3.1 悬架系统的基本功能和种类

早期的马车没有悬架，只有刚性轮胎，而且道路条件非常恶劣，车辆的行驶平顺性很差。后来发展出非弹簧式悬架，车身由皮带悬挂在支柱末端，它们既起到弹簧又起到减振器的作用。17世纪用钢板弹簧代替皮带是悬架设计的一大进步。发明悬架系统的最初动机是隔绝不平路面传递的振动和冲击，减小传递到车身的最大动态力。将原来的一体式车身用板簧分为簧上和簧下两部分后，悬架系统需要约束簧上和簧下两部分质量在除垂直方向外的其他5个自由度的相对位移，传递轮胎产生的控制力，在抑制俯仰和侧倾方面给车身足够的支撑。现代悬架是由弹簧、减振器和连杆组成的系统，将车轮连接到车身并允许两者之间的相对运动。曾经应用或者仍在应用的悬架类型多达几十种。总结起来，悬架的诞生和演变都是为了实现以下的基本功能：

1）提供垂向柔度吸收能量，达到隔振目的；

2）动态工况下保持轮胎与道路接触，以提高操稳性；

3）保持车辆行驶高度；

4）保证车轮相对于车身的正确运动；

5）减小传递到车身上的最大动态力；

6）传递轮胎产生的控制力；

7）阻止车身侧倾；

8）减少路面输入引起的噪声。

要同时满足以上功能并达到最佳性能，显然需要一定的设计理论指导。1925年独立悬架的出现以及Maurice Olley在其性能潜力上的挖掘，实际上催生了悬架设计理论的诞生。

随着悬架和橡胶轮胎的使用，以及道路条件变好，车辆的速度越来越高，因此车辆的运动性能越来越受到重视，逐步开始了悬架对运动性能影响的研究。为提升行驶平顺性能，悬架形式逐步从刚性整体轴板簧悬架向独立悬架转变，出现了各种形式的独立和半独立悬架。为减少路面输入引起的高频振动和噪声传递，在悬架系统中的各连接节点引入了橡胶衬套。而悬架衬套的变形在悬架的几何运动特性之外提供了弹性运动学特性，为悬架设计提供了更多自由度。可以认为：在垂直方向，悬架的主要作用是隔振和车身运动控制，而在其他方向上悬架的主要作用是保证车轮在运动及受力后相对于车身的正确定位，以便更好地发挥轮胎的潜力。表3.1总结了在不同工况下，为了控制车身的自由度，悬架必须传递的轮胎力和力矩，以及影响的相应车辆性能。所有类型悬架的工作原理都可以从如何传递轮胎力和力矩，以及如何改善车辆性能方面进行分析。悬架的出现催生了悬架几何运动学与弹性运动学特性设计理论，也催生了车辆动力学及其发展。悬架设计和调校的重点是达成期望的行驶平顺性和操控性能的平衡。本节将介绍主要悬架类型的历史、优缺点及应用。

3.1.1 悬架的构成要素

悬架的构成要素包括弹簧、减振器、横向稳定杆、衬套和限位缓冲块。在不平路面输入下，轮胎的跳动可能导致轮胎垂向力短时间内减小或消失，直接导致侧向力和纵向力的损失，降低车辆的稳定性。因此，在动态工况下减小轮胎垂向力的变化是悬架的一个主要功能，减振器的调校必须满足这方面的需求。在被动悬架的基础上逐步发展出了半主动悬架和主动悬架，主要包括：空气弹簧、可调式减振器、主动横向稳定杆和电液/电磁式主动悬架。应该指出，半主动悬架和主动悬架主要在车身跳动、侧倾和俯仰方以及减小轮胎垂向力传递方面发挥作用。在给定轴荷下为维持行驶高度，弹簧需要有一定的预压力和预压高度，而空气弹簧和主动悬架提供可变行驶高度。弹簧的刚度需要根据减振和车身运动控制需求进行设定。实车的悬架行驶高度可以通过测量某种规定载荷下的前后轮眉高度得到（图3.1），并通过改变悬架弹簧的预压力和预压高度进行调节。设计和仿真过程中的悬架高度位置一般通过检测某横向摆臂内外点的垂直高度差得到（图3.2）。除弹簧刚度外，横向稳定杆产生的额外侧倾刚度可以有效减小底盘相对于车身的侧倾。但横向稳定杆使得左右悬架产生关联，导致独立悬架的独立性降低，行驶平顺性变差。直接连接到麦弗逊悬架减振器外筒上的横向稳定杆拉杆还会产生额外的转向力矩，对操纵稳定性产生一定影响。悬架的上跳行程一般通过减振器外部或内部的限位缓冲块进行控制。由于弹簧、减振器和缓冲块力直接传递到车身，所以要求车身侧必须有足够的强度和刚度。

