廖美穎，王小莉

(1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434;2.廣東技術師范大學，廣東廣州 510665)

0 引言

汽車懸架是車架或車身與車輪之間所有傳力連接部件的總稱，它將路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及這些反力所形成的力矩傳遞到車架或車身上，以保證汽車正常行駛。前下擺臂作為麥弗遜懸架系統(tǒng)中的傳力和導向部件，通過球鉸接或橡膠襯套將車輪轉(zhuǎn)向節(jié)和車身彈性連接在一起，作用于車輪上的各種力和力矩通過“車輪—轉(zhuǎn)向節(jié)—球鉸(或襯套)—擺臂—襯套”這條路徑傳遞到車身。為保證汽車行駛的操縱穩(wěn)定性，在汽車懸架設計中，大量采用橡膠襯套等柔性連接，可獲得所需要的懸架彈性運動學特性，橡膠襯套各向剛度及布置方位的不同，使得橡膠襯套在懸架不同方向上的力學特性各不相同，從而實現(xiàn)汽車不同方向上特性的要求。懸架的性能直接影響到車輛的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性等整車性能，而橡膠襯套特性對懸架系統(tǒng)有著至關重要的作用[1-2]。

1 襯套布置形式

麥弗遜懸架結構示意圖如圖1所示。

圖1 麥弗遜前懸架結構示意

麥弗遜懸架系統(tǒng)主要包括彈簧減震器總成、穩(wěn)定桿拉桿、副車架總成、穩(wěn)定桿和前下擺臂總成、前轉(zhuǎn)向節(jié)總成等，其中，前下擺臂總成包括球鉸、擺臂本體、前襯套和后襯套，如圖2所示。前下擺臂作為麥弗遜懸架的傳力和導向的重要部件，其一端通過前襯套和后襯套與副車架相連，另一端通過球鉸與前轉(zhuǎn)向節(jié)連接，將作用在車輪上的各種力傳遞到車身，并保證車輪按照一定軌跡運動[3-4]。

圖2 前下擺臂結構示意

前下擺臂前襯套布置形式有兩種：前襯套軸向方向為整車X向(簡稱前襯套X型)和前襯套軸向方向為整車Z向(簡稱前襯套Z型)。同樣的，前下擺臂后襯套布置形式有兩種：后襯套軸向方向為整車X向(簡稱后襯套X型)和后襯套軸向方向為整車Z向(簡稱后襯套Z型)，考慮到前襯套和后襯套不同組合形式，前下擺臂襯套的布置形式總共有4種組合，如圖3所示。

圖3 前下擺臂襯套布置示意

2 襯套結構和剛度

2.1 前襯套和后襯套結構

前下擺臂前襯套多為實心襯套，前襯套X型和前襯套Z型的結構示意圖如圖4所示。其中，前襯套X型主要運動形式為徑向平動和軸向扭轉(zhuǎn)運動，前襯套Z型主要運動形式為徑向平動和徑向擺動運動。

圖4 前下擺臂前襯套結構示意

前下擺臂后襯套多為空心襯套，后襯套X型和后襯套Z型結構示意圖如圖5所示。其中，后襯套X型主要運動形式為徑向平動和軸向扭轉(zhuǎn)運動，后襯套Z型主要運動形式為徑向平動和徑向擺動運動。

圖5 前下擺臂后襯套結構示意

2.2 前襯套和后襯套剛度

一般各向同性的均勻物質(zhì)，其彈性性質(zhì)由兩個彈簧常數(shù)來確定，其他彈簧常數(shù)被視為兩個彈簧常數(shù)的函數(shù)，由于橡膠的不可壓縮性，泊松比近似等于0.5，所以用一個彈簧參數(shù)，例如剪切彈性模量G就可以確定所有的彈簧常數(shù)，彈性模量可以用E=3G來表示[5]。

圖6為筒形襯套示意。

圖6 筒形襯套示意

如圖6所示，對于筒形實心襯套來說，襯套徑向靜剛度與軸向靜剛度比如下：

Sr/Sa=2.5+1.645S2

(1)

其中，

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

(2)

式中:Sr為襯套的徑向剛度;Sa為襯套的軸向剛度;r1為橡膠襯套的內(nèi)徑(半徑);r2為橡膠襯套的外徑(半徑);L為橡膠襯套的長度。

襯套靜剛度與襯套結構密切相關，雖然襯套的膠料類型、硫化方式和硫化時間等工藝參數(shù)對襯套剛度也會產(chǎn)生一定的影響、但襯套的三向剛度比例主要與結構相關。從式(1)和式(2)可以看出，一般情況下，筒形實心襯套徑向方向與軸向方向剛度比例在6～12之間，若需要減小徑向方向剛度，則需要通過在徑向方向上開孔來實現(xiàn)。

