懸架系統設計的案例
懸架設計中穩定桿系統-穩定桿連桿設計 ￥1
本文主要討論懸架系統設計過程中一個子零件的設計開發，及穩定桿連桿的設計開發，穩定桿連桿的布置會影響懸架的rollsteer，不足轉向，減震器的強度，疲勞，及穩定桿強度等
淺談汽車懸架設計的發展與趨勢
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結語
在設計汽車前懸架的過程中仿真分析能夠有效檢測汽車前懸架設計的合理性，同時對汽車行駛進行仿真實驗，有效地將設計過程中可能存在的缺陷檢測出來，并將前懸架系統的運動特性進行獲取，為后續的改進和繼續研發提供依據。在此基礎上進行設計和優化的汽車前懸架系統運行更加理想，汽車的運行狀態也將更加穩定。
作者：王智博 汪利彬
（華晨汽車集團控制有限公司）
福特汽車使用Adams開發創新的懸架設計
車輛懸架系統的設計會影響客戶對車輛操縱和乘坐舒適性的感覺。懸架設計的藝術在于權衡取舍，并在操作和舒適性之間做出折衷。例如，降低整車重心有助于提高操縱穩定性，但同樣會降低汽車的離地高度，進而會限制懸架行程，使得我們必須要用更硬的彈簧，最終降低了乘坐舒適性。
福特汽車公司致力于為客戶提供駕駛性能和舒適性均世界一流的車輛。這些關鍵的車輛性能會受到懸架設計的影響。福特最近發明了一種新型的扭梁式后懸架系統并申請了專利，獲得了媒體的廣泛好評。AutoCar UK 在2018 年7月對Fiesta ST的評論中說:“也許是與彎曲的“力矢量彈簧有關，但在壓縮沖程中，后部似乎有助于汽車在彎曲中樞轉。這是一種突然而微妙的效果，并賦予了汽車驚人的敏捷性。”2018 年9 月，在對福特 Focus TopGear的評價中，稱之為同級車中最好的駕駛體驗，并說:“Focus 讓人感覺到敏捷、尖銳、靈巧而且實際上很有。Adams的車輛動力學仿真在新型懸架設計的開”發中起著不可或缺的作用。
扭梁式懸架系統是半獨立懸掛系統，最常用于后輪。它結合了非獨立和獨立懸架的特點，允許車輪像獨立懸架一樣發生相對扭轉，也像非獨立懸架一樣允許車輪對另一側車輪產生影響。
扭梁式懸架包含兩個連接在底盤和車輪上的縱臂。連接這兩個縱臂的是一個扭力梁，形成典型的H形懸架結構，如圖1。H 形結構的前部通過橡膠襯套連接到車身，如圖2。當一側車輪受到沖擊時，扭力梁會發生扭曲 ，吸收并減少了一部分傳遞到對側輪的沖擊。與多連桿懸掛相比，扭梁式懸掛具有多個優點，例如高效的布置空間、較低的重量和成本。但是，它也具有一些可能影響客戶乘坐和舒適度的缺點。
展開 汽車懸架系統專題（7）：圖解各類獨立懸架
筒式減振器裝在滑柱桶內，滑柱桶與轉向節剛性連接，螺旋彈簧安裝在滑柱桶及轉向節總成上端的支承座內，彈簧上端通過軟墊支承在車身連接的前簧上座內，滑柱桶的下端通過球鉸鏈與懸架的橫擺臂相連。當車輪上下運動時，滑柱桶及轉向節總成沿減振器活塞運動軸線移動，同時，滑柱桶的下支點還隨橫擺臂擺動。
斜置單臂式獨立懸架
這種懸架如圖4所示。這種懸架是單橫臂和單縱臂(如下圖所示）獨立懸架的折衷方案。其擺臂繞與汽車縱軸線具有一定交角的軸線擺動，選擇合適的交角可以滿足汽車操縱穩定性要求。這種懸架適于做后懸架。
圖4
多桿式獨立懸架
獨立懸架中多采用螺旋彈簧，因而對于側向力，垂直力以及縱向力需加設導向裝置即采用桿件來承受和傳遞這些力。因而一些轎車上為減輕車重和簡化結構采用多桿式懸架。如圖5所示。上連桿9用支架11與車身(或車架)相連，上連桿9外端與第三連桿7相連。上桿9的兩端都裝有橡膠隔振套。第三連桿7的下端通過重型止推軸承與轉向節連接。下連桿5與普通的下擺臂相同，下連桿5的內端通過橡膠隔振套與前橫梁相連接。球鉸將下連桿5的外端與轉向節相連。多桿紗前懸架系統的主銷軸線從下球鉸延伸到上面的軸承，它與上連桿和第三連桿無關。多桿懸架系統具有良好操縱穩定性，可減小輪胎摩損。這種懸架減振器和螺旋彈簧不象麥弗遜懸架那樣沿轉向節轉動。如圖5所示。
