轿车悬架系设计指南设计

轿车悬架系设计指南

（华福林编写）

1．概言

一辆性能优良的轿车，几乎所有的整车性能，譬如：动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性、舒适性、经济性、通过性及安全性，都与底盘设计的优劣息息相关。所谓汽车底盘，一般指车身（含内外饰件）以外的所有零部件总成装配成的平台而言，而汽车设计业内人士则还需将发动机、车架及它们相配套的零部件总成排除在外。因此，汽车设计部门往往将《底盘》定义在两大系统之内，即：1．传动系统：含离合器、变速器、分动器、传动轴、前后驱动桥（包括主减速器、差速器、半轴等）。

2．行路系统：含前轴（包括车轮及轮毂）系、转向系、制动系、悬架系等。

经验丰富的驾驶员在对一辆新车试车后，除对其动力性、经济性评价外，该车的操纵稳定性、平顺性也是他们津津乐道的话题。诸如车辆高速行驶下“发不发飘”、“摆不摆头”、“跑不跑偏”等等。以下仅就个人近50年汽车设计的经验，围绕轿车悬架结构因素对性能影响的简明讨论，供缺乏悬架设计经验的设计师参考。

2．汽车的悬架系

2-1 悬架系是汽车的重要部分。它是将车身（含车架）与车桥（轴）弹性联结的部件，主要功能是：

2-1-1 缓解由于路面不平引起的振动和冲击，保证良好的平顺性。

2-1-2 衰减车身和车桥（或车轮）的振动。

2-1-3 传递车轮和车身（含车架）之间的各种力（垂直力、纵向力和横向力）和力矩（制动力矩和反作用力矩）。

2-1-3 保证汽车行驶时的稳定性。

2-2 汽车悬架通常由弹性元件、导向机构和减震器组成。

2-2-1弹性元件（含各类弹簧）用来传递垂直力和缓解冲击；当汽车横向角刚度较小时，还需装横向稳定器（横向稳定杆）以减小车身的横向

滚动角（侧倾角）。

2-2-2导向机构用来控制车轮相对于车身的运动特性，以保证必要的稳定性，同时传递除垂直力以外的力和力矩。

2-2-3减震器仅用来衰减车身和车桥（或车轮）的振动振幅，它并不能改变悬架的“硬软”程度。

2-3 悬架结构一般分为两大类：独立悬架和整体桥悬架（非独立悬架）。

2-3-1独立悬架分为3个类型，如图4所示

1)麦克菲尔逊支柱型：亦称滑柱式或简称柱式，如图1所示。结构简

单，质量轻，占有空间小，适合发动机前置前轮驱动的布置。

2) 双摆臂型，如图2所示。为了获取最佳的前轮定位及其运动几何学，

通常上、下摆臂具有不同的长度和安装角。该结构经常被中型以

上的轿车、皮卡及轻型越野车上采用。

3) 斜三角单摆臂（A型斜摆臂）如图3所示。长适用于轿车后独立悬

架，以获取较理想的外倾及轮距变化。例如在丰田、奔驰轿车系列

上采用。

2－3－2独立悬架的特点：

1) 左右车轮在不平路面作上下跳动时，是互相独立的，它们彼此之

间不产生耦合关系。因此提高了乘坐舒适性、轮胎抓地性、操纵

稳定性和平顺性。

2) 降低了簧下质量（非悬架质量），使簧下质量（悬架质量）的固

有频率提高（所谓悬架振动的高频部分），远离簧上质量的固有

频率（所谓悬架振动的低频部分），从而减少它们之间的耦合关

系，有利于降噪及舒适性。

图1

图2

图3

图4

2-3-3整体桥悬架（非独立悬架）

结构简单、可靠，坚固耐用，适合较大的轿车后悬架上采用。左右车轮在不平路面作上下跳动时，会产生互相牵连的，它们彼此之间将产生振动耦合，如果不采取相应措施，这将会降低乘坐的舒适性如图5所示。

非独立悬架的型式具有钢板弹簧式、带横向拉臂、螺旋弹簧的纵向拖臂式（简称纵向拖臂式）、四连杆式以及扭梁式。。

图5

2-4轿车的行驶平顺性

汽车行驶中，不平路面的冲击传给车身后引起三维振动；加、减速、制

动、转向等操作都将会引起车身的垂直、纵向及横向振动。有时这种强

烈的车身振动将迫使司机降低车速，同时也会加大动载荷，进一步引起

零部件的磨损。因此，轿车在一般使用速度范围内行驶时，保证乘客不

会因振动而导致不舒适感觉的性能，称之为轿车行驶平顺性。

轿车行驶平顺性的评价方法，通常根据振动对人体的生理反应来确定

的。轿车是一个多质量的复杂的振动系统，车身通过悬架的弹性元件与

车桥相连接，又通过具有弹性的轮胎与地面相接触，而发动机也通过橡胶悬置与车身相连。当它们承受外激力作用时，轿车将产生极为复杂的振动。为便于了解及分析轿车的基本振动规律，人们常将此复杂振动系统简化为两个质量的振动系统，即悬架质量（簧上质量）M与非悬架质量（簧下质量）m两部分组成。如图6所示。

图6

悬架质量（簧上质量）M是指由弹性元件所支撑的质量。例如车身及其内外饰件质量、乘员、燃料及辅料质量、动力总成及其附件质量、安装在车身上的底盘件质量等。

非悬架质量（簧下质量）m是指不通过弹性元件所传递的那些质量。例如车轮及轮胎的质量、制动器总成质量、后轴质量等。然而，相连于M及m之间的元件质量，如弹性元件、导向机构杆件、减震器、转向

横拉杆及传动轴等。通常要将它们重量的一半计入悬架质量，另一半计入非悬架质量中去。

就悬架质量M而言，其振动具有六个自由度；即沿X、Y、Z轴作线性振动及绕此三个轴作角振动。如图7所示。

图7

根据经验，影响平顺性最大的振动是悬架质量M沿Z轴向的垂直振动和绕Y轴的纵向角振动。为了便于分析，进一步将系统简化为如图6所示4个自由度的平面模型。在此模型中，忽略轮胎的阻尼，同时将悬架质量M分解为在前、后轴上的悬架质量M1及M2以及重心C上的联系质量M3，这3个集中质量由无质量的刚性杆连接，它们之间应满足3个条件：

1）总质量保持不变

M1 + M2 + M3 =M

2）重心位置不变

M1a - M2b =0