麥弗遜懸架減振器側(cè)向力分析綜述

劉守銀，周忍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

麥弗遜懸架減振器側(cè)向力分析綜述

劉守銀，周忍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

麥弗遜懸架減振器側(cè)向力對(duì)減振器壽命和懸架性能影響很大，系統(tǒng)分析減振器側(cè)向力對(duì)麥弗遜懸架設(shè)計(jì)具有重要意義。減振器的側(cè)向力取決于車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的地面的作用力和懸架的幾何結(jié)構(gòu)，本文綜述了車輛行駛時(shí)車輪上下運(yùn)動(dòng)的側(cè)向力、加速、減速、轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)向力的分析，確定了麥弗遜懸架的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)減振器側(cè)向力的影響因素，并通過(guò)國(guó)內(nèi)外最新產(chǎn)品的實(shí)例說(shuō)明通過(guò)改變懸架的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)減小減振器側(cè)向力的具體方法和產(chǎn)生的效果。最后對(duì)減振器側(cè)向力進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)未來(lái)麥弗遜懸架的研發(fā)工作提出了一些建議。

麥弗遜懸架；減振器；側(cè)向力；綜述

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

前言

因?yàn)辂湼ミd懸架減振器不僅支撐車體重量，而且承受由作用在車體上的慣性力而產(chǎn)生的彎曲力，所以不可避免增大減振器的滑動(dòng)部位摩擦力。

為了減小摩擦力，在軸承和活塞的滑動(dòng)部位使用摩擦系數(shù)低的材料來(lái)提高滑動(dòng)性，如在活塞桿導(dǎo)向座處采用PTFE涂層、在活塞上使用PTFE薄膜等，但是,這只能在很小程度上減小摩擦力，更重要的是減小作用在減振器上的側(cè)向力[1]。

麥弗遜懸架減振器在實(shí)際應(yīng)用中因活塞桿發(fā)生側(cè)向摩擦，引發(fā)早期失效和漏油等，同時(shí)，摩擦阻力增加了車輪的上下運(yùn)動(dòng)的阻力，因此，麥弗遜懸架及懸架元件側(cè)向受力而產(chǎn)生的摩擦不僅影響懸架及懸架元件的耐久性，而且更直接、更顯著地影響整車平順性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者麥弗遜懸架減振器側(cè)向力的研究方面主要側(cè)重車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的側(cè)向力，并發(fā)表了很多論文[2-5]。

本文將全面分析受到路面垂直作用力時(shí)車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)減振器側(cè)向力、車輛在加減速時(shí)減振器側(cè)向力、轉(zhuǎn)彎時(shí)減振

器側(cè)向力、以及減振器上支撐座對(duì)側(cè)向力的影響，綜述了減振器不同受力狀況所采取的對(duì)策和方法。

1、麥弗遜懸架的兩種形式

麥弗遜懸架，從導(dǎo)向機(jī)構(gòu)看它是單臂懸架，不過(guò)也可把它理解為從雙橫臂獨(dú)立懸架演變而來(lái)的[6]。

麥弗遜懸架又叫撐桿式獨(dú)立懸架，其主要元件為彈簧、減振器和下擺臂?，F(xiàn)代麥弗遜懸架都是用減振器活塞連桿作為撐桿，活塞連桿上端固定在車身上，下端固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，而下擺臂的外端通過(guò)球銷和轉(zhuǎn)向節(jié)相連，內(nèi)側(cè)通過(guò)襯套和副車架或車身相連，這是所有麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)的共性。而彈簧安裝有所不同，所以麥弗遜懸架形式按照彈簧安裝位置分為兩種形式。

一種彈簧上端支撐在減振器活塞桿固定處，下端支撐在減振器外管上，這種結(jié)構(gòu)稱為“彈簧撐桿”，但這種結(jié)構(gòu)的懸架不能使用扭桿彈簧和板簧。

另一種彈簧上端直接支撐在車身或副車架上，下端支撐在下擺臂上，這種結(jié)構(gòu)稱為“減振器撐桿”[7]。這種形式的彈簧可以是螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧、橫置板簧[8]，如圖1（b）所示。

2、車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)側(cè)向力

2.1 減振器的受力分析和計(jì)算

由于撐桿必須向車輪內(nèi)側(cè)偏置，所以車輪使撐桿承受翻轉(zhuǎn)力矩的載荷，增加了減振器運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦[9]。同時(shí)減振器固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，所以把輪胎、輪轂單元、減振器看成一個(gè)整體，這個(gè)整體不包括下擺臂，把圖1（a）簡(jiǎn)化，如圖2(a)所示。