圖5：多桿前懸架系統
1-前懸架橫梁 2-前穩定桿 3-拉桿支架 4-粘滯式拉桿 5-下連桿 6-輪轂轉向節總成 7-第三連桿 8-減振器 9-上連桿 10-螺旋彈簧 11-上連桿支架 12-減振器隔振塊
汽車懸架知識專題：非獨立懸架
非獨立懸架結構簡單，被廣泛用于小貨車和客車的前后懸架。有的轎車的后懸架也有采用非獨立懸架。
展開 
利用OptiStruct進行汽車懸架系統輕量化設計并提高其耐久性
行業 :汽車
挑戰 :如何減輕汽車后扭懸架梁系統的重量，同時提高其耐久性。
Altair 解決方案 :制定一套HyperWorks系列中的自定義工具,消除最初的“反復試錯”的設計循環。
優點 :縮短生產周期，同時生成具有競爭力的、低成本、低重量的后扭懸架梁。
項目介紹
后扭轉梁（RTB）懸架系統通常用于 A、B 和越來越多的 C 級車，其優點在于制造成本低，包裝要求小，與汽車操控性能有良好的兼容性。除了需要滿足一定的剛度和耐久性要求，當其彈性運動學特性也被納入考慮范圍時，RTB 的設計就變得困難。目前，采用實驗設計（DOE）和優化方法來探索可用的設計空間，同時減輕 RTB 的重量并降低設計成本是可行的方案。
Gestamp 公司是全球性的底盤零部件供應商，其客戶包括福特、大眾、寶馬和本田。它在英國、西班牙和德國設有技術中心，不斷擴大的全球業務促使其需要不斷地開發低成本，高容量的底盤產品。基于對零部件的質量和成本（與質量密切相關）的考慮， Gestamp 公司與其客戶從 2005 年開始引入 Altair 公司的優化驅動設計理念。通過形狀優化，形成了成本相對較低的 “U”形設計，既滿足 RTB 設計的剛性目標，又降低了反相滾動負載情況下關鍵焊縫的應力，從而提高了耐久性。
如今，這個耐久性要求已被確定為這種類型 RTB 設計的主要指標之一。
挑戰
一個“U”形的 RTB 設計通常需要考慮幾個相互關聯的目標。限定主要結構部件形狀的兩個關鍵目標是側傾剛度和側傾轉向。二者都受到扭轉元件（RTB 的橫向構件）形狀、位置、截面參數的影響。
“我們發現OptiStruct和HyperStudy提供的優化能力對于我們的RTB設計來說簡直是一 種財富。
展開 電動賽車半主動懸架系統仿真及實現
半主動懸架是一種可控懸架，可以不改變懸架剛度而只改變懸架阻尼來實現對懸架性能的調節，結構相對簡單，成本低廉，性能優良，有廣泛的應用前景。解雅雯利用電磁閥改變節流閥的流通截面面積的大小，進而控制節流閥進出油液量，以把減振器阻尼進行多級分段調節。趙強等引入慣容器替代中間質量實現雙磁流變阻尼器的雙層半主動隔振，建立系統動力學模型，設計基于模型的控制方法，采用具有全局收斂性能的自由搜索算法進行結構參數和控制器參數的聯合優化，并建立數值模型及用復合激勵對優化所得方案進行測試和驗證。相對于傳統懸架系統，電動賽車的半主動懸架系統可以對車身行駛穩定性加強，可以使電動賽車車身的振動被控制在某個范圍之內，大大提高電動賽車在行駛過程中的平順性，從而在比賽中取得更好成績。
本文建立電動賽車二自由度的半主動懸架模型和綜合性能目標函數，輸入參數，獲得懸掛質量垂直振動加速度、懸架動行程、輪胎動變形的輸出，建立MATLAB/Simulink仿真模型，通過路面激勵輸入進行仿真，對懸掛質量垂直振動加速度、懸架動行程、輪胎動變形仿真結果與被動控制進行對比。
1 二自由度半主動懸架模型的建立
1.1 二自由度懸架動力學模型