悬架连杆或控制臂可以保证车轮相对于车身的正确定位和运动关系。悬架的运动特性是指轮胎相对于车身产生垂向运动时车轮外倾角和转向角的变化情况，由悬架连杆的长度和彼此之间的角度关系决定。悬架连杆需要传递轮胎在纵向和左右方向上的力及力矩，因此有强度和刚度的要求。

为减少路面输入引起的噪声和高频振动，悬架杆件需要采用橡胶衬套柔性连接到副车架上。而柔性连接会引起车轮在轮胎侧向力、回正力矩、纵向力作用下发生转向和外倾运动，称为悬架弹性运动学特性。悬架几何、运动学和弹性运动学特性是悬架设计的核心。

早期车辆的前后悬架通常都采用钢板弹簧整体桥悬架（图3.3a），属于非独立悬架，即一侧车轮的路面输入必然对另一侧车轮产生影响。钢板弹簧分为多片簧和少片簧。钢板弹簧必须传递所有方向的轮胎力和力矩，唯一可以优化的是钢板弹簧到车架的安装点和轮心在侧视图的夹角，以及钢板弹簧在俯视图中和车辆中心线的夹角，它们会影响悬架运动特性。随后出现的多连杆整体桥悬架（图3.3b、c）比钢板弹簧整体桥悬架提供了更多的设计灵活性，但是非独立悬架总体来说因左右轮直接连接相互影响，悬架特性设定的自由度低。比如：单轮后行导致两轮同时转向；侧倾刚度取决于弹簧间距，侧倾阻尼取决于减振器间距；侧倾不足转向需求和期望的侧视摆臂角度需求之间相冲突等。因此，非独立悬架不易平衡行驶平顺性和操纵稳定性的要求，而且簧下质量大，影响行驶平顺性和动态抓地性。非独立悬架也有某些优点，比如：接近零的轮跳外倾，接近零的侧倾外倾，侧倾转向与轮跳转向关联性低，轮距变化不受悬架行程和侧倾中心高度的影响等。整体桥悬架侧倾中心在轮心高度位置，比较高，因此可以使用较低的侧倾刚度。

独立悬架的发明主要为了弥补非独立悬架的不足。独立悬架的左右轮独立运动（图3.4），簧下质量大为减少，行驶平顺性和动态抓地性大为提升。悬架特性设定的自由度提高，性能可调范围大，有利于更好平衡行驶平顺性和操稳性之间的关系。比如：对于给定的轮心刚度，侧倾刚度与弹簧位置无关；对于给定的轮心阻尼，侧倾阻尼与减振器位置无关。独立悬架的缺点包括：轮跳转向与侧倾转向相关联（例如，独立悬架需要一定的侧倾转向但不希望太高的轮跳转向），侧倾外倾与轮跳外倾相关联，轮距变化与侧倾中心高度相关联（较小的轮距变化需要较低的侧倾中心高度，而侧倾中心高度降低则侧倾刚度需求提高）。较早的独立悬架为20世纪30年代凯迪拉克前桥的双横臂悬架，1949年麦弗逊悬架开始在福特汽车上应用，20世纪70年代多连杆麦弗逊悬架开始在宝马7系上应用，众多多连杆独立悬架随后出现。

20世纪30年代在第一代大众甲壳虫上应用的扭力梁悬架以及在此基础上发展出来的采用瓦特连杆的扭力梁悬架统称为半独立悬架。扭力梁悬架不需要副车架，前面两个衬套直接连接到车身，控制除垂直方向外所有其他自由度。当一侧车轮跳动或车身侧倾时，扭转梁产生扭转，起稳定杆作用。该悬架最大的特点是结构简单、成本低廉。目前乘用车上几乎都使用独立或半独立悬架，因此以下将详细介绍主要的独立悬架和扭力梁悬架。