前下擺臂前襯套關系到汽車的操縱穩(wěn)定性，汽車Y向剛度一般要求較大，因此可以利用實心襯套徑向方向剛度大的特點，將前襯套的徑向方向沿整車Y向布置，前襯套的軸向方向則可以沿著整車X向(前襯套X型)和垂向布置(前襯套Z型)。前襯套X型由于軸向方向剛度不足，需要在軸向增加限位來控制前下擺臂的位移量，前襯套Z型由于徑向方向沿著整車X向，剛度較大，不需要在軸向增加限位來控制前下擺臂的位移量[6-7]。

前下擺臂后襯套關系到汽車的乘坐舒適性，汽車Y向剛度一般要求較小，通常需要在襯套徑向方向開孔來滿足Y向剛度要求，將后襯套的徑向方向沿整車Y向布置，后襯套的軸向方向則可以沿著整車X向(后襯套X型)和整車Z向布置(后襯套Z型)。某車型前襯套和后襯套的靜剛度如表1所示[6-7]。

表1 襯套靜剛度

3 襯套受力分析

3.1 前下擺臂受力分析

前下擺臂3個硬點為前襯套中心點A、后襯套中心點B和球銷中心點O，假設前下擺臂3個硬點坐標相同，球銷處受力相同，僅考慮前下擺臂前襯套和后襯套布置不同，對前下擺臂進行受力分析。以前襯套X型+后襯套Z型前下擺臂為例，受力示意圖如圖7所示。

圖7 前下擺臂受力示意

假設前下擺臂本體為剛體，由力和力矩平衡可得：

Foy=Fay+Fby

(3)

Fox=Fax+Fbx

(4)

Fox·a=Fby·b+Foy·c

(5)

根據(jù)前襯套和后襯套位移關系可得：

Fax/Kax=Fbx/Kbx

(6)

Fay/Kay·b=Fby/Kby·c

(7)

式中:Fox為球銷中心點X向受力;Foy為球銷中心點Y向受力;Fax為前襯套中心點X向受力;Fay為前襯套中心點Y向受力;Fbx為后襯套中心點X向受力;Fby為后襯套中心點Y向受力;a為球銷中心點與前襯套中心點X向距離;b為前襯套中心點與后襯套中心點X向距離;c為球銷中心點與前襯套中心點Y向距離;Kax為前襯套X向剛度;Kay為前襯套Y向剛度;Kbx為后襯套X向剛度;Kby為后襯套Y向剛度。

3.2 襯套受力分析

前下擺臂前襯套中心點A和后襯套中心點B的X向受力分配為：

Fax/Fbx=Kax/Kbx

(8)

由公式(8)可以看出，前下擺臂前襯套中心點和后襯套中心點X向受力分配主要和前襯套和后襯套X向剛度相關，對于前襯套Z型的前下擺臂來說，前襯套X向受力大，后襯套X向受力小。對于前襯套X型的前下擺臂來說，前襯套和后襯套X向受力相當。

前下擺臂前襯套中心點A和后襯套中心點B的Y向受力分配為：

Fay/Fby=Kay/Kby·c/b

(9)

由公式(9)可以看出，前下擺臂前襯套中心點和后襯套中心點Y向受力分配不僅和前襯套和后襯套Y向剛度相關，而且還和前下擺臂硬點中心之間的距離相關。對于前襯套Z型和前襯套X型的前下擺臂來說，前襯套Y向受力大，后襯套Y向受力小。

襯套的耐久與襯套的受力大小密切相關，前下擺臂前襯套和后襯套的耐久可以根據(jù)前襯套和后襯套的布置和受力大小來進行設計。

4 結論

文中從懸架前下擺臂襯套的布置形式出發(fā)，介紹了襯套的結構和剛度，并對前下擺臂襯套的受力進行分析，得出如下結論：

(1)前下擺臂襯套的結構和剛度與襯套的布置形式相關;

(2)前下擺臂前襯套和后襯套的布置形式，關系到汽車的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性等性能;

(3)前下擺臂襯套的耐久可以根據(jù)襯套的受力大小來進行設計。