沙漠越野车多连杆独立悬架结构的优化设计

朱思琦　张璐　王自朋

摘 要：由于汽車行业内多连杆悬架造价高、结构复杂，故其大多运用于高档越野车。多连杆独立悬架需要同时满足驾驶安全性和操作稳定性要求，且这两个要求互相独立，难以平衡。为取得良好的驾驶舒适度，需要多次小幅度地增加汽车的缓冲效果，以减少车身的震动，但这不利于很好地控制汽车的转向，容易造成汽车的转向操纵不稳定，所以设计汽车悬架需要合理协调驾驶安全性和操作稳定性这两方面需求。由于沙漠路面的特殊性，其对车身的冲击作用与常规路面不同，沙漠越野车悬架设计尤为重要。本设计首先阐述了独立悬架的种类及其构造特点，然后对多连杆独立悬架进行设计计算，以满足汽车的行驶平顺性为设计原则，设计多连杆独立悬架的各组成零部件，先后进行计算和校核。通过深入探究，完成了沙漠越野汽车后悬架的设计优化，汽车稳定性和平顺性均有所改善，有效提高其减震性能。

关键词：多连杆;独立悬架;减震器

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）31-0079-05

Optimal Design of Multi-link Independent Suspension Structure of

Desert Sports Utility Vehicle

ZHU Siqi ZHANG Lu WANG Zipeng

（Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo Henan 454950）

Abstract： In the automotive industry， because of the high cost of multi-link suspension， complex and diverse structure， the multi-link suspension is mainly used in high-end off-road vehicles. This design mainly describes the types of the independent suspension and its structural characteristics， especially the detailed system to introduce the design and calculation of the multi-link independent suspension， in line with the design principle of fully meeting the ride comfort of the car， the design of the multi-link independent suspension of various components， and they were calculated and checked. The multi-link independent suspension not only needs to meet the driver's requirements for the safety of the vehicle， but also needs to be able to meet their operational stability requirements， and these two aspects are independent of each other. For example， in order to achieve good driving comfort of the car at the same time， it may be necessary to increase the buffer and reduce the vibration on a car， which is not conducive to the correct control of the correct steering of a car， and easy to cause instability in the steering of the car. If the suspension can be designed for these aspects and achieve a reasonable harmony， then for drivers， they will have the opportunity to truly experience the good comfort and safe ride that the premium suspension brings them. Due to the particularity of desert roads， the impact on the body is different from that of conventional roads， and the suspension design of desert off-road vehicles is particularly important. This design first explains the types of independent suspensions and their structural characteristics. Secondly， the design and calculation of the multi-link independent suspension are carried out to meet the driving comfort of the car as the design principle， and the components of the multi-link independent suspension are designed， calculated and checked. Through in-depth exploration， the design optimization of the rear suspension of the desert off-road vehicle was completed. The stability and smoothness of the car are improved， and its vibration damping performance is effectively improved.

Keywords： multi-link;independent suspension;shock absorber

1 绪论

悬架是汽车上的重要总成之一，主要功能是将作用在车轮上的力和力矩传递到车架上，弱化不平坦路面对车身产生的冲击力，从而使汽车稳定驾驶。当车辆在凹凸不平的路面行驶且路面不平度刺激车辆使震动达到一定的幅度时，坐在车内的乘客会感到不适，货物也会受到一定的影响，故研究车辆震动、改进悬架装置的结构对改善车辆的操纵稳定性和提高汽车乘坐体验具有重要意义。汽车运动部件多，组成零件非常繁杂，受力复杂多样。我国西北地区沙漠面积广阔，由于沙漠路面的特殊性，对车身的冲击作用与常规路面不同，悬架要配合车轮和车身缓和沙漠路面对车身的冲击作用，保证沙漠越野车正常行驶，因此沙漠越野车悬架设计的要求就更加严格。此外，车辆还是一个复杂多样的非线性系统，具有一定的惯性作用和弹性作用等。由于汽车转向、悬架、传动等机械系统之间的结合，车辆的动态特性十分烦琐。

1.1 悬架的概述

汽车行驶过程中，路面的凹凸不平会引起车身震荡，为获得更好的运动平顺度，设计了悬架，将车轮和车架进行弹性连接，以降低作用在车身上的冲击载荷[1]。悬架能够有效提升车辆的行驶平顺性。悬架的主要功能包括：①增加汽车的稳定性，减少由路面不平坦引起的车辆晃动;②使车轮和车身之间具有一定的集合位置连接;③是车架与车轮连接的弹性元件。

