收稿日期:20200518；修回日期:20200605基金项目：河南省科技厅科技攻关项目 食品污染物丙烯酰胺胶体金免疫层析技术的开发与应用研究 (N O.
192102310137
)作者简介：陈艳娟(1990-)，女，河南开封人，硕士，助教；主要研究方向为机械控制.E -m a i l :20172033@z k n u .e d u .c n .
第37卷第5期周口师范学院学报
2020年9月
V o l .37N o .5
J o u r n a l o f Z h o u k o u N o r m a l U n i v e r s i t y
S e p
陈艳娟1，贾嘉曦1，岳宗豪2
(1.周口师范学院机械与电气工程学院，河南周口466000;
2.周口师范学院生命科学与农学学院，河南周口466000
)摘 要：为了提高中小型汽车的驾驶体验和安全系数，针对双叉臂式独立悬架占用空间较大的问题，对其空间布局展开研究设计.在设计时采用偏置减震器的布局，使用P r o /E 软件分别建立减震器中置和偏置两种空间布局下的支架模型，基于I n v e n t o r 软件对两种模型进行应力分析对比，最后利用P r o /E 软件对悬架整体模型进行仿真.结果表明：偏置减震器布局的悬架不仅节省了空间㊁减小了体积，而且该悬架整体模型可以良好运行，更有利于安装配置在中小型汽车上.
关键词：汽车；双叉臂式独立悬架；偏置减震器中图分类号:T H 122 文献标志码:A 文章编号:16719476(2020)05003104
D O I :10.13450/j .c n k i .j
z k n u .2020.05.008 悬架是车架(
或承载体)与轿车(或车轮)之间所有力传递连接装置的总称.它的功能是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓冲从崎岖不平的道路传递到车架或车体的冲击力，并减少产生的震动，以确保汽车能够平稳行驶.典型的悬架结构由弹性元件㊁导向机构和减震器等组成，单个结构则
还有缓冲块和横向稳定杆[1-3
].
悬架对车辆的平稳性和操纵稳定性有重要影响，悬架种类各式各样，其中双叉臂式独立悬架的结构复杂程度适中，运动
性能良好[4
]，目前该悬架在空间布局上一般将减震
器配置在叉臂中央，以致该悬架的横向空间占用较大，难以配置到中小型汽车上，故目前应用最多的是麦弗逊悬架，但麦弗逊悬架的减震器直接连接在凸缘上，导致汽车出现刹车点头现象较明显㊁横向刚度小以及转弯侧倾较大等问题，因此悬架的优化改进一直是备受关注的研究热点
[5-7]
.
因此本设计首先对双叉臂式独立悬架的整体布局进行改进，采用偏置减震器的布局即减震器安置于支架
或减震器连接处的侧面的方法来缩小悬架所占体积，使其在正常传动运行的同时提高中小型汽车驾驶员的
驾驶体验和车辆安全系数.然后对悬架进行应力分析，分别建立偏置减震器和中置减震器两种布局的模型，在相同的载荷环境下分析两种悬架的应力情况.最后利用P r o /E 软件将改进后的悬架安装到汽车底盘上进行整体仿真.
1 双叉臂式独立悬架整体结构设计
首先对双叉臂式独立悬架整体大小做出评估设计，并以此为依据完成悬架的整体结构设计.
双叉臂式独立悬架的基本组成为轴座㊁下叉
臂㊁上叉臂㊁支架㊁避震器等构件组成，前悬还包含
转向杯[8]
.
汽车悬架零整体参数的主要影响因素为道路宽度，不同宽度的车辆适合不同的道路.研究表明，我国公路车道宽度的标准是3m ，一些交叉
路口的分流车道中每车道宽度为2.3~2.5m ,
汽车座套安装方法干线公路或高速公路的车道宽度为3m ，路肩宽度或
高速公路紧急停车带为1.5~2.5m.
此外，高速公路收费站的车道宽度是2.5m ;
一般的家用轿车宽度在1500mm 到1800mm 之间，综合以上信息，为保证车辆能够顺利通过，初步设定车宽为
1800mm.
传统的双叉臂式独立悬架在结构上其减震器被安置在叉臂的中央，这很大程度上会影响到汽车宽度以及悬架体积，所以本设计采用偏置减震器布局的设计方案，设计的结构布局如图1所示，减震器与支架连接于a点，与下摆臂连接于d点，用于缓冲震动；上摆臂与副车架连接于b点，与轴座套(后悬架为轴座，同位置)连接于f点，起到限制轮杯自由度的作用；下摆臂与差速器底座连接于c 点，与轴座套连接于e点，同样起到限制轮杯自由度的作用[9].该设计可以使减震器与支架横向重叠，减小悬架所占空间比例，有效增加了内置器件安装空间.
