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双叉臂悬架空气弹簧减振器总成下点连接形式的选取研究

2019-09-14 20:04:26·  来源：NGA集团  
　
摘要：文章主要对不同结构形式的双叉臂悬架建立了DMU模型，针对在悬架动态运动过程中滑柱总成旋转角度差异进行了仿真分析，并对该连接点使用衬套还是球销的选取
摘要：文章主要对不同结构形式的双叉臂悬架建立了DMU模型，针对在悬架动态运动过程中滑柱总成旋转角度差异进行了仿真分析，并对该连接点使用衬套还是球销的选取准则进行了阐述，为后续车型的开发提供了参考。
 
关键词：双叉臂；空气弹簧；减振器；连接形式
 
引言
 
空气弹簧是在一个密封容器中充入压缩空气，利用气体可压缩性实现其弹性作用。空气弹簧具有较理想的非线性弹性特性，乘坐舒适性好，配合传感器和ECU后，根据不同路况和驾驶员主观意愿进行车身高度调节。一般应用在豪华轿车或SUV上，如路虎揽胜、玛莎拉蒂Levante、特斯拉Model X、蔚来ES8等。
 
配备空气弹簧车辆的前悬架均为双叉臂悬架，由空气弹簧和减振器组成滑柱总成，其上端与车身连接，下端与下控制臂连接。但是在滑柱总成下端与下控制臂连接处，有的车型使用衬套连接，如图1所示为沃尔沃XC 90的连接方式；有的车型使用球销连接，如图2所示为奔驰S级的连接方式。
图1 沃尔沃XC 90前悬滑柱总成下端连接处及剖面图
图2 奔驰S级前悬滑柱总成下端连接处及剖面图
本文针对不同形式的双叉臂悬架进行电子样机(DMU) 运动分析，得到悬架运动过程中弹簧和减振器之间的相对旋转角度，揭示了在滑柱总成下连接点处使用衬套或球销连接的差异及其原因，并通过CAE仿真验证了使用球销连接能够实现保护空气弹簧的目的。
 
一、双叉臂悬架
 
目前乘用车的前悬架基本都是采用麦弗逊悬架和双叉臂悬架。
 
传统的麦弗逊悬架主要由弹簧和减振器构成的滑柱总成、下控制臂、转向节和稳定杆系统组成。而双叉臂悬架相比麦弗逊悬架多了一个上控制臂，不仅需要占用较大的空间，而且其定位参数较难确定，因此小型轿车的前桥出于空间和成本考虑一般不会采用此种悬架。但其具有侧倾小、可调参数多、轮胎接地面积大、抓地性能优等特点，因此绝大部分高性能车的前悬架均选用双叉臂悬架。
 
双叉臂悬架的下控制臂布置形式有两种：一种为单个A形摆臂，内侧通过2个衬套与副车架连接，外侧通过球销与转向节连接，如图3所示的沃尔沃XC 90；另一种为2个一字臂，均是内侧通过衬套与副车架连接，外侧通过球销与转向节连接，如图4所示的奔驰S级。
图3 沃尔沃XC 90双叉臂前悬与下控制臂
图4 奔驰S级双叉臂前悬与下控制臂
 
这两种下控制臂布置形式的区别主要体现在对主销内倾角和车轮旋转力臂的影响上。
 
双叉臂悬架的主销上点为上控制外球销点，主销下点则不同。对于1个下控制臂来说，主销下点是下控制臂的外球销点; 而对于2个下控制臂来说，主销下点是2个下控制臂延长线的交点。由此可以看出，当采用2个下控制臂布置形式时，在相同轮距的情况下可以实现更大的主销内倾角，从而提供更大的车轮回正力矩。
主销是车轮转向时的回转中心，采用2个下控制臂布置形式，通过主销下点的外移能够缩短主销与车轮中心间的距离，即减小了车轮旋转时的力臂，使得转向更加轻便。

二、DMU运动分析
 
悬架系统在车辆运行过程中一直处于运动状态，为了校核悬架系统在此过程中各零部件的相对位置关系，需要进行DMU运动分析。
针对单个A形下控制臂的双叉臂悬架，可以建立如图5所示的运动副关系。上控制臂和下控制臂均是内侧旋转、外侧球铰；滑柱总成上下端均为U形，弹簧和减振器之间为圆柱; 转向机相对整车坐标系为滑动，与转向拉杆之间为U形，转向拉杆与转向节之间为球铰; 轮心与辅助块之间为点 曲面，辅助块相对整车坐标系为Z向滑动；稳定杆 系统( 稳定杆+稳定杆连杆) 为随动系统，不影响 悬架运动轨迹，可忽略。
 
