一種單向約束型獨立后懸架的研究

王露峰，周娟英

(1.長安大學汽車學院，陜西西安 710064；2.陜西職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，陜西西安 710064)

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一種單向約束型獨立后懸架的研究

王露峰1，周娟英2

(1.長安大學汽車學院，陜西西安 710064；2.陜西職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，陜西西安 710064)

為了優(yōu)化車輛駕乘舒適性和駕駛穩(wěn)定性，基于懸架在車輛正常行駛以及穩(wěn)定中發(fā)揮的重要作用，介紹了在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用的拖拽式扭力梁非獨立懸架、單橫臂獨立懸架、雙橫臂獨立懸架、縱臂式獨立懸架、斜臂式獨立懸架。通過對不同車型及懸架設(shè)計調(diào)校不斷優(yōu)化實用效果的研究，設(shè)計新型單向約束型懸架，實現(xiàn)了對車輛的駕乘舒適性和駕駛穩(wěn)定性優(yōu)化的目標。

獨立懸架；單向約束；斜置彈簧

0 引言

車輛通常在不平的路面行駛時，路面會對車輪產(chǎn)生垂直的擊力，特別是在非鋪裝路面行駛時，對汽車的沖擊力可能達到非常大的數(shù)值，由于沖擊力傳遞到車身對布置在車身上的車輛各部件形成震動與沖擊，會造成各組件的機械損傷與疲勞損壞。這種沖擊力傳遞到車輛內(nèi)部，駕駛員和乘客也會感覺不適[1]。為了緩和這種沖擊，在汽車行駛系統(tǒng)中，布局具有彈性特性的懸架，與橡膠輪胎一起緩和沖擊、過濾震動、提升舒適性。由于懸架與車身采用非剛性連接，為了保持車輛的行駛穩(wěn)定性，車輪必須相對于車身按照移動的軌跡移動，因此它必須還具有導(dǎo)向的作用[1-3]。懸架作為連接車輪與車身的一種機構(gòu)，其主要是將地面作用于輪胎的地面垂直反力傳遞到車身[2]。

1 乘用車幾種常見的后懸架

1.1 非獨立懸架

(1)主副簧式鋼板彈簧非獨立懸架

主副簧式鋼板彈簧非獨立懸架主要應(yīng)用于成本低的廂式客車，如長安之星、五菱榮光；后懸架所受到的載荷因汽車實際裝載量的不同變化范圍很大，為了保持車身固有頻率變化很小，懸架的剛度應(yīng)是可變的；為了實現(xiàn)此功能，一般措施是在后懸架中加裝副簧[3]。

(2)螺旋彈簧非獨立懸架

因為螺旋彈簧作為彈性元件，只能承受垂直載荷，所以其懸架系統(tǒng)要加設(shè)導(dǎo)向機構(gòu)和減振器，一般只用做轎車的后懸架。目前用于15萬以下車輛較多，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較好、空間占用率較小。

1.2 獨立懸架

(1)單橫臂式獨立懸架

單橫臂獨立懸架的特點是當懸架變形時，車輪平面產(chǎn)生傾斜而改變兩側(cè)車輪與路面接觸點的距離——輪距，致使輪胎相對于地面產(chǎn)生側(cè)向滑移，破壞輪胎和地面的附著。在江淮和悅上采用此類懸架的變形：雙連桿獨立懸架。

(2)雙橫臂式獨立懸架

雙橫臂獨立懸架分為等擺臂和不等擺臂。等臂懸架的特點是車輪跳動時，車輪平面沒有傾斜，但軸距發(fā)生了較大的變化，增加了車輪側(cè)向滑移的可能性。由此發(fā)展出了不等臂式獨立懸架，通過上下臂的合理選擇使得車輪的傾斜和輪距變化不大。通過技術(shù)的演進與迭代，由此發(fā)展出了四連桿和五連桿獨立懸架。中高端汽車多為采用此類懸架[3-4]。

2 現(xiàn)有乘用車后懸架存在的問題

2.1 非獨立懸架的局限

乘用車市場上現(xiàn)有整體式(非獨立)懸架汽車大多采用拖拽式扭力梁結(jié)構(gòu)后懸架，此類懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的特點，其技術(shù)也較為成熟。對于直通式整體橋懸架，其優(yōu)勢在于一側(cè)車輪受力傾斜時候，不會引起另一側(cè)車輪的傾斜，且具有自身橫向穩(wěn)定的作用，但由于車輪跳動方向是繞縱臂方向[4]，其運動方式會引起跳動輪軸距變化，如圖1所示 ，其變化量為d。

