CN102358122A - 一种弹性多连杆直线导引独立悬架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性多连杆直线导引独立悬架，包括车轮、车架，弹簧减震器系统和转向节，其中转向节通过轮毂单元与车轮联接，弹簧减震器系统通过球头副分别与转向节和车架联接，该悬架机构还包括四个长条板状的弹性各向异性构件，其中上侧第一构件和下侧第一构件的纵轴线在同一铅垂平面内，上侧第二构件和下侧第二构件的纵轴线在同一铅垂平面内，且上述两个铅垂平面不平行。发明有益的效果是：可以约束车轮，使其上下跳动时始终在一条直线上，有效降低了轮胎的磨损，并能够有效地提高汽车的操纵稳定性、行驶平顺性以及乘坐的舒适性，具有结构简单，可设计性强，装配调整方便等突出优点。

Description

一种弹性多连杆直线导引独立悬架

技术领域

本发明涉及一种汽车悬架系统，尤其是一种弹性多连杆直线导引独立悬架。

背景技术

悬架是保证车轮或者车桥与汽车承载系统(车架或者承载式车身)之间具有弹性联系并能够传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车在行驶过程中车身位置等有关装置的总称。一般悬架主要由弹性元件、减震装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或者三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件和导向机构的作用。其中导向机构的功能是确保车轮与车身或车架之间所有的力和力矩可靠传递，并决定车轮相对于车身或车架的位移特性。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化情况，以及汽车前后侧倾中心和纵倾中心的位置，在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。

根据导向机构的特点，汽车悬架主要可以分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的典型特征在于左右车轮之间由一刚性梁或者非断开式的车桥联接，当单边车轮跳动时，直接影响到另一侧车轮。独立悬架左右车轮各自“独立”地与车身或车架相连或构成断开式车桥。此外，还有一种特点介于非独立悬架与独立悬架之间的半独立悬架。非独立悬架缺点明显，比如左右车轮跳动互相影响、非悬挂质量较大等，已经不能够满足当今汽车行驶平顺性和操纵稳定性方面的要求，因此独立悬架得到了很大的发展。

独立悬架的结构特点是两侧的车轮单独地通过弹性悬架与车身或车架联接，车桥做成断开式。因此，独立悬架有以下优点：一、在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以独立运动，而互不影响，这样在不平道路上行驶时可以减少车架和车身的耦合振动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象，提升了汽车直线行驶能力，保证了良好的操纵稳定性。二、减少了汽车非簧载质量。在非独立悬架情况下，整个车桥和车轮都属于非簧载质量部分。在独立悬架情况下，对驱动桥而言，由于主减速器，差速器及其外壳都固定在车架上，成为簧载质量；对转向桥而言，它仅具有转向主销和转向节，而中部的整体梁不再存在。所以采用独立悬架时，非簧载质量包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质量，显然比用非独立悬架时非簧载质量要小得多。在道路条件和车速相同时非簧载质量愈小，则车身所受到的冲击载荷愈小，故采用独立悬架可以提高汽车行驶平顺性和轮胎的接地性能。三、采用断开式车桥时，发动机总成的位置便可以降低和前移使汽车重心下降，提高了汽车行驶稳定性。同时给予车轮较大的上下运动空间，因而可以将悬架刚度设计得较小，使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性。四、易于实现驱动轮转向。以上优点使独立悬架被广泛地应用在现代汽车上，特别是轿车的转向轮都普遍采用了独立悬架，为了提高行驶安全性，越来越多的高级轿车的后悬也采用了独立悬架。

目前，在汽车上应用最广泛的独立悬架主要有：双横臂独立悬架、麦弗逊独立悬架和多连杆独立悬架。双横臂独立悬架的突出优点是设计灵活，但是采用该悬架的汽车车轮跳动时车轮定位参数和轮距变化较大，降低了汽车直线行驶能力，导致操纵稳定性较差，同时轮胎磨损严重。麦弗逊悬架的优点是结构简单，节省空间，且车轮跳动过程中其轮距、前束及车轮外倾等定位参数变化不大，减轻了轮胎磨损，也使得汽车具有较好的操纵稳定性，但是其可设计性较差，而且减震器的活塞杆与导向套之间存在摩擦力，使得悬架的动刚度增加，弹性特性变差，尤其在小位移时这一影响更加显著。多连杆独立悬架的优点主要是能够保证车轮跳动时车轮定位参数变化很小，但是其设计灵活性差，对连杆结构参数非常敏感，加工制造精度要求高，装配调整困难，目前主要应用在中高档轿车。

目前常规的独立悬架虽然在功能上都能够满足悬架设计要求，但是当车轮跳动时，车轮定位参数均会变化。在实际应用中，车轮任何定位参数的变化都会对汽车操纵稳定性或者其它方面性能产生不利影响，比如轮距的变化会导致汽车直线行驶能力下降，同时还造成滚动阻力增大和对转向系统的影响；车轮外倾角的变化会导致轮胎的异常磨损。