图5 单个下控制臂双叉臂悬架DMU模型
 
为了使机构的位置得以确定，必须给定独立的广义坐标的数目，称为机构的自由度，其数目常以F表示。表1为各连接点设置不同的运动副时具有的自由度，参考表1内容对该系统进行自由度计算：总共8个物体自由度共48，减去被各运动副约束的自由度46后，可得到F = 2，分别为辅助块相对于坐标系的Z向滑动( 即轮跳) 和转向齿条的横向滑动，符合实际运动规律。
 
表1 不同运动副的空间自由度
记录在悬架系统动态运动过程中滑柱总成中弹簧和减振器之间的相对旋转角度，如表2所示。
表2 单个下控制臂时的旋转角度
同理，针对2个下控制臂的双叉臂悬架，可以建立如图6 所示的运动副关系。区别在于2个下控制臂均设置为内侧U 形、外侧球铰，系统各硬点位置、其他位置处运动副等均保持不变。仍然参考表1内容对该系统进行自由度计算：总共9个物体自由度共54，减去被各运动副约束的自由度52后，可得到F = 2不变，分别为辅助块相对于坐标系的Z向滑动( 即轮跳) 和转向齿条的横向滑动，符合实际运动规律。
图6 2个下控制臂双叉臂悬架DMU模型
仍然记录在悬架系统动态运动过程中滑柱总成中弹簧和减振器之间的相对旋转角度，如表3所示。
表3 2个下控制臂时的旋转角度
对比表2和表3的结果可以看到，2个下控制臂时滑柱总成中弹簧和减振器之间的相对旋转角度范围会显著大于单个下控制臂时，从4.2 °左右( 从-1.5 ° ～ 2.7 °) 激增至18.3 ° 左右( 从-12.9 ° ～ 5.4 °) 。
有别于麦弗逊悬架中的滑柱总成，双叉臂悬架中的滑柱总成中并不含有轴承结构，弹簧和减振器之间无法任意进行相对旋转。而滑柱上端通过安装支座与车身固联，所以该转角只能由滑柱总成下端连接处实现。
普通的螺旋弹簧在径向上刚度足够大，完全具备承受扭转力矩的能力，此时通过滑柱总成下端连接点处的衬套变形来实现该转角没有问题。但是，空气弹簧受本身特性的限制却无法承受扭转力矩。空气弹簧的气囊外表面由囊皮组成，一旦承受扭转力矩便容易产生撕裂，导致空气弹簧 漏气失效，丧失功能。此时滑柱总成下端连接点 处不能再使用衬套而必须使用球销。
综上所述，当使用螺旋弹簧时，双叉臂悬架无论是单个下控制臂还是2个下控制臂，滑柱总成下端连接处都可以使用衬套。而当使用空气弹簧时，则需视情况而定：单个下控制臂时旋转角度很小，弹簧需要承受的扭转力矩也很小，仍可使用衬套，如上文中的沃尔沃XC 90；2个下控制臂时旋转角度较大，为避免弹簧承受扭转力矩，则需在滑柱总成下端连接处使用球销，如上文中的奔驰S级。
 
三、CAE仿真校核
 
当确认了使用图7所示的球销之后，需要通过CAE仿真分析来验证空气弹簧是否只扭转了很小的角度。在CAE模型中，输入球销和空气弹簧的刚度特性，观察在悬架动态运动过程中，绕滑柱总成的轴线方向，滑柱总成相对于车身旋转了多少度，其中有多少由球销旋转实现、多少通过空气弹簧的自身扭转实现。
图7 球销剖面图
从表3可以看出，当某侧车轮作为内侧车轮转向时情况更恶劣，即滑柱总成转过的角度更大。所以，针对内侧转向上下全行程轮跳的工况进行CAE分析，结果如图8所示。图中纵坐标为角度，横坐标“a－b”中的a代表轮跳百分比( “+”为上跳、“－”为下跳) ，b代表转向百分比。
图8 转角分配情况
由图8可知，在悬架系统动态运动过程中，滑柱总成旋转角度中的绝大部分都由球销旋转来实现，空气弹簧的扭转角度一直维持在1°以下，在空气弹簧可以承受的范围内，没有风险。
 
四、结语
 
在相同硬点布置的前提下，2个下控制臂形式的双叉臂悬架相比单个下控制臂形式，能够实现更大的主销内倾角和更轻便的转向。但是，滑柱总成会承担更大的扭转角度。
普通的螺旋弹簧可以承受扭转力矩，但如果使用了空气弹簧，则必须在滑柱总成下端和下控制臂连接位置处使用球销而不能使用衬套，使得通过球销转动来实现此转角，而空气弹簧仅承受极小的扭矩，从而防止空气弹簧囊皮受损而失效。
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