乘用車多連桿懸掛的研究與發(fā)展

秦雷

0引言

汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性是衡量懸掛性能好壞的主要指標。目前汽車消費者已逐漸將汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性指標作為選擇汽車的一個重要參考因素，汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性技術(shù)已從不同角度越來越多地影響人們的生產(chǎn)和生活。

現(xiàn)今的車輛懸掛應具有良好的乘坐舒適性，懸掛的動態(tài)變形小的特性，對任何輸入的響應都很快的特性。新世紀以來，乘坐舒適性要求近乎苛求，同時又要求操控穩(wěn)定底盤性能，多連桿懸掛便應時而生。多連桿懸掛可以達到其他懸掛方式所達不到的性能要求，即便其結(jié)構(gòu)復雜，零件精度高，制造成本增加，由于其綜合性能上的優(yōu)異表現(xiàn)，目前在所有懸掛中占據(jù)主流。

1多連桿懸掛結(jié)構(gòu)介紹

多連桿懸掛通常是由五根連桿及一減振器組成，即兩根上控制臂、兩根下控制臂，再加上一轉(zhuǎn)向桿及一減振系統(tǒng)，而懸掛一側(cè)以球接頭與車身連接，另一側(cè)以球接頭與轉(zhuǎn)向節(jié)臂(knuckle)相連，而彈簧減振器也使用球接頭連接與下控制臂與車身之間，轉(zhuǎn)向節(jié)臂則通過一旋轉(zhuǎn)接頭與輪胎相連，故轉(zhuǎn)向節(jié)臂與輪胎之間僅允許相對的旋轉(zhuǎn)運動，為了方便分析，將轉(zhuǎn)向桿視為地桿，由于此型之多連桿懸掛是由雙橫臂式懸掛衍生而來，且因各有兩根上控制臂及兩根下控制臂，所以形成一虛擬的主銷中心線，此主銷中心線為一瞬間的旋轉(zhuǎn)軸，隨著懸掛的位置而變化。傳統(tǒng)懸掛因受主銷中心線的限制，導致若干設(shè)計參數(shù)受到了影響，而多連桿懸掛則擁有一瞬間的主銷中心線，突破這層障礙。轉(zhuǎn)向節(jié)臂在三維空間上的位移被控制臂與轉(zhuǎn)向桿所限制，當汽車行駛時，外力由輪胎傳至懸掛，一部分由彈性接頭吸收，而另一部分則由減振器來吸收，此懸掛有一個自由度，因此此機構(gòu)唯一獨立輸入變數(shù)來自減振器，且機構(gòu)的位置由減振器的長短唯一決定。

一般研究多連桿懸掛虛擬主銷中心線分析，有三種方法。其一是簡單圖解幾何運算，此方法雖簡單，但準確度低，并受限制，無法精確地分析多連桿懸掛的運動。其二是利用Finite center analysisby curve fitting，定位輪胎上下接觸面，并分別求得位移曲線，再利用線性 (curve fitting)求出圓心，連接兩圓心即求得理論主銷中心線，此種方法雖比前種準確，但誤差仍較大。其三是使用瞬時螺旋軸定理，利用這種方法來求主銷中心線時，一次只可求出一個位置，而懸掛的運動復雜，包含輪胎的上下跳動及轉(zhuǎn)向等，若要將懸掛所有位置都求出，那將會是一個非常耗時且耗力的工作。

經(jīng)過各種文獻的廣泛收集，并且加以分析整理，發(fā)現(xiàn)各類型的多連桿懸掛有以下諸多優(yōu)點：第一，多連桿懸掛由于設(shè)計自由度較大，故易于控制外傾角(camber angle)、滾動中心(roll center)及俯仰控制中心(pitching center)等懸掛參數(shù)，降低轉(zhuǎn)向連桿的負荷，減小轉(zhuǎn)向力，因側(cè)風及路面不平造成的車身敏感度下降，并保證輪胎的回復力。第二，輪胎在上下運動時，因懸掛結(jié)構(gòu)的影響，致使車輪側(cè)滑量變化輕微，從而輪距變化較小，可以降低輪胎的磨損，減少主銷偏移量(kingpin offset)，使驅(qū)動力(driving force)的影響降低。第三，多連桿懸掛由于所需的裝配空間較小，因此可降低汽車底盤并增大發(fā)動機艙空間，并可提供較大的后傾角(caster angle)，故可提升轉(zhuǎn)彎性能。第四，多連桿懸掛由于其結(jié)構(gòu)的關(guān)系，可在剎車時產(chǎn)生前束(toe-in)的效果，進而提高剎車的操控性能，提高行車的安全性。多連桿懸掛是目前最為先進的懸掛結(jié)構(gòu)。

多連桿懸掛雖然有上述優(yōu)點，但有一些缺點也需要注意。第一，此種懸掛為達到其他懸掛方式達不到的性能要求，故其結(jié)構(gòu)較復雜，設(shè)計難度高。第二，其零件精度要求較高，維修困難，費用高，相對其他型式懸掛，成本增加很多。第三，多連桿懸掛所使用的接頭為彈性旋轉(zhuǎn)接頭，若此彈性接頭的剛性低則轉(zhuǎn)向的精確度會受到影響，若剛性太高又會降低駕乘舒適性。但綜合而言，仍是目前最佳的懸掛，發(fā)展極具潛力。

2多連桿懸掛依機構(gòu)形式分類

多連桿懸掛直到目前為止，并無一明確清楚的定義，故本文經(jīng)廣泛收集多連桿懸掛文獻，包含論文、學術(shù)期刊及專利公報等，參照分類法原則，依機構(gòu)的形式進行分類，將其分為雙橫臂式衍生的多連桿懸掛、麥弗遜式衍生的多連桿懸掛及特殊構(gòu)型的多連桿懸掛，并依其懸掛的不同機構(gòu)類型及特性予以進一步的探討，詳述如下。

