深度解读悬架选型及前后布置技术

 

在此主要是分析竞争车型的底盘布置。

 

底盘布置首先要确定出轮胎、悬架形式、转向系统、发动机、传动轴、油箱、地板、前纵梁结构(满足碰撞)等，如轮胎型号、悬架尺寸、发动机布置、驱动形式、燃油种类等在开发过程中要尽可能早地确定下来。在此基础上，线束、管路、减振器、发动机悬置等才能继续下去。当然现在火热的电动车也是一样，电机参数、电池位置、减速器布置等。

 

 

 

现在前悬架结构型式常见的主要有：双横臂、麦弗逊。主要和车型定位还有前悬轮罩间空间尺寸有关。

 

 麦弗逊滑柱式悬架，属于独立悬架，已广泛应用于低、中档轿车和SUV前轴，前轮驱动居多。

 

 

优点：

1.车轮定位和悬架系统能够以一个总成进行装配。

2.比双横臂式悬架节省（横向）空间，适用于动力横置（前轮驱动）车辆。

3.重量较轻，成本较低。

4.能提供足够的弹簧行程。

 

缺点：

1.由于滑柱上端安装点较高，垂向布置空间较困难，可能影响车前上方造型。

2.因滑柱受力较大，滑柱上端在车体安装点结构需特别加强，隔振隔音要求。

双横臂式前悬架，又称双A臂式或双叉杆式悬架，大多应用于高档轿车、SUV、皮卡或商用车，后轮驱动居多。

 

优点：

1.由于上摆臂安装位置可以较低，垂向布置较方便，可降低发动机和驾驶室高度。

2.车轮角度、外倾角增益（camber gain）和侧倾中心（roll center）控制较好，很大程度上降低不良路面的影响（跳摆）。

3.衬套调校非常有效，悬架可调性较强。

 

缺点：

1.为提供足够的悬架行程，上摆臂与车体连接位置可能非常靠内，致使横向布置空间困难（如：为了减少衬套扭转受力与变形，上摆臂设计变长，导致发动机舱空间减小）。

2.支点（衬套）数量较多，结构复杂。

3.重量相对较大，成本较高。

 

对各种后悬架结构型式进行优缺点比较，包括对后部轮罩间空间尺寸的分析比较，进行后悬架结构的选择。

 

 

 扭转梁式悬架
优点：

1. 与车身连接简单，易于装配。

2. 结构简单，部件少，易分装。

3. 垂直方向尺寸紧凑。

4. 底板平整，有利于油箱和后备胎,或者电池的布置。

5. 汽车侧倾时，除扭转梁外，有的纵臂也会产生扭转变形，起到横向稳定作用，若还需更大的悬架侧倾角刚度，还可布置横向稳定杆。

6. 两侧车轮运转不均衡时外倾具有良好的回复作用。

7. 在车身摇摆时具有较好的前束控制能力。

8. 车轮运动特性比较好，操纵稳定性很好，尤其是在平整的道路情况下。

9. 通过障碍的轴距具有相当好的加大能力，通过性好。

10. 如果采用连续焊接的话，强度较好。

 

缺点：

1. 对横向扭转梁和纵向拖臂的连续焊接质量要求较高。

2. 不能很好地协调轮迹。

3. 整车动态性能对轴荷从空载到满载的变化比较敏感。

4. 但这种悬架在侧向力作用时，呈过度转向趋势。另外，扭转梁因强度关系，允许承受的载荷受到限制。

扭转梁式悬架结构简单、成本低，在一些前置前驱汽车的后悬架上应用较多。

 

优点：

1. Y轴和X轴方向尺寸紧凑，非常有利于后乘舱（尤其是轮罩间宽度尺寸较大）和下底板备胎及油箱的布置。

2. 与车身的连接简单，易于装配。

3. 结构简单，零件少且易于分装；

4. 由于没有衬套，滞后作用小。

5. 可考虑后驱。

 

缺点：

1. 由于沿着控制臂相对车身转轴方向控制臂较大的长宽比，侧向力对前束将产生不利的影响。

2. 车身摇摆（body roll）对外倾产生不利影响；（适当的控制臂转轴有可能改善外倾的回复能力，但这导致轮罩间宽度尺寸的减小。）

3. 调校较困难，因为所有的几何参数以及相关变量都是相关联的。

4. 由于没有衬套，所有传递给车身的振动都是未经过滤的。

 

优点：

多连杆式悬架能同时兼顾良好的乘坐舒适性和操纵稳定性，这种优点主要得益于其结构上具有下面这些几何特性：

1. 利用多杆控制车轮的空间运动轨迹，能更好地控制车轮定位参数变化规律，得到更为满意的汽车顺从转向特性。

2. 受到侧向力时前束具有自动回正能力。

3. 受到纵向力时前束具有自动回正能力。

4. 车轮行驶时的外倾角回复能力。

5. 通过障碍的轴距较大。

6. 能兼顾后轮驱动。

7. 后轮驱动时的转向力控制。

 

