悬架导向机构设计综述

悬架导向机构设计综述
梁晓东
北京科技大学车辆工程系 北京(100083)
E-mail: liangxiaodong839@
摘 要：悬架导向机构对悬架系统性能的发挥起着非常重要的作用。

本文分析了悬架导向机构的设计要求，并综合分析了现今车辆悬架系统所采用导向机构及其设计，对悬架系统导向机构的选型和设计有一定的参考作用。

关键词：悬架、导向机构、运动学、动力学。

中文图书分类号：U461.1
The design summary of suspension guide mechanism
Liang Xiaodong
Department of Automotive Engineering, University of Science and Technology Beijing, PRC,
(100083)
Abstract
The guide mechanism of suspension system is critical to the performance of the suspension. This paper analyzes the requirements of the guide mechanism of the suspension, and synthetically makes a deep discussion of the style and the design method of the guide mechanism, now used on the vehicles. This paper could be a reference of choosing the style of the suspension guide mechanism.
Key words: Suspension, Guide mechanism, Kinematics, Dynamics.
1.引言
悬架是车辆重要总成之一，其性能的优劣对整车的操纵稳定性、行驶平顺性、通过性、动力性、燃料经济性、全车零部件寿命特别是轮胎寿命，以及对道路路面的损伤强度都有最直接、最明显的影响[1]。

悬架主要由弹性元件、阻尼元件、导向机构和横向稳定杆组成。

其中悬架导向机构决定着车轮定位参数及其动态性能，是悬架的关键部件之一。

2.悬架的设计要求
悬架的分类及形式的选择依据主要是悬架导向机构的结构形式，导向机构承受传递车轮传递过来的纵向力和力矩以及侧向力。

对导向机构的设计要求有[2,3]：
(1)当车轮与车身产生相对运动时，保证轮距变化在一定的范围之内，以免
轮胎过早磨损。

(2)当车轮上下跳动时，前轮定位参数要有合理的变化特性；
(3)转弯时，应使车轮与车身倾斜方向相同，增加汽车的不足转向效应；
(4)车辆加速和制动时能保持车身稳定，减少车身纵倾的可能性；
(5)制动时，悬架导向机构的运动应使车身具有抗点头的作用；加速时有抗
俯仰的作用；
(6)行程恰当的侧倾中心，保证悬架有足够的侧倾刚度；
(7)各铰接点处受力尽量小，减少橡胶元件的弹性变形，以保证导向精度；
(8)导向杆系有足够的强度、刚度和疲劳强度。

3.悬架导向机构的结构形式分析
悬架导向机构的结构形式有很多，根据不同的用途有多种。

轿车上，对于整体式车轴，主要有多连杆式(常见的主要有四连杆式、五连杆式)、第迪安式；对于独立悬架，主要有单(双)纵臂式、双横臂式、麦弗逊撑杆式、多连杆式、拖曳臂式、半拖曳臂式和摆动轴式。

现在轿车上广泛采用的是双横臂式导向机构。

中型和重型货车一般都采用整体式车轴，导向机构形式主要有板簧式、A形架式、双横臂式、双纵臂式、拖曳臂式和柔性梁式。

悬架导向机构的具体形式选择应根据车辆的用途，综合考虑成本和车辆的运行条件作具体分析，下面对不同形式的悬架导向机构做简要分析[4]： 叶片弹簧式：简单而便宜，能完全消除车轮外倾角的变化，减少轮胎磨损，是货车悬架的优选方案。

簧片在垂直方向上柔顺，并且有较大的侧向和纵向刚度，因而簧片兼起导向机构的作用，广泛用于大多数的轻型和重型货车上。

悬架工作时簧片之间的固有摩擦以及簧片侧向刚度和纵向刚度与垂直刚度之间的正向关系决定了轿车上不采用叶片式弹簧。

一些大型客车上为了充分发挥板簧式悬架的优势，采用板簧和空气弹簧组合形式，如日本的日野RR172和德国的曼150FOC等大客车上，利用板簧较大的纵向和侧向刚度作为其导向机构，主要有中置式和边
置式两种(图1)。

图1 板簧和空气弹簧组合式悬架系统
多连杆式：多连杆式导向机构在独立式后悬架得到了广泛的应用，主要有四连杆式和五连杆式，适用于要求为车轮提供纵向力、侧向控制和承受制动力矩的场合。

多连杆式导向机构给与设计者以很大的设计空间，通过优化设计可以对侧倾中心位置，抗点头、抗后蹲以及侧倾转向性能都能有很好的控制，以获得更好的乘坐舒适性以及NVH特性。

