劉守銀，周忍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

麥弗遜懸架減振器側(cè)向力分析綜述

劉守銀，周忍

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

麥弗遜懸架減振器側(cè)向力對減振器壽命和懸架性能影響很大，系統(tǒng)分析減振器側(cè)向力對麥弗遜懸架設計具有重要意義。減振器的側(cè)向力取決于車輛運動時受到的地面的作用力和懸架的幾何結(jié)構(gòu)，本文綜述了車輛行駛時車輪上下運動的側(cè)向力、加速、減速、轉(zhuǎn)彎時側(cè)向力的分析，確定了麥弗遜懸架的幾何結(jié)構(gòu)對減振器側(cè)向力的影響因素，并通過國內(nèi)外最新產(chǎn)品的實例說明通過改變懸架的幾何結(jié)構(gòu)來減小減振器側(cè)向力的具體方法和產(chǎn)生的效果。最后對減振器側(cè)向力進行了總結(jié)，并對未來麥弗遜懸架的研發(fā)工作提出了一些建議。

麥弗遜懸架；減振器；側(cè)向力；綜述

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-44-05

前言

因為麥弗遜懸架減振器不僅支撐車體重量，而且承受由作用在車體上的慣性力而產(chǎn)生的彎曲力，所以不可避免增大減振器的滑動部位摩擦力。

為了減小摩擦力，在軸承和活塞的滑動部位使用摩擦系數(shù)低的材料來提高滑動性，如在活塞桿導向座處采用PTFE涂層、在活塞上使用PTFE薄膜等，但是,這只能在很小程度上減小摩擦力，更重要的是減小作用在減振器上的側(cè)向力[1]。

麥弗遜懸架減振器在實際應用中因活塞桿發(fā)生側(cè)向摩擦，引發(fā)早期失效和漏油等，同時，摩擦阻力增加了車輪的上下運動的阻力，因此，麥弗遜懸架及懸架元件側(cè)向受力而產(chǎn)生的摩擦不僅影響懸架及懸架元件的耐久性，而且更直接、更顯著地影響整車平順性。

國內(nèi)外學者麥弗遜懸架減振器側(cè)向力的研究方面主要側(cè)重車輪上下運動時的側(cè)向力，并發(fā)表了很多論文[2-5]。

本文將全面分析受到路面垂直作用力時車輪上下運動時減振器側(cè)向力、車輛在加減速時減振器側(cè)向力、轉(zhuǎn)彎時減振

器側(cè)向力、以及減振器上支撐座對側(cè)向力的影響，綜述了減振器不同受力狀況所采取的對策和方法。

1、麥弗遜懸架的兩種形式

麥弗遜懸架，從導向機構(gòu)看它是單臂懸架，不過也可把它理解為從雙橫臂獨立懸架演變而來的[6]。

麥弗遜懸架又叫撐桿式獨立懸架，其主要元件為彈簧、減振器和下擺臂?，F(xiàn)代麥弗遜懸架都是用減振器活塞連桿作為撐桿，活塞連桿上端固定在車身上，下端固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，而下擺臂的外端通過球銷和轉(zhuǎn)向節(jié)相連，內(nèi)側(cè)通過襯套和副車架或車身相連，這是所有麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)的共性。而彈簧安裝有所不同，所以麥弗遜懸架形式按照彈簧安裝位置分為兩種形式。

一種彈簧上端支撐在減振器活塞桿固定處，下端支撐在減振器外管上，這種結(jié)構(gòu)稱為“彈簧撐桿”，但這種結(jié)構(gòu)的懸架不能使用扭桿彈簧和板簧。

另一種彈簧上端直接支撐在車身或副車架上，下端支撐在下擺臂上，這種結(jié)構(gòu)稱為“減振器撐桿”[7]。這種形式的彈簧可以是螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧、橫置板簧[8]，如圖1（b）所示。

