．设计．计算．研究・　

扭杆式双横臂独立悬架改型设计与运动特性分析　

孙　丽１，２何仁１　张园园１　

（１．江苏大学；２．淮阴工学院）　

【摘要】针对某车型扭杆式双横臂独立悬架前轮距加宽的要求，提出了改型设计的几种方案，并根据轮距和定位　参数随轮跳变化的曲线趋势确定了最优方案　建立了扭杆式双横臂独立悬架虚拟样机模型．通过对比静态平衡位置　时定位参数的理论值与仿真值．验证了模型的准确性。通过分析５种运动特性曲线变化趋势可知．前束角变化最为　灵敏，从而可确定上下摆臂各加长４０ｍｍ、转向器长度不变、转向拉杆每侧加长４０ｍｍ的方案为最优。　主题词：独立悬架双横臂扭杆式优化设计运动特性　

中图分类号：Ｕ４６３．３３　１　文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１０）０１—００２９—０５　

Ｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｏｒｓｉｏｎ　Ｂａｒ　Ｓｐｒｉｎｇ　

Ｄｏｕｂｌｅ－Ｗｉｓｈｂｏｎｅ　Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　

Ｓｕｎ　Ｌｉ’＇２，Ｈｅ　Ｒｅｎ’，Ｚｈａｎｇ　Ｙｕａｎｙｕａｎ　（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；２．Ｈｕａｉｙｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｏ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｉｄｅｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒｏｎｔ　ｔｒｅａｄ　ｏｆ　ｔｏｒｓｉｏｎ　ｂａｒ　ｓｐｒｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｅ—ｗｉｓｈｂｏｎｅ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ，ｓｅｖｅｒａｌ　ｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｄｅｆｉｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｒｅａｄ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｈｅｅｌ　ｊｕｍｐ．Ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｏｒｓｉｏｎ　ｂａｒ　ｓｐｒｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｅ—ｗｉｓｈｂｏｎｅ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ．Ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｔ　ｓｔａｔｉｃ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｆｉｖｅ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ＣＨＩＶＥＳ，ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｏｅ—ｉｎ　ａｎｇｌｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｏｎｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｈｉｃｈ　ａｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　４０ｒａｍ　ｌｅｎｇｔｈ　ａｄｄｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｕｐ３ｏｗｅｒ　ｓｗｉｎｇ　ａＮＴＩ，ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｒｅｍａｉｎ　ｕｎｃｈａｎｇｅｄ　ａｎｄ　ａｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　４０ｒａｍ　ａｄｄｅｄ　ｔｏ　ｅａｃｈ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｅ　ｒｏｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｏｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，Ｔｏｒｓｉｏｎ　ｂａｒ　ｓｐｒｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｅ－ｗｉｓｈｂｏｎｅ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

ｄｅｓｉｇｎ，Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　

１前言　

扭杆式双横臂独立悬架虽然结构较复杂．但是　

可以减少车轮的侧向滑移，使主销内倾角和后倾角、　

轮距的变化都不大．使整车有较好的平顺性和操纵　稳定性…　某客车厂家拟在原车型基础上使前轮距　

从原来的ｌ　７２５　ｍｍ加宽至１　８０５　ｍｒｌ１．以提高该客　

车的乘坐舒适性并使前、后轮距相差不要太大．增强　

其美观性　为了满足这一要求。要对悬架进行改型　设计以及相应的运动分析　

为了分析该型客车前悬架加宽改型前、后的性　

能．用ＡＤＡＭＳ软件建立前悬架运动学模型．提出可　行的改型方案．分析改型前、后该车运动特性的变　

化　

２改型设计方案分析　

２．１　ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ模型　

基金项目：江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２００８５５３）。　２０１０年第１期　根据实车悬架的结构以及各零部件间的链接形　

