外文翻译汽车悬架系统的设计及仿真.docx
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外文翻译汽车悬架系统的设计及仿真
本科毕业设计(论文)
外文翻译(附外文原文)
学院:
机械与控制工程学院
课题名称:
汽车悬架系统的设计及仿真
专业(方向):
机械设计制造及其自动化
(机械装备设计与制造)
班级:
机械11-2班
学生:
蓝秀美
******************************
日期:
2015年1月23日
汽车悬架如何工作
威廉•哈里斯
密歇根大学
当人们考虑汽车性能的时候,他们通常想到的是马力,扭矩,0至60的加速度时间。
如果司机无法控制汽车,即使所有的能量由活塞式发动机提供也是没有意义的。
这就是为什么汽车工程师将他们的注意力转向对悬架系统的研究,几乎如同已掌握的四冲程内燃机一样。
汽车悬架的作用是最大限度地增加轮胎与路面之间的摩擦,提供操纵稳定性,并确保乘客的舒适性。
在这篇文章,让我们一起来探讨悬架是如何工作的,悬架的发展历程和未来发展方向。
如果一条路是平坦的,悬架是不必要的。
但是路不可能是平坦的,即使是刚铺好的公路也有瑕疵,根据牛顿运动定律,所有力都是有幅值和方向的,当汽车经过一个障碍物时,车轮会上下跳动。
没有一个介于中间的结构,所有车轮的垂直能量都会转移到车架上,在同一方向移动。
在这种情况下,车轮会与道路完全失去接触,然后在重力的作用下,车轮又会紧压路面。
你需要的就是那种系统,可以吸收垂直加速轮的能量,允许汽车即使在颠簸的路面上也依然能平稳的行驶。
车辆动力学
研究汽车在行驶中受到的力被称为汽车动力学。
为了更好地理解为什么要把悬架放在首位,你需要了解一些概念,大多数汽车工程师从两个角度来考虑汽车动力学。
行驶:
车辆行驶不平路面的平顺性。
操控:
车辆安全加速,制动和转弯的能力。
这两个特点,可以进一步说明,在三个重要的原则—道路隔离、道路控制和转弯。
下面描述了这些原则和工程师如何试图解决每一个独特的挑战。
底盘系统
悬挂实际上是汽车底盘的一部分,包括所有位于汽车身体下面的重要系统。
这个系统包括:
框架—结构,承载组件,支持汽车的引擎和车身,反过来又受到悬挂的支持。
悬挂系统—支持重量,吸收振动并且保证轮胎的接触。
转向系统—底盘,使驾驶员直接引导车辆。
轮胎—保证车轮和地面的抓紧力。
因此悬架系统在任何车辆里都是主要的系统之一。
下面该看悬架系统的三个基本组成件:
弹簧、阻尼和扭杆。
弹簧
现如今,弹簧系统都基于四种基本设计形式.
螺旋弹簧:
弹簧的常用形式,本质上讲,螺旋弹簧相当于围绕在轴线周围的一中高载负性能的扭杆螺旋弹簧,利用伸缩来缓冲车轮的位移。
钢板弹簧:
这种形式的弹簧是由若干个叶片形金属捆绑而成,并作为一个独立的元件使用的。
起初,钢板弹簧用在四轮马车上,直到1985年才广泛用于汽车上。
扭杆弹簧:
像螺旋弹簧一样,不过扭杆弹簧利用金属杆的扭曲特性工作的。
它是将金属杆的一端铰接在车架上,另一端连接在叉骨架上来工作的。
叉骨架类似一个杠杆,它与扭杆的运动方向相垂直,当车轮颠簸时,这种垂直的运动传到叉骨架,通过这种杠杆的作用在扭杆上,然后扭杆沿着轴线发生扭曲而产生弹力。
欧洲汽车制造商曾广泛的应用这种弹簧,在20世纪50-60年代美国的Packard和chrgsler也采用了这种弹簧。
空气弹簧:
空气弹簧主要是由放置在车轮和车身的柱形气室组成,它利用空气的压缩性能去吸收车轮的振动。
这种空气弹簧的概念已经有一个多世纪了,在双轮的马车上就有其存在,在那个时候,空气弹簧用充气的皮革制作,直到20世纪30年代被橡胶气弹簧取代。
根据弹簧在车轮与车架之间放置位置的不同,工程技术人员为了方便将其分为弹簧和簧下质量。
弹簧和簧下质量
承载弹簧是一种支撑车体的弹簧,而非承载弹簧却是道路和悬架之间松弛的弹簧。
当汽车在行驶中弹簧的刚度对承载弹簧有影响。
而像林肯之类的高档汽车用的是非承载弹簧,可以吸收缓冲提供高稳定的行驶。
可是这种车在加速和刹车的时候容易出现点头和后坐现象,在汽车拐弯的时候也很容易摇晃。
像运动形这种承载弹簧类的车,对路面的颠簸要求小,它需要的是在高速行驶时即使是在拐弯的时候,尽可能的减小车身的移动.