2、車輪上下運動時側(cè)向力

2.1 減振器的受力分析和計算

由于撐桿必須向車輪內(nèi)側(cè)偏置，所以車輪使撐桿承受翻轉(zhuǎn)力矩的載荷，增加了減振器運動時摩擦[9]。同時減振器固定在轉(zhuǎn)向節(jié)上，所以把輪胎、輪轂單元、減振器看成一個整體，這個整體不包括下擺臂，把圖1（a）簡化，如圖2(a)所示。

其中：

A：減振器連桿上固定點；

B：減振器活塞的中心點；

C：下擺臂和轉(zhuǎn)向節(jié)連接的球銷中心點；

E：輪胎接地中心；

D：下擺臂內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)軸。

這個整體在A、B、E三點收到FA、FC、W三個外力的作用：

FA：A點的反作用力；

W：地面對輪胎的作用力；

FC：下擺臂的作用力。

這三個力必須滿足兩個平衡，一個是三個力的平衡，如圖2（b）所示；第二個是在這個整體上任意一點，這三個力產(chǎn)生的力矩必須平衡。如在C點，A點的FA和E點的W產(chǎn)生的力矩必須平衡，而E點產(chǎn)生的力矩M=W×e，如圖2（a）所示。

其中：

a：減振器上固定點A到導向套中心的距離；

b：減振器上固定點A到活塞中心B的距離;

c：減振器導向套中心到球銷中心C的距離；

d：輪心到球銷中心C的距離；

r0：輪胎滾動半徑；

α：下擺臂與水平面的夾角；

β：外傾角；

γ：主銷內(nèi)傾角。

以減振器軸線為y軸，垂直減振器軸線為x軸，將地面對輪胎的作用力W分解為將下擺臂的作用力分解為FCx和FCy，A點的反作用力分解為FAx和FAy。

對于具體懸架來說，參數(shù)c、r0和d都是已知，或可測出的，β和γ隨α變化而變化，但α確定后，a、b、β和γ也隨之確定了，也就是說對懸架某個狀態(tài)a、b、β和γ是一定的，如滿載狀態(tài)，所以可求出e和FAx，如圖3所示。

2.2 減振器側(cè)向力的分析和計算

現(xiàn)在從輪胎、輪轂單元、減振器所組成的整體外部受力進入到內(nèi)部減振器對連桿受力進行分析和計算。

由公式（6）、（7）可知，當a減小時，F(xiàn)1和F2也隨之減小，在密封圈和活塞上的摩擦力（F1μ1+ F2μ2）也相應地減小。反之，當a增大時，隨著F1和F2的增大，摩擦力也增大，減振器發(fā)熱，加快失效。這種失效現(xiàn)象有阻尼力減小和漏油等。

現(xiàn)在很多車型都是通過減小a來提高減振器抗側(cè)傾能力。

2.3 側(cè)向力減少的方法

基于麥弗遜懸架當時運動的幾何結(jié)構(gòu)，由路面而來的外力分別有螺旋彈簧和減振器來分擔，減振器分擔量是螺旋彈簧分擔量余下的部分，螺旋彈簧分擔越多，減振器分擔就越少，因此盡量讓螺旋彈簧多分擔外力，減振器側(cè)向力就會變小，摩擦也隨之減小[9]。

提高螺旋彈簧的分擔量的方法很多，主要有：使螺旋彈簧中心線與減振器中心軸成一定夾角、彈簧座支撐面與連桿中心線傾斜一個非垂直的角度、偏置普通圓柱螺旋彈簧的縮小圈、采用“S”形側(cè)載彈簧等，這些方法的本質(zhì)都是一致的，就是將螺旋彈簧負荷軸與來自路面的力的作用線盡量一致，使螺旋彈簧盡量多分擔作用力。

