越野汽车悬架车架及车身扭转刚度匹配的研究_周忠胜

度的匹配思路和方法。
关键词： 越野汽车； 悬架； 车架； 车身； 扭转刚度
中图分类号： Ｕ４６２．３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００５－ ２５５０（ ２００８） Ｓ１－ ００３５－ ０４
越野行驶最大平均车速是汽车越野机动性的核 大的不同就是大比例地行驶在越野路面上， 此时整
心技术指标， 越野行驶最大平均车速越高汽车的机 车扭转变形大、扭转载荷高。对这种大扭转使用环境
系统的扭转刚度可以用式（ ３） 计算。其中 Ｃｔ１、Ｃｔ２ 分别 表 示 前 后 轴 弹 簧 的 压 缩 刚 度 ， Ｂｔ１、Ｂｔ２ 分 别 表 示 前 后 轴弹簧左右中心距。
Ｃｓ＝
２ Ｂｔ１２Ｃｔ１
１
＋
２ Ｂｔ２２Ｃｔ２
（ ３）
因此采取独立悬架布置结构、减小弹簧刚度、加
大悬架上下动行程可以降低悬架系统扭转刚度。
１ 整车及各系统扭转变形分析
２ 悬架和车架（ 整车） 扭转刚度分析
当汽车处于越野路面上或在这种路面上低速行 驶时， 车轴车轮、悬架、车架及车身等各种部件会出 现扭转变形。这种情况都可以简化为图 １ 所示情况。 即两个后轮及较低的一个前轮处于同一平面内， 另 一前轮高出该平面构成夹角 !。这时处于高点的车 轮垂直载荷增大， 同轴另一侧车轮垂直载荷必相应 减小。左右车轮的载荷转移形成扭转力矩。在扭转力 矩作用下车轴车轮系统、悬架系统、车架及车身等部 件会同时产生扭转变形。
他性能满足实际使用要求的范围内成立。同时要注
意车架上车身及各部件的安装设计， 避免这些部件
产生扭转损坏。
左右轮车轮接地性指数之差不得大于 １５％。为了保 证越野汽车的行驶性能和高速越野能力， 车辆接地 性能指数应不低于 ３０％。
表 １ 车轮接地性指数参考标准
车轮接地性
车轮接地性
车轮接地状态
指 数／％
动性的前提下， 保证乘员的舒适性、车辆行驶安全 性要求等作用。三者的总质量占越野车总质量的
性、车辆通过性、整车各主要部件可靠性、整车轻量 ５０％左右， 因此三者对车辆承载能力、舒适性、通过
化是越野汽车设计的重要工作。
性、轻量化和可靠性有着重要的影响。
明确获得用户需求和清晰地确定车辆实际使用
由于越野汽车大比例越野路面行驶要求， 一般
·３６·
越野汽车悬架车架及车身扭转刚度匹配的研究 ／ 周忠胜， 陈建贤
设 计·研 究
况和悬架系统结构不变时， 即 Ｃｓ 及 ! 都为常数， 则 此曲线表示车架（整车）扭转刚度 Ｃｊ 与车架扭转变形 " 的关系。在此范围内 Ｃｊ 对 " 的影响并不太显著。 随着 Ｃｊ 的提高， 其影响程度也越来越小。当 Ｃｊ 较大 时， 其影响甚至可忽略不计。
０．５
"／!
０
２
４
６
８
１０
Ｃｊ ／Ｃｓ
图 ２ 车架（ 整车） 扭转刚度与扭角的关系 根据上面的论述， 对于经常低速行驶在大扭转
越野路面的越野汽车来说， 没有必要过分地追求车
架和车身的大扭转刚度。从提高越野车通过性的角
度出发， 在降低悬架系统刚度前提下， 应该充分利用
车架和车身自身的扭转。当然此结论仅在整车的其
和后轴后轮系统的扭转刚度相等。车轴车轮系统的
扭转刚度 Ｃｌ 可以用式（ ４） 计算。其中 Ｃｌ１、Ｃｌ２ 分别表 示 前 后 轴 每 侧 车 轮 压 缩 刚 度 ， Ｂｌ１、Ｂｌ２ 分 别 表 示 前 后 轴左右车轮中心距。
Ｃｌ＝
２
Ｂｌ１２Ｃｌ１
１
＋
２
Ｂｌ２２Ｃｌ２
（ ４）
美军轻型高机动性越野汽车 Ｈｕｍｖｅｅ 和中型高
为了保证越野汽车车轮接地性能还应该注意悬
架接地性能设计。国际上一般用车轮动态垂直载荷
但是对于经常行驶在越野路面上的越野车这种 设计思路是否合适就不一定了。我们分析一下车架 （整车） 扭转刚度 与 悬 架 系 统 的 扭 转 刚 度 之 比 Ｃｊ ／Ｃｓ 对车架扭角的影响关系。公路用卡车的 Ｃｊ ／Ｃｓ 比值通 常为 １ 左右， 轿车则可能大到 １０。Ｃｊ ／Ｃｓ 在 ０～１０ 的 范围内 $／! 与 Ｃｊ ／Ｃｓ 依赖关系如图 ２ 所示。当道路情
动性越高。但是越野路面最大平均车速的提升意味 的设计也反映了越野汽车设计水平的高低。
着地面对车辆的冲击载荷的增大， 意味着车轮接地
悬架、车架、车身作为越野汽车主要承载和受力
性能（ 车辆通过性） 的降低， 意味着乘员舒适性的降 部件， 起着承载整车部件和载荷， 实现整车行驶和操
低。怎样在提升越野行驶最大平均车速， 提高越野机 控性能， 吸收地面冲击满足乘员舒适性和货物完好
悬架系统（含车轮）扭转刚度。根据分析， 由于悬架
形式的不同， 一般车辆车轴车轮系统扭转变形占
悬 架 系 统 扭 转 变 形 的 ５％￣１５％。 简 化 起 见 可 用 悬
架系统扭转刚度代替悬架系统 （ 含车轮） 扭转刚
度。必要时可用系数修正。
