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)
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]。
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
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
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
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。
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。
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。