麦弗逊悬架减振器侧向力分析综述

刘守银，周忍

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

麦弗逊悬架减振器侧向力分析综述

刘守银，周忍

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

麦弗逊悬架减振器侧向力对减振器寿命和悬架性能影响很大，系统分析减振器侧向力对麦弗逊悬架设计具有重要意义。减振器的侧向力取决于车辆运动时受到的地面的作用力和悬架的几何结构，本文综述了车辆行驶时车轮上下运动的侧向力、加速、减速、转弯时侧向力的分析，确定了麦弗逊悬架的几何结构对减振器侧向力的影响因素，并通过国内外最新产品的实例说明通过改变悬架的几何结构来减小减振器侧向力的具体方法和产生的效果。最后对减振器侧向力进行了总结，并对未来麦弗逊悬架的研发工作提出了一些建议。

麦弗逊悬架；减振器；侧向力；综述

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-44-05

前言

因为麦弗逊悬架减振器不仅支撑车体重量，而且承受由作用在车体上的惯性力而产生的弯曲力，所以不可避免增大减振器的滑动部位摩擦力。

为了减小摩擦力，在轴承和活塞的滑动部位使用摩擦系数低的材料来提高滑动性，如在活塞杆导向座处采用PTFE涂层、在活塞上使用PTFE薄膜等，但是,这只能在很小程度上减小摩擦力，更重要的是减小作用在减振器上的侧向力[1]。

麦弗逊悬架减振器在实际应用中因活塞杆发生侧向摩擦，引发早期失效和漏油等，同时，摩擦阻力增加了车轮的上下运动的阻力，因此，麦弗逊悬架及悬架元件侧向受力而产生的摩擦不仅影响悬架及悬架元件的耐久性，而且更直接、更显著地影响整车平顺性。

国内外学者麦弗逊悬架减振器侧向力的研究方面主要侧重车轮上下运动时的侧向力，并发表了很多论文[2-5]。

本文将全面分析受到路面垂直作用力时车轮上下运动时减振器侧向力、车辆在加减速时减振器侧向力、转弯时减振

器侧向力、以及减振器上支撑座对侧向力的影响，综述了减振器不同受力状况所采取的对策和方法。

1、麦弗逊悬架的两种形式

麦弗逊悬架，从导向机构看它是单臂悬架，不过也可把它理解为从双横臂独立悬架演变而来的[6]。

麦弗逊悬架又叫撑杆式独立悬架，其主要元件为弹簧、减振器和下摆臂。现代麦弗逊悬架都是用减振器活塞连杆作为撑杆，活塞连杆上端固定在车身上，下端固定在转向节上，而下摆臂的外端通过球销和转向节相连，内侧通过衬套和副车架或车身相连，这是所有麦弗逊悬架结构的共性。而弹簧安装有所不同，所以麦弗逊悬架形式按照弹簧安装位置分为两种形式。

一种弹簧上端支撑在减振器活塞杆固定处，下端支撑在减振器外管上，这种结构称为“弹簧撑杆”，但这种结构的悬架不能使用扭杆弹簧和板簧。

另一种弹簧上端直接支撑在车身或副车架上，下端支撑在下摆臂上，这种结构称为“减振器撑杆”[7]。这种形式的弹簧可以是螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、横置板簧[8]，如图1（b）所示。

2、车轮上下运动时侧向力

2.1 减振器的受力分析和计算

由于撑杆必须向车轮内侧偏置，所以车轮使撑杆承受翻转力矩的载荷，增加了减振器运动时摩擦[9]。同时减振器固定在转向节上，所以把轮胎、轮毂单元、减振器看成一个整体，这个整体不包括下摆臂，把图1（a）简化，如图2(a)所示。

其中：

A：减振器连杆上固定点；

B：减振器活塞的中心点；

C：下摆臂和转向节连接的球销中心点；

E：轮胎接地中心；

D：下摆臂内侧旋转轴。

这个整体在A、B、E三点收到FA、FC、W三个外力的作用：

FA：A点的反作用力；

W：地面对轮胎的作用力；

FC：下摆臂的作用力。

这三个力必须满足两个平衡，一个是三个力的平衡，如图2（b）所示；第二个是在这个整体上任意一点，这三个力产生的力矩必须平衡。如在C点，A点的FA和E点的W产生的力矩必须平衡，而E点产生的力矩M=W×e，如图2（a）所示。

其中：

a：减振器上固定点A到导向套中心的距离；

b：减振器上固定点A到活塞中心B的距离;

c：减振器导向套中心到球销中心C的距离；

d：轮心到球销中心C的距离；

r0：轮胎滚动半径；

α：下摆臂与水平面的夹角；

β：外倾角；

γ：主销内倾角。

以减振器轴线为y轴，垂直减振器轴线为x轴，将地面对轮胎的作用力W分解为将下摆臂的作用力分解为FCx和FCy，A点的反作用力分解为FAx和FAy。

对于具体悬架来说，参数c、r0和d都是已知，或可测出的，β和γ随α变化而变化，但α确定后，a、b、β和γ也随之确定了，也就是说对悬架某个状态a、b、β和γ是一定的，如满载状态，所以可求出e和FAx，如图3所示。

