一种单向约束型独立后悬架的研究

王露峰，周娟英

(1.长安大学汽车学院，陕西西安 710064；2.陕西职业技术学院汽车工程系，陕西西安 710064)



一种单向约束型独立后悬架的研究

王露峰1，周娟英2

(1.长安大学汽车学院，陕西西安 710064；2.陕西职业技术学院汽车工程系，陕西西安 710064)

为了优化车辆驾乘舒适性和驾驶稳定性，基于悬架在车辆正常行驶以及稳定中发挥的重要作用，介绍了在乘用车领域应用的拖拽式扭力梁非独立悬架、单横臂独立悬架、双横臂独立悬架、纵臂式独立悬架、斜臂式独立悬架。通过对不同车型及悬架设计调校不断优化实用效果的研究，设计新型单向约束型悬架，实现了对车辆的驾乘舒适性和驾驶稳定性优化的目标。

独立悬架；单向约束；斜置弹簧

0 引言

车辆通常在不平的路面行驶时，路面会对车轮产生垂直的击力，特别是在非铺装路面行驶时，对汽车的冲击力可能达到非常大的数值，由于冲击力传递到车身对布置在车身上的车辆各部件形成震动与冲击，会造成各组件的机械损伤与疲劳损坏。这种冲击力传递到车辆内部，驾驶员和乘客也会感觉不适[1]。为了缓和这种冲击，在汽车行驶系统中，布局具有弹性特性的悬架，与橡胶轮胎一起缓和冲击、过滤震动、提升舒适性。由于悬架与车身采用非刚性连接，为了保持车辆的行驶稳定性，车轮必须相对于车身按照移动的轨迹移动，因此它必须还具有导向的作用[1-3]。悬架作为连接车轮与车身的一种机构，其主要是将地面作用于轮胎的地面垂直反力传递到车身[2]。

1 乘用车几种常见的后悬架

1.1 非独立悬架

(1)主副簧式钢板弹簧非独立悬架

主副簧式钢板弹簧非独立悬架主要应用于成本低的厢式客车，如长安之星、五菱荣光；后悬架所受到的载荷因汽车实际装载量的不同变化范围很大，为了保持车身固有频率变化很小，悬架的刚度应是可变的；为了实现此功能，一般措施是在后悬架中加装副簧[3]。

(2)螺旋弹簧非独立悬架

因为螺旋弹簧作为弹性元件，只能承受垂直载荷，所以其悬架系统要加设导向机构和减振器，一般只用做轿车的后悬架。目前用于15万以下车辆较多，其特点是结构简单、可靠性较好、空间占用率较小。

1.2 独立悬架

(1)单横臂式独立悬架

单横臂独立悬架的特点是当悬架变形时，车轮平面产生倾斜而改变两侧车轮与路面接触点的距离——轮距，致使轮胎相对于地面产生侧向滑移，破坏轮胎和地面的附着。在江淮和悦上采用此类悬架的变形：双连杆独立悬架。

(2)双横臂式独立悬架

双横臂独立悬架分为等摆臂和不等摆臂。等臂悬架的特点是车轮跳动时，车轮平面没有倾斜，但轴距发生了较大的变化，增加了车轮侧向滑移的可能性。由此发展出了不等臂式独立悬架，通过上下臂的合理选择使得车轮的倾斜和轮距变化不大。通过技术的演进与迭代，由此发展出了四连杆和五连杆独立悬架。中高端汽车多为采用此类悬架[3-4]。

2 现有乘用车后悬架存在的问题

2.1 非独立悬架的局限

乘用车市场上现有整体式(非独立)悬架汽车大多采用拖拽式扭力梁结构后悬架，此类悬架具有结构简单、成本低廉的特点，其技术也较为成熟。对于直通式整体桥悬架，其优势在于一侧车轮受力倾斜时候，不会引起另一侧车轮的倾斜，且具有自身横向稳定的作用，但由于车轮跳动方向是绕纵臂方向[4]，其运动方式会引起跳动轮轴距变化，如图1所示 ，其变化量为d。

图1 拖拽式扭力梁车轮跳动轴距变化情况

轴距变化带来的影响较多，最直接的影响是由于轴距变化引起转弯半径的变化而导致可能出现过度转向或者转向不足[5]。如图2所示，扭力梁后悬架转弯时在离心力的作用下，外侧悬架压缩时左侧轴距长度由L变化到L+d，其造成的转向角变化如下：

在理论刚性悬架转弯时车辆的转向角：

δ=(δ1+δ2)/2

(1)

式中：δ1为车辆左前轮的偏转角；δ2为车辆右前轮的偏转角。

当左侧车轮压缩时左侧轴距由L增加到L+d，变化后：

∠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)

又因为：

∠EE1F<90°

(6)

90°-arctan(D/d)>0

(7)

δ′>δ

(8)

在此情况下出现了过度转向从而破坏了车辆的驾驶稳定性，虽然通过辅助横向稳定杆有所缓解，但仍然无法彻底根除对转向稳定性影响，而且非独立悬架一侧车轮跳动时另一侧车轮跟跳的缺点无法根除，车轮相互影响，使得和独立悬架相比车身震动和操控性都较差。

