四连杆式独立悬架性能分析!
同
济
大
学
上海大众汽车有限公司
梁骏
李文辉吴光强魏宏
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【摘要】四连杆式悬架是技术比较先进的悬架形式，可以从设计上保证车辆良好的直线行驶性能并最大程度减轻载荷的影响。通过对一般结构悬架的力学分析，总结了车辆在纵向与侧向运动特性要求下的悬架设计规则，同时建立了四连杆式悬架多刚体系统模型并对杆件位置姿态和车轮定位参数等特性进行了仿真，经过数值处理获得了四连杆悬架的各项性能。最后还通过对比麦弗逊式悬架，说明了前者的优势所在。
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主题词：独立悬架
车轮定位参数
文献标识码：A
文章编号：（HIIH）FIII>JGIJIK>IIHD>ID
负值方向变化的形式，而在下落时则向正方向变化。为了使轮胎磨损不因侧偏而加剧，同时不增加滚动阻力和不影响直线行驶能力，车轮前束在跳动过程中应尽可能保持不变。特别对于前独立悬架，通过此种设计可减小前轮侧偏角，使之保持不足转向性能。
在经典的汽车理论中，车辆的侧倾被定义为车身绕前后悬架侧倾瞬心连轴线的旋转。在车辆载荷、侧向加速度、车辆重心高度和整车侧倾刚度均一定时，用来表征车辆侧倾程度的车身侧倾角的大小取决于前后悬架侧倾中心的高度。但是，侧倾中心的高度并不是越大越好，除会影响驾驶员行车的路感之外，侧倾角度的减小同轮胎磨损之间存在不可调和
［H，J］
的矛盾。此矛盾反映在公式中为：
中图分类号：CDED:FGH
7前言
汽车悬架是车轮与车身之间一切装置的总称，
其功用在于：在垂直方向减振和起悬挂作用；在侧向可防止侧倾与左右车轮载荷转移；在行驶方向上保证驱动与制动的实现并保持方向稳定性。所以，汽车悬架系统对汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性都有很大的影响。悬架形式也在不断发展，从非独立悬架到独立悬架，从被动悬架到半主动悬架、主动悬架，其中四连杆式悬架就是一种比较新型的独立悬架形式。在HI世纪LI年代初，四连杆式悬架率先应用于奥迪AD平台，并逐渐成为德国大众旗下中高档轿车的标准配置。
8悬架运动学与车辆行驶性能
悬架运动学特性在使用中首先反映在车轮定
位参数的变化趋势上，实际的独立悬架在行驶弯路时，车轮会同车身一起侧倾。如果考察轮胎的侧偏角度，若承载较高的外侧车轮相对地面趋向于正的
［F］
外倾方向，会导致该侧轮胎的侧偏性能降低。比较
-
（F）式中，!为侧倾中心高度；
由式（F）可见，轮距轮跳变动率-
!M
起滚动轮胎侧偏加剧，增大滚动阻力，加剧车辆侧偏和轮胎磨损，尤其在转向独立悬架上的表现更为明显。因而，现代悬架在设计中必须采用优化方案，在兼顾减小轮距变化的同时通过横向稳定杆增加侧倾
理想的补偿方式是将悬架设计成上跳时外倾角向
!该项目得到霍英东教育基金会资助。
—HD—
汽车技术
刚度以减小侧倾角。
从车辆行驶的基本原理出发，车辆的方向稳定性取决于转向悬架杆系在各种外力作用下呈现的转向回正趋势。具体由制动回正力臂!
侧向力回正力臂$%&和垂直回正力臂!$等参数予以描述。参照图!所示的悬架一般结构受力分析，上述各项的作用力臂可用公式表述：
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式中，!为主销内倾角；!()$为轮胎动态半径；
胎外倾角；$#为车轮后拖距；#为主销后倾角。
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图1前独立悬架+,)平面示意图
#
图!
前独立悬架+,-平面示意图
由上述公式可知，悬架转向回正力矩最终只与后倾拖距$&和主销偏移距!’这两个几何量有关［.］。从保证车辆直线行驶性能出发，兼顾杆系连带车辆外倾变动侧偏磨损等因素，对于主销轴线的设计应满足：车辆左右两侧回正力臂尽可能对称，避免由于结构几何不对称造成车辆侧偏干扰力矩；!’应尽可
!