1-减震器2-上摆臂3-轴座套(仅前悬架配置) 4-轴座(前)5-摆臂6-支架7-半轴
图1悬架结构图
2双叉臂式独立悬架的定位参数优化设计在本设计中，预设发动机及内置器件安装布置空间宽度约为854mm，设计上摆臂转动关节中心距离车体中线427mm.适当加长下叉臂，使其直接连接在车架上，增加其可靠性和通过性，同时结合上叉臂进行适当的转动副定位，使稳定性得到提高[10].
当汽车落地后，由于重力作用底盘降低，则降低后的底盘高度所对应的轴座姿态应为：轴座的轴线平行于地面，由设计好的轴座尺寸得到上摆臂与轴座连接点.摆臂的结构示意图如图2所示，下摆臂长度㊁与差速器固定底座连接点已经确定，下摆臂将做以连接点为圆心，以下摆臂长为半径，向上的圆周运动，而作圆周运动过程中，如果上摆臂与支架连接点(a点)过高，即a点高于与轴座上b点平齐的水平线，如图3所示，则在摆臂结构运动时会导致轮毂上端外扩，导致车辆行驶的稳定性降低且会加剧轮胎磨损，所以a点应在水平线l附近定位.具体定位方案：如图4所示，过f点作水平线m，同时以f点为圆心，以e f为半径作圆R1，圆R1与水平线m交于点h，将轴座整体平移，使e点平移至h点即可，此时可得到b和b'两个点，定义所求连接点位于a点所在垂线上，可以得到点a'，点a'即为最终求得的上摆臂与支架的连接点.故根据整车宽度确定6(下摆臂)的长度，然后在保证车轮上移不外扩的情况下通过寻定位点a㊁b㊁a'㊁b'来确定1(上摆臂)的长度，进而完成悬架参数的定位.在设计中避震器与支架的连接点由于空间限制，所以并不是十分重要，只要位置合理㊁不妨碍其他机构运行即可.
1-上摆臂2㊁3㊁4㊁5-轴座6-下摆臂7-轮毂
图2摆臂结构示意图
图3车轮上端外扩示意图
图4上摆臂内与支架连接点定位
3双叉臂式独立悬架模型的应力分析本设计将双叉臂式独立悬架设计成偏置减震器的空间布局，适当加长了下叉臂，并配合上叉臂进行合理定位，从而在增加可靠性的同时也提高了汽车的通过性[11].图5㊁6分别为减震器偏置布局和减震器中置布局效果对比图，减震器的偏置布局有效减小了悬架的横向空间占比和纵向空间占比,
23周口师范学院学报2020年9月
使其可以在不增加车宽的情况下，更好地安置在中小型汽车上，使该类汽车在保证内置器件正常安装的同时，具有了较好的抗侧倾性能和更加可靠的运动性能.
图5偏置减震器布局
图6中置减震器布局
图7偏置减震器布局下的支架零件
图8中置减震器布局下的支架零件
对双叉臂式独立悬架进行应力分析以验证其可靠性.建立两个悬架支架模型，分别为减震器中置布局时的支架模型和减震器偏置布局时的支架模型，如图7㊁8所示.将两个模型分别导入到I n-v e n t o r软件中进行应力分析，首先分析减震器中置的支架模型，进入应力分析环境创建该零件的应力分析，指定该零件材料为碳素钢[12].
然后进行载荷设定，悬架支架在车辆静止时只受到了来自车辆的重力和来自地面轮胎以及减震器的反作用力，调查表明小轿车的重量在1400~ 1500k g左右，假设汽车前后质量均衡，则每个支架所承受的力为7000N，所以在支架的横梁上设定载荷为7000N的力，同时在支架两侧设定载荷7000N的来自地面的反作用力，所需数据的设定基本完成[13-14]，最后进行应力分析.分析结果如图9所示，由该结果可知，中置减震器布局的支架薄弱处为横梁与两端斜梁的转折部位，此处最大应力为18.8M P a.在本设计中，支架零件的材料为碳素钢，该材料屈服强度为235M P a，抗拉强度为375 ~460M P a，因此在正常行运行的情况下可以保证悬架的安全性和可靠性.
用同样的方法对减震器偏置布局的支架进行应力分析.导入该零件模型到I n v e n t o r软件中，创建该零件的应力分析，指定材料㊁载荷大小及位置与中置减震器时的支架模型保持一致.其分析结果如图10所示，偏置减震器布局支架的薄弱处仍为横梁与两端斜梁的转折部位，最大应力为20.83M P a .
图9减震器中置悬架的支架应力分析
图10减震器偏置悬架的支架应力分析
对比两种布局的支架零件的应力分析结果，综合比较而言，偏置减震器布局下的支架要比中置布局下的支架有更大的内置器件安装空间，且二者的应力情况差别不大，所以本设计的偏置减震器布局更加有利于汽车悬架空间的节省，可以更好地安装一些汽车内置器件.