圖1 拖拽式扭力梁車輪跳動軸距變化情況

軸距變化帶來的影響較多，最直接的影響是由于軸距變化引起轉(zhuǎn)彎半徑的變化而導(dǎo)致可能出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向或者轉(zhuǎn)向不足[5]。如圖2所示，扭力梁后懸架轉(zhuǎn)彎時在離心力的作用下，外側(cè)懸架壓縮時左側(cè)軸距長度由L變化到L+d，其造成的轉(zhuǎn)向角變化如下：

在理論剛性懸架轉(zhuǎn)彎時車輛的轉(zhuǎn)向角：

δ=(δ1+δ2)/2

(1)

式中：δ1為車輛左前輪的偏轉(zhuǎn)角；δ2為車輛右前輪的偏轉(zhuǎn)角。

當左側(cè)車輪壓縮時左側(cè)軸距由L增加到L+d，變化后：

∠DD1F=arctan(D/d)

(2)

∠EE1F=arctan(D/d)

(3)

∠OBE=90°-δ

(4)

∠BO1E1=δ1=180°-(90°-δ)-arctan(D/d)=90°+δ-arctan(D/d)

(5)

又因為：

∠EE1F<90°

(6)

90°-arctan(D/d)>0

(7)

δ′>δ

(8)

在此情況下出現(xiàn)了過度轉(zhuǎn)向從而破壞了車輛的駕駛穩(wěn)定性，雖然通過輔助橫向穩(wěn)定桿有所緩解，但仍然無法徹底根除對轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性影響，而且非獨立懸架一側(cè)車輪跳動時另一側(cè)車輪跟跳的缺點無法根除，車輪相互影響，使得和獨立懸架相比車身震動和操控性都較差。

圖2 拖拽式扭力梁車輪跳動軸距變化對轉(zhuǎn)向的影響

2.2 現(xiàn)有獨立懸架的局限

獨立懸架發(fā)展至今，有較好的適應(yīng)性、駕駛穩(wěn)定性、乘坐舒適性，二連桿懸架由于車輪平面變化較大，使用面不廣;多連桿特別是四連桿在中高級車使用較大，但由于其多邊形變形特點，車輪跳動時會引起車輪位置或平面的變化[6]，如圖3所示。

圖3 獨立懸架輪跳動車輪平面變化情況

多連桿獨立懸架克服了扭力梁懸架在轉(zhuǎn)彎時引起的軸距變化對操控的破壞，但由于懸架變形時，車輪相對于地面有較大的縱向滑移，破壞車輪的附著力，加重輪胎的磨損，行駛穩(wěn)定性也不完美。現(xiàn)有四連桿、五連桿獨立懸架通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得這種滑移和車輪側(cè)偏得到了最大的折中，但也沒有完全消除其結(jié)構(gòu)局限。

3 約束型獨立懸架

3.1 結(jié)構(gòu)特點

此懸架的結(jié)構(gòu)特點是車輪被懸架限制在一個鉛直方向運動，使得車輪在跳動時車輛的軸距和輪距都不會發(fā)生變化，且兩側(cè)車輪運動互不干擾，自由跳動，通過雙動作筒平衡車輛行駛時的行駛阻力、路面不平以及阻礙產(chǎn)生的路面阻力、剎車產(chǎn)生的制動力。通過斜置彈簧平衡車身重力產(chǎn)生的對動作筒的彎矩，減少對動作筒作用力矩從而降低對其產(chǎn)生的磨損。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單相約束獨立懸架結(jié)構(gòu)

3.2 其結(jié)構(gòu)受力模型如下

此懸架的結(jié)構(gòu)受力模型如圖5所示。

圖5 單相約束獨立懸架受力分析

圖中：Fg為輪胎受車重作用于此輪地面反力；L為車輪受力中心到懸架中心距離；d為懸架設(shè)計動撓度；Mb為懸架彈簧作用于動作筒動軸的彎矩；ML為作用于支持反力作用于作筒動軸的彎矩；M1為由行駛阻力形成的對動作筒1的彎矩，行駛阻力對動作筒2的彎矩為M2。

車輪所受地面反力為：

Fg=mg

(9)

其中：m為懸上質(zhì)量。

彈簧對懸架的作用力：

F=CX

(10)

其中：C為彈簧剛度；X為彈簧壓縮量，單位為m。將彈簧對懸架的作用力分解為沿動軸方向的作用力Fa和垂直于動軸的作用力Fb：

Fa=Fcosθ

(11)

