轻型汽车麦弗逊独立悬架的导向机构设计

【摘 要】通过对轻型汽车麦弗逊独立悬架的导向机构设计,经过计算验证满足了使用条件,形成恰当的侧偏中心和侧倾轴线,形成恰当的纵倾中心,保证车轮的定位参数及随车轮跳动的变化能力.

【关 键 词】独立悬架,导向机构,定位

1.引言

独立悬架的导向机构承担着悬架中除垂向力之外的所有作用力和力矩,并且决定了悬架跳动时车轮的运动轨迹和车轮定位角的变化.

2.前轮定位参数与主销轴的布置

图1所示为麦弗逊式前悬架[1],当主销轴线的延长线与地面的交点位于轮胎胎冠印迹中心线外侧时,具有负的主销偏移距r3,可以保证汽车制动稳定性.在这里也选取负的主销偏移距,令主销轴线与车轮纵向中心线的夹角为12o.

图1麦弗逊悬架的主销偏移距

图2麦弗逊式独立悬架导向机构受力简图

四个前轮定位参数的初步选取如表1所示.

表1前轮定位参数值

主销后倾角（图1-2）主销内倾角（图1-3）前轮外倾角（图1-4）前轮前束（图1-5）

5.5°9°1.5°5mm

麦弗逊式独立悬架导向机构受力简图分析如图2所示[2].作用在导向套上的横向力F3,可根据图上的布置尺寸求得.

（1）

式中：F1――单侧前轮簧载质量.

横向力F1越大,则作用在导向套上的摩擦力F3越大,这对汽车平顺性有不良的影响.为了减小摩擦力,在导向套和活塞表面应用了减磨材料和特殊工艺.为了减小F3,要求尺寸c+b越大越好,或者减小尺寸a.增大前者会使悬架占用的空间增加,在布置上产生困难,若采用增加减振器轴线倾斜度的方法,可达到减小a的目的,但也存在布置困难的问题.为此,在保持减振器轴线不变的条件下,常将图中的外伸至车轮内部,既可以达到缩短尺寸a的目的,又可获得较小的甚至是负的主销偏移距,提高制动稳定性.移动后的主销轴线不再与减振器轴线重合.

将弹簧和减振器的轴线相互便宜距离S,再考虑到弹簧轴向力F6的影响,则作用到导向套上的力将减小,即：

（2）

由式（2）可知,增加距离S,有助于减小作用到导向套上的横向力F3.

所以,为了发挥弹簧反力减小横向力F3的作用,可以把弹簧斜置,即将弹簧的下端布置得尽量靠近车轮,从而造成弹簧轴线及减振器轴线成一个角度.在本次设计中,将该弹簧的斜置角度（即弹簧中心线与减振器中心线的夹角）取为7o.

3.横臂轴的选型与布置

3.1导向机构横臂轴的选型

麦弗逊悬架的下控制臂主要有两种形式[3]：A形臂和L形臂,L形臂如图3所示,由于L形臂可以使汽车纵向接近于“0偏移”,所以该设计中选用当前流行的L形下控制臂.

L形控制臂的球销和控制臂前部连接衬套的中心在,即在汽车纵轴线上坐标相同.从车轮传递到球销的侧向力通过L形下控制臂前衬套直接传递到副车架（后连接衬套的影响很小）,这样只需要通过设定前衬套的刚度来调节汽车的侧向刚度.

图3纵向“0偏移”L型下控制臂

1―下控制臂球铰2―下控制臂前连接衬套

3―控制臂后连接衬套

在汽车通过有凹坑的路面引起在车轮接地点产生纵向力时,此纵向力绕下控制臂球销和前衬套的轴线形成纵向力矩,通过设定L形下控制臂后衬套的刚度来控制该力矩,缓和路面带来的冲击使车轮产生纵向柔性.可见L型下控制臂的设计,使汽车在侧向和纵向的受力分别通过前、后衬套进行控制,使需要的侧向刚度独立于纵向柔性,使侧向力和纵向力同时作用时相互间不发生耦合,避免了悬架臂共振的发生,从而提高了汽车行驶的平顺性.另外,L形控制臂的前后连接衬套刚度一般都设定为前硬后软,这有助于在转向时受到侧向力时前轮形成负前束,增加不足转向的趋势,有利于提高汽车行驶的稳定性.

3.2导向机构横臂轴的布置方式

（1）侧倾中心对导向机构横臂轴的布置方式的影响

选取侧倾中心的高度为65cm.侧倾高度的确定会影响悬架操纵稳定性.同样知道了侧倾中心的高度会影响到导向机构中横臂轴的布置方式,如图4所示.

图4麦弗逊式独立悬架侧倾中心的确定

根据图4中的几何关系,可以得到麦弗逊悬架的侧倾中心高度为：

（3）

式中,

已知,主销内倾角为：,轮距：,侧倾中心高度为,初选主销拖矩为：,EG长度为：未知数有三个,代入数据,解上面三个方程组,解出分别为：

,

（2）纵倾中心对导向机构横臂轴的布置方式的影响

麦弗逊悬架的纵倾中心需要根据减振器的上点和横摆臂的方向和离地位置确定,如图5所示.

图5麦弗逊式独立悬架纵向回转中心示意图

图6麦弗逊式独立悬架纵向摆臂斜置

设从前轮接地点到C点的直线与水平轴线形成的角为（图5）.在汽车制动时,分配在前轮上的制动力FZ绕悬架臂的回转中心C点在前轮接地点形成一个方向向上、大小为的分力,这个力与车身前倾的力相反,是前轮的抗前倾力.显然,角越大,这个抗前倾力越大,即角的大小表征着悬架抗汽车前倾能力的强弱.因此,为加强防前倾效果,在悬架设计时应使角尽可能的大,加大角可采用两种方法：一是使减振支柱后倾,二是加大下控制臂摇动轴DE的侧视图倾斜角.由于减振支柱后倾会增大主销后倾角,而主销后倾角一般都是设定好的（本设计中的主销后倾角为5.5o）,所以现在麦式前悬架下控制臂的两个安装点从以前的垂直方向等高布置变成前低后高,有效地防止制动时发生的“点头”现象.由于受到副车架安装位置和悬架其它设计因素的影响,角能调节的幅度有限,但适当提高后连接点E点的高度就可以有效地提高汽车的抗前倾能力.这里为了有效提高汽车抗点头能力,采用上述方法,即将摆臂右侧的铰链点相对左侧的铰链点高20mm,设计如图6所示.

4.结论

麦弗逊独立悬架是轻型汽车行驶系统的关键组成部分.通过对轻型汽车麦弗逊独立悬架的导向机构设计,经过计算验证满足了使用条件,形成恰当的侧偏中心和侧倾轴线,形成恰当的纵倾中心,保证车轮的定位参数及随车轮跳动的变化能力.本设计对轻型汽车行驶系统的优化有一定的参考价值.