輕型越野汽車懸架系統設計及研究

沈祖英

（江西江鈴集團新能源汽車有限公司，江西 南昌 330001）

懸架系統是輕型越野汽車的重要總成之一，它把車輛的車架與車軸彈性地連接起來，傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，緩和由不平路面傳給車身的沖擊，衰減由此引起的承載系統的振動，保證車輛的行駛平順性，保證車輪在路面不平和載荷變化時，具有理想的運動特性；保證汽車的操縱穩定性［1-4］，因此懸架系統的設計需滿足車輛良好的行駛平順性及操縱穩定性要求。

1 基于一種輕型越野汽車懸架模型構成

汽車雖然是一個多質量的復雜的振動系統，但可將汽車的簧載質量簡化為：由前軸質量M1、后軸質量M2以及質心上的質量M3所組成，這3個集中質量由無質量的剛性桿連接，如圖1所示。它們的大小由下述3個條件決定：①總質量保持不變：M1+M2+M3=M；②質量位置不變：M1a-M2b=0；③轉動慣量Iy的值保持不變。公式如下

式中：py——繞橫軸y的回轉半徑；a、b——車身重心至前、后軸的距離。

由上式可得3個集中質量值為

圖1 懸架簡化平面模型

由上式可以看出，當簧載質量分配系數ε=等于1時，聯系質量M3=0，且汽車文獻資料統計，大部分汽車ε=0.8～1.2，ε=1的情況下，前軸上的集中質量M1、M2的垂直方向運動相互獨立。即前軸M1和后軸M2構成雙質量系統振動。那么車身振動就是最簡單的單質量振動系統。它由簧載質量M和彈簧剛度C及減振器阻力系數為K的懸架組成，q是輸入的路面不平度函數。根據牛頓第二定律運動方程

式中：Fs——彈簧力，Fs=C（Z-q）；Fr——阻尼力，

此系統運動微分方程為

由于汽車懸架系統的相對阻尼系數小，又阻尼固有頻率ωd比車身固有頻率ω0只下降3%，所以在此分析懸架系統，車身振動固有頻率按無阻尼自由振動情況考慮。

根據振動方程

式中：C——彈簧剛度；M——簧載質量；f——懸架靜撓度。

2 前懸架角剛度計算

1）前懸架側傾剛度

式中：Sf——前懸架系統彈簧中心矩；Cf——前懸架系統彈簧剛度。

2）后懸架側傾剛度

式中：Sr——后懸架系統彈簧中心矩；Cr——后懸架系統彈簧剛度。

在確定前后懸架系統是否需要增加橫向穩定桿及橫向穩定桿直徑時，可以設置車輛滿載左側向加速度為0.4g時，車廂側傾角2.5°邊界條件模式確定，同時車輛簧載質量的質心位置，可通過汽車總質心位置計算得到，如圖2所示。

圖2 車輛質心位置示意圖

汽車作穩態圓周行駛時，車廂側傾角Ф確定于側傾力矩MФ與懸架總的角剛度CФ，即：。

輕型越野車在做0.4g側向加速度時，側傾角為2.5°，則懸架總角剛度CФ為

3 橫向穩定桿角剛度計算

根據車輛布置空間設計的橫向穩定桿的外形尺寸如圖3所示。車輪跳動示意如圖4所示。

圖3 橫向穩定桿外形示意圖

圖4 車輪跳動示意圖

計算橫向穩定器角剛度時引用符號：F——車身側傾時，作用在穩定桿兩端鉸點的力；F1——車身側傾時，穩定桿鉸點相對車身垂直位移；F2——車身側傾時，車輪相對車身垂直位移。

式中：B——輪距。

如圖3所示，在求橫向穩定桿彎耳受到F作用下，位移F，可用能量法，即利用在車身側傾時，作用于橫向穩定桿彎耳上外力F所做的功等于穩定桿各段的彎曲和扭轉位能總和。

橫向穩定桿半邊的位能之和等于L2段的扭轉位能E1與L3段的彎曲位能E2以及L1和L4段的彎曲位能E3和E4之和。

根據《材料力學》，L2段的扭轉位能是

由于L5很小，把式中等號右邊括號內的第4項略去，對計算精度影響很小，因此上式可寫成

式中：E——拉壓彈性模量；G——剪切彈性模量；Jp——桿截面的極慣性矩；J——桿的慣性矩。

E=2.1×105N /mm2，G=8.1×104N/mm2

車身在側傾時會受到橫向穩定桿所產生的阻力作用，因此必須在車身上作用有某一力矩Ms，才能使車身傾斜Ф角，根據虛位移原理可得

2FF1=MsФ

設Cw為橫向穩定桿的角剛度，則得

4 計算示例

示例為0.5t級輕型越野汽車懸架系統，為整體橋非獨立懸架結構。從《汽車理論》中得知，要提高汽車行駛平順性，就應降低懸架系統的振動頻率，保持前后懸架的振動頻率盡可能接近。為了不使懸架經常擊穿，該輕型越野汽車前懸架螺簧采用了變剛度設計，后懸架采用少片變截面板簧，加變剛度橡膠副簧，使輕型越野車平順性較為理想。

設計參數如下：前懸架的剛度：44 N/mm，前振頻設計為：空載—72次/min，滿載—66次/min；后懸架的剛度：60 N/mm，后振頻設計為：空載—76次/min，滿載—68次/min。

根據車輛布置要求，橫向桿結構參數如下：L1=750 mm，L2=921 mm，L3=350 mm，L4=116.5 mm，L5=85.5 mm，L6=319 mm。

經計算得

前懸架側傾剛度為：CФF=21 128 Nm/rad=369 Nm/deg

后懸架側傾剛度為：CФR=28 650 Nm/rad=500 Nm/deg

0.4g時側傾力矩為：m×0.4g×h0=3 005 Nm

懸架總角剛度： CФ=1 202 Nm/deg

前懸架增加橫向穩定桿扭轉剛度：CФW=233 Nm

前懸架側傾總剛度：CФF+CФW=702 Nm/deg

求得前懸架橫向穩定桿直徑d=30 mm

前后懸架的側傾剛度比：

5 結論

經上述計算方法設計的輕型車輛懸架系統，通過該實際輕型越野汽車操縱穩定及乘坐舒適性測試，測試結果性能優良，表明上述懸架系統計算方法在工程設計應用方面具有較高的價值。

［1］ 余志生.汽車理論［M］. 北京：機械工業出版社，1996.

［2］ 林秉華.最新汽車設計實用手冊［M］.哈爾濱：黑龍江人民出版社，2005.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［4］ 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1996.