悬架在侧视图中的主要几何设计参数包括虚拟摆臂的长度、角度以及与之相关的支撑特性和车轮退让性,而悬架的K特性包括轮跳时主销后倾角的变化。
当发生轮跳运动时,在侧视图中轮心会绕一个虚拟瞬时中心运动,可以用轮心和瞬时中心之间的虚拟摆臂来代表悬架的运动状态。虚拟侧视摆臂概念可以帮助快速了解有关行驶平顺性和车辆俯仰运动的悬架特性。侧视虚拟瞬时中心和虚拟摆臂长度随轮跳行程而变化。
对麦弗逊悬架而言,虚拟侧视瞬时中心的位置与减振器支柱的后倾角以及下控制臂衬套连成的轴线有关,由通过Topmount中心点作减振器支柱中心的垂线和通过下控制臂外球铰作下控制臂衬套轴线的平行线决定。连接虚拟侧视瞬时中心和车轮中心的直线确定了侧视摆臂角度(Side View Swing Arm Angle)和侧视摆臂长度(Side View Swing Arm Length)(图3.34)。
图3.34 麦弗逊悬架虚拟侧视瞬时中心的位置、虚拟摆臂角度和长度的定义
对双叉臂悬架而言,虚拟侧视瞬时中心的位置与上下控制臂衬套的连线有关。是由上控制臂外球铰做上控制臂衬套轴线的平行线和下控制臂外球铰做下控制臂衬套轴线的平行线的交点,即为虚拟侧视瞬时中心(图3.35)。双叉臂悬架在选择侧视摆臂几何方面有更大的自由度,可以比较灵活地通过调整上下摆臂的衬套相对高度来设计侧视几何特性。
图3.35 双叉臂悬架虚拟侧视瞬时中心的位置、虚拟摆臂角度和长度的定义
对于所有悬架形式,侧视图摆臂角度决定了当车轮遇到路面凸起时,悬架垂向位移引起的车轮后退或前行量。当车辆前行遇到路面凸起时,如果几何上保证车轮后退,可减少碰撞时的冲击力。欲达到车轮上跳后行效果,前悬架的瞬时中心应该位于轮心下方,而后悬架的瞬时中心应该位于轮心上方(图3.36)。
图3.36 后悬架的瞬时中心高于轮心可保证轮心上跳时后退从而改善纵向冲击强度
侧视摆臂长度决定轮跳时摆臂角度变化量,而摆臂角度变化决定了前悬架的主销后倾角变化。前悬架在压缩行程中主销后倾角增加,有助于转向时轮胎侧向力反馈,提高回正性能和路感。摆臂角度变化也和静态悬架高和车身俯仰角变化有关。
侧视几何中一个很重要的概念是支撑特性。支撑特性是悬架侧视几何特性在没有悬架弹簧变形的情况下对车辆纵向载荷转移做出反应的能力。支撑特性的实质是利用悬架侧视几何特性减小在加速或制动时的悬架变形,从而减小车身的俯仰角度。通过支撑特性减小车身的俯仰角度与通过增加弹簧刚度来起到同样的作用相比,弹簧刚度的增加通常会影响其他方面性能的平衡。在概念设计阶段就要设定支撑特性的目标,并通过优化硬点来实现。支撑特性与侧视摆臂角度、整车质心高度、轴距以及牵引力和制动力分配有关。
支撑特性包括四项内容,分别是制动时前悬架的抗点头和后悬架的抗抬头,以及加速时前悬架的抗抬头和后悬架的抗下蹲特性。统一定义为:
式中,Δ F z 为制动或加速时轮胎垂向力转移的变化量;Δ F s 为弹簧力的变化量。在所有四种情况下,Δ F z 和Δ F s 的符号都相同。
如果某项支撑特性 A (%)=100,如制动时抗俯冲支撑特性 A (%)=100,则意味着制动时轴荷转移量完全由悬架杆件传递。此时,弹簧力增量为零,弹簧的变形为零,前悬架完全没有制动点头行为,并且悬架弹簧刚度对前悬架制动点头行为没有任何影响。而如果某项支撑特性 A (%)=0,如制动时抗点头支撑特性 A (%)=0,则意味着制动时通过悬架杆件传递的垂向力为零,载荷转移量完全由弹簧承担,弹簧的变形大小和前悬架的制动点头量完全由弹簧刚度决定。下面将从此定义出发,推导抗俯仰特性和悬架及整车设计参数的关系,以便量化并准确设计支撑特性。