Fb=Fsinθ

(12)

其中：θ為彈簧垂直面的夾角。

在懸架處于靜平衡時彈簧作用于懸架垂直方向的分力與地面對輪胎的垂直反力平衡：

mg=CXcosθ

(13)

靜平衡時懸架所受彎矩：

(1)順時針方向：ML=mg·L==CXcosθ·L

(14)

其中：L為輪胎受力中心到動軸中心距離。

(2)逆時針方向：Mb=CXsinθ·d

(15)

在懸架設(shè)計時盡量考慮靜平衡時懸架彎矩平衡，可以減少動作筒內(nèi)應(yīng)力，車輪跳動時懸架變形較小，即：

ML=Mb

(16)

由公式：CXcosθ·L=CXsinθ·d

(17)

可得：tanθ=L/ d

(18)

其中：d為動撓度，在懸架設(shè)計時考慮到對舒適性和操控性的調(diào)校通常取值為7～15 cm。

如圖6所示，懸架變形時由于作動筒的單向約束作用，車輪沿垂直地面方向運動，對橫向輪距和縱向軸距都互不影響，有較好的路面適應(yīng)性。

圖6 懸架受力變形情況

通過布局反向的橫向穩(wěn)定桿可以增加懸架對正向行駛顛簸路面的剛度，實現(xiàn)最好的操作穩(wěn)定性和駕乘舒適性。

4 結(jié)束語

分析對懸架在車輛行駛中發(fā)揮的作用，同時分析拖拽式扭力梁非獨立后懸架、單橫臂獨立懸架、雙橫臂獨立懸架、縱臂式獨立懸架、斜臂式獨立懸架等在乘用車領(lǐng)域中的應(yīng)用，針對不同車型及懸架設(shè)計調(diào)校不斷優(yōu)化實用效果的研究，提出了新型單向約束型懸架設(shè)計，從而獲得懸架結(jié)構(gòu)與操作穩(wěn)定性、行駛平順性、結(jié)構(gòu)緊湊型、強度剛度壽命的折中，應(yīng)該進一步得到應(yīng)用和推廣。

【1】陳躍勇.汽車主動懸架的原理及發(fā)展簡述[J].汽車運用,2006(6):27-28.

【2】余強,鄭慕僑.汽車懸架控制技術(shù)的發(fā)展[J].汽車技術(shù),1994(9):1-6.

【3】韓豫萍,孫濤,盛新.汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展及控制[J].工業(yè)控制計算機,2008(4):29-30. HAN Y P,SUN T,SHENG X.Development and Control on Automobile Suspension[J].Industrial Control Computer,2008(4):29-30.

【4】李平安.汽車底盤新技術(shù)及其應(yīng)用[J].河南科技,2014(8):78.

【5】郝少鋒.車輛操縱穩(wěn)定性對比試驗研究[J].汽車實用技術(shù),2011(1):33-35. HAO S F.Contrast Testing Research on the Vehicle Handling and Stability[J].Automobile Technology,2011(1):33-35.

【6】楊榮山,袁仲榮,黃向東,等.基于近似模型的車輛操縱穩(wěn)定性及平順性的優(yōu)化研究[J].汽車技術(shù),2009(7):18-22. YANG R S,YUAN Z R,HUANG X D,et al.Optimization and Research on Vehicle’s Handling Stability and Ride Comfort Based on Approximate Model[J].Automobile Technology,2009(7):18-22.

A One-way Restricting Independent Rear Suspension

WANG Lufeng1,ZHOU Juanying2

(1.Automotive College,Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China; 2.Automotive Engineering Department,Shaanxi Vocational and Technical College,Xi’an Shaanxi 710064,China)

In order to optimize vehicle ride comfort and driving stability, according to the important role of suspension in normal running and driving stability, the applications of the modern suspension system in the field of passenger car were introduced, such as non-independent torsion beam suspension, single wishbone independent suspension, double wishbone independent suspension, trailing arm independent suspension, oblique arm independent suspension. Through the research on the practical effect of different models and suspension design, a new type of one-way constraintin dependent suspension was designed.The goals of vehicle ride comfort and driving stability optimization were achieved.

Independent suspension; One-way constraint;Canted spring

2016-04-07

王露峰(1983—)，男，碩士研究生，專業(yè)方向為載運工具與運用工程。E-mail：250135620@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.008

U463.99

A

1674-1986(2016)11-036-04