假设悬架系统扭转刚度为 Ｃｓ， 车架扭转刚度为 Ｃｊ， 则车架扭角 $ 可用式（ １） 计算； 车架扭矩用 式（２） 计算。
参考文献：
计算出各工况下最大形变位移和最大应力。 判断依据： 考虑安全系数和使用要求， 结构设计 须考虑材料轻量化， 由设计师做出判断， 最终由台架 试验和道路试验验证。 ３．３ 油封的设计 油封： 考虑油的介质、工作温度和旋转方向等， 而根据经验采用不同材质和结构。通常采用丁晴橡 胶和丙烯酸脂， 考虑耐高温、对耐寒性和弹性要求相 对低些， 可选用丙烯酸脂； 考虑橡胶弹性， 耐高温性 相对低， 可选用丁晴橡胶； 另现在较广泛采用耐热和 耐油性好， 但成本稍高的氟橡胶。
因此从提高越野汽车的通过性、舒适性， 降低车 架及车箱等部件扭转变形及应力角度出发， 应该尽 可能地降低悬架的扭转刚度。
轿车主要设计目的是长时间大比例高速行驶在 路面不平度很小的铺装路面上， 为了提高乘员乘坐舒 适性和高水平的 ＮＶＨ 水平， 一般将大扭转刚度车身 作为车身的主要设计目标。我们经常会看到报道某某 车型的车身扭转刚度比上一代提高百分之多少， 质量 降低百分之多少等等。这种大扭转刚度车身和软刚度 独立悬架的匹配非常适合轿车的实际使用环境。
越野汽车悬架车架及车身扭转刚度匹配的研究 ／ 周忠胜， 陈建贤
设 计·研 究
越野汽车悬架车架及车身扭转刚度匹配的研究
周忠胜， 陈建贤
（ 东风汽车公司 技术中心， 武汉 ４３００５６）
摘要： 从越野汽车大比例扭转使用环境出发， 首先分析了整车、悬架、车架、车身扭转变形， 继而从提高越野汽车越野
行驶最大平均车速， 保证乘员舒适性、通过性、可靠性 、轻 量 化 水 平 角 度 出 发 ， 探 讨 了 悬 架 、车 架 、车 身 （ 车 箱 ） 扭 转 刚
#２ "２
$
%１
"１
!
图 １ 汽车及各系统扭转变形
车轴车轮系统扭转指前后轴绕汽车纵向轴线
的相对扭转， 其变形主要来自轮胎。前后轴的扭转
角分别为 "１、"２。悬架系统扭转指前后悬架绕汽车 纵向轴线的相对扭转。前后悬架的扭转角分别为
#１ 和 #２。车轴车轮系统和悬架系统的扭转互相串 联， 车轴车轮系统和悬架系统串联后的刚度称为
·３５·
设 计·研 究
汽车科技增刊 ２００８ 年 ２ 月
悬置或支架连接。 本文从分析越野汽车扭转变形出发， 探讨悬架、
车架、车身（ 驾驶室、车箱） 扭转刚度的设计思路和方 法。
统和车架的扭转刚度。 实际上 ! 是以角度表示的前后车轮处道路的
不平度， 必要时可将其转换为路面相对高度， 即车轮 相对抬起高度。
ｒｅｄｕｃｔｏｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｌａｎ， ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｃｈｅｃｋ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ， ＣＡＥ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔｓ， ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｇａｐｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｒｅｄａｃｔｏｒ ｉｓ ｆｉｌｌｅｄ， ａｎｄ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｗｈｅｅｌ ｒｅｄｕｃｔｏｒ； ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ； ＣＡＥ ａｎａｌｙｓｉｓ
机动性越野车 ＭＴＶＲ 前后悬架均采用独立悬架、低
气压轮胎均证明了这种分析。
３ 悬架系统（ 含车轮） 扭转刚度分析
４ 车架扭转刚度和车身扭转刚度匹配分析
悬架弹簧的压缩刚度愈大， 悬架系统扭转刚度
也愈大。采用独立悬架时， 弹簧的压缩刚度一般较
小， 故其扭转刚度也较小。采用变刚度弹簧或辅助副
簧时， 满载时悬架系统的扭转刚度比空载时高。悬架
４ 结束语
（ ＤＦＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｗｕｈａｎ ４３００５６， Ｃｈｉｎａ ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｗｈｅｅｌ
轮边减速器在国内外工程机械驱动桥和军用越 野车驱动桥上广泛使用， 本文探讨了轮边减速器的 一般设计流程， 从结构选型， 基本参数设计计算， 齿 轮强度校核， 轴承寿命计算， 壳体 ＣＡＥ 分析等一一 加以介绍， 为轮边减速器的设计开发提供参考。
$＝
Ｃｓ Ｃｊ＋Ｃｓ
!＝
１
１＋
Ｃｊ Ｃｓ
!