第#期
能减小乃至负值，从而减小正常情况下的转向回正力矩。对降低纵向力、转向敏感性以及反转向效应而言，上述的取值是比较理想的，而对于$&和主销内倾角，由于考虑侧风敏感性（侧风作用中心于车辆重心之前，主销后倾加剧侧风转向）的影响，则不宜取得过大。对前轮驱动的主销后倾角一般要求为
!3。
!四连杆式悬架多刚体运动学模型的建立
四连杆式悬架与传统类型悬架的最大不同之处
在于主销形式。如麦弗逊式悬架，主销轴线决定于减振器活塞杆顶端球铰和下摆臂外球铰的相对位置，而在四连杆悬架上不存在用来定义主销轴线的铰点位置，但是主销轴线又是确确实实存在的。于是便从中提出类似于平面杆系瞬心的“虚拟主销”概念，即.个
连杆延伸线所确定的转向节瞬时螺旋轴线［0、4］
。
为了解析四连杆悬架设计的独到之处，在多刚体机构仿真软件56578平台上建立了它的多刚体运动学模型。从刚体系统的角度出发，只考虑直线行驶状况，四连杆式悬架可以抽象成由#个独立刚体
和车体基组成的系统（图+、图.）。其中，四根摇臂、转向横拉杆同车体固定基之间用十字万向节连接，同转向节之间的运动副用的是球铰。因为需要测量轮胎定位参数的一部分数据，在本模型中增添了代表轮胎的刚体，固定铰接于转向节上（考虑轮胎的转动在我们的分析中没有意义）。最后需要指出的是，减振器在系统分析中属于力元，将其简化为刚体、运动副对我们的分析不具有实际意义，故在此略去。综上所述可得各构件的自由度如表1所列。
图+
四连杆式悬架956演示图
1:减振器活塞!:前上摇臂+:后摇臂.:转向横拉杆0:转向节
4:减振器活塞缸
;:承载臂
#:导向摇臂
—!0—
表!
四连杆悬架各构件的数量与单件自由度
前上摇臂$#后摇臂
%#转向横拉杆!#转向节
&#承载臂
’#导向摇臂
为了使仿真结果客观真实和具有可信度，选取
标准的悬架轮跳典型工况，令轮胎中心在!轴上下跳动范围为(&)**+,-&**，计算可得轮胎定位参数外倾）、主销内倾、主销后倾、轮距、侧倾中心高度、后倾拖距和主销偏移距等的轮跳特性（图&+图
。为了方便说明，利用仿真结果同现有的另一麦弗逊悬架经验证的相应特性数据进行比较。
从上面的结构分析可以发现，四连杆式悬架乃至其他多杆式悬架设计都是一种双横臂式悬架的变型，而与双横臂悬架所具有的承载与导向作用不同的是：在四杆式悬架中，由于采用了外移的虚拟主销，从而节省了悬架布置空间。车轮的承载主要是由承载臂承担，其余三杆起导向作用，基本不受载荷的影响，从而为设计悬架运动学性能提供了相当大的优化潜力。这种结构优化的结果可在悬架各特性图&+图
.#外倾
同麦弗逊式悬架外倾曲线固有的负向突出趋势显著不同，四连杆式悬架的外倾随着轮跳单调递减，在悬架经常工作的轮跳范围内（/&)**）外倾变动在)+
1#前束
在上述轮跳范围以内四连杆式悬架的前束值变—$’—
图&外倾轮跳特性
图’
前束轮跳特性
动在$)/
3#轮距和侧倾中心
四连杆式悬架在轮距变动方面的优势是显而易见的，其轮距变动曲线较麦弗逊式悬架的轮距曲线更为平直，极值点也更加靠近车辆设计载荷零位。当然在轮距变化减小的同时，悬架侧倾中心的降低是不可避免的，可见四连杆式悬架比麦弗逊式需要横向稳定杆提供更大的侧倾刚度。
4#主销内倾和后倾
对于主销偏移距和主销后倾拖距，由于涉及到选用轮胎的动态半径等不定因素，这里只给出四连杆式悬架轮胎动态半径为%
图5可见，在如上假设的前提下，主销偏移距变动在!!**左右，上下变动不超过
#结束语
通过建立四连杆悬架的多刚体系统模型，仿真
计算得到相应安装参数设定的轮胎定位参数（前束、外倾）、主销内倾、主销后倾、轮距、侧倾中心高度、后
汽
车
技
术
（前束、（图
图$
悬架主销后倾角轮跳特性
图#
悬架主销内倾角轮跳特性
图%
两侧轮距轮跳变化曲线
图&
倾拖距和主销偏移距等的轮跳特性，为今后的进一步分析提供了数值依据。从悬架结构和性能来看，四连杆式悬架的优势体现在：承载同导向隔离，赋予设计者更大的自由空间对悬架性能进行优化，使之更加符合理想前独立悬架的设计要求。同目前轿车广为采用的麦弗逊式悬架相比，在悬架设计运动
!
