關(guān)于汽車(chē)麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)及裝配技術(shù)的研究與創(chuàng)新

羅杰 袁雪松 黃海峰

【摘 要】隨著汽車(chē)行業(yè)的日漸成熟，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)行駛平順性及舒適性的要求不斷提高，對(duì)汽車(chē)的懸架性能及安裝質(zhì)量的要求也日趨嚴(yán)格。麥弗遜式獨(dú)立懸架是一種應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，因此研究其安裝的性能十分重要。文章在研究麥弗遜式獨(dú)立懸架的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一定程度的探討并進(jìn)行了改善該結(jié)構(gòu)的思索。文章主要介紹了麥弗遜式懸架的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和裝配技術(shù)，簡(jiǎn)要分析了該懸架在裝配過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題和質(zhì)量不良對(duì)汽車(chē)行駛平順性的影響，提出了一種輔助麥弗遜式懸架安裝的工裝，并介紹了該工裝的主要技術(shù)要點(diǎn)和該工裝帶來(lái)的效果。

【關(guān)鍵詞】汽車(chē);麥弗遜式;懸架;裝配;工裝

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）03-0057-03

0 引言

麥弗遜式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)是汽車(chē)上應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)，從入門(mén)車(chē)到中高端各類(lèi)車(chē)型均能見(jiàn)到此結(jié)構(gòu)的身影。國(guó)內(nèi)外關(guān)于麥弗遜式前懸掛結(jié)構(gòu)的研究層出不窮，國(guó)外學(xué)者S. Dehbari，J. Marzbanrad于2020年9月2日發(fā)表了關(guān)于麥弗遜式前懸架的研究，該文采用一個(gè)完整的多體系統(tǒng)，并考慮了兩個(gè)自由度，使用位移矩陣對(duì)麥弗遜式前懸架進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究 [1]。2020年6月15日，國(guó)內(nèi)學(xué)者王健、薛少科等人也在《汽車(chē)實(shí)用技術(shù)》一刊中發(fā)表了他們借助ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)麥弗遜式前懸架側(cè)向力優(yōu)化的見(jiàn)解 [2]。

然而，關(guān)于麥弗遜式前懸掛的主要研究均在動(dòng)力學(xué)方面，而制造領(lǐng)域方面關(guān)于麥弗遜式獨(dú)立懸架的研究相對(duì)較少。事實(shí)上，小型乘用車(chē)的懸架大都采用自下向上的方式，麥弗遜式前懸架存在安裝困難、安裝精度不足等缺點(diǎn)。本文在研究麥弗遜式前懸架的動(dòng)力學(xué)之余，提出了一種輔助安裝麥弗遜式前懸架的裝置，以提高該懸架實(shí)際在工程應(yīng)用中的制造效率和裝配質(zhì)量。

1 麥弗遜式獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)與原理

目前，大多數(shù)汽車(chē)的懸架結(jié)構(gòu)大致分為5類(lèi)：？譹？訛麥弗遜結(jié)構(gòu);？譺？訛雙叉臂結(jié)構(gòu);？譻？訛多連桿結(jié)構(gòu);？譼？訛扭力梁結(jié)構(gòu);？譽(yù)？訛整體橋結(jié)構(gòu) [3]。這5種結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，其中麥弗遜式結(jié)構(gòu)以其成本低、橫向空間占用率低、杠桿比高等特性，相比其他結(jié)構(gòu)具有更廣泛的應(yīng)用。麥弗遜懸架可細(xì)分為兩種，傳統(tǒng)麥弗遜懸架和先進(jìn)麥弗遜懸架，兩者主要是在一體式下擺臂和分體式下擺臂，轉(zhuǎn)向節(jié)與減震器下端和下擺臂連接形式，以及有無(wú)傳動(dòng)軸的細(xì)節(jié)上進(jìn)行區(qū)分。麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)主要由減震器和下擺臂兩個(gè)部分組成，與其他結(jié)構(gòu)不同的是，它的主銷(xiāo)與減震器通常不在同一條直線上，以保證減震器的使用壽命。因此，麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)中的主銷(xiāo)和減震器存在一定角度。