所以像弹簧这样看起来很简单的装置,在一辆汽车上设计和安装要平衡其舒适度是一件很复杂的工作。
更为复杂的是弹簧本身不能提供平顺的行驶。
为什么呢?
这是因为弹簧能很好的吸收能量却不能释放能量。
所以我们需要另一种结构,那就是减振器。
减振器
减振器和弹簧共同作用,吸收振动并释放出去,直到能量完全释放弹簧才能回到原来的位置,它可以补偿因地面引起的颠簸。
由于减振器的存在,它减小并平缓了振动的幅值,,将汽车的动能转化成热能并散发到油液中。
减振器就象是一个油泵放置在车架和车轮之间。
减振器的上部连接在车架上,而下部连接在车轮附近的车桥上。
减振器的主要形式是双筒式减振器。
它的最上部连接在活塞杆,然后连接活塞,管内充满着油液。
其中内部管叫做压力管,外部管叫做贮存管,贮存管内有过量的油液。
当车轮在路上颠簸时引起弹簧伸缩,能量传到减振器上部,再传到活塞。
减振器在上下运动时油液通过阻尼孔,由于小孔特别小加上压力,使活塞速度减慢,近而弹簧振动速度减慢。
减振器有两个工作行程,一个是压缩行程,一个是膨胀行程。
压缩行程发生于活塞向下运动,压缩油液进入活塞下的气室。
膨胀行程发生于活塞向上运动压缩油液进入活塞上部的气室。
典型的汽车和轻卡车膨胀行程要大于压缩行程。
可以这样理解,压缩行程发生在非承载弹簧的车上,膨胀行程发生在承载弹簧的车上。
当代的减振器对速度是敏感的---悬架动的越快,减振器提供的阻尼就越大。
这使得减振器能根据路面的情况去控制车辆,平顺汽车的颠簸,摇摆,前倾和后蹲。
支柱和扭杆
另一种较常见的减振结构是支柱,基本上是这样的,一个减振器安装在螺旋弹簧内。
支柱有两项功能:
一是它们提供缓冲功能,如吸振系统。
二是他们为汽车悬架提供结构性支持。
这意味着它比吸振器吸收的更多,但是他们只控制速度,而不是重量本身.
由于冲击和压杆和一辆汽车的可控性有很大的相关,他们可被视为是评定安全特征的重要因素。
磨损冲击和压杆可以让过度的车载重量从一侧转向另一侧,从前方到后方,这就降低了轮胎对地面的附着力,以及操纵和制动性能。
扭杆
扭杆(又称抗侧滚杆)和减振器一起增强车辆在行驶时的稳定性。
扭杆是一个金属杆,横跨整个车桥,有效地将两边的减振器连接在一起。
当一个轮子的减振器忽上忽下时,扭杆将运动转移到另外一个车轮上,这将创建更多的平顺性行驶并减小了汽车摆动。
尤其是它克服了在汽车转弯时的滚动。
基于这个原因,现如今几乎所有的车装都有扭杆作为标准装备,但如果它们没有,在任何时候利用工具箱也会很容易的安装上。
悬架类型:
前悬
目前为止,我们讨论的重点是弹簧和阻尼如何作用于车轮上。
但四轮车一起成了两个独立的系统—前两个轮子是通过前桥相连的,后两个轮子是通过后桥相连的。
这意味着一辆车可以在前方与后方有不同类型的悬架并多少取决了刚性约束车轴车轮或车轮间的独立移动。
前布置被称为独立系统,而后者的布置被称为非独立系统.。
在以下章节中,我们也会学习一些常见的主流汽车上的前后悬架。
前悬非独立系统
前悬架非独立系统利用刚性前轴连接前轮。
基本上就好像一个坚实的杆放置在汽车的后前方,装备钢板弹簧和减振器。
这些年来通用卡车一直没使用前悬非独立悬架。
前悬独立系统
前悬架独立系统允许车轮单独运动。
麦弗逊式悬架,典型的独立悬架,由厄尔国会商量通用汽车公司在1947年发展起来的,是应用最广泛的前悬架系统,特别是生产于欧洲的汽车。
麦弗逊式悬架将减振器和螺旋弹簧结合成一个单位。
这提供了一个更紧凑更轻便的悬架系统,通常应用于前轮驱动车辆。
双横臂独立悬架,是另一种常见的独立前悬架。
虽然有几个不同的配置,但是这样的设计通常是用两个横臂去定位车轮。
每个横臂,其中的两端一端连接在车架,另一端连接在车轮。
减振器和螺旋弹簧用来吸收振动,双横臂悬架,更多的是控制车轮的倾角,描述车轮倾斜到何种程度。
它们还有助于减少滚动或摇摆并为其提供一个更加一致的转向感觉。
由于这些特点,双横臂独立悬架是常用于前轮较大的汽车.
