化特性
11.1.1車輪外傾角與汽車操縱穩定性
11.1.2車輪外傾角的運動學變化
11.1.3側向力引起的車輪外傾角變化
11.2主銷內傾角、主銷偏移距與車輪外傾角
11.2.1主銷內傾角和地面垂直支承力引起的主銷回正力矩
11.2.2主銷內傾角、主銷偏移距與制動力引起的主銷力矩
12車輪前束的變化特性
12.1前束角的設定及偏航角的定義
12.2利用作圖法進行轉向桿系與懸架的匹配設計——前束角變化特性
的控制
12.2.1在前懸架是縱置鋼板彈簧的汽車中轉向縱拉桿的布置
12.2.2在採用雙橫臂式前懸架的汽車中的轉向桿系布置
12.2.3在採用麥克弗森式前懸架的汽車中的轉向桿系的布置
12.3前束角隨著前輪上、下跳動的變化特性曲線
12.4車輪前、後運動時前束角的變化及其控制
12.5車身側傾引起的車輪前束角變化
12.6側向力引起的車輪前束角變化
12.7輪胎回正力矩引起的車輪前束角變化
12.8驅動對車輪前束角變化的影響
13主銷縱向偏移距和主銷後傾角的變化特性
13.1主銷後傾角及其公差
13.2主銷後傾角、主銷縱向偏移距和輪胎側向拖距
13.3主銷後傾角與汽車直線行駛穩定性
13.4汽車轉向行駛時的前軸回正力矩分析
13.5前輪轉向角所引起的主銷內傾角、車輪外傾角和主銷後傾角的
變化特性
13.6車輪跳動引起的主銷後傾角的變化
13.7轉向角輸入所引起的車身高度、車身側傾角的變化
14懸架的抗制動點頭和抗加速仰頭性能分析
14.1懸架的抗制動點頭性能分析
14.2懸架的抗加速仰頭性能分析
15懸架受力分析與強度計算
15.1雙橫臂式獨立懸架的受力分析
15.1.1車輪上只有垂直力FV作用
15.1.2車輪僅受到側向力FL作用
15.1.3車輪上僅受制動力FB作用
15.1.4車輪上僅受驅動力FA作用
15.2麥克弗森式獨立懸架的受力分析
15.2.1車輪上只有垂直力FV作用
15.2.2車輪僅受到側向力FL作用
15.2.3車輪上僅受縱向力FA作用
15.2.4車輪上僅受制動力FB作用
15.3卡車平衡懸架的受力分析
15.3.1車輪上僅作用有垂直力時的卡車平衡懸架受力分析
15.3.2車輪反跳時平衡懸架的受力分析
15.3.3車輪上僅承受側向力的平衡懸架受力分析
15.3.4車輪上僅承受驅動力的平衡懸架受力分析
15.3.5車輪上僅承受制動力的平衡懸架受力分析
16雙橫臂式獨立懸架和整體式轉向系統匹配設計的三維運動學
分析方法
16.1雙橫臂式獨立懸架和整體式轉向系統的剛體運動學模型
16.2需要輸入的數據
16.3確定在懸架和轉向系統處於設計位置的參數
16.4在車輪跳動過程中懸架和轉向桿系的剛體運動學分析
16.5轉向時前軸內輪轉角λi、外輪轉角λo的計算
16.5.1車輪處於直線行駛位置時的有關參數計算
16.5.2汽車轉向時前軸內輪轉角λi、外輪轉角λo的計算
16.6汽車直線行駛的車輪跳動干涉轉角λb、輪距變化、主銷後傾角
變化和主銷內傾角變化的計算
16.7轉向連桿位置的最佳化設計
17麥克弗森式獨立懸架和齒輪齒條式轉向系統的匹配設計
17.1麥克弗森式獨立懸架和齒輪齒條式轉向系統的剛體運動學模型
17.2需要輸入的數據
17.3懸架和轉向系統處於設計位置時的參數計算