麥弗遜式獨(dú)立懸架的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，彈簧與減震器一體，彈簧承受汽車(chē)行駛時(shí)所受到的來(lái)自前后左右各個(gè)方向的絕大部分力。彈簧固定在減震器上，只能沿其做上下運(yùn)動(dòng)，以此起到緩沖的作用。減震器可以通過(guò)調(diào)整行程，調(diào)節(jié)彈簧的松緊程度，達(dá)到減震效果，兩者相輔相成。

2 麥弗遜式懸架裝配技術(shù)的研究與改進(jìn)

麥弗遜式懸架存在一定的缺陷，由于減震器和彈簧都是對(duì)車(chē)輛上下方向的晃動(dòng)進(jìn)行緩沖，因此車(chē)輛的外傾特性相對(duì)較差。而且，減震器在懸架向下并承受側(cè)向力時(shí)，會(huì)受到彎矩的影響。隨著車(chē)輪在行駛過(guò)程中的上下跳動(dòng)，減震器的主銷(xiāo)的定位角都會(huì)隨著車(chē)架的變形而發(fā)生變化。這種反復(fù)且不規(guī)則的受力形式，必然對(duì)麥弗遜式懸架裝配提出更高的要求。在受力形式上，麥弗遜式獨(dú)立懸架裝配精度的優(yōu)良也同樣影響著車(chē)輪前束角、前后輪外傾角，而主銷(xiāo)后傾角和內(nèi)傾角等參數(shù)對(duì)汽車(chē)行駛平順性有著較大的影響 [4-6]。此外，外傾和前束的誤差也嚴(yán)重影響輪胎的壽命。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，絕大部分的輪胎磨損均與汽車(chē)長(zhǎng)期行駛的外傾角和前束有關(guān)。

2.1 麥弗遜式懸架裝配技術(shù)的現(xiàn)狀

目前，對(duì)于國(guó)內(nèi)大部分主機(jī)廠而言，麥弗遜式懸架裝配以人工居多，自動(dòng)化程度不高。主要的裝配步驟如下：①人工手持減振器支柱下部，并用內(nèi)六角扳手固定活塞桿，防止轉(zhuǎn)動(dòng)，并擰緊螺母蓋。②將傳動(dòng)軸裝入車(chē)輪軸承殼，并與懸架下?lián)u臂裝配。③依次擰緊橫向穩(wěn)定桿緊固螺栓和球頭銷(xiāo)緊固螺栓。該過(guò)程并不復(fù)雜，主流的主機(jī)廠大都只是在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)加強(qiáng)螺栓的穩(wěn)定性，并沒(méi)有在裝配技術(shù)做太多文章。麥弗遜式懸架的主銷(xiāo)和減震器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上并不在一條直線上，實(shí)際上這種手工式的安裝過(guò)程不但效率較低，而且對(duì)精度不高，對(duì)懸架安裝的可靠性有很大的影響。筆者針對(duì)上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司某款車(chē)型進(jìn)行研究，該車(chē)型的車(chē)體的螺紋孔位考慮到加工工藝的實(shí)際情況，孔徑比減震器上的螺栓大1 mm，根據(jù)計(jì)算可以得到，在沒(méi)有輔助工裝對(duì)心的情況下，此裝配工藝對(duì)外傾角的影響大概有3′;同理，減震器連接轉(zhuǎn)向節(jié)在裝配環(huán)節(jié)對(duì)外傾角的影響有12′左右;擺臂到副車(chē)架在裝配工藝中對(duì)外傾角的影響有2′左右。將整個(gè)誤差鏈累積后發(fā)現(xiàn)，制造過(guò)程中外傾角的實(shí)際誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)誤差。

