[00915903]汽车多连杆悬架系统的创新设计理论及工程应用研究

研究内容多连杆悬架是近十年来发展起来的新型独立悬架，主要用于高性能车辆。从机构学来讲，为了满足运动学要求，使用三条连杆的悬架系统就足够了。但三连杆悬架或者为保证轮胎导向精度选用足够大的连接刚度而使平顺性恶化，或者为满足平顺性采用足够的连接弹性而使操纵性能恶化。因而，三连杆悬架系统很难既满足平顺性又能很好地满足操纵稳定性的要求，所以五连杆悬架得到了广泛的应用。它的转向节的空间运动受到五条空间并联的连杆的约束。外部受力则由弹簧和减振器吸收。连杆的一端连接转向节上，另一端与车身相连。已经有很多类型的高级轿车使用了五连杆悬架系统。如：W201(Mercedes 190/190E)和W124(200D/300E)、BMW的后悬架系统、Nisan 240Sxey Volvo 760GLE等。尽管以上汽车开发商开发出了五连杆悬架系统，但由于技术保密的原因，中国汽车制造企业并不能得到这些数据。据本人的研究经验，空间五连杆机构的工作性能对结构参数是比较敏感的，因而，迄今为止，国内厂商尚未采用这类悬架系统。鉴于此，该课题拟针对现阶段国内外多连杆悬架系统应用中存在的一些问题，研究空间并联多连杆悬架系统创新设计的理论和方法，进而开发具有中国自主知识产权的仿真分析软件，以弥补中国汽车制造企业在独立悬架设计开发中的不足。课题以常用的双横臂式悬架、麦克弗逊式悬架、多连杆式悬架及与之相配的转向机构为研究对象。开发出一种广泛适用的方法来对这三种悬架及与之相配的转向系进行运动学分析和弹性静力学分析；寻求解决问题的数学方法；并开发一套用于悬架设计与分析的专业软件。从在理论上和实际应用上提高中国汽车制造业在独立悬架系统方面的创新设计能力和开发效率。具体地讲，该课题的研究内容主要包括：1.运用申请人在博士学位论文中提出的自由度理论研究常用的双横臂式悬架、麦克弗逊式悬架、多连杆式悬架及与之相配的转向机构的运动特性与结构参数间内在联系的分析理论与方法，并能够据该综合出各种各样满足实际工程需要的空间多连杆悬架系统。2.该课题是一个解决工程实际问题的课题。最终，将开发出一种能广泛适用于悬架与转向系结构创新的分析方法，建立双横臂式悬架、麦克弗逊式悬架、多连杆式悬架这三种典型的悬架及转向系的运动学模型与弹性静力学模型。输出悬架在各种状态下的特性参数。为悬架设计提供理论依据，提高中国悬架制造企业的整体设计水平。3.开发一套悬架设计与分析的专用软件，提高企业设计的速度与精度。软件的仿真功能提供了悬架工作情况虚拟现实，使企业在不需要制造实物的情况下，即可了解所设计的悬架的机械特性与工作状况，为企业节省大量的实验研发资金。预期目标从机构学上来看悬架与转向系都是空间多杆机构，它们的性能在很大程度上决定了汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。因而，通过对多连杆悬架系统的运动特性与结构参数间内在联系的数学分析与描述，研究出一种能够广泛应用于多连杆悬架系统与转向系的分析理论和方法。进而开发出一套悬架创新设计与分析的专用软件，以提高企业设计的速度与精度。软件将采用开放式设计，企业可以根据需要来定制更多的悬架与转向系模型，减少企业升级软件的费用。国内外研究现状从机构学上来看悬架与转向系都是空间多杆机构，空间机构学的发展，加速了车用独立悬架系统的结构创新。它们的性能在很大程度上决定了汽车的操纵稳定性和行驶平顺性[1]。悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间一切传力连接装置的总称。其功用主要有[1]：1.缓和由路面不平引起的冲击引起的振动。使汽车有良好的平顺性。2.在车轮与车身(车架)之间传递各种力和力矩。3.使车轮按最佳轨迹相对于车身运动。保证汽车有良好的操纵稳定性，并且有利于减轻轮胎的磨损。有适当的抗侧倾能力，有良好的抗“点头”和抗“仰头”能力。多连杆悬架就是近二十年来发展起来的独立悬架系统。尽管五连杆悬架系统是由Deimler-Benz 最先用在W201以及W124系列车型中，并最早命名为多连杆悬架系统[2]，但是确定这种空间多连杆悬架系统的虚拟主销的位置至今尚未得到有效地解决。