现在让我们看看一些常见的后悬架.
后悬架:
非独立悬架
用一个固体轴连接一辆小轿车的车轮后方,根据钢板弹簧或是螺旋弹簧,这种悬挂通常很简单。
在刚开始的设计中,弹簧钢板直接钳接驱动桥,减振器连接弹簧轴。
由于这种结构简单易行,多年来,美国汽车制造商喜欢采用这种设计结构。
相同的基本设计,可以实现与钢板弹簧更换叶片。
在这种情况下,弹簧和减振器可以挂载作为一个单一的单位或者作为单独的组件使用。
当他们分开时,弹簧可以变的更小,减少了空间的占用。
后悬架:
独立悬架
如果汽车前后悬架是独立的,那么所有的轮子都进行过单独的安装,可以用在前面的车也可以在后方,可以发现在后轴上节所述的各种版本的前后独立系统。
当然,在车的后面,转向架--其中包括行星齿轮车轮,使车轮从一侧向另一侧旋转。
这意味着后部独立悬架可以简化为前部独立悬架,虽然现有的基本原则不变。
过去数年汽车悬架虽然对弹簧和避震器有加强和该进,但是该系统的基本设计并未发生重大改变。
但所有这一切即将改变,由于采用了全新的悬架设计构思--Bose,Bose因为其在技术方面的创新而闻名。
一些专家甚至说Bose是汽车悬架最大的一个全独立设计的进步。
其工作原理是什么?
Bose系统采用直线电机(为LEM),应用于每个车轮以代替传统的冲击和弹簧设置。
放大器是提供电力的电动机,电动机向用户提供电力马达,且电机是不被固有常规惯性限制的流体阻尼器。
其结果是一个LEM可以扩展和压缩在一个更大的速度,从根本上消除在客舱的所有振动,且可以精细控制该车车轮的运动,不管发生什么事车身依然保持在水平状态。
该LEM还可以抵消汽车的身体运动,同时加速,制动和转弯,让驾驶者控制感更强。
不幸的是,这种模式暂时将无法使用,直到2009年,它才会提供应用于一个或多个高档豪华型轿车。
这时,司机将不得不依赖于尝试了几个世纪具有平滑颠簸的真正的悬挂方式。
HowCarSuspensionsWork
ByWilliamHarris
UniversityofMichigan
Whenpeoplethinkofautomobileperformance,theynormallythinkofhorsepow
er,torqueandzero-to-60acceleration.Butallofthepowergeneratedbyapistonengineisuselessifthedrivercan'tcontrolthecar.That'swhyautomobileengineerstu-rnedtheirattentiontothesuspensionsystemalmostassoonastheyhadmasteredthefour-strokeinternalcombustionengine.
Thejobofacarsuspensionistomaximizethefrictionbetweenthetiresandtheroadsurface,toprovidesteeringstabilitywithgoodhandlingandtoensurethecomfortofthepassengers.Inthisarticle,we'llexplorehowcarsuspensionswork,howthey'veevolvedovertheyearsandwherethedesignofsuspensionsisheadedinthefuture.
VehicleDynamics
Ifaroadwereperfectlyflat,withnoirregularities,suspensionswouldn'tbenecessary.Butroadsarefarfromflat.Evenfreshlypavedhighwayshavesubtleimperfectionsthatcaninteractwiththewheelsofacar.It'stheseimperfectionsthatapplyforcestothewheels.AccordingtoNewton'slawsofmotion,allforceshavebothmagnitudeanddirection.Abumpintheroadcausesthewheeltomoveupanddownperpendiculartotheroadsurface.Themagnitude,ofcourse,dependsonwhetherthewheelisstrikingagiantbumporatinyspeck.Eitherway,thecarwheelexperiencesaverticalaccelerationasitpassesoveranimperfection.