3.1.2 双叉臂悬架的种类

双叉臂悬架分为高上臂、低上臂和多连杆等多种主要形式。上下叉臂一起约束侧向、侧倾、纵向和轴节轴向旋转等4个自由度，转向拉杆约束车轮转向自由度。上下叉臂和转向拉杆的长度及相对角度决定了其运动特性。

高上臂悬架（图3.5a）的上臂位置较高，上下两个球铰垂向距离增加。优点包括：叉臂载荷减小，有较高的外倾刚度，较大的制造安装容错能力。缺点是要求垂向布置空间大，导致机舱盖高，轴节重量和成本高，主要用于纵置发动机后驱载货汽车和乘用车。

低上臂双叉臂悬架（图3.5b）结构相似，不过上球铰较低，伸入轮辋之内，因此其优点是：主轴较短，垂向紧凑，侧倾外倾变化大，易于控制侧视摆臂角和支撑特性，有较大的行程。也因为上摆臂球铰的侧向和纵向空间布置通常在轮辋之内，垂向间距小，其缺点是：上摆臂的受力较大，成本和重量增加，弹簧和减振器杠杆比较低，主要用于轻型载货汽车和跑车。

将下叉臂拆成两个独立连杆或者上下叉臂都拆成两个独立连杆，就变成虚铰双叉臂悬架。这样两个独立连杆的延伸线形成虚拟球铰结构，如图3.8所示。其优点包括：轮心纵向柔度增加，因为虚铰“深入”到轮辋结构中，主轴长度可进一步减小，可实现较大阿克曼转向修正。缺点是重量和成本高，主要用于高档大型豪华乘用车。

3.1.3 麦弗逊悬架的种类

从结构上看，将双叉臂悬架上臂的三个点合为一点就成为麦弗逊悬架。为了实现轮跳自由度，滑柱的上端有围绕这一点转动的自由度及沿滑柱轴线的移动自由度（通过滑柱活塞的运动实现，同时滑柱又用作减振器），这样上面的一个点和下叉臂以及转向拉杆就能约束除轮跳之外的5个自由度。麦弗逊悬架分为常规、多连杆和高性能三种。

常规麦弗逊悬架（图3.6）的优点包括部件少、重量低、费用低以及主销跨度大，有很高的弹簧和减振器杠杆比，侧向布置紧凑，但轮胎垂向力会导致滑柱活塞杆和滑柱导向套的侧向力从而增加滑柱内部摩擦力，几何调校能力有限，需要较大垂向布置空间，主销内倾角和主轴长增加，主要适用于横置发动机前驱布置方式。麦弗逊悬架塔座接受来自于减振器、弹簧和缓冲限位块的载荷，依传递路径的不同分为单通道、双通道和三通道3种。图3.7所示为双通道结构，弹簧力和缓冲块力直接传递到车身，而阻尼力通过塔座衬套Topmount传递到车身，以便增加隔振降噪能力。

同样，将麦弗逊悬架的下臂分为双连杆就变成了多连杆麦弗逊悬架。双连杆交于一个虚拟球铰，虚拟转向主销可以“深入”到结构中（图3.8）。其优点包括：主轴长度较小，可以提高阿克曼转向修正，车轮和制动盘可以由此内移。缺点是增加一个球铰并由此带来成本和摩擦力的增加。

2010年，通用汽车公司在其大功率高档车上引入了高性能麦弗逊悬架，用单独的转向主销结构将前视几何设计和转向轴设计独立开来（图3.9），这样主销几何设计受较少约束，主轴长度减小，从而减少了大驱动功率带来的转矩转向，同一平台架构里也可与常规麦弗逊悬架互换，形成模块化设计。但其成本和重量增加，复杂的结构可能需要额外的布置空间从而引起轮距增加。

