汽車(chē)懸架系統(tǒng)選型與性能分析

鄭鐘名

（廣汽三菱汽車(chē)有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

前言

懸架是汽車(chē)底盤(pán)重要的系統(tǒng)之一，是車(chē)架（車(chē)身）與車(chē)橋（車(chē)輪）之間的一切傳力連接裝置的總稱(chēng)，一般由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成[1]。其主要作用是通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)傳遞車(chē)輪與車(chē)身之間力和力矩，通過(guò)彈性元件緩沖路面?zhèn)鹘o車(chē)身的沖擊力，靠減振器衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車(chē)行駛時(shí)乘員的舒適性。

汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原因：

1）保證汽車(chē)有良好操控穩(wěn)定性和行駛平順性。

2）具有合適的衰減振動(dòng)能力。

3）汽車(chē)制動(dòng)或加速時(shí)要保證車(chē)身穩(wěn)定，減少車(chē)身縱傾，轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)身側(cè)傾角要合適。

4）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸小。

5）可靠地傳遞車(chē)身與車(chē)輪之間的各種力和力矩，在滿足零部件質(zhì)量要小的同時(shí)，還要保證有足夠的強(qiáng)度和壽命。

1 懸架的選型原則

1） 懸架設(shè)計(jì)要貫徹系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的原則，要符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，貫徹有關(guān)安全、環(huán)保等法規(guī)的要求，努力向國(guó)際同類(lèi)水平的汽車(chē)產(chǎn)品靠攏。

2）充分利用社會(huì)市場(chǎng)的配套能力，采用成熟可靠的總成零部件進(jìn)行底盤(pán)匹配，確保底盤(pán)的可靠性和通用性。

3）軸荷、空滿載軸荷、懸架剛度、輪距、軸距的變化會(huì)對(duì)懸架姿態(tài)及相關(guān)特性產(chǎn)生較大影響，其中可能影響到懸架行程、彈簧剛度、彈簧長(zhǎng)度、減震器行程、阻尼比、掛點(diǎn)的幾何姿態(tài)及懸架的側(cè)傾角剛度、縱傾角剛度、橫向穩(wěn)定桿等相關(guān)參數(shù)的調(diào)整、并對(duì)整車(chē)平順性及操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[2]。同時(shí)調(diào)整后對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)較大，因此懸架的式樣與結(jié)構(gòu)盡可能保持與參考車(chē)型一致。

2 某車(chē)型懸架結(jié)構(gòu)的選型

前懸架采用麥弗遜式獨(dú)立懸架如圖1 所示，彈簧采用螺旋彈簧，麥弗遜懸架優(yōu)點(diǎn)在于增加了左右兩輪之間的空間，對(duì)前置前驅(qū)車(chē)型來(lái)說(shuō)，易于傳動(dòng)軸的布置，減震器上支點(diǎn)與下球點(diǎn)即為主銷(xiāo)軸線，其定位角位置易于保證，下擺臂采用三角臂形式可節(jié)省縱向推力桿以便于空間布置。麥弗遜式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，懸架性能較好。

圖1 前懸架結(jié)構(gòu)

后懸架采用雙天梯螺旋彈簧獨(dú)立懸架如圖2 所示，該懸架為麥弗遜懸架的變形，下擺臂采用推力桿加雙導(dǎo)向桿代替，除了具有麥弗遜式懸架的一些優(yōu)點(diǎn)外，由于采用多桿代替麥弗遜懸架的單擺（以橡膠襯套代替球鉸），使其更能保證懸架姿態(tài)，這種多連桿的布置形式可以給設(shè)計(jì)人員提供較高的設(shè)計(jì)自由度。

圖2 后懸架結(jié)構(gòu)

下面章節(jié)利用ADAMS/CAR 軟件，建立前、后懸架的仿真模型，進(jìn)行性能仿真分析[3]，以評(píng)估選用懸架的性能是否滿足要求。

3 前懸架性能分析

3.1 外傾

外傾角的設(shè)計(jì)會(huì)影響車(chē)輪的側(cè)向力和側(cè)偏角的大小，在相同的側(cè)偏角下負(fù)外傾角的車(chē)輪能比正外傾角的車(chē)輪產(chǎn)生更大的過(guò)彎側(cè)向力，以提高轉(zhuǎn)向靈敏度[2]。同時(shí)汽車(chē)拐彎時(shí)，載荷會(huì)向內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)移，外側(cè)車(chē)輪載荷減少，相當(dāng)于外側(cè)車(chē)輪有上跳的過(guò)程，車(chē)輪有向內(nèi)翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，負(fù)外傾的設(shè)計(jì)正好抵消車(chē)輪跳動(dòng)造成的傾角變化，負(fù)外傾角會(huì)向正值變化，車(chē)輪與地面更垂直，接觸面更大，能提供更大的側(cè)向力，滿足車(chē)輛過(guò)彎能力。因此現(xiàn)在的汽車(chē)從動(dòng)力學(xué)性能考慮，外傾角都設(shè)計(jì)為負(fù)外傾，上跳時(shí)外傾角向負(fù)值變化，下落時(shí)向正值變化。某車(chē)型前懸架外傾角變化規(guī)律如圖3 所示：滿載時(shí)的測(cè)量值-0.772 °，車(chē)輪上跳50 mm 時(shí)為 -0.765 °，下跳50 mm 時(shí)為-0.106 5 °，符合理想的懸架外傾特性。

