汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业强调进行自主开发，汽车产品的设计、分析、试验技术等日益受到重视。汽车悬架和转向系统的设计属于汽车底盘设计的关键技术。作者从事汽车设计（主要是底盘设计）的学习、研究、试验、分析、教学、设计工作已有30多年，特别是最近几年参加了一些汽车车型的设计工作，对于汽车悬架和转向系统设计的理论、方法都加深了认识，有了一定的实际设计与分析经验。作者发现，虽然国内外已有不少涉及汽车悬架和转向系统设计的专着、教材，它们各有特点，但是还存在改进的必要。因此，作者决定编写本书。希望本书能够对读者比较全面、深入地学习、理解和掌握汽车悬架和转向系统设计的基本理论和方法提供帮助。

在本书的编写中，作者特别注意提供有关公式的推导过程，以培养车辆工程专业本科生、研究生和汽车工程师对于实际工程问题进行数学描述的能力，有利于提高他们创造性地解决实际工程问题的能力；由于汽车悬架和转向系统的现有结构、设计和经验数据对于实际设计工作具有非常重要的参考价值，儘可能包含了这些内容。书中提供了一些例题，基本上都是汽车悬架和转向系统设计的实例，以帮助读者更好地掌握有关理论和方法，从而在实际工作中予以套用。

本书旨在介绍汽车悬架和转向系统设计的基本理论和方法，同时儘可能贴近实际设计开发工作的需要。全书共21章，内容包括：汽车悬架系统概述；轮胎与车轮；汽车零部件的载荷及其强度的计算方法；乘坐舒适性与悬架的弹性特性；悬架中弹性元件的设计；乘坐舒适性与减振器的主要参数及尺寸的选择；转向系统设计；车轮定位参数概述；汽车操纵稳定性及其评价指标；悬架的侧倾中心、轮距变化和侧倾角刚度；车轮外倾角和主销内倾角的变化特性；车轮前束的变化特性；主销纵向偏移距和主销后倾角的变化特性；悬架的抗制动点头和抗加速仰头性能分析；悬架受力分析与强度计算；双横臂式独立悬架和整体式转向系统匹配设计的三维运动学分析方法；麦克弗森式独立悬架和齿轮齿条式转向系统的匹配设计；纵置钢板弹簧整体车桥和整体式转向系统匹配设计的三维运动学分析方法；多轴汽车转向系统设计；线性三自由度车辆操纵性模型的建立；汽车的中心操纵性试验及其模拟。

本书属于套用技术着作，也可以作为工科高等院校车辆工程专业的教材和汽车及相关行业工程技术人员的参考书。希望本书可以帮助读者更好地学习、理解和掌握汽车悬架和转向系统设计的基本理论和方法，特别是提高在实际工作中正确、有效地套用这些理论和方法的能力。

王霄锋2015年9月于清华园

1汽车悬架系统概述

1.1悬架的基本功能及设计要求

1.2汽车悬架系统设计的一般步骤

1.3非独立悬架

1.4複合式后悬架

1.5独立悬架

1.5.1双横臂式悬架

1.5.2麦克弗森式悬架

1.5.3多连桿式悬架

1.5.4双横樑式悬架(双驱动梁式悬架)

