汽車麥弗遜懸架前下擺臂襯套布置形式研究

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中的傳力和導向部件，通過球鉸接或橡膠襯套將車輪轉向節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—轉向節—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定性、乘坐舒適性等整車性能，而橡膠襯套特性對懸架系統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

麥弗遜懸架系統主要包括彈簧減震器總成、穩定桿拉桿、副車架總成、穩定桿和前下擺臂總成、前轉向節總成等，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向節連接，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，其彈性性質由兩個彈簧常數來確定，其他彈簧常數被視為兩個彈簧常數的函數，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，例如剪切彈性模量G就可以確定所有的彈簧常數，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對襯套剛度也會產生一定的影響、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。

前下擺臂前襯套關系到汽車的操縱穩定性，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，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襯套的受力大小來進行設計。