圖3 外傾角-輪跳

3.2 前束

某車(chē)型前懸架前束角變化規(guī)律如圖4 所示，在使用范圍±50 mm 內(nèi)，前束角值在0.027 4 ～0.37 °范圍內(nèi)變化（前束值在0.352 mm ～3.876 mm 內(nèi)變化），較一般的設(shè)計(jì)值偏大，考慮到前束值的變化趨勢(shì)符合不足轉(zhuǎn)向性能，變化值設(shè)置較大可以提高整車(chē)不足轉(zhuǎn)向性能，且前束變化趨勢(shì)與車(chē)輪外傾角協(xié)調(diào)一致。

圖4 前束角-輪跳

3.3 主銷(xiāo)內(nèi)傾、主銷(xiāo)后傾

主銷(xiāo)內(nèi)傾角的作用就是因?yàn)橹麂N(xiāo)呈外八字，當(dāng)車(chē)輪受外力作用時(shí)偏離直線行駛時(shí)，車(chē)輪會(huì)受到側(cè)向力，使輪胎自動(dòng)回正。同時(shí)因?yàn)橹麂N(xiāo)偏置距的縮短，使得轉(zhuǎn)向操縱輕便，內(nèi)傾角不宜過(guò)大否則在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)使輪胎加快磨損和轉(zhuǎn)向沉重[4]。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，大致范圍為7 ～14 °。某車(chē)型主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化規(guī)律如圖5 所示，有效行程內(nèi)＋50 ～-50 mm 內(nèi)，主銷(xiāo)內(nèi)傾變化范圍在13.635 ～11.494 °內(nèi)變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 主銷(xiāo)內(nèi)傾角-輪跳

主銷(xiāo)后傾角的作用就是當(dāng)車(chē)輪偏離直線時(shí)，車(chē)能在重力的作用下幫助車(chē)輪回正，主銷(xiāo)后傾角越大，車(chē)輛越穩(wěn)定，但方向越沉重[4]。后傾角在車(chē)輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程應(yīng)變化不應(yīng)過(guò)大，以免出現(xiàn)回正力矩突變情況，使操控性變差。同時(shí)為了有較好的抗制動(dòng)縱傾特性，主銷(xiāo)后傾角應(yīng)車(chē)輪上跳時(shí)增大，下跳時(shí)減小。某車(chē)型的主銷(xiāo)后傾角變化如圖六所示，在有效跳動(dòng)范圍內(nèi)＋50 ～-50 mm 內(nèi)，主銷(xiāo)后傾值在3.14 ～2.484 °內(nèi)變化，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 前輪距

在汽車(chē)行駛過(guò)程中，輪距變化會(huì)導(dǎo)致輪胎異常磨損和破壞行駛穩(wěn)定性，因此輪距變化較小較好。前懸架輪距變化曲線如圖7 所示。在較為頻繁的使用范圍±25 mm 內(nèi)，單側(cè)輪距變化小于±5 mm，該變化值在輪胎的彈性范圍內(nèi)，不會(huì)造成輪胎的早期磨損，滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)后懸架的掛點(diǎn)的優(yōu)化，得到了較好的輪距變化曲線。后懸架跳動(dòng)（±50 mm）時(shí)后輪距的變化量約為10 mm。

圖7 前輪距-輪跳

4 后懸架性能分析

4.1 后輪距

通過(guò)對(duì)后懸架的掛點(diǎn)的優(yōu)化，得到了較好的輪距變化曲線。后懸架跳動(dòng)（±50 m）時(shí)后輪距的變化量約為10 mm，如圖8 所示。

圖8 后輪距-輪跳

4.2 車(chē)輪外傾、前束

所采用的雙天梯式后懸架，如圖9 所示，在后懸架的經(jīng)常工作范圍內(nèi)（±50 mm）后輪外傾變化范圍為-1.093 ～0.029 9 °符合理想的懸架外傾特性。

圖6 主銷(xiāo)后傾角-輪跳

圖9 后車(chē)輪外傾-輪跳

如圖10 所示，后輪前束變化值約為-0.154 7 ～ 0.070 1 °，且呈現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)。比較接近理想的狀態(tài)。

圖10 后車(chē)輪前束-輪跳

5 結(jié)論

此車(chē)型前懸架選用的麥弗遜懸架，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，在高中低檔車(chē)中都有廣泛應(yīng)用，對(duì)其性能進(jìn)行分析，滿足整車(chē)要求。

后懸架采用雙天梯螺旋彈簧獨(dú)立式后懸架，在現(xiàn)有車(chē)型中也得到逐步推廣 ，對(duì)其性能進(jìn)行分析，滿足整車(chē)要求。

根據(jù)此車(chē)的使用特點(diǎn)及用戶(hù)群，上面選用的懸架結(jié)構(gòu)型式方案能滿足使用要求。