1.5.5单纵臂式和双纵臂式悬架

1.5.6斜置单臂式后悬架

1.6平衡悬架

2轮胎与车轮

2.1对轮胎的要求

2.1.1对轿车和轻型卡车轮胎的要求

2.1.2对商用车轮胎的要求

2.2轮胎的设计

2.2.1斜交轮胎

2.2.2子午线轮胎

2.3轮胎的尺寸和标记

2.3.1轿车轮胎的标记

2.3.2轻型卡车轮胎的标记

2.3.3轮胎尺寸

2.3.4车轮外倾角的影响

2.4车轮

2.4.1轿车和轻型卡车的车轮

2.4.2中、重型商用车的车轮

2.5轮胎的弹性特性

2.6轮胎的不均匀性

2.7轮胎的滚动阻力

2.8轮胎的纵向滑动摩擦性能

2.8.1滑移率

2.8.2摩擦係数

2.8.3路面状况对摩擦係数的影响

2.9轮胎的侧偏特性

2.9.1轮胎的侧偏角、侧向力和回正力矩

2.9.2轮胎的侧向摩擦係数和滑移率

2.9.3在乾燥路面上的轮胎侧偏特性

2.9.4对轮胎侧偏特性的影响因素

2.9.5汽车前、后轮胎的回正力矩所引起的力矩转向

2.10轮胎模型——魔术公式

2.10.1Pacejka89魔术公式——轮胎纵向力的计算

2.10.2Pacejka89魔术公式——轮胎侧向力的计算

2.10.3Pacejka89魔术公式——轮胎回正力矩的计算

2.10.4Pacejka89魔术公式——ADAMS的car模组中的轮胎属性档案

2.11一些轮胎的侧偏特性和车轮外倾特性参数

3汽车零部件的载荷及其强度的计算方法

3.1概述

3.2车轮与路面接触点处的作用力

3.2.1最大垂直力工况

3.2.2最大侧向力工况

3.2.3最大制动力工况

3.2.4最大驱动力工况

3.3发动机转矩引起的载荷

3.4汽车零部件的强度计算

3.5汽车零部件的许用应力与安全係数

3.5.1静强度许用应力

3.5.2疲劳强度许用应力的估计

3.5.3材料的选择

4乘坐舒适性与悬架的弹性特性

4.1前、后悬架静挠度和动挠度的选择

4.2悬架的弹性特性

4.3组合式悬架的弹性特性

4.4货车后悬架主、副簧的刚度分配

5悬架中弹性元件的设计

5.1悬架中的弹性元件

5.2钢板弹簧的设计和计算

5.2.1钢板弹簧主要参数和尺寸的确定

5.2.2钢板弹簧刚度的验算

5.2.3钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径的计算

5.2.4钢板弹簧总成组装后弧高的计算

5.2.5钢板弹簧强度的验算

5.2.6少片钢板弹簧的结构特点

5.2.7渐变刚度少片钢板弹簧的有限元分析

5.3扭桿弹簧的设计和计算

5.4螺旋弹簧的设计和计算

5.5空气弹簧和油气弹簧

5.5.1空气弹簧

5.5.2油气弹簧

6乘坐舒适性与减振器的主要参数及尺寸的选择

6.1概述

6.2减振器的类型

6.2.1双筒式减振器

6.2.2充气的单筒式减振器

6.3减振器主要性能参数的选择

6.3.1相对阻尼係数ψ的选择

6.3.2减振器阻尼係数δa的确定

6.3.3最大卸荷力F0的确定

6.3.4减振器主要尺寸的选择

7转向系统设计

7.1概述

7.2机械转向器

7.2.1齿轮齿条式转向器

7.2.2整体式转向器

7.3转向系统的主要性能参数

7.3.1转向系统的角传动比

7.3.2转向系统的转矩传动比

7.4转向器的效率ηSG

7.4.1转向器的正效率ηSG+

7.4.2转向器的逆效率ηSG-

7.4.3影响转向器效率的因素

7.5动力转向系统概述

7.5.1动力转向系统的优点与缺点

7.5.2动力转向系统的主要性能要求

7.6整体式动力转向器

7.6.1整体式动力转向器的工作原理

7.6.2对动力助力系统工作过程的基本理解

7.6.3转阀的特性曲线

7.7齿轮齿条式动力转向器

7.8转阀特性曲线的计算

7.9动力转向泵

7.9.1对动力转向泵的要求

7.9.2动力转向泵的低速工作模式

7.9.3动力转向泵的流量控制状态

7.9.4动力转向泵的限压状态

7.9.5动力转向泵的特性曲线

7.9.6动力转向泵的安装

7.10动力转向油罐

7.10.1动力转向油罐的功能

7.10.2动力转向油罐的类型

7.10.3动力转向油罐的设计指南

7.11动力转向油管

7.11.1动力转向油管的功能

7.11.2动力转向油管在车辆上的安装

7.12转向器角传动比的变化规律

7.13转向梯形设计

7.13.1两轴汽车转向时理想的内、外前轮转角关係

7.13.2整体式转向梯形机构的设计和校核

7.13.3轮胎侧偏角对转向时内、外前轮转角之间理想关係的影响

7.14汽车内、外前轮转角关係的试验研究

7.14.1试验方法