另有一些从麦弗逊悬架演变来的悬架形式，如今已经逐步不再使用，共同特点是都有滑柱结构，但约束轴节自由度的方式不同（图3.10）。

3.1.4 多连杆悬架的种类

多连杆悬架主要包括4连杆、5连杆和H臂连杆三种。4连杆独立悬架顾名思义，一共有4个独立的连杆，包括刚性连接到转向节但可以侧向和扭转变形的拖臂连杆，以及外倾连杆、弹簧连杆和前束连杆（图3.11）。该悬架有分工明确的拖臂（调校行驶平顺性）和弹簧连杆及前束（调校操纵稳定性），易于达成性能调校的解耦，需要较小的垂向布置空间，并且可以通过紧凑型副车架实现双重隔振。但较短的侧视摆臂以及通常为了地板平整而不得不下移的拖臂连杆衬套，可能造成轮跳轮心前行，不利于提升平顺性。目前4连杆悬架在紧凑型到大型轿车和SUV燃油车上得到广泛应用，不过在电动车上因存在拖臂与电池包横纵向布置上的干涉，其应用受到一定限制。

5连杆独立悬架顾名思义，一共有5个独立的连杆，包括两个拖臂连杆，一个外倾连杆，一个弹簧连杆和一个前束连杆（图3.12）。可以将5连杆独立悬架考虑成上下皆为虚铰的双叉臂悬架的一种。最大的优势是在纵向布置非常紧凑，占用空间小。此外，其几何设计和优化更为灵活，能够达到良好的行驶平顺性和操控性平衡，可以实现轻量化，并与副车架配合实现双重隔振。缺点包括两个斜向布置的拖臂连杆造成的悬架后退柔度和侧向刚度的耦合，成本偏高，以及上摆臂连杆和外倾连杆为了避让车身纵梁而不得不取弯曲形状，不利于满足强度和刚度要求。5连杆独立悬架一般应用于高级轿车和SUV。

H臂独立悬架因为下摆臂有4个连接点形成H形而得名（图3.13），这样的H形下摆臂除可以控制纵向和侧向自由度外，还可以通过一个下端连接到H摆臂上，上端连接到轴节上的垂向连杆约束轴节俯仰转动自由度，其他的两个转动自由度由外倾和前束连杆约束。H臂独立悬架的冲击和隔振性能非常好，有比较清晰的行驶平顺性和操纵稳定性解耦的衬套，和副车架形成双重隔振，便于行李舱、第3排座位和驱动系统的布置。缺点包括H臂受载复杂、成本和重量较高以及垂向连杆布置困难等。H臂独立悬架主要应用于中大型乘用车和SUV。

3.1.5 扭力梁悬架的种类

扭力梁悬架是一种结构简单、设计巧妙的低成本悬架，可以同时约束纵向、侧向、侧倾、横摆等自由度，这类悬架不需要副车架。有多种看起来结构相似的悬架都可以称为扭力梁悬架，在功能和作用上各有特点。扭力梁可以直接设计在拖臂衬套位置，可以布置在轮心和衬套之间，也可以布置在靠近轮心位置（图3.14）。当扭力梁靠近衬套时得到的扭转刚度最大，侧倾外倾表现为过度转向，轮跳运动表现接近于独立悬架，而扭力梁靠近轮心得到的扭转刚度最小，侧倾外倾和轮跳表现接近于整体轴悬架。因为这个特点，这类悬架又称为半独立悬架。为增大纵向轮心柔度，需要较低的衬套纵向刚度，但结构上固有的特点会带来侧向力变形过多转向。

常规扭力梁（Compund Crank）悬架的扭力梁安装在车轮和拖臂衬套（A-Bushing）之间，有一个刚性拖臂，拖臂衬套提供纵向柔度，衬套通常与车身中心线形成角度以减小轮心侧向位移和侧向力变形导致的过度转向（图3.15）。扭力梁一般为管状或开口梁，不需要副车架，所以成本和重量较低。有基本独立的轮跳外倾和侧倾外倾变化，可通过旋转扭力梁开口调整侧倾转向系数，可通过改变梁截面厚度调整梁的扭转刚度。这类悬架也有较多缺点，包括固有的侧向力变形导致过度转向，有限的侧倾转向，可调性较低，侧视摆臂长度较短，侧视几何设计容易产生轮跳前行，以及扭力梁跳动时扫过体积较大，影响后舱布置。扭力梁悬架一般应用于前驱小型和紧凑型乘用车。