图2 拖拽式扭力梁车轮跳动轴距变化对转向的影响

2.2 现有独立悬架的局限

独立悬架发展至今，有较好的适应性、驾驶稳定性、乘坐舒适性，二连杆悬架由于车轮平面变化较大，使用面不广;多连杆特别是四连杆在中高级车使用较大，但由于其多边形变形特点，车轮跳动时会引起车轮位置或平面的变化[6]，如图3所示。

图3 独立悬架轮跳动车轮平面变化情况

多连杆独立悬架克服了扭力梁悬架在转弯时引起的轴距变化对操控的破坏，但由于悬架变形时，车轮相对于地面有较大的纵向滑移，破坏车轮的附着力，加重轮胎的磨损，行驶稳定性也不完美。现有四连杆、五连杆独立悬架通过对结构的优化使得这种滑移和车轮侧偏得到了最大的折中，但也没有完全消除其结构局限。

3 约束型独立悬架

3.1 结构特点

此悬架的结构特点是车轮被悬架限制在一个铅直方向运动，使得车轮在跳动时车辆的轴距和轮距都不会发生变化，且两侧车轮运动互不干扰，自由跳动，通过双动作筒平衡车辆行驶时的行驶阻力、路面不平以及阻碍产生的路面阻力、刹车产生的制动力。通过斜置弹簧平衡车身重力产生的对动作筒的弯矩，减少对动作筒作用力矩从而降低对其产生的磨损。其结构如图4所示。

图4 单相约束独立悬架结构

3.2 其结构受力模型如下

此悬架的结构受力模型如图5所示。

图5 单相约束独立悬架受力分析

图中：Fg为轮胎受车重作用于此轮地面反力；L为车轮受力中心到悬架中心距离；d为悬架设计动挠度；Mb为悬架弹簧作用于动作筒动轴的弯矩；ML为作用于支持反力作用于作筒动轴的弯矩；M1为由行驶阻力形成的对动作筒1的弯矩，行驶阻力对动作筒2的弯矩为M2。

车轮所受地面反力为：

Fg=mg

(9)

其中：m为悬上质量。

弹簧对悬架的作用力：

F=CX

(10)

其中：C为弹簧刚度；X为弹簧压缩量，单位为m。将弹簧对悬架的作用力分解为沿动轴方向的作用力Fa和垂直于动轴的作用力Fb：

Fa=Fcosθ

(11)

Fb=Fsinθ

(12)

其中：θ为弹簧垂直面的夹角。

在悬架处于静平衡时弹簧作用于悬架垂直方向的分力与地面对轮胎的垂直反力平衡：

mg=CXcosθ

(13)

静平衡时悬架所受弯矩：

(1)顺时针方向：ML=mg·L==CXcosθ·L

(14)

其中：L为轮胎受力中心到动轴中心距离。

(2)逆时针方向：Mb=CXsinθ·d

(15)

在悬架设计时尽量考虑静平衡时悬架弯矩平衡，可以减少动作筒内应力，车轮跳动时悬架变形较小，即：

ML=Mb

(16)

由公式：CXcosθ·L=CXsinθ·d

(17)

可得：tanθ=L/ d

(18)

其中：d为动挠度，在悬架设计时考虑到对舒适性和操控性的调校通常取值为7～15 cm。

如图6所示，悬架变形时由于作动筒的单向约束作用，车轮沿垂直地面方向运动，对横向轮距和纵向轴距都互不影响，有较好的路面适应性。

图6 悬架受力变形情况

通过布局反向的横向稳定杆可以增加悬架对正向行驶颠簸路面的刚度，实现最好的操作稳定性和驾乘舒适性。

4 结束语

分析对悬架在车辆行驶中发挥的作用，同时分析拖拽式扭力梁非独立后悬架、单横臂独立悬架、双横臂独立悬架、纵臂式独立悬架、斜臂式独立悬架等在乘用车领域中的应用，针对不同车型及悬架设计调校不断优化实用效果的研究，提出了新型单向约束型悬架设计，从而获得悬架结构与操作稳定性、行驶平顺性、结构紧凑型、强度刚度寿命的折中，应该进一步得到应用和推广。

【1】陈跃勇.汽车主动悬架的原理及发展简述[J].汽车运用,2006(6):27-28.

【2】余强,郑慕侨.汽车悬架控制技术的发展[J].汽车技术,1994(9):1-6.

【3】韩豫萍,孙涛,盛新.汽车悬架系统的发展及控制[J].工业控制计算机,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.汽车底盘新技术及其应用[J].河南科技,2014(8):78.

【5】郝少锋.车辆操纵稳定性对比试验研究[J].汽车实用技术,2011(1):33-35. HAO S F.Contrast Testing Research on the Vehicle Handling and Stability[J].Automobile Technology,2011(1):33-35.

【6】杨荣山,袁仲荣,黄向东,等.基于近似模型的车辆操纵稳定性及平顺性的优化研究[J].汽车技术,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，硕士研究生，专业方向为载运工具与运用工程。E-mail：250135620@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.008

U463.99

A

1674-1986(2016)11-036-04