7.14.2试验数据分析

7.15动力转向系统的参数设计

7.15.1停车转向阻力矩

7.15.2整体式动力转向器的输出力矩要求

7.15.3整体式动力转向器的活塞面积与对动力转向泵限压压力的要求

7.15.4整体式动力转向器要求的流量和对动力转向泵的流量要求

7.15.5动力助力失效时的转向力分析

7.16汽车转向传动机构元件

7.17汽车转向系统的摩擦特性

7.17.1整体式转向器的摩擦特性

7.17.2齿轮齿条式转向器的摩擦特性

7.18整体式转向器的刚度试验

7.19可变转向力转向系统

7.19.1概述

7.19.2流量调节动力转向泵

7.19.3液压作用式可变转向力转向系统

7.19.4电磁作用式可变转向力转向系统

7.19.5电动液压动力转向系统

7.19.6电动转向系统

8车轮定位参数概述

8.1车轮定位参数

8.2车轮外倾角

8.3主销后倾角

8.4主销内倾角

8.5主销偏移距

8.6前束

8.7车轮定位参数的变化

9汽车操纵稳定性及其评价指标

9.1不足转向度的定义

9.2引起车辆不足转向的原因

9.3线性假设

9.4线性三自由度车辆操纵性模型及模型参数

9.4.1车身侧倾的影响

9.4.2轮胎力的影响

9.4.3轮胎回正力矩的影响

9.4.4车辆重量分布和轮胎侧偏刚度的影响

9.4.5刚体车身回正力矩转向

9.4.6侧倾角刚度的测量

9.4.7制动转向

9.5不足转向度K的计算

9.5.1前桥转向柔度Df的分析

9.5.2后桥转向柔度Dr的分析

9.5.3车辆不足转向影响的叠加

9.6汽车对前轮转角阶跃输入的回响和常用操纵稳定性评价指标

9.7不足转向度K、前桥转向柔度Df和后桥转向柔度Dr对汽车瞬态

回响的影响

9.8轿车动力学参数的统计结果

9.8.1质量和惯量特性

9.8.2悬架的K特性和C特性参数

9.8.3汽车操纵稳定性指标的统计範围

10悬架的侧倾中心、轮距变化和侧倾角刚度

10.1悬架的侧倾中心与车身的侧倾轴线

10.2独立悬架的侧倾中心与轮距变化

10.3独立悬架的侧倾角刚度

10.3.1单横臂式独立悬架的侧倾角刚度

10.3.2双横臂式独立悬架的侧倾角刚度

10.3.3麦克弗森式(滑柱摆臂式)独立悬架的侧倾角刚度

10.4非独立悬架的侧倾中心与侧倾角刚度

10.4.1纵置钢板弹簧非独立悬架的侧倾中心R及其侧倾角刚度

10.4.2其他一些非独立悬架的侧倾中心

10.5拖臂扭转梁式悬架的侧倾中心

10.6车身侧倾轴线的确定

10.7侧倾角刚度在汽车前、后桥上的分配及其对汽车操纵稳定性的影响

10.8横向稳定桿的设计

11车轮外倾角和主销内倾角的变化特性

11.1车轮外倾角的变化特性

11.1.1车轮外倾角与汽车操纵稳定性

11.1.2车轮外倾角的运动学变化

11.1.3侧向力引起的车轮外倾角变化

11.2主销内倾角、主销偏移距与车轮外倾角

11.2.1主销内倾角和地面垂直支承力引起的主销回正力矩

11.2.2主销内倾角、主销偏移距与制动力引起的主销力矩

12车轮前束的变化特性

12.1前束角的设定及偏航角的定义

12.2利用作图法进行转向桿系与悬架的匹配设计——前束角变化特性

的控制

12.2.1在前悬架是纵置钢板弹簧的汽车中转向纵拉桿的布置

12.2.2在採用双横臂式前悬架的汽车中的转向桿系布置

12.2.3在採用麦克弗森式前悬架的汽车中的转向桿系的布置

12.3前束角随着前轮上、下跳动的变化特性曲线

12.4车轮前、后运动时前束角的变化及其控制

12.5车身侧倾引起的车轮前束角变化

12.6侧向力引起的车轮前束角变化

12.7轮胎回正力矩引起的车轮前束角变化

12.8驱动对车轮前束角变化的影响

13主销纵向偏移距和主销后倾角的变化特性

13.1主销后倾角及其公差

13.2主销后倾角、主销纵向偏移距和轮胎侧向拖距

13.3主销后倾角与汽车直线行驶稳定性

13.4汽车转向行驶时的前轴回正力矩分析

13.5前轮转向角所引起的主销内倾角、车轮外倾角和主销后倾角的

变化特性

13.6车轮跳动引起的主销后倾角的变化

13.7转向角输入所引起的车身高度、车身侧倾角的变化

14悬架的抗制动点头和抗加速仰头性能分析

14.1悬架的抗制动点头性能分析

14.2悬架的抗加速仰头性能分析

15悬架受力分析与强度计算

15.1双横臂式独立悬架的受力分析

15.1.1车轮上只有垂直力FV作用

15.1.2车轮仅受到侧向力FL作用

15.1.3车轮上仅受制动力FB作用

15.1.4车轮上仅受驱动力FA作用

15.2麦克弗森式独立悬架的受力分析

15.2.1车轮上只有垂直力FV作用