第二种扭力梁悬架为拖臂扭力梁（Trailing Twist Axle），其扭力梁靠近车轮中心，由于轮跳时需要扭转变形，所以拖臂是柔性的。该悬架需要引入横拉杆来控制横向自由度，拖臂衬套可以用于更好地调校纵向柔度。梁中通常有横向稳定杆，以便提高侧倾刚度。该悬架同样不需要副车架，因此有较低成本和较低重量。其在轮跳和侧倾下相对于地面有较恒定的外倾角。缺点同样为较短的侧视摆臂、有限的侧倾转向、低可调性、轮跳轮心前行以及扭力梁扫过体积大影响行李舱布置。横拉杆实际上是非对称结构，不同承载状态下连接在车身和悬架的两点必然会有高度上的差异，引起悬架相对于车身的横向位移，可能恶化行驶平顺性。拖臂扭力梁一般应用于前驱小型、紧凑型轿车以及厢式车（图3.16）。

为解决横向拉杆带来的不对称性，在更高端的扭力梁悬架上引入了瓦特连杆。瓦特连杆的两个横向连杆外端安装在左右纵臂的后端，中间连杆安装在连接到车身的横梁上（图3.17）。瓦特连杆既可以传递侧向力，也可以减小车身和底盘之间侧向相对位移，增加侧倾刚度，减小侧向力变形导致的过度转向，通过较低刚度的拖臂衬套改善行驶平顺性能，因此可以实现相对独立的行驶平顺性和操稳性调校。另外也可做成模块化扭力梁结构和常规扭梁悬架互换。瓦特拉杆导致成本和重量增加，需要增加副车架横梁来安装瓦特连杆，并且瓦特连杆的垂向高度进一步占用后车厢空间。带瓦特连杆的扭力梁悬架主要应用于较高级的前驱小型和紧凑型轿车。

3.1.6 悬架形式的选择原则

悬架大致可分为整体桥非独立、独立和半独立等三种主要形式，每一种又分为不同的类型。每一种悬架要实现的功能都相同：在垂直方向，悬架的主要作用是隔振和车身运动控制，而在其他方向上悬架的主要作用是保证车轮相对于车身的正确定位，以便更好地发挥轮胎的潜力。在占用布置空间、性能可调性、成本和重量等方面，不同的悬架各有特点。乘用车上多采用独立悬架，其中前轴倾向于使用双叉臂和麦弗逊悬架，后轴倾向于使用4连杆、5连杆和H臂等悬架形式。半独立扭力梁由于低成本的优势，在经济型车的后轴上应用广泛。

悬架形式的选择和车型定位有关，包括车型特征和售价。在概念设计阶段，除考虑布置约束、性能需求外，成本和重量也是必须考虑的重要约束。前悬架的选择需要考虑发动机的布置形式，横置发动机通常采取麦弗逊悬架，纵置发动机通常采用双叉臂悬架。对电动汽车而言，机舱布置的约束相对较少，悬架形式的选择更多考虑成本和性能方面的约束。后悬架有更多的选择，通常从成本、重量以及性能可调性考虑。图3.18所示为各式悬架在操纵稳定性和行驶平顺性方面的大致表现。其中，双叉臂悬架有很好的可调性，能够充分满足对悬架转向柔度和不足转向特性的需求，达到最好的操纵稳定性能。事实上，大多数运动车上都采用双叉臂悬架。相比而言，多连杆悬架的可调性更好，可以达到较好的行驶平顺性，同时维持较好的操纵稳定性。扭力梁悬架的轮心纵向柔度与侧向柔度高度相关，有固有的侧向力过多转向倾向，限制了达成需要的后轴等效侧偏柔度的能力，因此难以实现较好的操稳性能，另外簧下质量较大以及更接近于非独立悬架的特性也妨碍了优良行驶平顺性能的达成。大型豪华车可以承受更高的成本，因此倾向于使用多连杆悬架。运动型车辆一般采用双叉臂悬架。因为纵向紧凑的结构特点，5连杆独立悬架在电动汽车后轴上的应用更为普遍（图3.19）。