Tamiyoshi Kasahara等[3]讨论了多连杆机构用于后悬架系统的设计及其在上世纪八十年代末的发展情况。Joseph J.Knable等[4]建立悬架设计因子并讨论了前悬架设计中最优解的唯一性问题。他们指出虚拟主销在提高制动稳定性方面的重要性，但并没有给出确定虚拟主销轴线的解析方法。Hrishikesh V.Deo等[5]研究了悬架与转向系间的耦合问题并提出了公理化的设计方法以解除这种耦合。但他们也没有给出研究五连杆悬架主销轴线的有效方法。C.H.Suh[6，7]用位移矩阵和瞬时螺旋轴理论分析了悬架机构，但却没有详细地讨论多连杆悬架系统中如何确定虚拟主销的问题。为了适应中国经济持续、快速健康发展的要求，汽车的高速运营已势在必行。改革开放以来，作为基础产业的汽车制造业取得了长足的进步。“高速、安全、环保、舒适”已成为二十一世纪汽车发展的必然趋势。“高速和安全”要求汽车有良好的操纵稳定性；“舒适”则要求汽车有良好的行驶平顺性。虽然现代悬架结构多种多样，但是悬架一般都由三个部分组成：1.弹性元件弹性元件具有传递垂直力和缓和冲击的作用。常见的弹性元件有：钢板弹簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧，油气弹簧，橡胶弹簧等。2.阻尼元件阻尼元件具有衰减振动的作用。常用的阻尼元件有：筒式液力减振器，摇臂式液力减振器，阻力可调式减振器等。3.导向装置导向装置具有传递除垂直力以外其它力和全部力矩的作用，保证车轮按最佳轨迹相对于车身运动。常见的导向装置有：斜置单臂式，单横臂式，双横臂式，单纵臂式，双纵臂式，烛式，麦克弗逊式。悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体车桥相连。车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架下面。因其结构简单，工作可靠，而被广泛应用于货车的前后悬架。在轿车中，非独立悬架仅用于后悬架。悬架的结构，特别是导向机构的结构，随所采用的弹性元件的不同而有差异，而且有时差别很大。采用螺旋弹簧时需要有较复杂的导向机构，而采用钢板弹簧时，由于钢板弹簧本身兼起导向机构的作用，并有一定的减振作用，使得悬架结构大为简化。因而非独立悬架中多采用钢板弹簧作为弹性元件。随着汽车速度的不断提高，非独立悬架已不能满足行驶平顺性和操纵稳定性方面的要求。因此独立悬架得到了很大的发展。独立悬架的结构特点是两侧的车轮单独地通过弹性悬架挂在车架(或车身)的下面。采用独立悬架时，车桥都做成断开的。因此有以下优点：1.在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以独立运动，而互不影响，这样在不平道路上行驶时可以减少车架和车身的振动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。2.减少了汽车非簧载质量(即不由弹簧支承的质量)。在非独立悬架情况下，整个车桥和车轮都属于非簧载质量部分。在独立悬架情况下，对驱动桥而言，由于主减速器，差速器及其外壳都固定在车架上，成了簧载质量；对转向桥而言，它仅具有转向主销和转向节，而中部的整体梁不再存在。所以采用独立悬架时，非簧载质量仅包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质量，显然比用非独立悬架时非簧载质量要小得多。在道路条件和车速相同时非簧载质量愈小，则悬架所受到的冲击载荷愈小。故采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度。3.采用断开式车桥时，发动机总成的位置便可以降低和前移使汽车重心下降，提高了汽车行驶稳定性。同时给予车轮较大的上下运动空间，因而可以将悬架刚度设计得较小，使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性。以上优点使独立悬架广泛地被采用在现代汽车上，特别是轿车的转向轮都普遍采用了独立悬架。但是独立悬架也有如下缺点：结构复杂，制造成本高，保养维修不便，在一般情况下，车轮跳动时，由于车轮外倾角与轮距变化较大，轮胎磨损较严重。