式，在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ中建立模型如图１所示ｌ　２ｌ。　

图１　扭杆式双横臂独立悬架和转向系统模型　扭杆弹簧是前悬架总成中最重要的弹性元件．　在工作中主要承受扭矩．通过扭转弹性变形保证车　

轮与车架的弹性连接．扭杆刚度和预载荷是其建模　所需的两个变量。由材料力学可得扭杆刚度为：　

，１一Ｆ一１Ｔｄ　Ｇ　，１、　０—３２Ｌ　

一

２９—　．设计．计算．研究．　

式巾，Ｆ为扭杆预扭矩；０为预扭角：ｄ为圆截面外　

径：Ｇ为材料的剪切弹性模量，此处取７．６ｘｌＯａＭＰａ；　为有效长度　

根据图纸查阅法．将　＝０．０２９　Ｉｌｌ、Ｌ＝１．０９８　ｍ、　

＝２８．４。代入式（１），得Ｃ　＝８３．９４　Ｎ・ｍ／（。），　

Ｆ＝２　３８３．９　Ｎ・ｍ　扭杆的处理是关键技术．首先将扭杆从中间断　

成两部分．前端与上摆臂固定为一体．后端与车身固　定连接．并且将扭杆后端与上摆臂先用圆柱副连接．　

然后加扭矩　将上述计算　的扭杆刚度和预载荷设　置成变量．即可达到扭杆弹簧的作用效果，　扭矩的表达函数分别为：　

ＬｅｆｌＦｕｎｅｔｉｏｎ＝－１．０　（（ｐｖｓ—ｔｂａｒ＿ｐｒｅｌｏａｄｓ）＋１．Ｏ　（ｐｖｌ—ｔｂａｒ＿ｓｔｉｆｎｅｓｓ）　ＡＺ（ｇｅｌ—ｔｂａｒ．ｊｘｌ＿ｊｏｉｎｔ＿ｉ一５，ｇｅｌ—　

ｕｐｐｅｒ＿ｃｏｎｔｒｏｌａｒｍ．ｊｘＬｊｏｉｎｔ＿ｊ一５））；　ＲｉｇｈｔＦｕｎｃｔｉｏｎ＝一１．０　（（ｐｖｓ—ｔｂａｒ＿ｐｒｅｌｏａｄｓ）－１．０　

（ｐｖｒ＿ｔｂａｒ＿ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）　ＡＺ（ｇｅｒ＿ｔｂａｒ．ｊｘｒ－ｊｏｉｎｔ＿ｉ一５，ｇｅｒ＿　ｕｐｐｅｒ＿ｃｏｎｔｒｏｌ—ａｒｍ．ｊｘｒ＿ｊ‘ｏｉｎｔ＿ｊ一５））。　转向节与上摆臂、转向连杆、下摆臂均为球铰链　