汽车的悬架系统由弹性部件、减震器、导向机构稳定杆等构成，可分为独立悬架与非独立悬架。就结构而言，非独立悬架是安装在车轮两端的一条整体轴，弹性部件通过悬挂在车架上连接车轮与车身。如果一方车轮由于路面不平整出现状态上的改变，则会直接影响另一侧的变化，其构造如图1（a）所示。独立悬架则是利用车轮两侧的弹性元件悬挂于车架的下方，该种形式的车轴两侧是断开的，所以车身一侧的车架状态改变，不会对另一侧的车轮产生直接影响，如图1（b）所示。此外还有一类独特的悬架，类似于半刚性非断开型后支撑桥的组合，此类悬架一般叫作半独立悬架。

1.2 汽车操纵稳定性研究现状

近年来，多连杆独立悬架渐渐被用于中档汽车和高档汽车中，传统的老式悬架逐渐被取代。在车辆行驶过程中，对驾驶员造成影响的因素有内部因素和外部因素。其中，内部因素包含驾驶员紧张、焦虑等心理因素;外部因素有公路材质的不同、路面的高低不平对车辆行驶的影响及其他车辆的通行等。悬挂系统作为汽车的关键部分，其构造、形态和定位参数对汽车平顺性、操纵和运行的稳定性起到决定性作用[2]。在汽车行驶过程中，当车轮产生上下跳动时，车轮位置参数应该保持在合理区间内，以保证车辆的整体动力学特性不会出现很大的变化[2]。车辆的正常行驶需要悬架的配合，所以悬架的设计非常重要。

汽车操纵稳定性发展较快，国际上很多汽车研究机构对其进行过探索，对现在的发展研究提供了很大的帮助。对汽车的操纵稳定性进行研究发现，当质心位置发生改变时，车轮的宽度会随之改变，车轮的压力也会受到影响。日本设计师的《车辆悬架》对悬架运动学进行深入探索;FALLAH M S等人提出了应用非线性二自由度麦弗逊悬架模型的一种建模方式，不仅分析了簧上质量的垂向加速度，还针对悬架导向机构的运动学特点进行探究，得出悬架运动过程中四轮定位参数的变化状况，并对比分析ADAMS中建立的模型，从而验证了数学模型的准确性[3];LEE D C等人提供了一种解析方式对后扭力梁悬挂系统进行运动学特性分析，进一步进行优化设计，通过其构建的数学模型，找到对悬架运动学特征有很大影响的坐标位置的变动情况，并以这些坐标点为主设计研究变量，进一步对侧倾中心高度、最大侧倾刚度及横纵梁连接点的最大应力值进行优化，与实车数据进行比较分析，从而验证研究方式的可行性[4]。

如今的汽车研发已经到了新的阶段，计算机仿真技术使大量的汽车试验都得以在虚拟试验场进行，不仅节省了大量成本，还加快了研究进度，是一种有利的新型设计方式，可以轻松准确获得试验汽车的各项性能指数，方便厂家对各项参数进行调整。各种科学技术层出不尽，大量虚拟现实与模型都促进了汽车的发展。电脑模拟测试的快速发展大大加快了汽车的研发进度，现有的技术可以将驾驶员通过虚拟现实（Virtual Reality，VR）连接到测试汽车，进行各种试验，加快了新产品的研发进程。同时，还可以通过各种数据优化汽车结构，提升汽车性能，这已经是当今世界主流的汽车研发方案，大多数汽车公司都有了自己的驾驶员模拟器。

而我国汽车行业相对落后，起步较晚，经验较少，研发能力和生產工艺也相对欠缺，对汽车操作性和稳定性的控制也远远落后于德系汽车。但如今国内汽车行业已然崛起，我国汽车企业在各个领域都渐渐打破了世界一流厂家的技术垄断，国内汽车企业和汽车研究团队逐渐开始根据消费者的需求进行大量试验，致力于提升汽车的各项性能[5-9]。

2 多连杆独立悬架设计思路

汽车的各项性能都影响着消费者的体验，如经济性、动力性、舒适性等，其中操纵稳定性是汽车厂家的研究重点。汽车零部件较多，每个部件都会影响汽车的性能，因此汽车的动态特征非常多样。影响车辆行驶状态的因素有很多，其中车轮的定位参数十分重要，而在行驶过程中，车轮的各个角度，如通过角、主销内倾交角等，都影响着车轮的行驶状态。车辆的运动状况不断变化，这就要求汽车有很强的适应性和通过性，改善自身性能。

多连杆悬架可使汽车的操控性、稳定性得到较大提升，如今中高端车大多装配多连杆悬架。其中，前后悬架采用的方案不同，后悬架连杆式的性能更好。本次选取独立多连杆悬架为改进方案，对一款沙漠越野车后悬架进行优化设计。通过确定多连杆悬架参数，对悬架弹性元件、减震器、导向机构进行设计计算，并对行驶平顺性进行分析。在优化完善后，通过深入探究设计，完成沙漠越野汽车后悬架的设计优化，汽车稳定性和平顺性均有改善，有效提高其减震性能。

