沙漠越野車多連桿獨立懸架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

朱思琦　張璐　王自朋

摘 要：由于汽車行業(yè)內(nèi)多連桿懸架造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故其大多運用于高檔越野車。多連桿獨立懸架需要同時滿足駕駛安全性和操作穩(wěn)定性要求，且這兩個要求互相獨立，難以平衡。為取得良好的駕駛舒適度，需要多次小幅度地增加汽車的緩沖效果，以減少車身的震動，但這不利于很好地控制汽車的轉(zhuǎn)向，容易造成汽車的轉(zhuǎn)向操縱不穩(wěn)定，所以設(shè)計汽車懸架需要合理協(xié)調(diào)駕駛安全性和操作穩(wěn)定性這兩方面需求。由于沙漠路面的特殊性，其對車身的沖擊作用與常規(guī)路面不同，沙漠越野車懸架設(shè)計尤為重要。本設(shè)計首先闡述了獨立懸架的種類及其構(gòu)造特點，然后對多連桿獨立懸架進行設(shè)計計算，以滿足汽車的行駛平順性為設(shè)計原則，設(shè)計多連桿獨立懸架的各組成零部件，先后進行計算和校核。通過深入探究，完成了沙漠越野汽車后懸架的設(shè)計優(yōu)化，汽車穩(wěn)定性和平順性均有所改善，有效提高其減震性能。

關(guān)鍵詞：多連桿;獨立懸架;減震器

中圖分類號：U463 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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 緒論

懸架是汽車上的重要總成之一，主要功能是將作用在車輪上的力和力矩傳遞到車架上，弱化不平坦路面對車身產(chǎn)生的沖擊力，從而使汽車穩(wěn)定駕駛。當(dāng)車輛在凹凸不平的路面行駛且路面不平度刺激車輛使震動達到一定的幅度時，坐在車內(nèi)的乘客會感到不適，貨物也會受到一定的影響，故研究車輛震動、改進懸架裝置的結(jié)構(gòu)對改善車輛的操縱穩(wěn)定性和提高汽車乘坐體驗具有重要意義。汽車運動部件多，組成零件非常繁雜，受力復(fù)雜多樣。我國西北地區(qū)沙漠面積廣闊，由于沙漠路面的特殊性，對車身的沖擊作用與常規(guī)路面不同，懸架要配合車輪和車身緩和沙漠路面對車身的沖擊作用，保證沙漠越野車正常行駛，因此沙漠越野車懸架設(shè)計的要求就更加嚴(yán)格。此外，車輛還是一個復(fù)雜多樣的非線性系統(tǒng)，具有一定的慣性作用和彈性作用等。由于汽車轉(zhuǎn)向、懸架、傳動等機械系統(tǒng)之間的結(jié)合，車輛的動態(tài)特性十分煩瑣。

1.1 懸架的概述

汽車行駛過程中，路面的凹凸不平會引起車身震蕩，為獲得更好的運動平順度，設(shè)計了懸架，將車輪和車架進行彈性連接，以降低作用在車身上的沖擊載荷[1]。懸架能夠有效提升車輛的行駛平順性。懸架的主要功能包括：①增加汽車的穩(wěn)定性，減少由路面不平坦引起的車輛晃動;②使車輪和車身之間具有一定的集合位置連接;③是車架與車輪連接的彈性元件。

汽車的懸架系統(tǒng)由彈性部件、減震器、導(dǎo)向機構(gòu)穩(wěn)定桿等構(gòu)成，可分為獨立懸架與非獨立懸架。就結(jié)構(gòu)而言，非獨立懸架是安裝在車輪兩端的一條整體軸，彈性部件通過懸掛在車架上連接車輪與車身。如果一方車輪由于路面不平整出現(xiàn)狀態(tài)上的改變，則會直接影響另一側(cè)的變化，其構(gòu)造如圖1（a）所示。獨立懸架則是利用車輪兩側(cè)的彈性元件懸掛于車架的下方，該種形式的車軸兩側(cè)是斷開的，所以車身一側(cè)的車架狀態(tài)改變，不會對另一側(cè)的車輪產(chǎn)生直接影響，如圖1（b）所示。此外還有一類獨特的懸架，類似于半剛性非斷開型后支撐橋的組合，此類懸架一般叫作半獨立懸架。

