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麦弗逊式前悬架的设计改进及分析 艾维全 高世杰 王 承 廖 芳 (上汽集团汽车工程研究院) =摘要 麦弗逊式独立悬架是减振器作滑动支柱并与下控制臂组成的悬架形式, 与其它悬架系统相比, 结构简单、 性能好、 布置紧凑, 占用空间少。因此对布置空间要求高的发动机前置前驱动轿车的前悬架几乎全部 采用了麦式悬架。文章针对汽车悬架的设计发展趋势, 论述了当前麦弗逊前悬架的主要设计改进, 并对改进原 理进行了分析。 =主题词 麦弗逊悬架 汽车 分析 1 前言 麦弗逊式独立悬架是减振器作滑动支柱并与 下控制臂组成的悬架形式, 其结构简图如图 1 所 示。与其它悬架系统相比, 麦式悬架具有结构简 单、 性能好、 布置紧凑, 占用空间少等特点, 因此对 布置空间要求高的发动机前置前驱动轿车的前悬 架几乎全部采用了麦式悬架。随着汽车用户对汽 车操控性能的日益增加, 麦式前悬架的设计也在 不断改进, 其主要变化体现在抗前倾能力提高和 下控制臂纵向/ 0 偏移0L 形设计两个方面。 图 1 麦弗逊式前悬架简图 收稿日期: 2004- 06- 11 2 提高抗前倾能力的设计 一般独立悬架的设计都要利用其几何布置 ( 杆系的位置关系) 来控制车轮定位角、 主销倾角、 轮距等参数的变化来保证汽车姿态的平稳。但随 着对汽车性能要求的不断提高, 现在还需要充分 利用悬架的几何布置来控制汽车的动态性能, 如 侧倾、 前倾和后倾等。 汽车在制动时由于惯性力的作用引起前后负 荷的移动, 前轮负荷增加会使汽车出现前部下沉 的前倾现象, 即所谓的制动/ 点头0。由于发动机 前置前驱动的轿车质心靠前, 因此制动/ 点头0现 象会较其它发动机布置形式的汽车明显, 而这无 论是对保持汽车行驶的稳定性、 还是操控性来说, 都是应该尽量避免的。因此现在麦弗逊式前悬架 在设计时都体现了抗/ 点头0的几何特征, 下面先 介绍一下悬架纵倾中心的概念。 如图2 所示, 减振支柱上部 A 点和悬架下控制 臂球铰接头 B 点是决定麦式悬架主销轴线的两个 点, 因此它们的位置变化决定了减振支柱和车轮的 运动。支柱上部 A 点根据支柱的伸缩运动进行上 下移动, 可以认为其侧视图上的回转中心( 纵倾中 心) 位于与支柱中心成直角方向的无限远处点 CA 上。悬架控制臂球铰接头 B 点的侧视图回转中心 位于下控制臂摇动轴 DE 的延长线与通过 B 点的宽 #26# 上海汽车 200418 设计研究 度方向垂直平面相交的点 CB上。两条直线 ACA和 BCB的交点C 点就是A 点和 B 点在纵向的共同瞬 间回转中心,即悬架的纵倾中心。 图 2 麦弗逊式前悬架纵向回转中心示意图 设从前轮接地点到 C 点的直线与水平轴线形 成的角为 H (图 2)。在汽车制动时, 分配在前轮上 的制动力 FZ绕悬架臂的回转中心 C 点在前轮接地 点形成一个方向向上、 大小为 FZ tanH的分力, 这 个力与车身前倾的力相反, 是前轮的抗前倾力。显 然, H角越大, 这个抗前倾力越大, 即 H角的大小表 征着悬架抗汽车前倾能力的强弱。因此, 为加强防 前倾效果, 在悬架设计时应使 H角尽可能的大, 加 大 H角可采用两种方法: 一是使减振支柱后倾; 二 是加大下控制臂摇动轴 DE 的侧视图倾斜角。 由于减振支柱后倾会增大主销后倾角, 而主销 后倾角一般都是设定好的, 所以现在麦式前悬架下 控制臂的两个安装点从以前的垂直方向等高布置 变成前低后高, 有效地防止制动时发生的/ 点头0现 象。由于受到副车架安装位置和悬架其它设计因 素的影响, H角能调节的幅度有限, 但适当提高后连 接点 E 点的高度就可以有效地提高汽车的抗前倾 能力。现在一般用抗点头率( 抗前倾力和由于惯性 力作用使车身前部下沉的力的比值) 来表征汽车的 抗前倾能力的大小, 与安装 D、 E 点等高的下控制臂 轿车相比, 铰接点E 的安装位置提高了约 10mm 的 轿车抗点头率高了近一倍。 3 纵向/ 0偏移0L 形下控制臂的设计 现在麦弗逊前悬架的下控制臂设计都由传统 的A 形变成了 L 形, L 形控制臂的球销和控制臂 前部连接衬套的中心在汽车纵向接近于/ 0 偏移0, 即在汽车纵轴线上坐标相同, 如图 3 所示。从车 轮传递到球销的侧向力通过 L 形下控制臂前衬套 直接传递到副车架( 后连接衬套的影响很小) , 这 样只需要通过设定前衬套的刚度来调节汽车的侧 向刚度。 