缺点是价格昂贵，主要用于高性能轿车，如梅赛德斯-奔驰CLK车型。

随着技术水平的提高，多连杆式导向机构有向中级桥车普及的趋势，如马自达3和速腾也都采用了多连杆式导向机构。

图2为本田雅阁车型用多连杆导向机构悬架。

图2 多连杆式导向机构悬架
第迪安式介于整体式车轴和独立悬架之间，非常经典，但很少使用，就如化油器一样有不可解决的缺点。

双横臂式(图3)广泛用于美国轿车的悬架的导向机构，其上下控制臂通常是长度不同的。

这类控制臂在美国通常称为“A臂”，在英国称为“叉形臂”，常用于前悬架。

长短臂式导向机构由于在车轮跳动过程中虚拟主销的运动导致车轮定位参数的变化，因而必须优化几何设计以使跳动和回弹时轮距变化最小，避免轮胎的过度磨损。

图3 长短臂式导向机构悬架
麦弗逊撑杆式(图4)是种与不等长臂前悬架几何关系相似的采用撑杆结构的悬架，主要优点是为发动机横置提供了较大的空间，结构简单，质量小，便于发动机的横向布置，从而适于前悬架设计；缺点是安装位置过高，从而限制了设计者降低发动机罩的能力。

由图4可知，弹簧轴线相对于减振器轴线向外偏移，并高高地安装于减振器之上，主要是为使弹簧中心偏移，抵消作用于减振器上的附加力矩。

这是弹簧高高在上和向外偏移的真正原因[5]。

图4 麦弗逊撑杆式
拖曳臂式常用于较为昂贵和有高性能要求的轿车上，控制臂纵向布置，承受纵向力和制动力矩，并且控制车辆的后蹲和升起。

作为下方的横向控制臂常用一个简单的支撑杆，如下图5所示。

图5 拖曳臂式
半拖曳臂式导向机构主要用于半独立悬架和独立悬架。

半拖曳式独立悬架因宝马共识和梅赛德斯-奔驰公司的广泛应用而流行。

其铰接轴线通常与横向贯穿°
车辆的直线成25角。

当车轮发生跳动和回弹时，半拖曳臂式悬架会产生转向效应。

转向/外倾角综合作用在外侧车轮上，产生和转弯方向相反的作用，于是后轴产生了不足转向，但是若不加以控制，侧向力柔顺转向将导致过多转向即要保证动态过程中两铰接轴线的交点一直在车桥的前方。

下图为半拖曳式半独立悬架，在普通轿车上应用比较广泛，如雷诺Scenic车型和本田飞度的后悬就是采用
这种结构(图6)。

图6 半拖曳臂式
摆动轴式独立悬架(图7)是Edmund Rumpler在20世纪初发明的，广泛用于多
种欧洲轿车上，其中最著名的是大众公司的‘“甲壳虫”，该形式悬架很难获得
稳定的转向性能，“举升”现象明显，并且在轮胎上下跳动时轮距变化比较大，
轮胎磨损严重，一般用于微型轿车。

图7 摆动轴式
A形架导向机构如图8所示，该机构类似于两根纵向导向臂的铰接点在车架的连接处合并，在传递纵向力的同时还传递侧向力，具有很好的抗侧倾能力，被部分车采用，如德国的曼SL202和尼奥普兰等客车后悬架就是采用该结构。

由图8可知，A形架尺寸和重量较大，目的是为了减少轮胎磨损，避免车身有过大的垂直位移。

图8 A形架式导向机构
双横臂式导向机构在轿车中使用非常广泛。

重型车辆采用双横臂式(图9)和双纵臂式(图10)导向机构用以承担比较大的纵向力和力矩。

采用双横臂式导向机构的有德国的尼奥普兰，瑞典的沃尔沃和我国安徽的凯斯鲍尔等的前悬架。

由于双横臂式机构复杂，通常采用此结构时发动机后置；匈牙利的依卡露斯255和奔驰等大客车的前悬架采用了双纵臂四连杆导向机构；五十铃PLV719R和依卡露斯280的后悬架采用了另一种双纵臂四连杆导向机构。

双纵臂式四连杆导向机构的上纵臂有两种布置：一种是不知在两边，另一宗式将两根上臂合并在一起布置在中间。

其选择依据车辆的总体布置。

图9 双横臂式导向机构 图10 双纵臂式导向机构 柔性梁式导向机构(图11)是刚柔结合的方法来设计的导向机构，多为空气悬架所采用，既满足了导向的要求，又有一定得变形能力。