在制动工况下,制动力作用于地面,并通过悬架传递到车身。前悬架的制动抗点头工况的受力分析如图3.37所示。图中 H 为质心高度; F xf 为前轮制动力; ρ 是悬架的抗点头角,定义为轮胎接地点和瞬时中心的连线与水平面的夹角。对绕瞬时中心的总力矩求和,并做适当简化可得出式(3.2):
图3.37 制动工况下前悬架的抗点头工况受力分析
将式(3.2)代入式(3.1),可得出制动抗点头支撑特性的表达式,应用该表达式可以根据整车和悬架设计参数很方便地计算出制动抗点头能力。
根据定义,实现100%制动抗点头能力时弹簧力为零,从式(3.3)可得出此时悬架的抗点头角度,标记为 ρ 100% 。
由式(3.4)可以推出支撑特性的第二个表达式(3.5)。该表达式更直观地描述了支撑特性的实质,即支撑特性是悬架抗点头角度的正切值与达到100%支撑特性的悬架角度正切值的比值。
因此,提高悬架抗点头角可以提高制动抗点头特性,而这个夹角与侧视图虚拟摆臂角和轮胎承载半径有关。应该指出,没有制动力( F xf =0)则没有抗点头能力,因为从式(3.2)可知:Δ F s =Δ F z ,即垂向载荷转移必须完全由弹簧承担。另外,当悬架抗点头角 ρ 为零(即瞬时中心在地面上)时,从式(3.5)可知,抗点头能力也为零。
类似地,从一般的定义出发,也可以推导出后悬架制动抗抬头能力与相应悬架特征参数的关系。后悬架的制动抗抬头工况的受力分析如图3.38所示,由此得出的支撑特性表达式:
后悬架的制动抗抬头能力从形式和影响因素上与前悬架制动抗点头能力完全对称。当后轴制动力分配比为零,或者当角度 ρ 为零时,后悬架制动抗抬头能力为零[ A (%)=0]。
图3.38 制动工况下后悬架的抗抬头工况受力分析
加速时,作用于车轮的驱动力矩在车轮中心产生一个作用于悬架的纵向力。此时与支撑特性相关的角度就是侧视虚拟摆臂角 θ 。加速时前悬架抗抬头工况的受力分析如图3.39所示,由此得出支撑特性表达式(3.7)。当前轴驱动力矩为零(即后轮驱动车),或者侧视摆臂角为零时,加速时前悬架的抗抬头能力为零[ A (%)=0]。
图3.39 加速时前悬架抗抬头工况受力分析
类似地,加速时后悬架驱动工况的受力分析如图3.40所示,由此得出加速抗下蹲支撑特性的表达式为式(3.8)。当后轴驱动力矩分配为零(即前轮驱动车),或者侧视摆臂角为零时,后悬架加速抗下蹲支撑特性 A (%)=0。
图3.40 加速时后悬架抗下蹲工况受力分析
虽然提高悬架的制动抗点头能力可以有效地减小制动点头角,但是开发实践表明,太高的制动支撑特性可能会引起在轻微制动时车身的前后“窜动”。因为此时车身的动能更多地需要由相对较低的纵向阻尼来消耗。
另外,对前悬架而言,与侧视图几何有关的抗俯仰特性与车轮退让性要求相矛盾。前悬架制动抗点头和加速抗抬头能力需要较高的悬架瞬时中心的位置(即较大的 ρ 值);而车轮退让性要求降低悬架瞬时中心的位置以减轻过坎冲击强度。因此,在设计前悬架几何时需要折中,通常车轮上跳时会有轻微的前行,需要适当降低轮心的纵向刚度作为补偿。对后悬架而言,支撑特性与车轮退让性需求对后悬架侧向摆臂设计要求一致,因此无须折中。