第#期
图&&主销偏移距轮跳特性曲线
图&!主销后倾拖距轮跳特性
学性能方面占有优势。
参
考
文
献
&余志生主编’汽车理论’北京：机械工业出版社，&%%(’!)’米奇克著’汽车动力学*卷：行驶的操纵稳定性’陈荫三译’北京：人民交通出版社，&%%!’
+宋健等’多连杆式前悬架主销轴线的确定’),-中国!
.
耶尔森’赖姆伯尔’汽车底盘基础’北京：科技普及出版社，
&%%!’/高卫民等’四杆式双横臂悬架的运动学分析’同济大学学报，&%%$
（#）(
余志生主编’汽车理论’北京：机械工业出版社，&%%(’
（责任编辑
岳伯陶）
原稿收到日期为!
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四连杆式独立悬架性能分析!
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上海大众汽车有限公司
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【摘要】四连杆式悬架是技术比较先进的悬架形式，可以从设计上保证车辆良好的直线行驶性能并最大程度减轻载荷的影响。通过对一般结构悬架的力学分析，总结了车辆在纵向与侧向运动特性要求下的悬架设计规则，同时建立了四连杆式悬架多刚体系统模型并对杆件位置姿态和车轮定位参数等特性进行了仿真，经过数值处理获得了四连杆悬架的各项性能。最后还通过对比麦弗逊式悬架，说明了前者的优势所在。
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主题词：独立悬架
车轮定位参数
文献标识码：A
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负值方向变化的形式，而在下落时则向正方向变化。为了使轮胎磨损不因侧偏而加剧，同时不增加滚动阻力和不影响直线行驶能力，车轮前束在跳动过程中应尽可能保持不变。特别对于前独立悬架，通过此种设计可减小前轮侧偏角，使之保持不足转向性能。
在经典的汽车理论中，车辆的侧倾被定义为车身绕前后悬架侧倾瞬心连轴线的旋转。在车辆载荷、侧向加速度、车辆重心高度和整车侧倾刚度均一定时，用来表征车辆侧倾程度的车身侧倾角的大小取决于前后悬架侧倾中心的高度。但是，侧倾中心的高度并不是越大越好，除会影响驾驶员行车的路感之外，侧倾角度的减小同轮胎磨损之间存在不可调和
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的矛盾。此矛盾反映在公式中为：
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7前言
汽车悬架是车轮与车身之间一切装置的总称，
其功用在于：在垂直方向减振和起悬挂作用；在侧向可防止侧倾与左右车轮载荷转移；在行驶方向上保证驱动与制动的实现并保持方向稳定性。所以，汽车悬架系统对汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性都有很大的影响。悬架形式也在不断发展，从非独立悬架到独立悬架，从被动悬架到半主动悬架、主动悬架，其中四连杆式悬架就是一种比较新型的独立悬架形式。在HI世纪LI年代初，四连杆式悬架率先应用于奥迪AD平台，并逐渐成为德国大众旗下中高档轿车的标准配置。
8悬架运动学与车辆行驶性能
悬架运动学特性在使用中首先反映在车轮定
位参数的变化趋势上，实际的独立悬架在行驶弯路时，车轮会同车身一起侧倾。如果考察轮胎的侧偏角度，若承载较高的外侧车轮相对地面趋向于正的
［F］
外倾方向，会导致该侧轮胎的侧偏性能降低。比较
-
（F）式中，!为侧倾中心高度；
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起滚动轮胎侧偏加剧，增大滚动阻力，加剧车辆侧偏和轮胎磨损，尤其在转向独立悬架上的表现更为明显。因而，现代悬架在设计中必须采用优化方案，在兼顾减小轮距变化的同时通过横向稳定杆增加侧倾
理想的补偿方式是将悬架设计成上跳时外倾角向
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汽车技术
刚度以减小侧倾角。
从车辆行驶的基本原理出发，车辆的方向稳定性取决于转向悬架杆系在各种外力作用下呈现的转向回正趋势。具体由制动回正力臂!