對圓柱形螺旋彈簧來說，就是使螺旋彈簧中心線與減振器中心軸成一定夾角，使螺旋彈簧負荷軸相對下擺臂球銷中心偏移一定距離，如圖5所示。

由C點力矩平衡：W×e=FA×δ,可得螺旋彈

簧中心的偏移量δ：

由圖5和公式（8）可知，δ過大，螺旋彈簧很難布置。如減小e的大小，力矩W×e就小，所需偏移量δ就小，因此在具體設計時要綜合考慮δ和e的大小。

2.4 采用螺旋彈簧中心線偏移的方法存在的問題

當FA偏移量δ確定后，只能保證減振器一個位置的側(cè)向力為零。當車輪上下運動時，這個偏移量不能全部抵消地面產(chǎn)生的力矩，減振器多少還是受到側(cè)向力的作用，同時，還存在以下問題。

（1）受到壓縮時，相對彈簧中心軸，螺旋彈簧自身受到側(cè)向力的作用；

（2）由于布置空間的限制，螺旋彈簧偏置量很可能達不到保證；

（3）螺旋彈簧負荷軸的位置取決于螺旋彈簧的安裝條件；

（4）當車輪上下運動時，減振器連桿圍繞上固定點，內(nèi)外擺動，上固定點的支撐座對連桿的反作用力，如圖6所示。當車輪上跳或下跳過大，減振器側(cè)向力也很大，采用螺旋彈簧偏移的方法對此沒有作用；

（5） 對彈簧安裝在下擺臂上的“減振器撐桿”形式的麥弗遜懸架，采用螺旋彈簧偏移的方法沒有作用；

（6）對轉(zhuǎn)向、加速、減速時產(chǎn)生的側(cè)向力，采用螺旋彈簧偏移的方法也沒有作用。

3、車輛轉(zhuǎn)彎、加速和減速時側(cè)向力

3.1 車輛轉(zhuǎn)彎時減振器側(cè)向力分析

車輛在轉(zhuǎn)彎時，車輪受到路面和輪胎之間橫向摩擦力F（側(cè)偏力或轉(zhuǎn)彎力）的作用，如圖7所示，這個側(cè)偏力產(chǎn)生的力矩也使減振器側(cè)向受力，由C

點的力矩平衡：F×H = FAx×(a+c)，可求得轉(zhuǎn)向時的FAx：

根據(jù)車輛轉(zhuǎn)彎速度算出側(cè)偏力F，由公式（8）算出FAx,再根據(jù)公式（6）、（7）算出減振器在車輛轉(zhuǎn)彎時所受到的側(cè)向力。

3.2 車輛加速和減速時減振器側(cè)向力分析

車輛在加速時，車輪受到路面和輪胎之間縱向摩擦力Fa的作用，如圖8（a）所示，同樣，車輛在減速時，車輪受到路面和輪胎之間縱向摩擦力Fb的作用，如圖8（b）所示，圖中FC為推力桿。

由C點的力矩平衡，可求得加速時FAxa和制動時FAxb：

再根據(jù)公式（6）、（7）算出減振器在車輛加速和減速時所受到的側(cè)向力。

為了減小轉(zhuǎn)彎、加速和減速時的減振器側(cè)向力，由公式（8）、（9）、（10）可知，要盡量采用減小下擺臂球銷的高度H，或增大（a+c），但由公式（6）、（7）可知，增大a就增大車輪上下運動時的減振器側(cè)向力，因此，在懸架設計和布置時，要減小H時，增大c，減小a。

4、國內(nèi)外最新產(chǎn)品實例

4.1 上固定點用關(guān)節(jié)軸承連接的麥弗遜懸架

在減振器連桿上固定點A使用一個關(guān)節(jié)軸承連接[10]，如圖9（a）所示。力的平衡沒有變，力矩的平衡變?yōu)橐訟點為旋轉(zhuǎn)點的力矩平衡：

也就是說，車輪產(chǎn)生的力矩由下擺臂平衡，不僅消除“彈簧撐桿”形式的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力，而且消除“減振器撐桿”形式的麥弗遜懸架減振器側(cè)向力。

4.2 雷諾MEGANE RS麥弗遜前懸架

雷諾 MEGANE RS前驅(qū)麥弗遜獨立懸架[11]和凱迪拉克XTS前懸架，都對前懸架各個幾何參數(shù)進行優(yōu)化，以減小車輛在各種運動狀態(tài)時減振器的側(cè)向力。由圖10可知，相對普通麥弗遜懸架，減小地面作用力的力臂e，大幅減小外來的力矩的大小，減振器側(cè)向力隨之大幅減小。