（ １）
Ｍ＝
ＣｊＣｓ Ｃｊ＋Ｃｓ
!
（ ２）
从以上车架扭角公式（ １） 及车架扭矩公式（ ２） 可
以看出， 它们不仅取决于道路因素， 也取决于悬架系
在车架上安装发动机、前后轴、车身（ 驾驶室、车 箱） ， 甚至油箱、储气筒、备胎等部件后， 车架在扭转 时这些部件也随车架一起扭转， 作用相当于车架横 梁。车架受这些部件影响， 其扭转刚度必有提高。为 了把整车状态下车架扭转刚度与光车架扭转刚度区 别开来， 分别称之为车架（整车）扭转刚度和光车架 扭转刚度。前面在分析汽车扭转变形时所涉及的车 架扭转刚度 Ｃｊ， 显然应是车架（整车）扭转刚度， 而不 是光车架扭转刚度。
环境是汽车研制核心工作。越野汽车与其他车辆最 越野汽车采用非承载式车身结构， 既车架和车身分
收稿日期： ２００８－ ０１－ １１
开， 有独立的车架， 车架和车身（ 驾驶室、车箱） 通过
பைடு நூலகம்
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
动＋跳动工况； 驱动＋跳动＋转向工况； 转向工况。
根据公式（１）可知，汽车处在扭角为 ! 的道路上， 车架的扭角是 Ｃｓ 、Ｃｊ 的函数。即车架扭角不仅与车 架（整车）扭转刚度有关， 还和悬架系统扭转刚度有 关 。 增 大 车 架 （整 车 ）扭 转 刚 度 和 减 小 悬 架 系 统 扭 转 刚度都可减小车架扭角。
根据公式（２）可知， 在一定道路条件下， 既扭角 ! 一定时， 车架扭矩大小与车架（整车）扭转刚度和悬 架系统扭转刚度有关， 二者的增大都将使车架及车 架上的车身等部件扭矩相应增大、应力变大。作用于 车架的扭矩是由左右车轮载荷转移形成的， 车架扭 矩越大， 左右车轮载荷转移也越大。对于驱动轴来 说， 意味着其车轮接地性能的下降， 甚至出现单侧车 轮悬空情况， 降低了越野汽车通过性。
指 数／％
车轮接地状态
６０～１００
优
２０～３０
差
４５～６０ ３０～４５
良 一般
１～２０ ０
很差 车轮与路面脱离
轮胎的尺寸（ 接地面积） 和气压愈大， 车桥上的
轮胎愈多， 则其压缩刚度必愈大， 因此车轴车轮系统
扭转刚度也必愈大。当前后轮都为单胎且其气压接
近时， 前后轮距相等或接近时， 可认为前轴前轮系统
疲劳试验方案设计［ Ｊ］ ．汽车科技， ２００７， （ １） ： ４４－ ４７． ［ ５］ 许铁林．工程机械轮边减 速 器 结 构 设 计 研 究 ［ Ｊ］ ．工 程 机
械， １９９７， ２８（ ６） ： ２８－ ３０．
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｈｅｅｌ Ｒｅｄｕｃｔｏｒ
ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎ－ ｘｉａｏ， ＬＩ Ｚｅｎｇ－ ｈｕｉ
［ １］ 张银保．汽车轮边减速器［ Ｊ］ ．湖北工业大学学报， ２００５， ２０ （ ３） ： １０３－ １０６．
［ ２］ 黄 松 ， 徐 满 年．汽 车 之 感 悟 ［ Ｍ］ ．北 京：北 京 理 工 大 学 出 版 社， ２００７．
［ ３］ 刘惟信．汽车设计［ Ｍ］ ．北京： 清华大学出版社， ２００１． ［ ４］ 王犹松， 平建军．ＥＱ２０５０ 越野汽车轮边减速器总成台 架