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。