1.2 汽車操縱穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

近年來，多連桿獨立懸架漸漸被用于中檔汽車和高檔汽車中，傳統(tǒng)的老式懸架逐漸被取代。在車輛行駛過程中，對駕駛員造成影響的因素有內(nèi)部因素和外部因素。其中，內(nèi)部因素包含駕駛員緊張、焦慮等心理因素;外部因素有公路材質(zhì)的不同、路面的高低不平對車輛行駛的影響及其他車輛的通行等。懸掛系統(tǒng)作為汽車的關(guān)鍵部分，其構(gòu)造、形態(tài)和定位參數(shù)對汽車平順性、操縱和運行的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用[2]。在汽車行駛過程中，當(dāng)車輪產(chǎn)生上下跳動時，車輪位置參數(shù)應(yīng)該保持在合理區(qū)間內(nèi)，以保證車輛的整體動力學(xué)特性不會出現(xiàn)很大的變化[2]。車輛的正常行駛需要懸架的配合，所以懸架的設(shè)計非常重要。

汽車操縱穩(wěn)定性發(fā)展較快，國際上很多汽車研究機構(gòu)對其進行過探索，對現(xiàn)在的發(fā)展研究提供了很大的幫助。對汽車的操縱穩(wěn)定性進行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)心位置發(fā)生改變時，車輪的寬度會隨之改變，車輪的壓力也會受到影響。日本設(shè)計師的《車輛懸架》對懸架運動學(xué)進行深入探索;FALLAH M S等人提出了應(yīng)用非線性二自由度麥弗遜懸架模型的一種建模方式，不僅分析了簧上質(zhì)量的垂向加速度，還針對懸架導(dǎo)向機構(gòu)的運動學(xué)特點進行探究，得出懸架運動過程中四輪定位參數(shù)的變化狀況，并對比分析ADAMS中建立的模型，從而驗證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性[3];LEE D C等人提供了一種解析方式對后扭力梁懸掛系統(tǒng)進行運動學(xué)特性分析，進一步進行優(yōu)化設(shè)計，通過其構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，找到對懸架運動學(xué)特征有很大影響的坐標(biāo)位置的變動情況，并以這些坐標(biāo)點為主設(shè)計研究變量，進一步對側(cè)傾中心高度、最大側(cè)傾剛度及橫縱梁連接點的最大應(yīng)力值進行優(yōu)化，與實車數(shù)據(jù)進行比較分析，從而驗證研究方式的可行性[4]。

如今的汽車研發(fā)已經(jīng)到了新的階段，計算機仿真技術(shù)使大量的汽車試驗都得以在虛擬試驗場進行，不僅節(jié)省了大量成本，還加快了研究進度，是一種有利的新型設(shè)計方式，可以輕松準(zhǔn)確獲得試驗汽車的各項性能指數(shù)，方便廠家對各項參數(shù)進行調(diào)整。各種科學(xué)技術(shù)層出不盡，大量虛擬現(xiàn)實與模型都促進了汽車的發(fā)展。電腦模擬測試的快速發(fā)展大大加快了汽車的研發(fā)進度，現(xiàn)有的技術(shù)可以將駕駛員通過虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）連接到測試汽車，進行各種試驗，加快了新產(chǎn)品的研發(fā)進程。同時，還可以通過各種數(shù)據(jù)優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)，提升汽車性能，這已經(jīng)是當(dāng)今世界主流的汽車研發(fā)方案，大多數(shù)汽車公司都有了自己的駕駛員模擬器。

而我國汽車行業(yè)相對落后，起步較晚，經(jīng)驗較少，研發(fā)能力和生產(chǎn)工藝也相對欠缺，對汽車操作性和穩(wěn)定性的控制也遠遠落后于德系汽車。但如今國內(nèi)汽車行業(yè)已然崛起，我國汽車企業(yè)在各個領(lǐng)域都漸漸打破了世界一流廠家的技術(shù)壟斷，國內(nèi)汽車企業(yè)和汽車研究團隊逐漸開始根據(jù)消費者的需求進行大量試驗，致力于提升汽車的各項性能[5-9]。

2 多連桿獨立懸架設(shè)計思路

汽車的各項性能都影響著消費者的體驗，如經(jīng)濟性、動力性、舒適性等，其中操縱穩(wěn)定性是汽車廠家的研究重點。汽車零部件較多，每個部件都會影響汽車的性能，因此汽車的動態(tài)特征非常多樣。影響車輛行駛狀態(tài)的因素有很多，其中車輪的定位參數(shù)十分重要，而在行駛過程中，車輪的各個角度，如通過角、主銷內(nèi)傾交角等，都影響著車輪的行駛狀態(tài)。車輛的運動狀況不斷變化，這就要求汽車有很強的適應(yīng)性和通過性，改善自身性能。