Withoutaninterveningstructure,allofwheel'sverticalenergyistransferredtotheframe,whichmovesinthesamedirection.Insuchasituation,thewheelscanlosecontactwiththeroadcompletely.Then,underthedownwardforceofgravity,thewheelscanslambackintotheroadsurface.Whatyouneedisasystemthatwillabsorbtheenergyoftheverticallyacceleratedwheel,allowingtheframeandbodytorideundisturbedwhilethewheelsfollowbumpsintheroad.
Thestudyoftheforcesatworkonamovingcariscalledvehicledynamics,andyouneedtounderstandsomeoftheseconceptsinordertoappreciatewhyasuspensionisnecessaryinthefirstplace.Mostautomobileengineersconsiderthedynamicsofamovingcarfromtwoperspectives:
Ride-acar'sabilitytosmoothoutabumpyroad
Handling-acar'sabilitytosafelyaccelerate,brakeandcorner
Acar'ssuspension,withitsvariouscomponents,providesallofthesolutionsdescribed.
Let'slookatthepartsofatypicalsuspension,workingfromthebiggerpictureofthechassisdowntotheindividualcomponentsthatmakeupthesuspensionproper.
TheChassis
Thesuspensionofacarisactuallypartofthechassis,whichcomprisesalloftheimportantsystemslocatedbeneaththecar'sbody.
Thesesystemsinclude:
Theframe-structural,load-carryingcomponentthatsupportsthecar'sengineandb-
ody,whichareinturnsupportedbythesuspension.
Thesuspensionsystem-setupthatsupportsweight,absorbsanddampensshockand
helpsmaintaintirecontact.
Thesteeringsystem-mechanismthatenablesthedrivertoguideanddirectthe
vehicle.
Thetiresandwheels-componentsthatmakevehiclemotionpossiblebywayof
gripand/orfrictionwiththeroad.
Sothesuspensionisjustoneofthemajorsystemsinanyvehicle.
Withthisbig-pictureoverviewinmind,it'stimetolookatthethreefundamentalcomponentsofanysuspension:
springs,dampersandanti-swaybars.
Springs
Today'sspringingsystemsarebasedononeoffourbasicdesigns:
Coilsprings-Thisisthemostcommontypeofspringandis,inessence,heavy-duty
torsionbarcoiledaroundanaxis.Coilspringscompressandexpandtoabsorbthemotionofthewheels.
Leafsprings-Thistypeofspringconsistsofseverallayersofmetal(called"leaves")boundtogethertoactasasingleunit.Leafspringswerefirstusedonhorse-drawncarriagesandwerefoundonmostAmericanautomobilesuntil1985.Theyarestillusedtodayonmosttrucksandheavy-dutyvehicles.
Torsionbars-Torsionbarsusethetwistingpropertiesofasteelbartoprovidecoil-spring-likeperformance.Thisishowtheywork:
Oneendofabarisanchoredtothevehicleframe.Theotherendisattachedtoawishbone,whichactslikealeverthatmovesperpendiculartothetorsionbar.Whenthewheelhitsabump,verticalmotionistransferredtothewishboneandthen,throughtheleveringaction,tothetorsionbar.Thetorsionbarthentwistsalongitsaxistoprovidethespringforce.Europeancarmakersusedthissystemextensively,asdidPackardandChryslerintheUnitedStates,throughthe1950sand1960s.
Airsprings-Airsprings,whichconsistofacylindricalchamberofairpositionedbetweenthewheelandthecar'sbody,usethecompressivequalitiesofairtoabsorbwheelvibrations.Theconceptisactuallymorethanacenturyoldandcouldbefoundonhorse-drawnbuggies.Airspringsfromthiseraweremadefromair-filled,leatherdiaphragms,muchlikeabellows;theywerereplacedwithmolded-rubberairspringsinthe1930s.
Basedonwherespringsarelocatedonacar.,betweenthewheelsandtheframeengineersoftenfinditconvenienttotalkaboutthesprungmassandtheunsprungmass.
Springs:
SprungandUnsprungMass
Thesprungmassisthemassofthevehiclesupportedonthesprings,whiletheunsprungmassislooselydefinedasthemassbetweentheroadandthesuspensionsprings.Thestiffnessofthespringsaffectshowthesprungmassrespondswhilethecarisbeingdriven.Looselysprungcars,suchasluxurycars(thinkLincolnTownCar),canswallowbumpsandprovideasuper-smoothride;however,suchacarispronetodive
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