图11 柔性梁式
同一车辆的前、后悬架导向机构往往采用不同的形式。

影响选择汽车前部和后部悬架的主要因素有：发动机位置、车轮是否是驱动/被驱动、或是转向/非转向[4]。

发动机位置直接影响了悬架的安装空间，车轮是否为驱动考虑的是车辆的纵向控制及牵引杆的设计，车轮是否转向考虑的是避免悬架与转向机构。

4.悬架导向机构运动学和动力学设计分析
悬架导向机构的几何结构开发过程可以被称为位置合成，需要使用特殊的图形和分析技术，可以借助于计算机软件，如ADAMS软件。

在进行导向机构做运动学和动力学分析的准备工作中，需要对连接间隙及刚度做合理假设，通常在设计初始阶段简化为刚体运动。

悬架的运动学特性：系指汽车车轮上下跳动时，前轮定位参数、轮距、侧倾中心高度相应的变化规律以及与转向机构运动学相容性；悬架的动力学特性主要体现在车桥的摆振和纵向性能分析上，这些都是悬架导向机构的设计内容。

悬架导向机构的运动学和动力学分析理论基础为多体系统动力学，主要辅助软件为ADAMS[7]。

在ADAMS/View中可以建模分析，同时该软件有自带的悬架分析模块，可以通过ADAMS/Car模块使用软件自带悬架系统进行分析，同时也可以自己建立
Template，再引用软件中自带的悬架分析文件进行分析，后一种方法能够给分析带来极大的方便。

为了得到比较精确的仿真结果，需要对各杆件进行柔性化分析，这可以通过ADAMS或ANSYS中建立的模态中性文件MNF来实现[8]。

4.1运动学分析
悬架导向机构通常为三维机构，其运动学分析通常要借助计算机辅助软件进行分析。

分析内容主要包括车轮上下跳动过程中车轮定位参数的变化，目的在于防止轮胎过早磨损，保证操纵稳定性。

分析工况主要有：车辆直线行驶工况、车辆转弯行驶工况、车辆在不平路面行驶工况。

分析参数主要有车轮上下跳动过程中的车轮定位参数的变化情况，即前束、主销内倾角、主销后倾角和轮胎外倾角的变化。

运动学分析方法主要有图形法分析和计算分析(二维)。

图形法分析是假定车架是固定的，并按着比例画出悬架机构，进而通过分析得到机构的速度图，在求解的过程中要注意位置图和速度图之间的联系。

计算分析法可以应用MathCAD软件来进行。

目标值为悬架比即车轮垂直跳动速度与弹簧压缩量的关系，轮胎侧向位移与抬高比。

侧倾中心有两种定义，一种是基于力，另一种是基于运动。

第一种(SAE定义)陈述为：穿过任意一对车轮横向平面的一点，在这一点处横向力可以作用到簧载质量，而不会引起簧载质量的侧倾。

第二种陈述为：侧倾中心是车身绕其侧倾并且车轮与地面接触区没有任何侧向运动的点。

每一个侧倾中心位于纵向中心呢平面(汽车)和垂直横向平面交点所产生的直线上，并穿过一对车轮中心[6]。

中心之间的连线为侧倾轴。

前后悬架的侧倾中心可以用Aronhold-Kennedy三中心定理来确定。

4.2动力学分析
悬架导向机构的动力学分析通常也要借助计算机辅助软件来进行。

内容主要有：悬架导向机构的抗点头和抗后蹲性能分析、车辆转弯时侧倾分析、摆振分析。

在建立导向机构动力学模型前，需要对导向机构进行合理简化为多个二维分析模型图。

如下图12所示进行等效拖曳臂分析的模型图。

图12 等效拖曳臂导向机构受力分析
导向机构动力学分析得到力学量之后就可以进行导向机构各零件的强度、疲劳强度和刚度设计。

设计时需要考虑动载荷因数。

设计结果可以借助ANSYS软件进行验证，并可以借助该软件进行零件的结构优化，以满足导向机构的轻量化设计要求。

5、结论
分析了多种悬架导向机构的结构形式和性能特点，并对其运动学和动力学特性分析做了简要介绍，为悬架导向机构设计提供了选型和设计参考。

参考文献
[1] 中国汽车工程学会组编，2008世界汽车技术发展跟踪研究.北京：北京理工大学出版社，2008.
[2] 刘惟信. 汽车设计. 北京: 清华大学出版社,2001
[3] 喻凡 林逸. 汽车系统动力学. 北京：机械工业出版社，2005.9
[4] Thomas D. Gillespie著，赵六奇和金达锋译.车辆动力学基础.北京：清华大学出版社，2006.
[5] 徐石安主编，汽车构造—底盘工程.北京：清华大学出版社，2008.
[6] Julian Happian-smith主编，张金柱译，现代汽车设计概论，北京：化学工业出版社，2007.
[7] 石博强等编著，ADAMS基础与工程范例教程.北京：中国铁道出版社，2007.9.
[8] 李增刚编著，ADAMS入门详解与实例.北京：国防工业出版社，2007.1.。