17.4懸架壓縮、伸張時懸架和轉向系統的坐標轉換矩陣
17.5轉向時前軸內、外輪轉角關係、轉向系統角傳動比的計算
17.6懸架壓縮、伸張所引起的車輪干涉轉角
17.7轉向連桿位置的最佳化設計
18縱置鋼板彈簧整體車橋和整體式轉向系統匹配設計的
三維運動學分析方法
18.1縱置鋼板彈簧整體車橋和整體式轉向系統的剛體運動學模型
18.2需要輸入的數據
18.3確定在懸架和轉向系統處於設計位置的參數
18.4轉向時前軸內輪轉角λi、外輪轉角λo和轉向傳動機構角
傳動比的計算
18.5汽車直線行駛時車輪跳動干涉轉角λb的計算
18.6轉向連桿系統的最佳化設計
18.6.1最佳化變數
18.6.2最佳化目標函式
19多軸汽車轉向系統設計
19.1三軸汽車雙前橋轉向
19.1.1三軸汽車雙前橋轉向的理想內、外輪轉角關係
19.1.2三軸卡車雙前橋轉向機構及其運動學分析步驟
19.1.3雙前橋轉向的三軸卡車的前2橋內、外輪轉角分析的坐標系
19.1.4雙前橋轉向機構的三軸卡車的前2橋內、外輪轉角計算
19.2三軸汽車單前橋轉向
19.3四軸汽車雙前橋轉向
20線性三自由度車輛操縱性模型的建立
20.1線性假設
20.2線性三自由度車輛操縱性模型及模型參數
20.3車輛模型的慣性分析
20.4模型的尺寸分析
20.5線性三自由度車輛操縱性模型的公式推導
20.5.1基本公式的推導
20.5.2前軸車輪垂直載荷的變化分析
20.5.3後軸車輪垂直載荷的變化分析
20.5.4對整車繞Z軸的合力矩
20.5.5對懸上質量繞側傾軸線的合力矩
20.5.6線性三自由度車輛操縱性模型的動力學方程
20.5.7線性三自由度車輛操縱性模型動力學方程的求解
20.6理想的前輪內、外輪轉角關係隨著車速的變化特性
20.7汽車動力學分析軟體
20.7.1Adams/Car的子系統模板建立器
20.7.2Adams/Car的標準接口
21汽車的中心操縱性試驗及其模擬
21.1中心操縱性試驗及其目的
21.2中心操縱性試驗方法
21.3中心操縱性試驗的數據處理
21.3.1轉向盤轉角側向加速度特性
21.3.2轉向盤轉矩側向加速度特性
21.3.3轉向盤轉矩轉向盤轉角曲線
21.3.4轉向功梯度側向加速度特性曲線
21.4多種汽車中心操縱性試驗結果及其統計分析
21.4.1汽車中心操縱性試驗結果的統計分析
21.4.2試驗車的重量及其分布
21.4.3轉向盤轉角側向加速度特性曲線相關的評價參數
21.4.4轉向盤轉矩側向加速度特性曲線相關的評價參數
21.4.5轉向盤轉矩轉向盤轉角特性曲線相關的評價參數
21.4.6轉向功梯度側向加速度特性曲線相關的評價參數
21.4.7一些典型轎車的中心操縱性試驗評價參數
21.5汽車轉向系統的性能評價試驗
21.5.1期望的轉向系統性能
21.5.2可變轉向力轉向系統的作用
21.6汽車的中心操縱性模擬
21.6.1汽車中心操縱性模擬的模型
21.6.2汽車的線性三自由度操縱性模型
21.6.3汽車的轉向系統模型
21.6.4汽車轉向系統參數變化對中心操縱性的影響
21.7轉向中間傳動軸的設計問題
21.7.1單個十字軸式萬向節的運動學特性
21.7.2雙十字軸萬向節的套用
21.7.3有利於汽車中心操縱性的轉向中間傳動軸設計
參考文獻
