汽车双横臂扭杆弹簧独立悬架设计

崔 敏

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）



汽车双横臂扭杆弹簧独立悬架设计

崔 敏

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

文章主要研究某轻型载货汽车前独立悬架的设计计算方法以及独立悬架的设计试验验证，首先对双横臂式独立悬架进行受力分析、运动轨迹计算，然后对悬架进行设计计算如扭杆弹簧的设计、前悬架的刚度、偏频计算、稳定杆的设计、侧倾刚度计算、减震器的设计，最后通过试验验证悬架的偏频、平顺性。

轻型载货汽车；双横臂式独立悬架；平顺性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.005

CLC NO.: U463.33+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-11-04

前言

悬架是现代汽车上的一个重要总成，他把车架与车轴弹性地连接起来。其主要任务是在车轮与车架之间传递所有的力和力矩，缓和由路面不平传递给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，控制车轮的运动规律，以保证汽车具有需要的平顺性和操纵稳定性。本文主要以国内某轻型载货汽车车型为例，简要介绍该车型前悬架的总体设计，结构图如下：

图1　双横臂式独立悬架结构图

1、前独立悬架的结构特点

该轻型载货汽车的前悬架采用不等长式双横臂独立悬架，设计灵活，能保证汽车有良好的行驶稳定性，已被广泛运用于中、高级轿车与载货汽车的悬架系统。但双横臂独立悬架结构复杂、占用空间较大、精度要求高，制造成本较高。

2、前悬架的设计分析

2.1前悬架的受力分析

按照整车竖直方向极限冲击力2.5倍和竖直方向往返0.8倍时悬架的受力，整车横向方向极限受力0.5倍和横向方向往返0.25倍时悬架的受力及整车纵向方向极限受力0.8倍和纵向方向往返0.25倍时悬架的受力情况，计算出各零部件3个方向的受力值。

图2　

建立整车的受力模型，分别计算悬架竖直方向、纵向和侧向的受力情况，得出以下公式。

F1=n×(Wf-Gf)/2 F2=n×(Wr-Gr)/2

横荷重 Rf0=Wf/2+n×W×h/(tf+a/b×tr)

F3=n×Rfo F4=F3×Lu/（LL+Lu） F5=F 3－F4

前后荷重 Rf=Wf/2+(n×W×h)/S×1/2

F6=n×Rf F8=F6×(Lu+rf)/(Lu+LL') F 7=F8－F6 F9=F8/COSθ

图3　

图4　

其中：n为负荷倍数，Wf为前轴轴荷，Wr为后轴轴荷，W为整车总重，Gf为前轴簧上质量，Gr为后轴簧上质量，tf为前轮轮距，tr为后轮轮距，s为轴距，h为质心高度，a为质心距前轴距离，b为质心距后轴距离。

2.2前悬架运动轨迹计算

根据下图5，得出以下计算公式，确定前悬架运动轨迹。

图5　

图6　

取下摆臂在副车架上的安装点为原点，可根据上图5得出以下坐标点。

A点坐标：（Xa，Ya，Za）；P点坐标：（Xp，Yp，Zp）；

D点坐标：（Xd，Yd，Zd）；C点坐标：（Xc，Yc，Zc）；

E点坐标：（Xe，Ye，Ze）；B点坐标：（Yb，Zb）；W点坐标：（Yw，Zw）；

其中，上摆臂摆长c=205，下摆臂摆长R=330.5，上摆臂球销中心坐标（Xc，Yc，Zc），下摆臂球销中心坐标（Xa，Ya，Za），轮毂中心轴线与上下摆臂球销中心点连线交点坐标（Xb，Yb，Zb），轮胎中心点坐标（Xw，Yw，Zw），α为下摆臂摆长与纵向平面夹角，β为上摆臂摆长与纵向平面夹角，θ1为上摆臂摆臂轴与下摆臂球销中心点连线夹角。根据以上公式可计算出整车运动过程中，悬架四轮定位参数是否满足设计要求。

3、前悬架的设计计算

3.1扭杆弹簧的刚度计算

扭杆弹簧的刚度KT=π×d4×G/（32×Le)=36.7 N.m/°，其中d为扭杆弹簧直径，G为横向弹性系数，Le为扭杆有效长度。扭杆弹簧的应力τ=16T/(πd3），其中，T=KT×φ，φ为扭杆弹簧扭转角度，KT为扭杆刚度。

当整车运动过程中受到冲击后，副车架接触板与前下缓冲块铁碰铁状态时，扭杆弹簧扭转角度最大，此时扭杆内部的应力也最大，计算得出τmax=825N/mm2，小于材料的屈服极限1372N/mm2。

3.2前悬架的刚度计算

悬架的刚度是衡量悬架性能的重要指标之一，通过对悬架的受力分析及弹性元件的刚度计算，得出整个悬架的刚度。根据上图6，可得出前悬架的刚度计算公式如下：

其中，K为前悬架刚度，单位为kg/mm，P为簧下载荷，单位为kg，T为扭杆的扭转力矩，单位为kg.mm，φ为扭杆的扭转角度，单位为 rad，KT为扭杆的刚度，单位为kg.mm/rad。通过计算可得出，空满载状态前悬架刚度均为5.2kg/mm。