缺点：

1. 零部件数量多，制造加工困难。

2. 试验调校工作复杂，且不便于调整，适应性较差。

3. 对悬架几何尺寸的公差和弹性元件特性的要求较高。

4. 单位质量的负荷能力较低（需要一个后副车架）。

5. 对使用条件要求比较苛刻。

6. 所占空间较大，影响后乘员舱和后底板的空间布置。

7. 制造成本较高。

 

考虑到后悬架载荷的变化较前悬架大，一般的，前悬架结构选择时性能不优于后悬架。

 

簧上质量/簧下质量的值按大小顺序为：

1）Beam Axle（刚性轴）；

2）Twisted Axle(扭梁)；

3）Multilink Axle

 

在此引入“过强度系数”的概念：过强度系数=同一平台车的最大质量/同一平台车的最小质量，一般最大不超过1.35；否则在满足了最大质量的车型后，对最小质量的车型来说强度就显得过剩，带来的是成本的无谓增加。

 

悬架的设计总是与整车的设计紧密相连的，整车预布置通常包括动力总成的预布置和悬架的预布置。在基本确定了整车的总体尺寸、驱动型式、相应的轮胎、最小的目标转弯半径后就可以进行悬架的预布置了。

 

悬架的预布置主要与以下几点有关。

1. 整车姿态

2. 轮胎的跳动行程

3. 驱动型式

4. 导向杆的布置
 

 

悬架的设计总是与整车的设计紧密相连的，整车预布置通常包括动力总成的预布置和悬架的预布置。在基本确定了整车的总体尺寸、驱动型式、相应的轮胎、最小的目标转弯半径等后就可以进行悬架的预布置了。

 

  在悬架的预布置过程中主要考虑以下几点：

 

1. 整车姿态

一般来说，整车姿态是通过悬架的布置来设定的，可以说悬架的布置决定了整车姿态。一旦整车姿态确定后，在以后更改就比较困难了。通常整车在满载状态下的整车姿态是0～0.5°之间。
 

 

2.轮胎的跳动行程

轮胎行程根据车型的不同略有不同。通常在悬架的预布置过程中前后轮胎的行程按上跳、下跳各100mm考虑；越野车要大一些。在后期的调整中，由于后轴载荷变化较大，为了提高后排乘客的舒适性后悬架的行程取值要比前悬架的大。特殊车型有的还要考虑轮胎加装防滑链的要求。

 

 

4.导向杆的布置

对于导向杆的布置，纵向导向杆（或拖曳臂）设计布置时尽可能水平布置，以保证轮胎上跳或者回弹轴距变化尽可能的小；而横向推力杆（或横向摆臂）尽可能与后轴平行且左右对称布置。

 

前悬架的型式主要有非独立钢板弹簧悬架、麦弗逊独立悬架、双横臂独立悬架、多连杆独立悬架和双横臂独立悬架的一些变形。悬架在目前的车型的前悬架大多采用独立悬架，一般在整车设计之初就已确定了悬架的型式。下面以麦弗逊为例来说明一下前悬架的设计过程。

 

在前悬架的布置过程中主要从以下几点来考虑：

 

转向系统几何尺寸的确定

在转向系统的设计过程中，首先要确定转向梯形，以保证车轮能绕一个转向中心在不同的圆周上作无滑动的纯滚动。对轿车来说，通常采用断开式转向梯型机构，有时为了提高车辆的灵活性，减小转弯半径而改变转向梯型；当然，初步确定的时候可以不这样考虑。

 

根据初步设定的最小转弯半径和相应的计算公式及阿克曼转角的关系可以初步确定左右车轮转角的关系，同时结合相应的前纵梁布置产生的几何约束就可以确定左右车轮的转角。同时可以初步选定轿车转向系统角传动比，一般为15-17。

 

定义转向半径，转向角和阿克曼角

 

阿克曼角关系：Ctgα1- Ctg α2 = q/p

最小转弯半径：

主销尺寸的定义

主销几何尺寸的定义主要包括，主销后倾角、主销内倾角以及它们的偏置距。主销后倾角和主销相对轮心的偏置距一起保证轮胎的侧向力回正力距以利于汽车的直线行驶；主销内倾角保证车辆低速行驶条件下的自动回正性。同样，对主销的初步取值也是通过经验来选取或者通过对参考标杆车的测量来获得。

 

一般对轿车的前独立悬架来说主销后倾角在3°～4°左右，主销内倾角在10°～15°左右；主销内倾后倾角确定后相应的主销偏置距和拖距也就确定了。

 

 前悬架几何尺寸的定义

在主销的几何尺寸确定以后，结合轮胎、副车架、轮胎转角的几何约束就可以开始确定前悬架的设计硬点。首先定义主销上的A点，A点在轮辋和万向节中间，位置越低越好。（越低则地面的激励对球头销的侧向力偏小）

