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(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434;2.廣東技術(shù)師范大學(xué)，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(dǎo)向部件，通過(guò)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(guò)“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(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)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(xué)特性各不相同，從而實(shí)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(duì)懸架系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用[1-2]。

1 襯套布置形式

麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 麥弗遜前懸架結(jié)構(gòu)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(dǎo)向的重要部件，其一端通過(guò)前襯套和后襯套與副車架相連，另一端通過(guò)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(yùn)動(dòng)[3-4]。

圖2 前下擺臂結(jié)構(gòu)示意

前下擺臂前襯套布置形式有兩種：前襯套軸向方向?yàn)檎嘪向(簡(jiǎn)稱前襯套X型)和前襯套軸向方向?yàn)檎嘮向(簡(jiǎn)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?yàn)檎嘪向(簡(jiǎn)稱后襯套X型)和后襯套軸向方向?yàn)檎嘮向(簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)和剛度

2.1 前襯套和后襯套結(jié)構(gòu)

前下擺臂前襯套多為實(shí)心襯套，前襯套X型和前襯套Z型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其中，前襯套X型主要運(yùn)動(dòng)形式為徑向平動(dòng)和軸向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，前襯套Z型主要運(yùn)動(dòng)形式為徑向平動(dòng)和徑向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖4 前下擺臂前襯套結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其中，后襯套X型主要運(yùn)動(dòng)形式為徑向平動(dòng)和軸向扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后襯套Z型主要運(yùn)動(dòng)形式為徑向平動(dòng)和徑向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖5 前下擺臂后襯套結(jié)構(gòu)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(gè)彈簧常數(shù)來(lái)確定，其他彈簧常數(shù)被視為兩個(gè)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(gè)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(lái)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(duì)于筒形實(shí)心襯套來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)度。

襯套靜剛度與襯套結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，雖然襯套的膠料類型、硫化方式和硫化時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)襯套剛度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響、但襯套的三向剛度比例主要與結(jié)構(gòu)相關(guān)。從式(1)和式(2)可以看出，一般情況下，筒形實(shí)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(guò)在徑向方向上開(kāi)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。

前下擺臂前襯套關(guān)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(shí)心襯套徑向方向剛度大的特點(diǎn)，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(lái)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(lái)控制前下擺臂的位移量[6-7]。

前下擺臂后襯套關(guān)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(kāi)孔來(lái)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(gè)硬點(diǎn)為前襯套中心點(diǎn)A、后襯套中心點(diǎn)B和球銷中心點(diǎn)O，假設(shè)前下擺臂3個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)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(duì)前下擺臂進(jìn)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(shè)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(guān)系可得：

Fax/Kax=Fbx/Kbx

(6)

Fay/Kay·b=Fby/Kby·c

(7)

式中:Fox為球銷中心點(diǎn)X向受力;Foy為球銷中心點(diǎn)Y向受力;Fax為前襯套中心點(diǎn)X向受力;Fay為前襯套中心點(diǎn)Y向受力;Fbx為后襯套中心點(diǎn)X向受力;Fby為后襯套中心點(diǎn)Y向受力;a為球銷中心點(diǎn)與前襯套中心點(diǎn)X向距離;b為前襯套中心點(diǎn)與后襯套中心點(diǎn)X向距離;c為球銷中心點(diǎn)與前襯套中心點(diǎn)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(diǎn)A和后襯套中心點(diǎn)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(diǎn)和后襯套中心點(diǎn)X向受力分配主要和前襯套和后襯套X向剛度相關(guān)，對(duì)于前襯套Z型的前下擺臂來(lái)說(shuō)，前襯套X向受力大，后襯套X向受力小。對(duì)于前襯套X型的前下擺臂來(lái)說(shuō)，前襯套和后襯套X向受力相當(dāng)。

前下擺臂前襯套中心點(diǎn)A和后襯套中心點(diǎn)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(diǎn)和后襯套中心點(diǎn)Y向受力分配不僅和前襯套和后襯套Y向剛度相關(guān)，而且還和前下擺臂硬點(diǎn)中心之間的距離相關(guān)。對(duì)于前襯套Z型和前襯套X型的前下擺臂來(lái)說(shuō)，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(guān)，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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)和剛度，并對(duì)前下擺臂襯套的受力進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)前下擺臂襯套的結(jié)構(gòu)和剛度與襯套的布置形式相關(guān);

(2)前下擺臂前襯套和后襯套的布置形式，關(guān)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。