2.2 减振器侧向力的分析和计算

现在从轮胎、轮毂单元、减振器所组成的整体外部受力进入到内部减振器对连杆受力进行分析和计算。

由公式（6）、（7）可知，当a减小时，F1和F2也随之减小，在密封圈和活塞上的摩擦力（F1μ1+ F2μ2）也相应地减小。反之，当a增大时，随着F1和F2的增大，摩擦力也增大，减振器发热，加快失效。这种失效现象有阻尼力减小和漏油等。

现在很多车型都是通过减小a来提高减振器抗侧倾能力。

2.3 侧向力减少的方法

基于麦弗逊悬架当时运动的几何结构，由路面而来的外力分别有螺旋弹簧和减振器来分担，减振器分担量是螺旋弹簧分担量余下的部分，螺旋弹簧分担越多，减振器分担就越少，因此尽量让螺旋弹簧多分担外力，减振器侧向力就会变小，摩擦也随之减小[9]。

提高螺旋弹簧的分担量的方法很多，主要有：使螺旋弹簧中心线与减振器中心轴成一定夹角、弹簧座支撑面与连杆中心线倾斜一个非垂直的角度、偏置普通圆柱螺旋弹簧的缩小圈、采用“S”形侧载弹簧等，这些方法的本质都是一致的，就是将螺旋弹簧负荷轴与来自路面的力的作用线尽量一致，使螺旋弹簧尽量多分担作用力。

对圆柱形螺旋弹簧来说，就是使螺旋弹簧中心线与减振器中心轴成一定夹角，使螺旋弹簧负荷轴相对下摆臂球销中心偏移一定距离，如图5所示。

由C点力矩平衡：W×e=FA×δ,可得螺旋弹

簧中心的偏移量δ：

由图5和公式（8）可知，δ过大，螺旋弹簧很难布置。如减小e的大小，力矩W×e就小，所需偏移量δ就小，因此在具体设计时要综合考虑δ和e的大小。

2.4 采用螺旋弹簧中心线偏移的方法存在的问题

当FA偏移量δ确定后，只能保证减振器一个位置的侧向力为零。当车轮上下运动时，这个偏移量不能全部抵消地面产生的力矩，减振器多少还是受到侧向力的作用，同时，还存在以下问题。

（1）受到压缩时，相对弹簧中心轴，螺旋弹簧自身受到侧向力的作用；

（2）由于布置空间的限制，螺旋弹簧偏置量很可能达不到保证；

（3）螺旋弹簧负荷轴的位置取决于螺旋弹簧的安装条件；

（4）当车轮上下运动时，减振器连杆围绕上固定点，内外摆动，上固定点的支撑座对连杆的反作用力，如图6所示。当车轮上跳或下跳过大，减振器侧向力也很大，采用螺旋弹簧偏移的方法对此没有作用；

（5） 对弹簧安装在下摆臂上的“减振器撑杆”形式的麦弗逊悬架，采用螺旋弹簧偏移的方法没有作用；

（6）对转向、加速、减速时产生的侧向力，采用螺旋弹簧偏移的方法也没有作用。

3、车辆转弯、加速和减速时侧向力

3.1 车辆转弯时减振器侧向力分析

车辆在转弯时，车轮受到路面和轮胎之间横向摩擦力F（侧偏力或转弯力）的作用，如图7所示，这个侧偏力产生的力矩也使减振器侧向受力，由C

点的力矩平衡：F×H = FAx×(a+c)，可求得转向时的FAx：

根据车辆转弯速度算出侧偏力F，由公式（8）算出FAx,再根据公式（6）、（7）算出减振器在车辆转弯时所受到的侧向力。

3.2 车辆加速和减速时减振器侧向力分析

车辆在加速时，车轮受到路面和轮胎之间纵向摩擦力Fa的作用，如图8（a）所示，同样，车辆在减速时，车轮受到路面和轮胎之间纵向摩擦力Fb的作用，如图8（b）所示，图中FC为推力杆。

由C点的力矩平衡，可求得加速时FAxa和制动时FAxb：

再根据公式（6）、（7）算出减振器在车辆加速和减速时所受到的侧向力。

为了减小转弯、加速和减速时的减振器侧向力，由公式（8）、（9）、（10）可知，要尽量采用减小下摆臂球销的高度H，或增大（a+c），但由公式（6）、（7）可知，增大a就增大车轮上下运动时的减振器侧向力，因此，在悬架设计和布置时，要减小H时，增大c，减小a。