4双叉臂式独立悬架模型的仿真分析基于P r o/E软件将改进后的悬架装配到小型汽车底盘上建立整体模型进行仿真[15].如图11所示为汽车平稳行驶时的状态，在平坦路况行驶时，汽车的四个车轮保持在同一平面，半轴稳定地向车轮传递扭矩.相比于麦弗逊悬架，双叉臂式独立悬
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第37卷第5期陈艳娟，等：汽车双叉臂式独立悬架的设计改进
架的减震器与轮毂不直接接触，减震器与摆臂协作配合，运行更稳定.
图11汽车平稳行驶状态
图12汽车右前轮遇到障碍行驶状态
如图12所示，该示例为车轮在不平整路况下左前轮遇到障碍时上跳的状态.通过仿真可以说明优化后的双叉臂式独立悬架汽车模型当遇到不平整路面时，轮胎会自适应路况，与麦弗逊悬架相比，有以下优点：一是双叉臂式独立悬架减震器连接于下叉臂，使轮毂部分只需承受转向或随摆臂上下摆动的力矩，麦弗逊悬架的减震器直接连接轴座和轮毂，在受到冲击或者转向时，其连接处需要同时承受来自各个方向的力矩，可靠性相对低一些.二是双叉臂式独立悬架的轴座套可以帮助凸缘分担一部分力，使得汽车更加结实耐用，提高了安全性能，同时半轴依然在差速器的作用下稳定地向车轮传递动力，保持车辆地稳定运行.而相对于双叉臂式中置减震器布局悬架，显然双叉臂式偏置减震器布局的下叉臂和车身的长度都更短，在提高运动强度的同时车身也更紧凑.
5结论
本文对双叉臂式独立悬架的空间布局进行设计改进，将中置减震器的布局改进为偏置减震器布局，并分别建立了两种布局下的模型，基于I n v e n t-o r软件分别进行应力分析，并利用P r o/E软件将其改进后的悬架装配到小型汽车底盘上进行了整体仿真，可以得到以下结论:
(1)分别对偏置减震器布局和中置减震器布局进行应力分析，应力分析结果差距不大，可忽略不计.因此在保证悬架性能的情况下，偏置减震器布局因具有更大的空间，所以更有利于汽车发动机及其他内置器件的安装.
(2)通过对装配后的整体模型进行仿真，结果表明：各个零件配合良好，悬架运行流畅，摆臂摆动过程中半轴可以稳定地向轮毂传递扭矩，进一步验证了该设计的合理性和可行性.故改进后的悬架能更好地适配在中小型汽车上，从而也提高了驾驶员的驾驶体验和安全系数.
参考文献:
[1]张利.双叉臂前悬架系统的优化设计[D].青岛：青岛理工大学,2017.
[2]周鑫.重型汽车双横臂独立悬架设计研究[D].镇江：江苏大学,2016.
[3]李聪聪，严天一，王卫东，等.拖曳臂式独立悬架的运动学仿真分析与优化[J].青岛大学学报(工程技术版),2015,30(03):85-89.
[4]程增木，刘庆.汽车悬架调教基础知识介绍[J].汽车维修与保养,2017(04):100-102.
[5]张志刚，辛春亮，李海林，等.双横臂螺旋弹簧独立悬架的分析与计算[J].重型汽车,2017(02):25-26.
[6]张向东.汽车双横臂独立悬架动力学建模与优化设计
[D].长春：吉林大学,2017.
[7]王潮.双横臂独立悬架动载荷解析分析方法研究[D].武汉：武汉理工大学,2018.
W a n g C h a o.R e s e a r c h o n t h e A n a l y t i c a l M e t h o d f o r D y-n a m i c L o a d[D].W u H a n:W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h-n o l o g y,2018.
[8]宋年秀，许津，刘鹏，等.双叉臂悬架定位参数仿真分析及优化[J].济南大学学报(自然科学版),2017,31 (03):256-260.
[9]程贤福，刘艳军，林彧.汽车双横臂悬架参数稳健优化设计[J].机械科学与技术,2016,35(09):1421-1425.
[10]张淇杰，吴宏裕，袁嘉霁，等.一种基于麦克纳姆轮的独立悬挂系统设计[J].机械工程与自动化,2019 (06):124-125.
[11]刘晓昂，焦湘和，武一民.汽车独立悬架后桥悬置系统设计方法研究[J].中国机械工程,2020,31(05):535 -542.
[12]罗钰琳，任峰，李龙海.大学生赛车悬架机构设计及优化[J].时代汽车,2019(11):79-80. [13]王谦.汽车主流悬架系统对比分析[J].中小型企业管理与科技(中旬刊),2019(02):158-159. [14]唐家兵.四驱不带轴间差速的驱动原理解析[J].汽车实用技术,2020(07):107-109.
[15]方登芳.汽车半轴校直工艺及其设备的研发[D].合肥：合肥工业大学,2019.
(责任编辑杨建辉)
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