3.3前悬架的偏频计算

平顺性直接影响到人体的乘座舒适性，目前在汽车悬架设计中主要是以车身振动的固有频率(俗称偏频)作为评价平顺性的重要指标。人体所习惯的垂直震动频率是步行时身体上下运动的频率，约为1.0-1.6Hz，因此一般要求乘用车的前悬架偏频为1.0-1.6Hz。

偏频的计算公式如下

其中：K为悬架刚度；M为悬架的簧载质量；f为悬架的垂直变形。由以上计算公式，可以得出前悬架满载偏频为1.49Hz，由此可知，前悬架满载偏频计算结果满足设计要求。

3.4前横向稳定杆的刚度计算

由于前悬架的轴荷较大，整车质心较高，导致整车的侧倾刚度不足，在这种情况下，通过增加横向稳定杆弥补整车的侧倾刚度不足。下图7所示为横向稳定杆的结构简图。

图7　

图8　

P——作用于AA'的力；I=πd4/64α=arctan（R/l0）

d——稳定杆直径； Ip=πd4/32 γ=arctan（-l0/R）

当k=1/2x时，有

其中E为弹性模量（E=21000kgf/mm2），G为剪切模量（G=7700kgf/mm2），K为稳定杆刚度，Dstab为稳定杆的跨距，k侧为稳定杆的侧倾角刚度。已知稳定杆的尺寸，可以得出稳定杆的刚度为 21.5N/mm，从而求出稳定杆的侧倾角刚度为1.52×107N.mm/rad，考虑到稳定杆连接件是橡胶元件，实际刚度值比理论值减小15%~30%，取25%，稳定杆的侧倾角刚度为1.14×107N.mm/rad。

3.5侧倾刚度计算

车辆在转弯时产生较大侧倾，通过稳定装置或稳定装置与弹性元件共同提供的侧倾刚度在瞬问便车辆回正。对于轿车设计前后悬侧倾角刚度比值一般在 1.4～2.6。根据以上计算公式，可得出前后悬的侧倾角刚度比值，校核悬架设计是否合理，并根据结果进行相应优化。上图8所示为车辆的侧倾示意图。

车辆的侧倾刚度为弹簧的侧倾刚度与稳定杆的侧倾刚度之和。

其中K为悬架的刚度，Dspr为扭杆弹簧的跨距，Kstab为稳定杆刚度，Dstab为稳定杆跨距。后悬架的侧倾角刚度为2.52×107N.mm/rad，前悬总的侧倾角刚度为5.19×107N.mm/rad，前后悬架的侧倾角刚度比值为2.06，从计算结果来看，侧倾角刚度在设计要求范围内。

3.6前减振器的阻尼匹配计算

减振器的功能是吸收悬架垂直震动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。

减振器的阻尼须与悬架系统的弹性元件相匹配，也就是具有合适的相对阻尼系数 ，一般取ζ为 0.15～0.35。利用阻尼比，可以求出与悬架弹簧平衡的阻尼力。

其中， ζ：阻尼比；m：质量；k：弹簧刚度；C：阻尼系数； Cc：临界阻尼系数，C超过这个值就变成无周期运动； C*：减振器阻尼力均值（压缩和拉伸的平均值）；Vp：活塞速度(0.3m/s)。

该轻型载货汽车所使用的前减震器为双向作用液力筒式减振器，根据设计计算，可得出前减振器拉伸阶段的速度为0.3m/s，阻尼比ζ为0.22，满足设计要求。

4、前独立悬架的试验验证

根据设计参数制作样件，并试制了一台轻型卡车，在试验场进行了车辆平顺性性能试验，试验的数据与设计值对比见表1、表2所列。

表1　试验测量偏频与设计值对比

表2　平顺性实测值与设计值对比

5、结束语

通过对该轻型载货汽车的悬架及零部件的设计计算，基本上考察了悬架的一些性能指标。根据计算结果和试验结果基本一致可以看出，本文对悬架的有关分析计算式正确的。可以对今后有关悬架设计计算方面的问题提供理论依据和实际指导。但本文还存在一些不足，如没有考虑悬架对操纵稳定性、转向不足的影响因素及悬架橡胶件刚度对平顺性的影响等，这些问题有待进一步研究。

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The design of double wishbone torsion bar spring independent suspension for car

Cui Min
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd Technique Center, Anhui Hefei 230601 )

This paper is mainly to analysis a light truck's computing method of the front independent suspension design and testing of design experiment. Firstly, it goes with the stress analysis and the trajectory calculation of the double wishbone independent suspension, and then continues with the suspension design calculation such as the design of torsion bar spring , front suspension's stiffness, offset frequency calculation, stabilizer bar's design, roll stiffness calculation, shock absorber's design, and finally the suspension offset frequency and riding comfort can be verified through the test.

light truck; double wishbone independent suspension; riding comfort

崔敏，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。

U463.33+2

A

1671-7988 （2016）06-11-04