4、国内外最新产品实例

4.1 上固定点用关节轴承连接的麦弗逊悬架

在减振器连杆上固定点A使用一个关节轴承连接[10]，如图9（a）所示。力的平衡没有变，力矩的平衡变为以A点为旋转点的力矩平衡：

也就是说，车轮产生的力矩由下摆臂平衡，不仅消除“弹簧撑杆”形式的麦弗逊悬架减振器侧向力，而且消除“减振器撑杆”形式的麦弗逊悬架减振器侧向力。

4.2 雷诺MEGANE RS麦弗逊前悬架

雷诺 MEGANE RS前驱麦弗逊独立悬架[11]和凯迪拉克XTS前悬架，都对前悬架各个几何参数进行优化，以减小车辆在各种运动状态时减振器的侧向力。由图10可知，相对普通麦弗逊悬架，减小地面作用力的力臂e，大幅减小外来的力矩的大小，减振器侧向力随之大幅减小。

同时，降低下摆臂球销到地面的距离H，增大c，减小a，从而减小转弯、加速和减速时减振器侧偏力。

5、结论

减振器的侧向力取决于车辆在加速、减速、转弯时轮胎受到的地面的作用力和悬架的几何结构，而地面的作用力不能改变，只有通过优化悬架的几何结构来减小麦弗逊悬架减振器的侧向力，如减小地面作用力的力臂e、降低下摆臂球销到地面的距离H，减小减振器上固定点A到导向套中心的距离a，增大减振器活塞到下摆臂球销中心的距离c。

在车辆的整个运动过程中，大多不能完全消除减振器的侧向力，但能采用不同方法和优化措施减小侧向力。

虽然减振器本身具有一定抗侧向力的能力，但在设计时还要尽量通过改变结构和几何关系来减小减振器侧向力，提高减振器寿命和悬架的性能。

通过以上的分析会有这样切肤感受，悬架的几何学左右着悬架特性、寿命和车辆的性能，是悬架极其重要的参数，是悬架之命[12]。

[1]KYB株式会社. 自動車のサスペンション[M]. グランプリ出版2013. 10:103-109.

[2]俞大卫，张成强，周端琪. 车辆筒式减振器侧向受力与摩擦研究[J]. 兵工学报 坦克装甲车与发动机分册 2000,(1): 1- 11.

[3]李明喜，柳江. 基于麦弗逊式悬架侧载弹簧的应用分析[J]. 汽车科技 2005,7：7-10.

[4]张元胤，雷雨成，王小琼. 螺旋弹簧悬架安装倾角分析[J]. 机械设计与制造2004,1: 61-63

[5]景立新,郭孔辉,卢荡. 麦弗逊悬架减震器侧向力优化[J]. 科学技术与工程 2011.1:71-75.

[6]彭莫，刁增祥，党潇正. 汽车悬架构件的设计计算[M]. 机械工业出版社 2012.9: 22-77 .

[7]耶尔森·莱姆帕尔 著，李旭东 译. 汽车悬架[M]. 机械工业出版社2013.4:138-142.

[8]刘守银. 两端带滑块横置板簧前独立悬架机构.中国. 201110334477.X[P]. 2014.5. 中华人民共和国国家知识产权局.

[9]日本ばね学会．ばね 第4版[M]. 丸善株式会社 2009,5:237-241.

[10]安徽江淮股份有限公司. 一种麦弗逊独立悬架. 中国. 201320175355.5[P]. 2014.6中华人民共和国国家知识产权局.

[11]Motor Fan 図解·自動車のテクノロジー. サスペンションバイブル[M].三栄書房 2009.12:034-035.

[12]宇野高明.車両運動性能とシャシーメカニズム[M]. グアンプリ出版，2011.3:60-174.

Overview of Analysis of Shock Absorber's Lateral Force of Mcpherson Suspension

Liu Shouyin, Zhou Ren
(The Center of Technology of Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Heifei 230601)

Shock absorber's lateral force of MacPherson suspension has great influence on the service life of shock absorber and suspension performance. A systematic analysis of shock absorber's lateral force is important for MacPherson suspension design. Shock absorber's lateral force depends on the suspension geometrical structure and ground force which is generated when the vehicle is moving. This paper has given an overview of analysis of shock absorber's lateral forces generated when the wheels bump and rebound, and when the vehicle is accelerating, decelerating, cornering. and it was confirmed that the shock absorber lateral force's affecting factors generated by the geometric structure of Macpherson suspension, the example has been given to illustrate the concrete method of changing structure of the suspension geometry to reduce of the shock absorber's lateral force. Finally, the paper has summarized on lateral force of shock absorber, and given some suggestions for the future development of MacPherson suspension.

MacPherson strut suspension；Shock absorber；Lateral force；Overview

U 467.4

A

1671-7988(2014)10-44-05

刘守银，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。