2.1 多连杆悬架基本参数的计算

首先确定所设计悬架的原始参数，确定悬架的自振频率，计算出悬架的刚度、动静挠度等。采用牧马人Sahara的主要参数，额定载客5人，总质量为1 991 kg，外形尺寸为4 882 mm×1 894 mm×1 838 mm，最高车速为190 km/h，设计寿命为15年，排量2.0 T。其他参数如表1所示。

由于汽车质量分配系数ε约等于1，则汽车前、后轴上方车身两点的震动不关联[1]。

依据对弹簧参数的计算，本次设计选取螺旋弹簧，加之沙漠越野车的车型特征，选用60Si2Mn为原材料，针对侧向摩擦力、垂直时的横向摩擦力及横纵时的摩擦力应当额外设置一个扭力导向器。多连杆式的高速导向传动机构已经在各种独立式后车轮悬架中得到了广泛应用。图3为多连杆悬架的导向机构。

2.3 对减震器进行设计计算

2.3.1 相对阻尼系数ψ。在减震器卸载阀打开前，其中的阻力F与减震器震动速度v之间的关系为[1]：

2.3.2 最大卸荷力。为了减小传到车体上的冲击力，当减震器活塞震动速度超过阈值时，减震器开启卸荷阀[1]。此时的活塞速度即为卸荷速度[vx]：

2.3.3 筒式减震器主要尺寸。根据伸张行程的最大卸荷力F进行计算，筒式减震器工作缸直径D为[1]：

2.4 平顺性分析

由于车辆的平顺性与“路-车-人”所组成的系统密切有关，影响车辆平顺性的主要因素有路面不平整（也是震动的来源）以及车辆悬架、轮胎、座椅、车身等零部件的机械力学特性，包括机械刚度变化和损伤，频率、阻尼和运动惯性参数（机械质量、惯性矩等）。这些相关参数需要根据不同类型车辆的需求来设计，在使用中不应损坏。例如，悬架体与复合钢板和制动弹簧之间的摩擦润滑不好时就相当于大大提高了制动悬架的整体刚度;制动减震器的气压漏油几乎等于零就是为了大大减小制动悬架在整体系统过程中的阻尼。

本次优化设计构造一个二自由度的新型汽车振动控制系统动力学计算模型，更接近汽车悬挂系统的实际情况，该系统设计总体框架见图4。

3 结语

汽车悬架作为现代车辆上重要总成的一部分，主要功能是减轻由路面传递给车架车身的冲击载荷，降低由此所产生的震动，以保证车辆的行驶平顺性与乘坐舒适度。本文通过对国内外越野车悬架系统的技术现状、发展趋势、市场等情况进行调查研究，了解越野车后悬架的结构特点，确定越野车后悬架的结构形式及设计条件，计算悬架系统主要性能参数，分析优化结构尺寸。在优化后，通过深入探究，完成了沙漠越野车后悬架的设计。沙漠越野车选用多连杆独立悬架牧马人Sahara的初始参数，选取材料60Si2Mn作为悬架螺旋弹簧的原材料，对弹簧参数进行了选定;选用独立的悬架引导机构;选择筒式减震器;对横向稳定杆进行设计，对平顺性进行了系列分析，汽车稳定性和平顺性均有改善，有效提高汽车的减震性能。还有一些问题尚待完善，需进一步的深入研究，如可对悬架导向机构进一步设计分析、可对平顺性进一步深度分析等。

参考文献：

[1]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004：68-69.

[2]周长城，赵雷雷.车辆悬架弹性力学解析计算理论[M].北京：机械工业出版社，2012：36.

[3]FALLAH M S，BHAT R，XIE W F.New model and simulation of Macpherson suspension system for ride control applications[J].Vehicle System Dynamics，2009（2）：195-220.

[4]LEE D C，YANG C.An analytical approach for design and performance evaluation of torsion beam rear suspension[J].Finite Elements in Analysis and Design，2013（1）：98-106.

[5]邵昭暉.汽车麦弗逊悬架三维设计及运动分析[D].武汉：武汉理工大学，2011：35.

[6]康铭，万玲.基于ADAMS对麦弗逊独立悬架运动分析[J].物流工程与管理，2012（5）：173-174.

[7]岳峰丽，蔡玲.车辆麦弗逊悬架运动仿真研究[J].沈阳理工大学学报，2012（4）：87-89.

[8]诸葛晓宇.基于CATIA/ADAMS的麦弗逊悬架运动分析[J].汽车零部件，2011（9）：61-64.

[9]王治平.麦弗逊悬架总成设计方法研究[J].安徽工程大学学报，2012（4）：16-20.