15.2.2车轮仅受到侧向力FL作用

15.2.3车轮上仅受纵向力FA作用

15.2.4车轮上仅受制动力FB作用

15.3卡车平衡悬架的受力分析

15.3.1车轮上仅作用有垂直力时的卡车平衡悬架受力分析

15.3.2车轮反跳时平衡悬架的受力分析

15.3.3车轮上仅承受侧向力的平衡悬架受力分析

15.3.4车轮上仅承受驱动力的平衡悬架受力分析

15.3.5车轮上仅承受制动力的平衡悬架受力分析

16双横臂式独立悬架和整体式转向系统匹配设计的三维运动学

分析方法

16.1双横臂式独立悬架和整体式转向系统的刚体运动学模型

16.2需要输入的数据

16.3确定在悬架和转向系统处于设计位置的参数

16.4在车轮跳动过程中悬架和转向桿系的刚体运动学分析

16.5转向时前轴内轮转角λi、外轮转角λo的计算

16.5.1车轮处于直线行驶位置时的有关参数计算

16.5.2汽车转向时前轴内轮转角λi、外轮转角λo的计算

16.6汽车直线行驶的车轮跳动干涉转角λb、轮距变化、主销后倾角

变化和主销内倾角变化的计算

16.7转向连桿位置的最佳化设计

17麦克弗森式独立悬架和齿轮齿条式转向系统的匹配设计

17.1麦克弗森式独立悬架和齿轮齿条式转向系统的刚体运动学模型

17.2需要输入的数据

17.3悬架和转向系统处于设计位置时的参数计算

17.4悬架压缩、伸张时悬架和转向系统的坐标转换矩阵

17.5转向时前轴内、外轮转角关係、转向系统角传动比的计算

17.6悬架压缩、伸张所引起的车轮干涉转角

17.7转向连桿位置的最佳化设计

18纵置钢板弹簧整体车桥和整体式转向系统匹配设计的

三维运动学分析方法

18.1纵置钢板弹簧整体车桥和整体式转向系统的刚体运动学模型

18.2需要输入的数据

18.3确定在悬架和转向系统处于设计位置的参数

18.4转向时前轴内轮转角λi、外轮转角λo和转向传动机构角

传动比的计算

18.5汽车直线行驶时车轮跳动干涉转角λb的计算

18.6转向连桿系统的最佳化设计

18.6.1最佳化变数

18.6.2最佳化目标函式

19多轴汽车转向系统设计

19.1三轴汽车双前桥转向

19.1.1三轴汽车双前桥转向的理想内、外轮转角关係

19.1.2三轴卡车双前桥转向机构及其运动学分析步骤

19.1.3双前桥转向的三轴卡车的前2桥内、外轮转角分析的坐标系

19.1.4双前桥转向机构的三轴卡车的前2桥内、外轮转角计算

19.2三轴汽车单前桥转向

19.3四轴汽车双前桥转向

20线性三自由度车辆操纵性模型的建立

20.1线性假设

20.2线性三自由度车辆操纵性模型及模型参数

20.3车辆模型的惯性分析

20.4模型的尺寸分析

20.5线性三自由度车辆操纵性模型的公式推导

20.5.1基本公式的推导

20.5.2前轴车轮垂直载荷的变化分析

20.5.3后轴车轮垂直载荷的变化分析

20.5.4对整车绕Z轴的合力矩

20.5.5对悬上质量绕侧倾轴线的合力矩

20.5.6线性三自由度车辆操纵性模型的动力学方程

20.5.7线性三自由度车辆操纵性模型动力学方程的求解

20.6理想的前轮内、外轮转角关係随着车速的变化特性

20.7汽车动力学分析软体

20.7.1Adams/Car的子系统模板建立器

20.7.2Adams/Car的标準接口

21汽车的中心操纵性试验及其模拟

21.1中心操纵性试验及其目的

21.2中心操纵性试验方法

21.3中心操纵性试验的数据处理

21.3.1转向盘转角侧向加速度特性

21.3.2转向盘转矩侧向加速度特性

21.3.3转向盘转矩转向盘转角曲线

21.3.4转向功梯度侧向加速度特性曲线

21.4多种汽车中心操纵性试验结果及其统计分析

21.4.1汽车中心操纵性试验结果的统计分析

21.4.2试验车的重量及其分布

21.4.3转向盘转角侧向加速度特性曲线相关的评价参数

21.4.4转向盘转矩侧向加速度特性曲线相关的评价参数

21.4.5转向盘转矩转向盘转角特性曲线相关的评价参数

21.4.6转向功梯度侧向加速度特性曲线相关的评价参数

21.4.7一些典型轿车的中心操纵性试验评价参数

21.5汽车转向系统的性能评价试验

21.5.1期望的转向系统性能

21.5.2可变转向力转向系统的作用

21.6汽车的中心操纵性模拟

21.6.1汽车中心操纵性模拟的模型

21.6.2汽车的线性三自由度操纵性模型

21.6.3汽车的转向系统模型

21.6.4汽车转向系统参数变化对中心操纵性的影响

21.7转向中间传动轴的设计问题

21.7.1单个十字轴式万向节的运动学特性

21.7.2双十字轴万向节的套用

21.7.3有利于汽车中心操纵性的转向中间传动轴设计

参考文献