连接．转向拉杆与转向系统为恒速副连接．下摆臂与　车身为固定连接．减振器与车身和下摆臂均用万向　

铰链连接．上摆臂与车身用弹性衬套连接．转向节与　

轮毂用转动副连接　

该车型悬架的主要运动特性与扭杆参数的理论　值和仿真值如表ｌ所列　通过对比可见．仿真值的　

准确性较高．说明该模型正确．可以为其运动特性的　分析提供可靠保证　表１主要运动特性参数　（。）　

前轮　前轮　主销　主销　参数　外倾角　前束角　内倾角　后倾角　

理论值　１．５　０．２２１　７．０Ｏ　３．００　

仿真值　１．５　０．２０９　６．６８　３．０２　

２．２改型设计方案分析　改型设计的要求是将前轮距由原来的ｌ　７２５　

ｍｍ加宽到ｌ　８０５　ｍｍ．根据加宽前轮距８０　ｍｍ的目　

标。有如下３种方案可供选择：　

ａ．前梁加宽８０　ｍｍ（包括前梁中部加宽８０　

ｍｍ和端部各加宽４０ｍｍ两种情况）：　

ｂ．前梁保持不变．以摆臂与减振器连接点处　

为分界点．摆臂与减振器连接点靠近前梁段加宽４０　

ｍｍ；　ｃ．前梁保持不变．摆臂与减振器连接点远离　

前梁段加宽４０　ｍｍ　

３０一　根据上述３种悬架加宽方案．转向系统的改型　有２种情况：转向器加长８０　ｉｎｎｌ，转向拉杆不变；转　

向器不变，转向拉杆加长８０　ｈｉｍ。　

３运动特性对比分析　

汽车前轮定位参数通常是指前轮外倾角、　

前束角、前轮距、主销后倾角及主销内倾角，主　要影响到汽车转向特性、回正性、制动稳定性、　

前轮摆振以及轮胎的磨损与滚动阻力。因此，分　析前轮定位参数的特性对前悬架进行最佳改型　

有极其重要的作用　３．１轮距变化特性　在独立悬架的设计巾．要求轮距变化尽量小．以　减少轮胎磨损并且使操纵稳定性变坏程度减小　一　

般要求车轮跳动＋５０　ｎｌｌｎ时．轮距变化为±１０　ｍｍ　单　

侧轮距变化特性ｆｆ｝１线如图２所示　】００　６０　面２０　督　誊－２０　Ⅱ　蚕＿６ｏ　１００　

量　吕　删　需　舀　錾　

８４０　８５０　８６０　８７０　８８０　８９０　９００　９１０　轮矩／ｍｍ　ｆｂ）摆臂前段加宽４０　ｍｍ　１００　６０　２０　美＿２０　蒌＿６ｏ　

汽　车　技　术　∞　鲫　啪ｍ　喊　梁　∞　

前　・设计．计算．研究．　

合适的回正力矩．使汽车具有良好的行驶稳定性　

其稳定效应是在前轮转向时．凭借路面对轮胎的侧　

向反力实现。一般不希望后倾角在车轮上下运动过　程中　现大的变化．以免在载荷变化时出现回正力　

矩过大或过小的现象．使操纵稳定性恶化　主销后　倾角变化曲线如网３所示　

长　加长　一ｌ００—８０—６０—４０—２０　０　２０　４０　６０　８Ｏ　１ｏｏ　轮胎跳动量／ｒａｍ　（ａ）前梁加宽８０　ｍｍ　

，Ｏ、５　４　薹　也２　摇１　州Ｏ　

￡５　垂　

０　ｌ００—８Ｏ一６０—４０—２Ｏ　０　２０　４０　６０　８０　１【ｘ）　轮胎跳动量／ｍｍ　（Ｉ，）摆臂前段加宽４０　ｍｍ　

ｌ００－８０－６０－４０－２０　Ｕ　２Ｏ　４０　６Ｏ　８Ｏ　ｌＩＪ【）　轮胎跳动量／ｍｍ　（ｃ）摆臂后段加宽４０　ｍｍ　图３主销后倾角变化特性曲线　对比图３巾的后倾角变化曲线可知．３种方案　

的主销后倾角变化趋势完全相同　

３－３前轮外倾角变化特性　当车轮跳动时．外倾角变化包括两种．一种　

是由车身侧倾产生的外倾角变化量．另一种是　

车轮相对车身跳动的车轮外倾角变化量　前一　种变化量使车轮向车身方向倾斜．即外倾角变　

大结果使轮胎在外倾推力作用下侧偏刚度下　降．因而使整车的不足转向效果增大　后一种变　

化特性取决于悬架导向机构的布置方案．而对　

车轮上跳时轮距增加的要求决定了这种外倾角　的变化趋势为车轮上跳时外倾角减小．且在汽　

车转弯时可使车轮对地面的外倾角变化不会过　大，保证车轮与地面间有足够的附着力　同时．　

为不使车轮下跳时轮距减小过多．外倾角也应　

适当减小。由于这两种作用相反．而后一种作用　产生过度转向效应．所以必须控制后一种上跳　

２０１０年第１期　时的变化量不能过大．一般在４０　ｍｍ范围内不　

超过ｌ　ｏ可确保后一种变化量不超过前一种变化　

量，仍能使汽车保持一定的不足转向特性。图４所　示为前轮外倾角变化曲线。　

娶　Ｌ　

ｊ盂　（ａ）前梁加宽８０　ｍｍ　

—ｌ　

１　薹　武　蓬０　

０　轮胎跳动量／ｍｍ　（ｂ）摆臂前段加宽４０　ｍｍ　

加长　杆加长　

一１００－８０－６０－４０—２ｕ　０　２０　４０　６０　８０　ＩｌＫ）　轮胎跳动量／ｍｍ　，　（ｃ）摆臂后段加宽４０　ｍｍ　图４前轮外倾角变化曲线　对比图４中外倾角变化曲线可知．轮胎上跳或　

下跳５０　ｍｍ的行程内．外倾角变化量均在１ｏ范围之　

内，而摆臂加宽的改型方案的外倾角变化量均偏小，　但变化趋势基本一致　３．４前束角的变化特性　

汽车前轮上跳时的前束值多设计成零至负前束　

的变化　设计值取在零附近是为了控制直行时由路　面的凹凸引起的前束变化，确保良好的直行稳定性。　

另外．取弱负前束变化是为了使车辆获得弱的不足　

转向特性．以使装载质量变化引起车高变化时也能　

保持不足转向。车辆跳动过程中．过大的前束变化　会因轮胎的侧偏而使其磨损加剧、滚动阻力增大且　

直线行驶性能下降。比较理想的设计特性是．前轮　

上跳时，前束角变化为零至负前束（一０．５￣／５０　ｍｍ）。　前轮前束角变化曲线如图５所示　

一

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