其中：

A：減振器連桿上固定點(diǎn)；

B：減振器活塞的中心點(diǎn)；

C：下擺臂和轉(zhuǎn)向節(jié)連接的球銷中心點(diǎn)；

E：輪胎接地中心；

D：下擺臂內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)軸。

這個(gè)整體在A、B、E三點(diǎn)收到FA、FC、W三個(gè)外力的作用：

FA：A點(diǎn)的反作用力；

W：地面對(duì)輪胎的作用力；

FC：下擺臂的作用力。

這三個(gè)力必須滿足兩個(gè)平衡，一個(gè)是三個(gè)力的平衡，如圖2（b）所示；第二個(gè)是在這個(gè)整體上任意一點(diǎn)，這三個(gè)力產(chǎn)生的力矩必須平衡。如在C點(diǎn)，A點(diǎn)的FA和E點(diǎn)的W產(chǎn)生的力矩必須平衡，而E點(diǎn)產(chǎn)生的力矩M=W×e，如圖2（a）所示。

其中：

a：減振器上固定點(diǎn)A到導(dǎo)向套中心的距離；

b：減振器上固定點(diǎn)A到活塞中心B的距離;

c：減振器導(dǎo)向套中心到球銷中心C的距離；

d：輪心到球銷中心C的距離；

r0：輪胎滾動(dòng)半徑；

α：下擺臂與水平面的夾角；

β：外傾角；

γ：主銷內(nèi)傾角。

以減振器軸線為y軸，垂直減振器軸線為x軸，將地面對(duì)輪胎的作用力W分解為將下擺臂的作用力分解為FCx和FCy，A點(diǎn)的反作用力分解為FAx和FAy。

對(duì)于具體懸架來(lái)說(shuō)，參數(shù)c、r0和d都是已知，或可測(cè)出的，β和γ隨α變化而變化，但α確定后，a、b、β和γ也隨之確定了，也就是說(shuō)對(duì)懸架某個(gè)狀態(tài)a、b、β和γ是一定的，如滿載狀態(tài)，所以可求出e和FAx，如圖3所示。

2.2 減振器側(cè)向力的分析和計(jì)算

現(xiàn)在從輪胎、輪轂單元、減振器所組成的整體外部受力進(jìn)入到內(nèi)部減振器對(duì)連桿受力進(jìn)行分析和計(jì)算。

由公式（6）、（7）可知，當(dāng)a減小時(shí)，F(xiàn)1和F2也隨之減小，在密封圈和活塞上的摩擦力（F1μ1+ F2μ2）也相應(yīng)地減小。反之，當(dāng)a增大時(shí)，隨著F1和F2的增大，摩擦力也增大，減振器發(fā)熱，加快失效。這種失效現(xiàn)象有阻尼力減小和漏油等。

現(xiàn)在很多車型都是通過(guò)減小a來(lái)提高減振器抗側(cè)傾能力。

2.3 側(cè)向力減少的方法

基于麥弗遜懸架當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)的幾何結(jié)構(gòu)，由路面而來(lái)的外力分別有螺旋彈簧和減振器來(lái)分擔(dān)，減振器分擔(dān)量是螺旋彈簧分擔(dān)量余下的部分，螺旋彈簧分擔(dān)越多，減振器分擔(dān)就越少，因此盡量讓螺旋彈簧多分擔(dān)外力，減振器側(cè)向力就會(huì)變小，摩擦也隨之減小[9]。

提高螺旋彈簧的分擔(dān)量的方法很多，主要有：使螺旋彈簧中心線與減振器中心軸成一定夾角、彈簧座支撐面與連桿中心線傾斜一個(gè)非垂直的角度、偏置普通圓柱螺旋彈簧的縮小圈、采用“S”形側(cè)載彈簧等，這些方法的本質(zhì)都是一致的，就是將螺旋彈簧負(fù)荷軸與來(lái)自路面的力的作用線盡量一致，使螺旋彈簧盡量多分擔(dān)作用力。

對(duì)圓柱形螺旋彈簧來(lái)說(shuō)，就是使螺旋彈簧中心線與減振器中心軸成一定夾角，使螺旋彈簧負(fù)荷軸相對(duì)下擺臂球銷中心偏移一定距離，如圖5所示。

由C點(diǎn)力矩平衡：W×e=FA×δ,可得螺旋彈

簧中心的偏移量δ：

由圖5和公式（8）可知，δ過(guò)大，螺旋彈簧很難布置。如減小e的大小，力矩W×e就小，所需偏移量δ就小，因此在具體設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮δ和e的大小。

2.4 采用螺旋彈簧中心線偏移的方法存在的問(wèn)題

當(dāng)FA偏移量δ確定后，只能保證減振器一個(gè)位置的側(cè)向力為零。當(dāng)車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)偏移量不能全部抵消地面產(chǎn)生的力矩，減振器多少還是受到側(cè)向力的作用，同時(shí)，還存在以下問(wèn)題。

