汽车麦弗逊悬架前下摆臂衬套布置形式研究

2021-07-29廖美颖王小莉

汽车零部件 2021年7期

廖美颖，王小莉

(1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434;2.广东技术师范大学，广东广州 510665)

0 引言

汽车悬架是车架或车身与车轮之间所有传力连接部件的总称，它将路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所形成的力矩传递到车架或车身上，以保证汽车正常行驶。前下摆臂作为麦弗逊悬架系统中的传力和导向部件，通过球铰接或橡胶衬套将车轮转向节和车身弹性连接在一起，作用于车轮上的各种力和力矩通过“车轮—转向节—球铰(或衬套)—摆臂—衬套”这条路径传递到车身。为保证汽车行驶的操纵稳定性，在汽车悬架设计中，大量采用橡胶衬套等柔性连接，可获得所需要的悬架弹性运动学特性，橡胶衬套各向刚度及布置方位的不同，使得橡胶衬套在悬架不同方向上的力学特性各不相同，从而实现汽车不同方向上特性的要求。悬架的性能直接影响到车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性等整车性能，而橡胶衬套特性对悬架系统有着至关重要的作用[1-2]。

1 衬套布置形式

麦弗逊悬架结构示意图如图1所示。

图1 麦弗逊前悬架结构示意

麦弗逊悬架系统主要包括弹簧减震器总成、稳定杆拉杆、副车架总成、稳定杆和前下摆臂总成、前转向节总成等，其中，前下摆臂总成包括球铰、摆臂本体、前衬套和后衬套，如图2所示。前下摆臂作为麦弗逊悬架的传力和导向的重要部件，其一端通过前衬套和后衬套与副车架相连，另一端通过球铰与前转向节连接，将作用在车轮上的各种力传递到车身，并保证车轮按照一定轨迹运动[3-4]。

图2 前下摆臂结构示意

前下摆臂前衬套布置形式有两种：前衬套轴向方向为整车X向(简称前衬套X型)和前衬套轴向方向为整车Z向(简称前衬套Z型)。同样的，前下摆臂后衬套布置形式有两种：后衬套轴向方向为整车X向(简称后衬套X型)和后衬套轴向方向为整车Z向(简称后衬套Z型)，考虑到前衬套和后衬套不同组合形式，前下摆臂衬套的布置形式总共有4种组合，如图3所示。

图3 前下摆臂衬套布置示意

2 衬套结构和刚度

2.1 前衬套和后衬套结构

前下摆臂前衬套多为实心衬套，前衬套X型和前衬套Z型的结构示意图如图4所示。其中，前衬套X型主要运动形式为径向平动和轴向扭转运动，前衬套Z型主要运动形式为径向平动和径向摆动运动。

图4 前下摆臂前衬套结构示意

前下摆臂后衬套多为空心衬套，后衬套X型和后衬套Z型结构示意图如图5所示。其中，后衬套X型主要运动形式为径向平动和轴向扭转运动，后衬套Z型主要运动形式为径向平动和径向摆动运动。

图5 前下摆臂后衬套结构示意

2.2 前衬套和后衬套刚度

一般各向同性的均匀物质，其弹性性质由两个弹簧常数来确定，其他弹簧常数被视为两个弹簧常数的函数，由于橡胶的不可压缩性，泊松比近似等于0.5，所以用一个弹簧参数，例如剪切弹性模量G就可以确定所有的弹簧常数，弹性模量可以用E=3G来表示[5]。

图6为筒形衬套示意。

图6 筒形衬套示意

如图6所示，对于筒形实心衬套来说，衬套径向静刚度与轴向静刚度比如下：

Sr/Sa=2.5+1.645S2

(1)

其中，

S=(L/(r1+r2))/log(r2/r1)

(2)

式中:Sr为衬套的径向刚度;Sa为衬套的轴向刚度;r1为橡胶衬套的内径(半径);r2为橡胶衬套的外径(半径);L为橡胶衬套的长度。

衬套静刚度与衬套结构密切相关，虽然衬套的胶料类型、硫化方式和硫化时间等工艺参数对衬套刚度也会产生一定的影响、但衬套的三向刚度比例主要与结构相关。从式(1)和式(2)可以看出，一般情况下，筒形实心衬套径向方向与轴向方向刚度比例在6～12之间，若需要减小径向方向刚度，则需要通过在径向方向上开孔来实现。

前下摆臂前衬套关系到汽车的操纵稳定性，汽车Y向刚度一般要求较大，因此可以利用实心衬套径向方向刚度大的特点，将前衬套的径向方向沿整车Y向布置，前衬套的轴向方向则可以沿着整车X向(前衬套X型)和垂向布置(前衬套Z型)。前衬套X型由于轴向方向刚度不足，需要在轴向增加限位来控制前下摆臂的位移量，前衬套Z型由于径向方向沿着整车X向，刚度较大，不需要在轴向增加限位来控制前下摆臂的位移量[6-7]。

前下摆臂后衬套关系到汽车的乘坐舒适性，汽车Y向刚度一般要求较小，通常需要在衬套径向方向开孔来满足Y向刚度要求，将后衬套的径向方向沿整车Y向布置，后衬套的轴向方向则可以沿着整车X向(后衬套X型)和整车Z向布置(后衬套Z型)。某车型前衬套和后衬套的静刚度如表1所示[6-7]。

表1 衬套静刚度

3 衬套受力分析

3.1 前下摆臂受力分析

前下摆臂3个硬点为前衬套中心点A、后衬套中心点B和球销中心点O，假设前下摆臂3个硬点坐标相同，球销处受力相同，仅考虑前下摆臂前衬套和后衬套布置不同，对前下摆臂进行受力分析。以前衬套X型+后衬套Z型前下摆臂为例，受力示意图如图7所示。

图7 前下摆臂受力示意

假设前下摆臂本体为刚体，由力和力矩平衡可得：

Foy=Fay+Fby

(3)

Fox=Fax+Fbx

(4)

Fox·a=Fby·b+Foy·c

(5)

根据前衬套和后衬套位移关系可得：

Fax/Kax=Fbx/Kbx

(6)

Fay/Kay·b=Fby/Kby·c

(7)

式中:Fox为球销中心点X向受力;Foy为球销中心点Y向受力;Fax为前衬套中心点X向受力;Fay为前衬套中心点Y向受力;Fbx为后衬套中心点X向受力;Fby为后衬套中心点Y向受力;a为球销中心点与前衬套中心点X向距离;b为前衬套中心点与后衬套中心点X向距离;c为球销中心点与前衬套中心点Y向距离;Kax为前衬套X向刚度;Kay为前衬套Y向刚度;Kbx为后衬套X向刚度;Kby为后衬套Y向刚度。