沈祖英

（江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，江西 南昌 330001）

懸架系統(tǒng)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?zhèn)鹘o車身的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)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(wěn)定性［1-4］，因此懸架系統(tǒng)的設(shè)計需滿足車輛良好的行駛平順性及操縱穩(wěn)定性要求。

1 基于一種輕型越野汽車懸架模型構(gòu)成

汽車雖然是一個多質(zhì)量的復(fù)雜的振動系統(tǒng)，但可將汽車的簧載質(zhì)量簡化為：由前軸質(zhì)量M1、后軸質(zhì)量M2以及質(zhì)心上的質(zhì)量M3所組成，這3個集中質(zhì)量由無質(zhì)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(zhì)量保持不變：M1+M2+M3=M；②質(zhì)量位置不變：M1a-M2b=0；③轉(zhuǎn)動慣量Iy的值保持不變。公式如下

式中：py——繞橫軸y的回轉(zhuǎn)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(zhì)量值為

圖1 懸架簡化平面模型

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

式中：Fs——彈簧力，F(xiàn)s=C（Z-q）；Fr——阻尼力，

此系統(tǒng)運動微分方程為

由于汽車懸架系統(tǒng)的相對阻尼系數(shù)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(tǒng)，車身振動固有頻率按無阻尼自由振動情況考慮。

根據(jù)振動方程

式中：C——彈簧剛度；M——簧載質(zhì)量；f——懸架靜撓度。

2 前懸架角剛度計算

1）前懸架側(cè)傾剛度

式中：Sf——前懸架系統(tǒng)彈簧中心矩；Cf——前懸架系統(tǒng)彈簧剛度。

2）后懸架側(cè)傾剛度

式中：Sr——后懸架系統(tǒng)彈簧中心矩；Cr——后懸架系統(tǒng)彈簧剛度。

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

圖2 車輛質(zhì)心位置示意圖

汽車作穩(wěn)態(tài)圓周行駛時，車廂側(cè)傾角Ф確定于側(cè)傾力矩MФ與懸架總的角剛度CФ，即：。

輕型越野車在做0.4g側(cè)向加速度時，側(cè)傾角為2.5°，則懸架總角剛度CФ為

3 橫向穩(wěn)定桿角剛度計算

根據(jù)車輛布置空間設(shè)計的橫向穩(wěn)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(wěn)定桿外形示意圖

圖4 車輪跳動示意圖

計算橫向穩(wěn)定器角剛度時引用符號：F——車身側(cè)傾時，作用在穩(wěn)定桿兩端鉸點的力；F1——車身側(cè)傾時，穩(wěn)定桿鉸點相對車身垂直位移；F2——車身側(cè)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(wěn)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(cè)傾時，作用于橫向穩(wěn)定桿彎耳上外力F所做的功等于穩(wěn)定桿各段的彎曲和扭轉(zhuǎn)位能總和。

橫向穩(wěn)定桿半邊的位能之和等于L2段的扭轉(zhuǎn)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(jù)《材料力學(xué)》，L2段的扭轉(zhuǎn)位能是

由于L5很小，把式中等號右邊括號內(nèi)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(cè)傾時會受到橫向穩(wěn)定桿所產(chǎn)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(jù)虛位移原理可得

2FF1=MsФ

設(shè)Cw為橫向穩(wěn)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(tǒng)，為整體橋非獨立懸架結(jié)構(gòu)。從《汽車?yán)碚摗分械弥?，要提高汽車行駛平順性，就?yīng)降低懸架系統(tǒng)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(jīng)常擊穿，該輕型越野汽車前懸架螺簧采用了變剛度設(shè)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(shè)計參數(shù)如下：前懸架的剛度：44 N/mm，前振頻設(shè)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(shè)計為：空載—76次/min，滿載—68次/min。

根據(jù)車輛布置要求，橫向桿結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：L1=750 mm，L2=921 mm，L3=350 mm，L4=116.5 mm，L5=85.5 mm，L6=319 mm。

經(jīng)計算得

前懸架側(cè)傾剛度為：CФF=21 128 Nm/rad=369 Nm/deg

后懸架側(cè)傾剛度為：CФR=28 650 Nm/rad=500 Nm/deg

0.4g時側(cè)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(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)剛度：CФW=233 Nm

前懸架側(cè)傾總剛度：CФF+CФW=702 Nm/deg

求得前懸架橫向穩(wěn)定桿直徑d=30 mm

前后懸架的側(cè)傾剛度比：

5 結(jié)論

經(jīng)上述計算方法設(shè)計的輕型車輛懸架系統(tǒng)，通過該實際輕型越野汽車操縱穩(wěn)定及乘坐舒適性測試，測試結(jié)果性能優(yōu)良，表明上述懸架系統(tǒng)計算方法在工程設(shè)計應(yīng)用方面具有較高的價值。

［1］ 余志生.汽車?yán)碚摚跰］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］ 林秉華.最新汽車設(shè)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(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［4］ 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.