沙漠越野车多连杆独立悬架结构的优化

设计

朱思琦张璐王自朋

摘要：由于汽車行业内多连杆悬架造价高、结构复杂，故其大多运用于高档越

野车。多连杆独立悬架需要同时满足驾驶安全性和操作稳定性要求，且这两个

要求互相独立，难以平衡。为取得良好的驾驶舒适度，需要多次小幅度地增加

汽车的缓冲效果，以减少车身的震动，但这不利于很好地控制汽车的转向，容

易造成汽车的转向操纵不稳定，所以设计汽车悬架需要合理协调驾驶安全性和

操作稳定性这两方面需求。由于沙漠路面的特殊性，其对车身的冲击作用与常

规路面不同，沙漠越野车悬架设计尤为重要。本设计首先阐述了独立悬架的种

类及其构造特点，然后对多连杆独立悬架进行设计计算，以满足汽车的行驶平

顺性为设计原则，设计多连杆独立悬架的各组成零部件，先后进行计算和校核。

通过深入探究，完成了沙漠越野汽车后悬架的设计优化，汽车稳定性和平顺性

均有所改善，有效提高其减震性能。

Key：多连杆;独立悬架;减震器

：U463：A：1003-5168（2021）31-0079-05

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1绪论

悬架是汽车上的重要总成之一，主要功能是将作用在车轮上的力和力矩传递到

车架上，弱化不平坦路面对车身产生的冲击力，从而使汽车稳定驾驶。当车辆

在凹凸不平的路面行驶且路面不平度刺激车辆使震动达到一定的幅度时，坐在

车内的乘客会感到不适，货物也会受到一定的影响，故研究车辆震动、改进悬

架装置的结构对改善车辆的操纵稳定性和提高汽车乘坐体验具有重要意义。汽

车运动部件多，组成零件非常繁杂，受力复杂多样。我国西北地区沙漠面积广

阔，由于沙漠路面的特殊性，对车身的冲击作用与常规路面不同，悬架要配合

车轮和车身缓和沙漠路面对车身的冲击作用，保证沙漠越野车正常行驶，因此

沙漠越野车悬架设计的要求就更加严格。此外，车辆还是一个复杂多样的非线

性系统，具有一定的惯性作用和弹性作用等。由于汽车转向、悬架、传动等机

械系统之间的结合，车辆的动态特性十分烦琐。

1.1悬架的概述

汽车行驶过程中，路面的凹凸不平会引起车身震荡，为获得更好的运动平顺度，

设计了悬架，将车轮和车架进行弹性连接，以降低作用在车身上的冲击载荷

[1]。悬架能够有效提升车辆的行驶平顺性。悬架的主要功能包括：①增加汽车

的稳定性，减少由路面不平坦引起的车辆晃动;②使车轮和车身之间具有一定

的集合位置连接;③是车架与车轮连接的弹性元件。

汽车的悬架系统由弹性部件、减震器、导向机构稳定杆等构成，可分为独立悬

架与非独立悬架。就结构而言，非独立悬架是安装在车轮两端的一条整体轴，

弹性部件通过悬挂在车架上连接车轮与车身。如果一方车轮由于路面不平整出

现状态上的改变，则会直接影响另一侧的变化，其构造如图1（a）所示。独立

悬架则是利用车轮两侧的弹性元件悬挂于车架的下方，该种形式的车轴两侧是

断开的，所以车身一侧的车架状态改变，不会对另一侧的车轮产生直接影响，

如图1（b）所示。此外还有一类独特的悬架，类似于半刚性非断开型后支撑桥

的组合，此类悬架一般叫作半独立悬架。

1.2汽车操纵稳定性研究现状

近年来，多连杆独立悬架渐渐被用于中档汽车和高档汽车中，传统的老式悬架

逐渐被取代。在车辆行驶过程中，对驾驶员造成影响的因素有内部因素和外部

因素。其中，内部因素包含驾驶员紧张、焦虑等心理因素;外部因素有公路材质

的不同、路面的高低不平对车辆行驶的影响及其他车辆的通行等。悬挂系统作

为汽车的关键部分，其构造、形态和定位参数对汽车平顺性、操纵和运行的稳

定性起到决定性作用[2]。在汽车行驶过程中，当车轮产生上下跳动时，车轮位

置参数应该保持在合理区间内，以保证车辆的整体动力学特性不会出现很大的

变化[2]。车辆的正常行驶需要悬架的配合，所以悬架的设计非常重要。

汽车操纵稳定性发展较快，国际上很多汽车研究机构对其进行过探索，对现在

的发展研究提供了很大的帮助。对汽车的操纵稳定性进行研究发现，当质心位

置发生改变时，车轮的宽度会随之改变，车轮的压力也会受到影响。日本设计

师的《车辆悬架》对悬架运动学进行深入探索; 等人提出了应用非

线性二自由度麦弗逊悬架模型的一种建模方式，不仅分析了簧上质量的垂向加

速度，还针对悬架导向机构的运动学特点进行探究，得出悬架运动过程中四轮

定位参数的变化状况，并对比分析ADAMS 中建立的模型，从而验证了数学模型

的准确性[3];LEEDC 等人提供了一种解析方式对后扭力梁悬挂系统进行运动

学特性分析，进一步进行优化设计，通过其构建的数学模型，找到对悬架运动

学特征有很大影响的坐标位置的变动情况，并以这些坐标点为主设计研究变量，

进一步对侧倾中心高度、最大侧倾刚度及横纵梁连接点的最大应力值进行优化，

与实车数据进行比较分析，从而验证研究方式的可行性[4]。

如今的汽车研发已经到了新的阶段，计算机仿真技术使大量的汽车试验都得以