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图1前独立悬架+,)平面示意图
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由上述公式可知，悬架转向回正力矩最终只与后倾拖距$&和主销偏移距!’这两个几何量有关［.］。从保证车辆直线行驶性能出发，兼顾杆系连带车辆外倾变动侧偏磨损等因素，对于主销轴线的设计应满足：车辆左右两侧回正力臂尽可能对称，避免由于结构几何不对称造成车辆侧偏干扰力矩；!’应尽可
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!四连杆式悬架多刚体运动学模型的建立
四连杆式悬架与传统类型悬架的最大不同之处
在于主销形式。如麦弗逊式悬架，主销轴线决定于减振器活塞杆顶端球铰和下摆臂外球铰的相对位置，而在四连杆悬架上不存在用来定义主销轴线的铰点位置，但是主销轴线又是确确实实存在的。于是便从中提出类似于平面杆系瞬心的“虚拟主销”概念，即.个
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四连杆式悬架956演示图
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标准的悬架轮跳典型工况，令轮胎中心在!轴上下跳动范围为(&)**+,-&**，计算可得轮胎定位参数外倾）、主销内倾、主销后倾、轮距、侧倾中心高度、后倾拖距和主销偏移距等的轮跳特性（图&+图
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从上面的结构分析可以发现，四连杆式悬架乃至其他多杆式悬架设计都是一种双横臂式悬架的变型，而与双横臂悬架所具有的承载与导向作用不同的是：在四杆式悬架中，由于采用了外移的虚拟主销，从而节省了悬架布置空间。车轮的承载主要是由承载臂承担，其余三杆起导向作用，基本不受载荷的影响，从而为设计悬架运动学性能提供了相当大的优化潜力。这种结构优化的结果可在悬架各特性图&+图
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同麦弗逊式悬架外倾曲线固有的负向突出趋势显著不同，四连杆式悬架的外倾随着轮跳单调递减，在悬架经常工作的轮跳范围内（/&)**）外倾变动在)+
1#前束
在上述轮跳范围以内四连杆式悬架的前束值变—$’—
图&外倾轮跳特性
图’
前束轮跳特性
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3#轮距和侧倾中心
四连杆式悬架在轮距变动方面的优势是显而易见的，其轮距变动曲线较麦弗逊式悬架的轮距曲线更为平直，极值点也更加靠近车辆设计载荷零位。当然在轮距变化减小的同时，悬架侧倾中心的降低是不可避免的，可见四连杆式悬架比麦弗逊式需要横向稳定杆提供更大的侧倾刚度。
4#主销内倾和后倾
对于主销偏移距和主销后倾拖距，由于涉及到选用轮胎的动态半径等不定因素，这里只给出四连杆式悬架轮胎动态半径为%
图5可见，在如上假设的前提下，主销偏移距变动在!!**左右，上下变动不超过
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（前束、（图
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悬架主销后倾角轮跳特性
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悬架主销内倾角轮跳特性
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两侧轮距轮跳变化曲线
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倾拖距和主销偏移距等的轮跳特性，为今后的进一步分析提供了数值依据。从悬架结构和性能来看，四连杆式悬架的优势体现在：承载同导向隔离，赋予设计者更大的自由空间对悬架性能进行优化，使之更加符合理想前独立悬架的设计要求。同目前轿车广为采用的麦弗逊式悬架相比，在悬架设计运动
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图&&主销偏移距轮跳特性曲线
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学性能方面占有优势。
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献
&余志生主编’汽车理论’北京：机械工业出版社，&%%(’!)’米奇克著’汽车动力学*卷：行驶的操纵稳定性’陈荫三译’北京：人民交通出版社，&%%!’
+宋健等’多连杆式前悬架主销轴线的确定’),-中国!
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耶尔森’赖姆伯尔’汽车底盘基础’北京：科技普及出版社，
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余志生主编’汽车理论’北京：机械工业出版社，&%%(’
（责任编辑
岳伯陶）
原稿收到日期为!
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