图3 纵向/ 0 偏移0L 形下控制臂 1- 下控制臂球铰 2- 下控制臂前连接衬套 3- 控制臂后连接衬套 在汽车通过有凹坑的路面引起在车轮接地点 产生纵向力时, 此纵向力绕下控制臂球销和前衬 套的轴线形成纵向力矩, 通过设定 L 形下控制臂 后衬套的刚度来控制该力矩, 缓和路面带来的冲 击使车轮产生纵向柔性。 可见 L 型下控制臂的设计, 使汽车在侧向和 纵向的受力分别通过前、 后衬套进行控制, 使需要 的侧向刚度独立于纵向柔性 , 使侧向力和纵向力 同时作用时相互间不发生耦合, 避免了悬架臂共 振的发生, 从而提高了汽车行驶的平顺性。 另外, L 形控制臂的前后连接衬套刚度一般 都设定为前硬后软, 这有助于在转向时受到侧向 力时前轮形成负前束, 增加不足转向的趋势, 有利 于提高汽车行驶的稳定性。 4 总结 通过充分利用悬架的几何布置和柔性的特性, 使布置麦弗逊前悬架的汽车的行驶平顺性和操控 稳定性有了更好的表现, 而充分利用悬架的几何特 性,更好地控制汽车的动态特性, 进一步优化汽车 底盘的性能, 也是汽车悬架设计发展的方向。 #27# 上海汽车 200418 设计研究 轿车设计质量综合评价方法的研究 石 琴 陈朝阳 李 辛 (合肥工业大学) =摘要 综合考虑了影响轿车的设计水平及其市场竞争力的几项指标, 建立了轿车整车质量的综合评 价指标体系。提出了在综合考虑专家意见的基础上, 合理确定各项评价指标权重的方法。提出了一种轿车设计 质量综合评价指标的计算方法。该方法也可以用来解决一般的多层次多目标复杂系统的评判与决策问题 =主题词 评价 轿车设计 方法 1 引言 轿车的整车设计水平及其市场竞争力主要由 其基本性能和外观决定的。轿车的基本性能主要 包括以下几个方面: 动力性、 燃油经济性、 制动性、 操纵稳定性和平顺性。产品的外观是否受消费者 喜爱也影响其市场竞争力。有了上述各项指标 值, 还不能直接判断出产品的设计水平究竟如何, 因为这些指标都只从某一侧面反映了产品的设计 水平, 而且指标之间又存在一定的内在联系, 有些 是互相矛盾的, 在设计中往往是顾此失彼, 如: 动 力性的提高往往是以降低经济性为代价的等等; 在专家和消费者的心中, 每项性能指标的重要程 度也是不同的。因此必须在这些指标的基础上得 到一个综合评价指标来进行评判。如何建立一个 综合评价指标, 能够比较客观地反映汽车的整车 设计水平和消费者的认可程度, 设计者以此为参 考, 来确定产品的最终设计方案, 使产品的综合质 量最优, 是我们一直探讨的问题。这一课题的研 究, 关键的问题有两点: 一是如何建立能够全面反 映整车设计水平评价指标体系; 二是研究较为客 观、 公正的计算方法, 计算出综合评价指标。 2 评价指标体系的建立及指标属性 值的标准化 2. 1 评价指标体系的建立 为了科学、 全面地对轿车的整车性能做出评 价, 综合评价指标体系必须具有以下特性: 科学 参考文献 1 汽车工程手册#设计篇. 汽车工程手册编辑委员会. 人民 交通出版社, 2001 年 2 Driving Dynamics and Suspension of the Ford Focus. Special Edition AT M/ MTZ. Nov, 1999 Abstract Independent Mcpherson type suspension is a suspension form , consisting of vibration reducer as 收稿日期: 2004- 05- 27 the sliding support and the lower control arm. Compared with other suspensions, it features simple design, good performance, compact layout,littler space occupied. Therefore for front- wheel- drive cars with pre- positioned engines, which has high requirement on the layout space, the front suspen - sions all use Mcpherson type suspensions. Aimed at the development trend of the a