在虚拟试验场进行，不仅节省了大量成本，还加快了研究进度，是一种有利的

新型设计方式，可以轻松准确获得试验汽车的各项性能指数，方便厂家对各项

参数进行调整。各种科学技术层出不尽，大量虚拟现实与模型都促进了汽车的

发展。电脑模拟测试的快速发展大大加快了汽车的研发进度，现有的技术可以

将驾驶员通过虚拟现实（，VR）连接到测试汽车，进行各种试

验，加快了新产品的研发进程。同时，还可以通过各种数据优化汽车结构，提

升汽车性能，这已经是当今世界主流的汽车研发方案，大多数汽车公司都有了

自己的驾驶员模拟器。

而我国汽车行业相对落后，起步较晚，经验较少，研发能力和生產工艺也相对

欠缺，对汽车操作性和稳定性的控制也远远落后于德系汽车。但如今国内汽车

行业已然崛起，我国汽车企业在各个领域都渐渐打破了世界一流厂家的技术垄

断，国内汽车企业和汽车研究团队逐渐开始根据消费者的需求进行大量试验，

致力于提升汽车的各项性能[5-9]。

2多连杆独立悬架设计思路

汽车的各项性能都影响着消费者的体验，如经济性、动力性、舒适性等，其中

操纵稳定性是汽车厂家的研究重点。汽车零部件较多，每个部件都会影响汽车

的性能，因此汽车的动态特征非常多样。影响车辆行驶状态的因素有很多，其

中车轮的定位参数十分重要，而在行驶过程中，车轮的各个角度，如通过角、

主销内倾交角等，都影响着车轮的行驶状态。车辆的运动状况不断变化，这就

要求汽车有很强的适应性和通过性，改善自身性能。

多连杆悬架可使汽车的操控性、稳定性得到较大提升，如今中高端车大多装配

多连杆悬架。其中，前后悬架采用的方案不同，后悬架连杆式的性能更好。本

次选取独立多连杆悬架为改进方案，对一款沙漠越野车后悬架进行优化设计。

通过确定多连杆悬架参数，对悬架弹性元件、减震器、导向机构进行设计计算，

并对行驶平顺性进行分析。在优化完善后，通过深入探究设计，完成沙漠越野

汽车后悬架的设计优化，汽车稳定性和平顺性均有改善，有效提高其减震性能。

2.1多连杆悬架基本参数的计算

首先确定所设计悬架的原始参数，确定悬架的自振频率，计算出悬架的刚度、

动静挠度等。采用牧马人 的主要参数，额定载客5 人，总质量为1991

kg，外形尺寸为××，最高车速为190km/h，设计

寿命为15 年，排量2.0T。其他参数如表1 所示。

由于汽车质量分配系数ε约等于1，则汽车前、后轴上方车身两点的震动不关

联[1]。

依据对弹簧参数的计算，本次设计选取螺旋弹簧，加之沙漠越野车的车型特征，

选用 为原材料，针对侧向摩擦力、垂直时的横向摩擦力及横纵时的摩

擦力应当额外设置一个扭力导向器。多连杆式的高速导向传动机构已经在各种

独立式后车轮悬架中得到了广泛应用。图3 为多连杆悬架的导向机构。

2.3对减震器进行设计计算

2.3.1相对阻尼系数ψ。在减震器卸载阀打开前，其中的阻力F 与减震器震动

速度v 之间的关系为[1]：

2.3.2最大卸荷力。为了减小传到车体上的冲击力，当减震器活塞震动速度超

过阈值时，减震器开启卸荷阀[1]。此时的活塞速度即为卸荷速度[vx]：

2.3.3筒式减震器主要尺寸。根据伸张行程的最大卸荷力F 进行计算，筒式减

震器工作缸直径D 为[1]：

2.4平顺性分析

由于车辆的平顺性与“路-车-人”所组成的系统密切有关，影响车辆平顺性的

主要因素有路面不平整（也是震动的来源）以及车辆悬架、轮胎、座椅、车身

等零部件的机械力学特性，包括机械刚度变化和损伤，频率、阻尼和运动惯性

参数（机械质量、惯性矩等）。这些相关参数需要根据不同类型车辆的需求来

设计，在使用中不应损坏。例如，悬架体与复合钢板和制动弹簧之间的摩擦润

滑不好时就相当于大大提高了制动悬架的整体刚度;制动减震器的气压漏油几乎

等于零就是为了大大减小制动悬架在整体系统过程中的阻尼。

本次优化设计构造一个二自由度的新型汽车振动控制系统动力学计算模型，更

接近汽车悬挂系统的实际情况，该系统设计总体框架见图4。

3结语

汽车悬架作为现代车辆上重要总成的一部分，主要功能是减轻由路面传递给车

架车身的冲击载荷，降低由此所产生的震动，以保证车辆的行驶平顺性与乘坐

舒适度。本文通过对国内外越野车悬架系统的技术现状、发展趋势、市场等情

况进行调查研究，了解越野车后悬架的结构特点，确定越野车后悬架的结构形

式及设计条件，计算悬架系统主要性能参数，分析优化结构尺寸。在优化后，

通过深入探究，完成了沙漠越野车后悬架的设计。沙漠越野车选用多连杆独立

悬架牧马人 的初始参数，选取材料 作为悬架螺旋弹簧的原材料，

对弹簧参数进行了选定;选用独立的悬架引导机构;选择筒式减震器;对横向稳定

杆进行设计，对平顺性进行了系列分析，汽车稳定性和平顺性均有改善，有效

提高汽车的减震性能。还有一些问题尚待完善，需进一步的深入研究，如可对

悬架导向机构进一步设计分析、可对平顺性进一步深度分析等。

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