1/4車輛模型經常用于懸架系統的分析和設計。傳統被動懸架可以簡化為具有彈簧和阻尼器的雙質量二自由度振動系統，如圖1a所示。在電動賽車的半主動懸架模型中保留了彈簧，用以支撐靜載懸掛質量，阻尼器由一個力發生器u代替，如圖1b所示。
展開 汽車懸架系統
汽車懸架系統
這是一個在 SolidWorks 中設計的汽車懸架系統的詳細 3D 模型。它包含所有關鍵部件，例如控制臂、彈簧、減震器、轉向節、輪轂和安裝支架。
# 適合：
– 機械工程專業學生
– 汽車設計學習者
– 懸架幾何分析
– 仿真和動畫練習
電控懸架系統組成
電控懸架系統組成
汽車轉向及懸架系統運動仿真
Adams建立整車底盤剛體動力學仿真模型，對轉向系統和懸架系統進行建模，根據硬點坐標設置相應的運動副。整車質心位置，設置整車質量和轉動慣量。
底盤部件
運動副
轉向管柱
轉動副
十字軸萬向節
虎克鉸
轉向器齒輪齒條
轉動副+滑動副（設置傳動比）
拉桿兩端球頭
球鉸
轉向節及擺臂球頭
球鉸
減震器
帶阻尼的彈簧
原地轉向仿真
車速為零，左右轉動方向盤至極限位置，然后回正，模擬原地轉向過程，輸出轉向器齒條力變化曲線。（齒條力等于左右拉桿力之和）
車速10km/h動態轉向仿真
車速10km/h，左右轉動方向盤至極限位置，然后回正，模擬行駛過程中的動態轉向過程。
顛簸路面剛柔耦合仿真
顛簸路面行駛仿真模擬時，將懸架系統下擺臂替換為柔性件，可以分析路面沖擊對零件產生的應力。
展開 懸架系統開發流程—布置部分
懸架系統開發流程—布置部分
底盤電控系統-CDC半主動懸架
本文主要介紹某供應商的CDC系統。
系統架構
系統由四個位移傳感器，三個加速度傳感器，電控單元(ECU)和四個CDC減振器組成。如圖1所示。位移傳感器測量每個車輪與車身的相對位移，前軸兩個加速度傳感器和后軸一個加速度傳感器測量車身垂直加速度。這些信號和CAN總線信號(比如車速、方向盤轉角、縱向加速度、側向加速度等)輸入給ECU，ECU控制軟件根據控制策略輸出控制電流給減振器以調節阻尼力。
圖1 系統架構
CDC減振器的阻尼力由基礎閥系和電磁閥產生的阻尼力疊加而成。如圖2所示。
圖2 CDC減振器阻尼力
控制策略
在實際駕駛工況中，CDC半主動系統需要處理多種情景。如圖3所示，包括車輛狀態，路面輸入和駕駛員輸入。本節主要介紹路面輸入的控制策略，如圖4所示。
圖3 車輛駕駛場景
圖4 車輛駕駛場景簡化
CDC控制策略的主要目標是保證車輛安全和舒適性，也就是保證輪胎接地、提升車身控制以及最大化舒適性。如圖5所示。而通常輪胎接地和舒適性對于阻尼力的需求是相互矛盾的，如圖6所示。
圖5 車輛性能目標
圖6 阻尼力平衡
為了達到車輛的性能目標，CDC軟件的控制策略由圖7所示的功能模塊組成。
圖7 控制策略功能模塊
為了保證輪胎接地從而保證安全性，需要基礎阻尼力。“Base Current”模塊的功能就是根據車輛的速度提供基礎阻尼力。
為了防止車輪跳動，“Anti Wheel Hop”的功能就是根據車輪跳動的情況，在一段時間內增加控制電流從而增加阻尼力來控制車輪。如圖8所示。
圖8 防止車輪跳動模塊
在保證車輛安全性之后，控制策略主要提升車身控制。
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OPTIMUS_整車懸架系統生命周期優化
在本案例中，創建了車輛的多體模型和虛擬測試路面，來預測懸架系統（圖1）中3 個主要部件的耐久性響應。這些部件被定義成柔性體，來研究幾何尺寸和材料特性的不確定性對耐久性響應的可靠性的影響。可靠性分析的結果被用來改進懸架耐久性表現，減少耐久性由于幾何尺寸和材料特性不確定性帶來的波動。通過可靠性設計方法，工程師在設計中定義控制參數、信號參數和噪聲參數能夠更好地了解輸入參數的不確定性給產品性能帶來的影響。基于分析的結果，產品的可靠性可以被分析并改進。