2.1雙橫臂式衍生的多連桿懸掛

一般常見的多連桿懸掛，以機構(gòu)的型式區(qū)分可分為上下控制臂分離式、下控制臂分離式及上控制臂分離式三種，這里不作贅述。

2.2麥弗遜式衍生的多連桿懸掛

此型懸掛是由麥弗遜式懸掛衍生而來。麥弗遜式懸掛 (MacPherson strut suspension)又稱支柱式懸掛，常用于小客車的前懸掛上，支柱上端利用橡膠件把持在車身上，支柱下端與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，減振器為圓柱型，安裝在支柱部位。此新型的懸掛于1977年首先由德國的寶馬汽車公司(BMW)研發(fā)完成，雖然其機構(gòu)較簡單，但是已為多連桿懸掛的發(fā)展揭開了序幕，此懸掛構(gòu)造簡單，占用的空間較小，但是當路面較顛簸時，車輛容易跑偏，且若汽車靜止不動或速度較慢時，所需的轉(zhuǎn)向力也較大。為了彌補不足，麥弗遜式衍生的多連桿懸掛便應運而生，最初結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了最佳后傾角，并彌補麥弗遜式懸架系統(tǒng)的不足，改以雙下控制臂代替原來的單下控制臂。此種機構(gòu)的兩端分別與車身及轉(zhuǎn)向節(jié)臂相接，且雙下控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂相接的位置必須要上下對齊排列，此構(gòu)型的懸掛除了可得到最佳后傾角外，亦可避免當汽車靜止不動或速度較慢時，轉(zhuǎn)向力較大的問題。此新型的懸架系統(tǒng)于1977年首先由德國的寶馬汽車公司(BMW)研發(fā)完成，雖然其機構(gòu)較簡單，但是已為多連桿懸架系統(tǒng)的發(fā)展揭開了序幕。

2.3特殊結(jié)構(gòu)多連桿懸掛

根據(jù)不同車輛的一些特殊用途，也產(chǎn)生多種特殊構(gòu)型的多連桿懸掛。

3多連桿懸掛依年代區(qū)分

多連桿懸掛的發(fā)展已有二十多年的歷史了，早在1977年，德國的寶馬汽車(BMW)就已開始使用麥弗遜式多連桿懸掛，只是當時并無此名稱，一直到1983 年奔馳系列車(Mercedes Benz)首先將多連桿懸掛這個概念應用于W201 車型上，并大大地改善了懸掛的性能，因此多連桿懸掛這個名詞才慢慢受到矚目。自1988 年起，許多學者開始多方面研究，范圍包括雙橫臂式衍生的多連桿懸掛、麥弗遜式衍生的多連桿懸掛及特殊構(gòu)型的多連桿懸掛等各種類型。研究于1991年至1995 年達到頂峰，其后因懸掛的性能提升及設(shè)計上的問題等因素，故其發(fā)展慢慢著重于上下控制臂分離式多連桿懸掛。

4多連桿懸掛依地區(qū)區(qū)分

全世界從事車輛多連桿懸掛研究之地區(qū)涵蓋歐美亞三大洲，亞洲包含日本、韓國、中國及埃及，其中以日本投入的研究最多，且多集中在雙橫臂式衍生的多連桿懸掛，從事廠商包括日產(chǎn)汽車(Nissan)、馬子達汽車(Mazda)、三菱汽車(Mitsubishi) 、本田汽車(Honda) 、本田汽車(Toyota)等。而韓國方面也投入相當多的研究，從事廠商為現(xiàn)代汽車公司(Hyundai)。歐美各國汽車廠也廣泛針對各類型的多連桿懸掛進行研究，但還是以雙橫臂式衍生的多連桿懸掛為主，包括德國的寶馬汽車公司(Bayerische Motoren WerkeGmbH)、奔馳汽車(Mercedes Benz)、Holland NewayInternational, Inc. 與瑞典的富豪汽車(Volvo)等。

5結(jié)束語

本文完成車輛多連桿懸掛相關(guān)的分類，簡單了解各類型懸掛的演變及其構(gòu)型。架系統(tǒng)性能提升有許多方法，以結(jié)果來說，主動式懸掛可算是性能最好的懸掛，但因其能量消耗過大、成本費用高、占用空間大、元件重量重等問題，使主動式懸掛較不具商業(yè)價值，而多連桿懸掛則不需要額外的能量消耗，并可兼顧各種懸掛參數(shù)，從而達到其他懸掛方式所達不到的性能要求，因此多連桿懸掛將成為未來汽車懸掛發(fā)展的主流。由所收集之文獻可以看出，本文所述的懸掛主要以雙橫臂式衍生的多連桿懸掛為主，其中又以上下控制臂分離式多連桿懸掛為發(fā)展趨勢，由于此懸掛的虛擬主銷中心線設(shè)計自由度還比其他兩者大，因此最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻：

[1]J. Knapczyk; S. Dzierzek “ Displacement andForce Analysis of Five-Rod Suspension WithFlexible Joint, ” Trans. ASME, J. Mech. Des.,1995, 117, P532-538.

[2]A Kouichi Ushio, “New Multi-link Suspension,”Proceedings of 6th International Pacific conferenceonAutomotive Engineering, 1991, P975-985.

[3]張啟先.空間機構(gòu)的分析與綜合[M].機械工業(yè)出版社, 1984.

[4]孫桓，陳作模.機械原理[M].高等教育出版社, 1996.（02）

endprint