2.2 輔助工裝在汽車(chē)裝配技術(shù)的應(yīng)用

每一輛汽車(chē)上有成千上萬(wàn)的零件，汽車(chē)的裝配技術(shù)一直處于四大工藝之首，汽車(chē)的裝配是一個(gè)龐大的工程，也是國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠的主營(yíng)業(yè)務(wù)。為了降低零件安裝的難度，減少零件安裝的工時(shí)，設(shè)計(jì)更符合人機(jī)工程學(xué)的裝配工藝，大量的工裝夾具應(yīng)運(yùn)而生 [7]。無(wú)論是整車(chē)設(shè)計(jì)的早期試制階段，還是量產(chǎn)后的SOP階段，無(wú)處不見(jiàn)各式各類(lèi)的輔助工裝。工裝設(shè)計(jì)的能力好與壞，不但是國(guó)內(nèi)主機(jī)廠裝配技術(shù)能力的體現(xiàn)，也是裝配質(zhì)量的重要保證。一般而言，輔助工裝除了滿足改善裝配工藝的功能外，還應(yīng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單的特性，屬于簡(jiǎn)約但不簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。

2.3 基于麥弗遜式懸架裝配技術(shù)要點(diǎn)的新型輔助工裝

本文在研究麥弗遜式懸架的裝配現(xiàn)狀，結(jié)合其結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)原理，創(chuàng)造性地提出了一種新型的輔助工裝。該工裝主要由安裝定位銷(xiāo)、限位銷(xiāo)、螺栓、底座、支柱組成（如圖1所示），工作原理主要是由頂上的安裝定位銷(xiāo)頂住麥弗遜式懸架，由底座共同限位麥弗遜懸架，以此達(dá)到較好的限位目的。與傳統(tǒng)的自下向上的裝配方式不同，采用該輔助支撐工裝只需使用簡(jiǎn)單的水平推進(jìn)對(duì)準(zhǔn)即可。使用情況主要分兩種：①安裝過(guò)程，將需要裝配的前懸掛下擺臂孔插進(jìn)定位錐形銷(xiāo)中，然后將舉升小車(chē)升到一定高度，使前懸掛頂部安裝螺柱與車(chē)身安裝孔相吻合，然后用螺母進(jìn)行固定，最后將舉升小車(chē)降低到與前懸掛下擺臂安裝孔相離的高度后將其從車(chē)架底部拉出即可完成安裝過(guò)程。②拆卸過(guò)程，將裝好支撐裝置的舉升小車(chē)舉升至一定的高度，使定位錐形銷(xiāo)插進(jìn)前懸掛下擺臂安裝孔中，然后松開(kāi)前懸掛與車(chē)身連接的螺母，隨之降低舉升小車(chē)到前懸掛與車(chē)架不干涉的位置，最后將支撐有前懸掛的舉升小車(chē)從車(chē)底拉出來(lái)即可完成拆卸過(guò)程。其中，該輔助支撐工裝定位錐形銷(xiāo)呈錐形設(shè)計(jì)，不僅適用于不同大小的前懸掛下擺臂安裝孔與之配合，而且當(dāng)前懸掛與定位錐形銷(xiāo)安裝連接或者拆卸分離時(shí)順暢不卡滯。支柱一端面設(shè)計(jì)為斜面，該斜面與下擺臂安裝孔基座底面保持平行，使得垂直安裝在支柱上的定位錐形銷(xiāo)與下擺臂安裝孔保持同軸，保證了支撐裝置與前懸掛拆裝順暢。支柱另一端面設(shè)計(jì)為平面且與底座連接固定，確保支撐裝置平穩(wěn)安裝在舉升小車(chē)上。設(shè)計(jì)的支撐裝置通過(guò)底座固定在舉升小車(chē)邊緣處，通過(guò)下擺臂安裝孔將前懸掛總成放入支撐裝置的定位錐形銷(xiāo)中，當(dāng)固定前懸掛時(shí)不需要專(zhuān)門(mén)的操作者將其舉升起來(lái)，消除了零件在安裝過(guò)程中意外掉落砸傷操作者的安全隱患，確保了零件質(zhì)量，整個(gè)過(guò)程僅需一位操作者即可完成。此外，該輔助工裝采用在支柱側(cè)面安裝定位銷(xiāo)和在底座相應(yīng)處開(kāi)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的限位銷(xiāo)槽的方式，不僅實(shí)現(xiàn)支柱在底座上的限位，而且當(dāng)限位銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)卡進(jìn)到兩個(gè)限位銷(xiāo)槽處時(shí)可分別滿足前驅(qū)前懸掛和后驅(qū)前懸掛的定位安裝。支柱的固定是采用螺栓通過(guò)底座上的螺紋孔扭緊卡住支柱側(cè)面上的扁位實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，整個(gè)安裝拆卸前懸掛過(guò)程安全、輕松、簡(jiǎn)便、快速。