（1）受到壓縮時(shí)，相對(duì)彈簧中心軸，螺旋彈簧自身受到側(cè)向力的作用；

（2）由于布置空間的限制，螺旋彈簧偏置量很可能達(dá)不到保證；

（3）螺旋彈簧負(fù)荷軸的位置取決于螺旋彈簧的安裝條件；

（4）當(dāng)車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器連桿圍繞上固定點(diǎn)，內(nèi)外擺動(dòng)，上固定點(diǎn)的支撐座對(duì)連桿的反作用力，如圖6所示。當(dāng)車輪上跳或下跳過(guò)大，減振器側(cè)向力也很大，采用螺旋彈簧偏移的方法對(duì)此沒(méi)有作用；

（5） 對(duì)彈簧安裝在下擺臂上的“減振器撐桿”形式的麥弗遜懸架，采用螺旋彈簧偏移的方法沒(méi)有作用；

（6）對(duì)轉(zhuǎn)向、加速、減速時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力，采用螺旋彈簧偏移的方法也沒(méi)有作用。

3、車輛轉(zhuǎn)彎、加速和減速時(shí)側(cè)向力

3.1 車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)減振器側(cè)向力分析

車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪受到路面和輪胎之間橫向摩擦力F（側(cè)偏力或轉(zhuǎn)彎力）的作用，如圖7所示，這個(gè)側(cè)偏力產(chǎn)生的力矩也使減振器側(cè)向受力，由C

點(diǎn)的力矩平衡：F×H = FAx×(a+c)，可求得轉(zhuǎn)向時(shí)的FAx：

根據(jù)車輛轉(zhuǎn)彎速度算出側(cè)偏力F，由公式（8）算出FAx,再根據(jù)公式（6）、（7）算出減振器在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所受到的側(cè)向力。

3.2 車輛加速和減速時(shí)減振器側(cè)向力分析

車輛在加速時(shí)，車輪受到路面和輪胎之間縱向摩擦力Fa的作用，如圖8（a）所示，同樣，車輛在減速時(shí)，車輪受到路面和輪胎之間縱向摩擦力Fb的作用，如圖8（b）所示，圖中FC為推力桿。

由C點(diǎn)的力矩平衡，可求得加速時(shí)FAxa和制動(dòng)時(shí)FAxb：

再根據(jù)公式（6）、（7）算出減振器在車輛加速和減速時(shí)所受到的側(cè)向力。

為了減小轉(zhuǎn)彎、加速和減速時(shí)的減振器側(cè)向力，由公式（8）、（9）、（10）可知，要盡量采用減小下擺臂球銷的高度H，或增大（a+c），但由公式（6）、（7）可知，增大a就增大車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的減振器側(cè)向力，因此，在懸架設(shè)計(jì)和布置時(shí)，要減小H時(shí)，增大c，減小a。

4、國(guó)內(nèi)外最新產(chǎn)品實(shí)例

4.1 上固定點(diǎn)用關(guān)節(jié)軸承連接的麥弗遜懸架

在減振器連桿上固定點(diǎn)A使用一個(gè)關(guān)節(jié)軸承連接[10]，如圖9（a）所示。力的平衡沒(méi)有變，力矩的平衡變?yōu)橐訟點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的力矩平衡：

也就是說(shuō)，車輪產(chǎn)生的力矩由下擺臂平衡，不僅消除“彈簧撐桿”形式的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力，而且消除“減振器撐桿”形式的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力。

4.2 雷諾MEGANE RS麥弗遜前懸架

雷諾 MEGANE RS前驅(qū)麥弗遜獨(dú)立懸架[11]和凱迪拉克XTS前懸架，都對(duì)前懸架各個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以減小車輛在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)減振器的側(cè)向力。由圖10可知，相對(duì)普通麥弗遜懸架，減小地面作用力的力臂e，大幅減小外來(lái)的力矩的大小，減振器側(cè)向力隨之大幅減小。

同時(shí)，降低下擺臂球銷到地面的距離H，增大c，減小a，從而減小轉(zhuǎn)彎、加速和減速時(shí)減振器側(cè)偏力。

5、結(jié)論

減振器的側(cè)向力取決于車輛在加速、減速、轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎受到的地面的作用力和懸架的幾何結(jié)構(gòu)，而地面的作用力不能改變，只有通過(guò)優(yōu)化懸架的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)減小麥弗遜懸架減振器的側(cè)向力，如減小地面作用力的力臂e、降低下擺臂球銷到地面的距離H，減小減振器上固定點(diǎn)A到導(dǎo)向套中心的距離a，增大減振器活塞到下擺臂球銷中心的距離c。

在車輛的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，大多不能完全消除減振器的側(cè)向力，但能采用不同方法和優(yōu)化措施減小側(cè)向力。

雖然減振器本身具有一定抗側(cè)向力的能力，但在設(shè)計(jì)時(shí)還要盡量通過(guò)改變結(jié)構(gòu)和幾何關(guān)系來(lái)減小減振器側(cè)向力，提高減振器壽命和懸架的性能。

通過(guò)以上的分析會(huì)有這樣切膚感受，懸架的幾何學(xué)左右著懸架特性、壽命和車輛的性能，是懸架極其重要的參數(shù)，是懸架之命[12]。

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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

劉守銀，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。