同時，降低下擺臂球銷到地面的距離H，增大c，減小a，從而減小轉(zhuǎn)彎、加速和減速時減振器側(cè)偏力。

5、結(jié)論

減振器的側(cè)向力取決于車輛在加速、減速、轉(zhuǎn)彎時輪胎受到的地面的作用力和懸架的幾何結(jié)構(gòu)，而地面的作用力不能改變，只有通過優(yōu)化懸架的幾何結(jié)構(gòu)來減小麥弗遜懸架減振器的側(cè)向力，如減小地面作用力的力臂e、降低下擺臂球銷到地面的距離H，減小減振器上固定點A到導向套中心的距離a，增大減振器活塞到下擺臂球銷中心的距離c。

在車輛的整個運動過程中，大多不能完全消除減振器的側(cè)向力，但能采用不同方法和優(yōu)化措施減小側(cè)向力。

雖然減振器本身具有一定抗側(cè)向力的能力，但在設計時還要盡量通過改變結(jié)構(gòu)和幾何關(guān)系來減小減振器側(cè)向力，提高減振器壽命和懸架的性能。

通過以上的分析會有這樣切膚感受，懸架的幾何學左右著懸架特性、壽命和車輛的性能，是懸架極其重要的參數(shù)，是懸架之命[12]。

[1]KYB株式會社. 自動車のサスペンション[M]. グランプリ出版2013. 10:103-109.

[2]俞大衛(wèi)，張成強，周端琪. 車輛筒式減振器側(cè)向受力與摩擦研究[J]. 兵工學報 坦克裝甲車與發(fā)動機分冊 2000,(1): 1- 11.

[3]李明喜，柳江. 基于麥弗遜式懸架側(cè)載彈簧的應用分析[J]. 汽車科技 2005,7：7-10.

[4]張元胤，雷雨成，王小瓊. 螺旋彈簧懸架安裝傾角分析[J]. 機械設計與制造2004,1: 61-63

[5]景立新,郭孔輝,盧蕩. 麥弗遜懸架減震器側(cè)向力優(yōu)化[J]. 科學技術(shù)與工程 2011.1:71-75.

[6]彭莫，刁增祥，黨瀟正. 汽車懸架構(gòu)件的設計計算[M]. 機械工業(yè)出版社 2012.9: 22-77 .

[7]耶爾森·萊姆帕爾 著，李旭東 譯. 汽車懸架[M]. 機械工業(yè)出版社2013.4:138-142.

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[11]Motor Fan 図解·自動車のテクノロジー. サスペンションバイブル[M].三栄書房 2009.12:034-035.

[12]宇野高明.車両運動性能とシャシーメカニズム[M]. グアンプリ出版，2011.3:60-174.

Overview of Analysis of Shock Absorber's Lateral Force of Mcpherson Suspension

Liu Shouyin, Zhou Ren
(The Center of Technology of Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Heifei 230601)

Shock absorber's lateral force of MacPherson suspension has great influence on the service life of shock absorber and suspension performance. A systematic analysis of shock absorber's lateral force is important for MacPherson suspension design. Shock absorber's lateral force depends on the suspension geometrical structure and ground force which is generated when the vehicle is moving. This paper has given an overview of analysis of shock absorber's lateral forces generated when the wheels bump and rebound, and when the vehicle is accelerating, decelerating, cornering. and it was confirmed that the shock absorber lateral force's affecting factors generated by the geometric structure of Macpherson suspension, the example has been given to illustrate the concrete method of changing structure of the suspension geometry to reduce of the shock absorber's lateral force. Finally, the paper has summarized on lateral force of shock absorber, and given some suggestions for the future development of MacPherson suspension.

MacPherson strut suspension；Shock absorber；Lateral force；Overview

U 467.4

A

1671-7988(2014)10-44-05

劉守銀，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。