多連桿懸架可使汽車的操控性、穩(wěn)定性得到較大提升，如今中高端車大多裝配多連桿懸架。其中，前后懸架采用的方案不同，后懸架連桿式的性能更好。本次選取獨立多連桿懸架為改進方案，對一款沙漠越野車后懸架進行優(yōu)化設(shè)計。通過確定多連桿懸架參數(shù)，對懸架彈性元件、減震器、導(dǎo)向機構(gòu)進行設(shè)計計算，并對行駛平順性進行分析。在優(yōu)化完善后，通過深入探究設(shè)計，完成沙漠越野汽車后懸架的設(shè)計優(yōu)化，汽車穩(wěn)定性和平順性均有改善，有效提高其減震性能。

2.1 多連桿懸架基本參數(shù)的計算

首先確定所設(shè)計懸架的原始參數(shù)，確定懸架的自振頻率，計算出懸架的剛度、動靜撓度等。采用牧馬人Sahara的主要參數(shù)，額定載客5人，總質(zhì)量為1 991 kg，外形尺寸為4 882 mm×1 894 mm×1 838 mm，最高車速為190 km/h，設(shè)計壽命為15年，排量2.0 T。其他參數(shù)如表1所示。

由于汽車質(zhì)量分配系數(shù)ε約等于1，則汽車前、后軸上方車身兩點的震動不關(guān)聯(lián)[1]。

依據(jù)對彈簧參數(shù)的計算，本次設(shè)計選取螺旋彈簧，加之沙漠越野車的車型特征，選用60Si2Mn為原材料，針對側(cè)向摩擦力、垂直時的橫向摩擦力及橫縱時的摩擦力應(yīng)當(dāng)額外設(shè)置一個扭力導(dǎo)向器。多連桿式的高速導(dǎo)向傳動機構(gòu)已經(jīng)在各種獨立式后車輪懸架中得到了廣泛應(yīng)用。圖3為多連桿懸架的導(dǎo)向機構(gòu)。

2.3 對減震器進行設(shè)計計算

2.3.1 相對阻尼系數(shù)ψ。在減震器卸載閥打開前，其中的阻力F與減震器震動速度v之間的關(guān)系為[1]：

2.3.2 最大卸荷力。為了減小傳到車體上的沖擊力，當(dāng)減震器活塞震動速度超過閾值時，減震器開啟卸荷閥[1]。此時的活塞速度即為卸荷速度[vx]：

2.3.3 筒式減震器主要尺寸。根據(jù)伸張行程的最大卸荷力F進行計算，筒式減震器工作缸直徑D為[1]：

2.4 平順性分析

由于車輛的平順性與“路-車-人”所組成的系統(tǒng)密切有關(guān)，影響車輛平順性的主要因素有路面不平整（也是震動的來源）以及車輛懸架、輪胎、座椅、車身等零部件的機械力學(xué)特性，包括機械剛度變化和損傷，頻率、阻尼和運動慣性參數(shù)（機械質(zhì)量、慣性矩等）。這些相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)不同類型車輛的需求來設(shè)計，在使用中不應(yīng)損壞。例如，懸架體與復(fù)合鋼板和制動彈簧之間的摩擦潤滑不好時就相當(dāng)于大大提高了制動懸架的整體剛度;制動減震器的氣壓漏油幾乎等于零就是為了大大減小制動懸架在整體系統(tǒng)過程中的阻尼。

本次優(yōu)化設(shè)計構(gòu)造一個二自由度的新型汽車振動控制系統(tǒng)動力學(xué)計算模型，更接近汽車懸掛系統(tǒng)的實際情況，該系統(tǒng)設(shè)計總體框架見圖4。

3 結(jié)語

汽車懸架作為現(xiàn)代車輛上重要總成的一部分，主要功能是減輕由路面?zhèn)鬟f給車架車身的沖擊載荷，降低由此所產(chǎn)生的震動，以保證車輛的行駛平順性與乘坐舒適度。本文通過對國內(nèi)外越野車懸架系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、市場等情況進行調(diào)查研究，了解越野車后懸架的結(jié)構(gòu)特點，確定越野車后懸架的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計條件，計算懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)，分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。在優(yōu)化后，通過深入探究，完成了沙漠越野車后懸架的設(shè)計。沙漠越野車選用多連桿獨立懸架牧馬人Sahara的初始參數(shù)，選取材料60Si2Mn作為懸架螺旋彈簧的原材料，對彈簧參數(shù)進行了選定;選用獨立的懸架引導(dǎo)機構(gòu);選擇筒式減震器;對橫向穩(wěn)定桿進行設(shè)計，對平順性進行了系列分析，汽車穩(wěn)定性和平順性均有改善，有效提高汽車的減震性能。還有一些問題尚待完善，需進一步的深入研究，如可對懸架導(dǎo)向機構(gòu)進一步設(shè)計分析、可對平順性進一步深度分析等。

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