問題闡述
在本案例中，對車輛懸架系統的疲勞進行了研究，目的是改進其可靠性。由此，本案例對積累疲勞超出一個選定的界限的概率進行了分析和優化，來滿足設計要求。為了實現這個目標，本案例選擇了一些設計參數，通過LMS Virtual.Lab 中的多體和耐久性仿真模塊和CATIA V5，評估了所關注的部件（圖2）上的最大積累損傷。考慮到部件幾何尺寸的變化， 在CATIA V5/LMSVirtual.Lab 中創建了自動網格更新的流程。此外，為了減少整個優化過程中的總體計算量，本案例中采用了一個由試驗設計（DOE）、響應面模型（RSM）和優化結合起來的混合優化流程。
使用到的軟件工具
? Noesis OPTIMUS
? LMS Virtual.Lab Motion
? LMS Virtual.Lab Structure
? LMS Virtual.Lab NVH
? LMS Virtual.Lab Durability
? CATIA V5 GPS
? Microsoft Excel
? MSC.Nastran
展開 轎車懸架系設計(1)
轎車懸架系設計(1)
后懸架的設計步驟
目前公司車型的后懸架主要是扭轉梁和拖曳臂的非獨立懸架，這些類型的后懸架結構簡單，成本較低，懸架參數也教容易控制；但是后排乘客的舒適性也較低。目前轎車用的后懸架選用多連桿的趨勢越來越明顯。。缺點是：零件數增加，公差要求更嚴格，加工成本增加；試驗測試復雜；承載能力相對較弱。
在后懸架的設計時需要基本確定汽車斷面尺寸、輪胎上跳和下跳行程、是否要驅動保護、輪胎規格、承載能力、整車操縱目標
、前懸架特征和零部件采用的工藝。有了以上的基本輸入后，一般分以下幾點對后懸架進行布置。
選擇連桿數目和梯形結構，
對于一款中級轎車一般采用兩連桿或者三連桿的居多。通常把具有兩根橫向連桿的獨立懸架叫著兩連桿獨立懸架，具有三根橫向連桿的獨立懸架叫著三連桿獨立懸架（如下圖所示）。連桿越多意味著橡膠襯套應用的也越多，過多的使用橡膠襯套意味著需要冒更多的可能出現的問題。兩連桿獨立懸架外傾角能夠通過橫向拉桿的幾何運動來控制。
三連桿的車輪外傾和前束的控制可以分別通過各自的調節桿完成。因此三連桿的獨立懸架調節車輪外傾和前束對拖曳臂橡膠襯套的變形影響要小。
后懸架各控制點的安裝位置
在布置之出首先要明確哪些懸架的控制硬點連接在車身上，哪些點懸架的控制硬點連接在副車架上。將這些點布置在副車架上會花費更多的成本和增加整車的重量，但是能提高對前束和車輪外傾的控制精度，提高過濾震動噪音的能力。對于一款中級轎車而言通常都將控制外傾和前束連桿上的設計硬點和主橫向擺臂的設計硬點布置在副車架上。
通常來說對點1（拖曳臂與車身連接點）和16（車輪中心）設定按以下幾點來做布置：制動點頭和加速抬頭的關系；整車尺寸和白車身的幾何約束；是否需要做后輪驅動的保護。為了控制整車的制動點頭和加速抬頭現象，通常點1的z軸坐標要高于點16（輪心）的z軸坐標。
展開 汽車懸架結構設計
麥克弗遜式是絞結式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉向主銷，轉向節可以繞著它轉動。特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，這點與燭式懸架正好相反。這種懸架構造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩定性。所以，目前轎車使用最多的獨立懸架是麥弗遜式懸架。