独立悬架多采用螺旋弹簧或扭杆弹簧作为弹性元件，钢板弹簧和其它形式的弹簧用得较少。独立悬架类型很多，主要地可按车轮运动形式分为三类：1.车轮在汽车横向平面内运动的悬架(横臂式悬架)。如：单横臂式悬架和双横臂式悬架。2.车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架(纵臂式悬架)。如：单纵式臂悬架和双纵臂式悬架。3.车轮沿主销移动的悬架。如：麦克弗逊式悬架和烛式悬架。而近十年来发展起来的多连杆式悬架则不属于以上三种，其车轮作空间运动，而不能归于以上任何一种。现阶段虽然以麦克弗逊式悬架和双横臂式悬架应用较为广泛，但是多连杆式悬架也因性能良好也获得设计者的青睐，现在已用在了许多豪华轿车上。虽然国外的汽车开发商研究出了五连杆悬架系统，但由于技术保密的原因，中国汽车制造商并不能得到这些数据。而中国在悬架设计方面的能力严重不足，许多悬架生产企业还停留在测绘生产阶段。而且在目前悬架和转向系设计中，构件都被认为是刚体，忽略了各杆件的变形，未考虑铰链间弹性衬套对汽车性能的影响。随着汽车行驶速度的不断提高，悬架和转向系各构件所受的外部冲击和自身的惯性力都急剧的增大，如果仍忽略弹性的影响，必将使所设计的产品的高速性能恶化。再者，目前的研究大都把悬架和转向系分开来考虑。而事实上悬架与转向系有转向节等公共构件，分开来设计和分析必将使它们之间的性能不匹配。为提高设计精度应把它们作为一个整体来研究。因此，该课题针对中国悬架系统研究和开发能力的现状，提出汽车悬架系统创新设计的系统方法并进一步开发出仿真分析软件既具有重要的学术意义又能解决具体的工程实际问题。事实上，在CAD技术普遍应用的今天，设计一套关于悬架与转向系设计与分析的专业软件以提高汽车制造业的设计效率与设计精度也已成为汽车产品开发中刻不容缓的要求。研究意义与工程价值多连杆悬架与转向系都属于复杂空间并联机构的研究范畴。虽然20世纪下半叶，尤其是20世纪八、九十年代，空间并联机构的兴起促进了机构学基础理论的研究，但是直到上世纪八十年代末，并联结构方案才开始针对于汽车悬架系统进行分析。空间并联机构最初是由Stewart于1965年作为飞行模拟器提出的[8]。它的典型机构是的Gough-Stewart动平台通过6个完全相同的分支运动链与地面相联，每个分支运动链都是SCS(或SPS)串联运动链。20世纪下半叶，尤其是九十年代后，基于Gough-Stewart平台原理的空间并联机构在并联机器人、虚拟轴机床以及汽车多连杆悬架系统中不断得到推广和应用。然而，由于并联机构末端执行器的复杂空间运动是由各连杆的运动复合而成的，因而，研究并联机构末端执行器的运动就成为并联机构研究的重要内容。如何建立一个严格系统的数学描述方法来研究末端执行器的各项运动学指标也自然为机构学中的一个重要课题，同时又是汽车多连杆独立悬架系统分析与综合中最为棘手的难题。汽车运动由直线运动和曲线运动组成，为了进行曲线运动，汽车上装备了转向系。汽车的转向系应该满足如下要求：1.在转向角的全部范围内都应该操纵轻便。2.工作安全可靠，有足够的强度和寿命。3.转向后，转向盘有自动回正能力，能保持汽车稳定的直线行驶能力。4.在转向轮受到冲击时，传递到转向盘的反向冲击力要小。5.保持最小转弯半径，且左右转角应平衡。一般汽车采用的转向机构大致由三部分组成：第一部分包括转向盘，转向轴和转向器。一般说转向器是将转向盘的旋转位移转变成垂臂的摆动位移。转向器除了变换位移外，还具有放大转向盘的转向力矩并传给转向垂臂的作用。部分轿车和货车为了减轻转向盘的操作力，采用了动力转向装置。第二部分是转向拉杆装置，包括转向垂臂、纵拉杆、横拉杆，其作用是将转向垂臂的摆动位移传给左右转向轮。这种转向拉杆装置必须具有一种几何关系，使左右车轮间具有正确的关系，以实现转向。第三部分为转向节总成，包括转向节、转向主销和转向节臂。对于采用独立悬架的汽车，它在行驶时由于左右车轮上下跳动，两轮间的距离不断变化。因此，如果采用一根整体式横拉杆，那么，由于车轮上下跳动带动横拉杆，会使车轮偏离规定的行驶方向。所以采用独立悬架时，汽车的横拉杆要采用分段式结构。转向机构的类型和布置因转向轮悬架的类型不同而异。多连杆悬架系统是近十年来发展起来的新型悬架，它具有优良的平顺性