 

定义主销上控制点B时，在一般的悬架中尽可能的将位置设计的低一些；这样有利于获得更大的主销内倾角，提高车辆低速行驶时的转向回正力矩。但是要考虑轮胎上跳下跳目标和B点的支撑的功能性；特别对于麦弗逊前悬架来说B点的位置越高越好，有利于平衡掉滑柱的横向分力，减小滑柱导杆的摩檫。

 

减振器的布置
在X-Z平面内定义减震器时通常让减振器轴线跟主销轴线重合，这是最简单和最有效的解决方案。（但如此无法减小减振器活塞杆对油封的横向力）

在双横臂前悬架（或双叉臂前悬架）中，由于空间的原因通常减振器和弹簧做成总成件；在Y-Z平面内定义减震器（包括弹簧）时主要考虑的是杠杆比。在麦弗逊悬架中通常根据轮胎尺寸定义C点（需要的话要考虑防滑链）。D点是控制臂旋转轴线和通过A点的Y-Z平面的交点。A,、B、D点的相互位置决定了轮胎上下跳过程中的轮距的变化和外倾角的回正性。

 为了得到足够的轮胎上下跳过程中外倾角的回正性，可以通过将B点向内移，但是所有这些都要同悬架的其他特性综合考虑；具体可以在悬架几何运动分析中考虑。

 

控制臂旋转轴线的定义

控制臂轴线的主要根据抗制动点头来角定义，如果增加在X-Z平面内的倾角（即E点比F点低），抗点头能力就能提高；当然这需要和后悬架匹配。在横向上如果布置允许的话总是希望尽量的长一些；在相同的A点行程下，摆臂越长横向摆角越小，有利于提高橡胶衬套的寿命。同时在Y-Z平面内应保证前悬架的侧倾中心高在0～120mm的范围内。

 

 

转向杆系与悬架导向杆系在轮胎上下跳动的运动学上会产生运动干涉，这个干涉主要引起前轮前束的变化。在转向系统几何尺寸的所有点的定义中，对于点H主要通过考虑阿克曼角和轮胎几何约束来确定。定义I点的位置时主要考虑轮胎上下跳过程中的前束变化最小化。根据悬架杆系的几何运动关系确定I点；将I点放在轮胎上下跳过程中H点所形成的圆弧的中心。

 

 依据上述步骤在三维制图软件中可以确定各个设计硬点的坐标。获得了这些前悬架设计硬点的空间坐标后，可以通过相应的公式得出前悬架的运动学分析；目前更多的是运用ADMAS软件进行分析。
 

目前市面上十万左右的车型的后悬架主要是扭转梁和拖曳臂的非独立悬架，这些类型的后悬架结构简单，成本较低，悬架参数也教容易控制；但是后排乘客的舒适性也较低。目前轿车用的后悬架选用多连杆的趋势越来越明显。缺点是：零件数增加，公差要求更严格，加工成本增加；试验测试复杂；承载能力相对较弱。

 

在后悬架的设计时需要基本确定汽车断面尺寸、轮胎上跳和下跳行程、是否要驱动保护、轮胎规格、承载能力、整车操纵目标、前悬架特征和零部件采用的工艺。有了以上的基本输入后，一般分以下几点对后悬架进行布置。

 

 

对于一款中级轿车一般采用两连杆或者三连杆的居多。通常把具有两根横向连杆的独立悬架叫着两连杆独立悬架，具有三根横向连杆的独立悬架叫着三连杆独立悬架（如下图所示）。连杆越多意味着橡胶衬套应用的也越多，过多的使用橡胶衬套意味着需要冒更多的可能出现的问题。两连杆独立悬架外倾角能够通过横向拉杆的几何运动来控制。

 

三连杆的车轮外倾和前束的控制可以分别通过各自的调节杆完成。因此三连杆的独立悬架调节车轮外倾和前束对拖曳臂橡胶衬套的变形影响要小。

 

 后悬架各控制点的安装位置

 

在布置之出首先要明确哪些悬架的控制硬点连接在车身上，哪些点悬架的控制硬点连接在副车架上。将这些点布置在副车架上会花费更多的成本和增加整车的重量，但是能提高对前束和车轮外倾的控制精度，提高过滤震动噪音的能力。对于一款中级轿车而言通常都将控制外倾和前束连杆上的设计硬点和主横向摆臂的设计硬点布置在副车架上。

 

 

在满足布置的几何约束的前提下，主横向摆臂越长越好（越长对衬套的寿命越小）；俯视方向上尽量与后轴平行（搞不明白），在保护四驱时与后轴的夹角越小越好（搞不明白）。同时保证后悬架的侧倾中心高在80～150mm的范围内。对于车轮外倾控制臂和前束调节杆的布置，在满足布置的条件下长度和方向主要跟据悬架的运动学关系来决定。

 

可以根据实际的布置需要来选择。