轻型越野汽车悬架系统设计及研究

沈祖英

（江西江铃集团新能源汽车有限公司，江西 南昌 330001）

悬架系统是轻型越野汽车的重要总成之一，它把车辆的车架与车轴弹性地连接起来，传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓和由不平路面传给车身的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，保证车辆的行驶平顺性，保证车轮在路面不平和载荷变化时，具有理想的运动特性；保证汽车的操纵稳定性［1-4］，因此悬架系统的设计需满足车辆良好的行驶平顺性及操纵稳定性要求。

1 基于一种轻型越野汽车悬架模型构成

汽车虽然是一个多质量的复杂的振动系统，但可将汽车的簧载质量简化为：由前轴质量M1、后轴质量M2以及质心上的质量M3所组成，这3个集中质量由无质量的刚性杆连接，如图1所示。它们的大小由下述3个条件决定：①总质量保持不变：M1+M2+M3=M；②质量位置不变：M1a-M2b=0；③转动惯量Iy的值保持不变。公式如下

式中：py——绕横轴y的回转半径；a、b——车身重心至前、后轴的距离。

由上式可得3个集中质量值为

图1 悬架简化平面模型

由上式可以看出，当簧载质量分配系数ε=等于1时，联系质量M3=0，且汽车文献资料统计，大部分汽车ε=0.8～1.2，ε=1的情况下，前轴上的集中质量M1、M2的垂直方向运动相互独立。即前轴M1和后轴M2构成双质量系统振动。那么车身振动就是最简单的单质量振动系统。它由簧载质量M和弹簧刚度C及减振器阻力系数为K的悬架组成，q是输入的路面不平度函数。根据牛顿第二定律运动方程

式中：Fs——弹簧力，Fs=C（Z-q）；Fr——阻尼力，

此系统运动微分方程为

由于汽车悬架系统的相对阻尼系数小，又阻尼固有频率ωd比车身固有频率ω0只下降3%，所以在此分析悬架系统，车身振动固有频率按无阻尼自由振动情况考虑。

根据振动方程

式中：C——弹簧刚度；M——簧载质量；f——悬架静挠度。

2 前悬架角刚度计算

1）前悬架侧倾刚度

式中：Sf——前悬架系统弹簧中心矩；Cf——前悬架系统弹簧刚度。

2）后悬架侧倾刚度

式中：Sr——后悬架系统弹簧中心矩；Cr——后悬架系统弹簧刚度。

在确定前后悬架系统是否需要增加横向稳定杆及横向稳定杆直径时，可以设置车辆满载左侧向加速度为0.4g时，车厢侧倾角2.5°边界条件模式确定，同时车辆簧载质量的质心位置，可通过汽车总质心位置计算得到，如图2所示。

图2 车辆质心位置示意图

汽车作稳态圆周行驶时，车厢侧倾角Ф确定于侧倾力矩MФ与悬架总的角刚度CФ，即：。

轻型越野车在做0.4g侧向加速度时，侧倾角为2.5°，则悬架总角刚度CФ为

3 横向稳定杆角刚度计算

根据车辆布置空间设计的横向稳定杆的外形尺寸如图3所示。车轮跳动示意如图4所示。

图3 横向稳定杆外形示意图

图4 车轮跳动示意图

计算横向稳定器角刚度时引用符号：F——车身侧倾时，作用在稳定杆两端铰点的力；F1——车身侧倾时，稳定杆铰点相对车身垂直位移；F2——车身侧倾时，车轮相对车身垂直位移。

式中：B——轮距。

如图3所示，在求横向稳定杆弯耳受到F作用下，位移F，可用能量法，即利用在车身侧倾时，作用于横向稳定杆弯耳上外力F所做的功等于稳定杆各段的弯曲和扭转位能总和。

横向稳定杆半边的位能之和等于L2段的扭转位能E1与L3段的弯曲位能E2以及L1和L4段的弯曲位能E3和E4之和。

根据《材料力学》，L2段的扭转位能是

由于L5很小，把式中等号右边括号内的第4项略去，对计算精度影响很小，因此上式可写成

式中：E——拉压弹性模量；G——剪切弹性模量；Jp——杆截面的极惯性矩；J——杆的惯性矩。

E=2.1×105N /mm2，G=8.1×104N/mm2

车身在侧倾时会受到横向稳定杆所产生的阻力作用，因此必须在车身上作用有某一力矩Ms，才能使车身倾斜Ф角，根据虚位移原理可得

2FF1=MsФ

设Cw为横向稳定杆的角刚度，则得

4 计算示例

示例为0.5t级轻型越野汽车悬架系统，为整体桥非独立悬架结构。从《汽车理论》中得知，要提高汽车行驶平顺性，就应降低悬架系统的振动频率，保持前后悬架的振动频率尽可能接近。为了不使悬架经常击穿，该轻型越野汽车前悬架螺簧采用了变刚度设计，后悬架采用少片变截面板簧，加变刚度橡胶副簧，使轻型越野车平顺性较为理想。

设计参数如下：前悬架的刚度：44 N/mm，前振频设计为：空载—72次/min，满载—66次/min；后悬架的刚度：60 N/mm，后振频设计为：空载—76次/min，满载—68次/min。

根据车辆布置要求，横向杆结构参数如下：L1=750 mm，L2=921 mm，L3=350 mm，L4=116.5 mm，L5=85.5 mm，L6=319 mm。

经计算得

前悬架侧倾刚度为：CФF=21 128 Nm/rad=369 Nm/deg

后悬架侧倾刚度为：CФR=28 650 Nm/rad=500 Nm/deg

0.4g时侧倾力矩为：m×0.4g×h0=3 005 Nm

悬架总角刚度： CФ=1 202 Nm/deg

前悬架增加横向稳定杆扭转刚度：CФW=233 Nm

前悬架侧倾总刚度：CФF+CФW=702 Nm/deg

求得前悬架横向稳定杆直径d=30 mm

前后悬架的侧倾刚度比：

5 结论

经上述计算方法设计的轻型车辆悬架系统，通过该实际轻型越野汽车操纵稳定及乘坐舒适性测试，测试结果性能优良，表明上述悬架系统计算方法在工程设计应用方面具有较高的价值。

［1］ 余志生.汽车理论［M］. 北京：机械工业出版社，1996.

［2］ 林秉华.最新汽车设计实用手册［M］.哈尔滨：黑龙江人民出版社，2005.

［3］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［4］ 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1996.