2.4 輔助支撐工裝的實(shí)際改善效果

根據(jù)本工裝在汽車(chē)試制環(huán)節(jié)的使用效果來(lái)看，該工裝不僅明顯提高了工人師傅的工作效果，而且極大地提高了該懸架的安裝精度。根據(jù)檢測(cè)工裝安裝的試驗(yàn)車(chē)的結(jié)果，使用該工裝裝配的車(chē)輛相比于傳統(tǒng)安裝工藝具有更好的外傾角和前束，較大程度地減輕了汽車(chē)調(diào)試工的工作強(qiáng)度。由于結(jié)合了人機(jī)工程學(xué)，因此工人師傅裝配麥弗遜式懸架更為輕松，得到了廣泛的好評(píng)。此外，經(jīng)試驗(yàn)車(chē)的可靠性試驗(yàn)，使用該工裝裝配的懸架顯示出更好的K特性，螺栓的失效概率大大減低，也證明了該輔助支撐工裝能提高安裝精度。

此外，該輔助支撐工裝對(duì)材料的要求簡(jiǎn)單，普通的鋼材、工程塑料均可以制作。實(shí)際上，筆者采用車(chē)間邊角料就制作了幾套該工裝。該工裝投入使用后，原裝配工位的工時(shí)由原來(lái)的2.5 min降低為1.5 min，裝配效率提升了66.67%。而且，該輔助支撐工裝用小車(chē)即可以推送，避免了懸架墜落等安全隱患的發(fā)生，也降低了懸架摔到地面引起的零件報(bào)廢率。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，本文在研究麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)之余，提出了一種新型的輔助支撐工裝，該工裝極大地改善了麥弗遜式獨(dú)立懸架的裝配工藝及質(zhì)量效果。根據(jù)反復(fù)的試驗(yàn)認(rèn)證，該工裝不僅適用于汽車(chē)試制階段的裝配環(huán)節(jié)，還可以進(jìn)一步推廣到量產(chǎn)工藝。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]S Dehbari，J Marzbanrad.Kinematic and Dynamic Analysis for a New MacPherson Strut Suspension System[J].Mechanics and Mechanical Engineering，2020，22（4）：1223-1238.

[2]劉叢浩，薛少科，王一臣，等.C形彈簧在麥弗遜懸架側(cè)向性能調(diào)校的研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2021，46（4）：27-28.

[3]張繼鵬.麥弗遜式獨(dú)立懸架的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[4]孫文，劉歡，趙景波，等.麥弗遜式前懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，33（2）：9-16.

[5]馮東明，謝琦林，張京，等.麥弗遜式前懸架輪胎外傾角偏差的研究與解決[J].汽車(chē)與駕駛維修（維修版），2020（2）：60-61.

[6]賈紅偉，章駿.麥弗遜式懸架車(chē)輪外傾角偏差的分析[J].汽車(chē)工程師，2011（10）：32-34，62.

[7]宋華，姚海蓉.面向設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助汽車(chē)裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2020（2）：157-159.