如何能够保证车轮跳动时其定位参数不会发生变化是独立悬架结构创新设计中的一个重点和难点。清华大学赵景山等曾提出三种能够用于汽车悬架的直线导引机构，参见【1.赵景山，褚福磊.竖向平移式空间多连杆独立悬架[P].中国专利：200610113114.2，2007-2-28.】【2.赵景山，赵盛，冯之敬，褚福磊.一种能够保持车轮定位参数不变的后独立悬架[P].中国专利：200910001094.3，2009-7-8.】。上述专利【1】【2】中悬架支链均为RRR运动链，在上下跳动的极限位置存在死点现象，并且RRR运动链是由三个转动副组成的运动链，其结构刚度和强度受到一定的影响。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种可用于汽车独立悬架系统的弹性多连杆直线导引悬架机构，实现车轮的外倾角、主销内倾角和后倾角、左右轮距、车轮前束(后束)以及前后轴距在车轮上下跳动过程中变化量更小，从而提高汽车的操纵稳定性、行驶平顺性以及乘坐的舒适性，并能够有效降低轮胎的磨损。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种弹性多连杆直线导引独立悬架，包括车轮、车架，弹簧减震器系统和转向节，其中转向节通过轮毂单元与车轮联接，弹簧减震器系统通过球头副分别与转向节和车架联接，该悬架机构还包括四个长条板状的弹性各向异性构件，分别是通过第一转动副与车架联接以及通过第五转动副与转向节联接的上侧第一构件，通过第二转动副与车架联接以及通过第六转动副与转向节联接的上侧第二构件，通过第三转动副与车架联接以及通过第七转动副与转向节联接的下侧第一构件，通过第四转动副与车架联接以及通过第八转动副与转向节联接的下侧第二构件；所述上侧第一构件和下侧第一构件的纵轴线在同一铅垂平面内，上侧第二构件和下侧第二构件的纵轴线在同一铅垂平面内，且上述两个铅垂平面不平行。

作为优选，悬架机构增加一个或者多个所述的弹性各向异性构件，且所有的弹性各向异性构件的纵轴线只位于两个不平行的铅垂平面内，增大了悬架机构的载荷能力。

作为优选，悬架机构在每侧的弹性各向异性构件之间增设一个或多个大刚度的辐条板，辐条板与相邻的上下两个弹性各向异性构件通过转动副连接，增大了悬架机构的各向刚度。

发明有益的效果是：本发明提供的弹性多连杆直线导引悬架机构，可以约束车轮，使其上下跳动时始终在一条直线上，实现车轮的外倾角、主销内倾角和后倾角、车轮前束(后束)、左右轮距以及前后轴距等定位参数在车轮上下跳动过程中的变化量更小，从而有效降低了轮胎的磨损，并能够有效地提高汽车的操纵稳定性、行驶平顺性以及乘坐的舒适性，具有结构简单，可设计性强，装配调整方便等突出优点。

附图说明

图1是本发明提供的弹性多连杆直线导引独立悬架机构的结构示意图；

图2是该悬架机构中弹性各向异性构件的特性示意图；

图3是弹性各向异性构件受压变形的等效运动链示意图；

图4是该悬架机构的俯视图；

图5是该悬架机构增设辐条板的机构示意图；

附图标记说明：车轮1，转向节2，弹簧减震器系统3，上侧第一构件4a，上侧第二构件4b，下侧第一构件4c，下侧第二构件4d，车架5，辐条板6，第一转动副A₁，第二转动副A₂，第三转动副A₃，第四转动副A₄，第五转动副B₁，第六转动副B₂，第七转动副B₃，第八转动副B₄。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1：如图1，这种弹性多连杆直线导引独立悬架，包括车轮1、车架5，弹簧减震器系统3和转向节2，其中转向节2通过轮毂单元与车轮1联接，弹簧减震器系统3通过球头副分别与转向节2和车架5联接，该悬架机构还包括四个弹性各向异性构件，分别是通过第一转动副A₁与车架5联接以及通过第五转动副B₁与转向节2联接的上侧第一构件4a，通过第二转动副A₂与车架5联接以及通过第六转动副B₂与转向节2联接的上侧第二构件4b，通过第三转动副A₃与车架5联接以及通过第七转动副B₃与转向节2联接的下侧第一构件4c，通过第四转动副A₄与车架5联接以及通过第八转动副B₄与转向节2联接的下侧第二构件4d，这四个弹性各向异性构件为长条板状的弹性伸缩构件，其抵抗绕板面横向水平方向弯曲的刚度较小，而抵抗绕板面法向方向弯曲的刚度很大；所述上侧第一构件4a和下侧第一构件4c的纵轴线在同一铅垂平面α内，上侧第二构件4b和下侧第二构件4d的纵轴线在同一铅垂平面β内，且上述两个铅垂平面不平行。

接下来将解释本发明中弹性各向异性构件的弯曲刚度特性，图2是本发明所述的弹性各向异性构件的原理特性示意图。弹性各向异性构件是长条板状的弹性伸缩构件，弹性各向异性构件两端的圆柱体分别代表第一转动副A₁和第五转动副B₁，构件分别通过第一转动副A₁和第五转动副B₁与车架5和转向节2联接。曲线op表示构件的纵轴线，即构件横截面中心的连线。o-XYZ是笛卡尔直角坐标系，其中，以铅直方向为Y方向，平行于水平面且垂直于纵轴线方向为Z方向，X方向以右手法则确定。当构件受力产生弯曲变形后，板面不在保持在同一平面内。图2中dS表示板面弯曲后某微元段板面所在的平面。以平行于Z方向且在板面微元平面dS内的直线T为dS的横向水平方向直线，垂直于板面微元平面dS的直线N为dS的法向方向直线。

弹性各向异性构件的弯曲刚度特性可以解释为：在理想情况下，构件抵抗绕板面横向水平方向弯曲的刚度较小。如图2所示中，当构件受到位于o-XY平面内的载荷F₁时，由于构件沿板面法向方向的尺寸很小，其抗弯刚度较小，因此构件受压产生弹性弯曲，绕板面横向水平直线T发生弯曲变形。构件纵轴线op在o-XY平面内的投影不再是一条直线，而是一条曲线。另一方面，弹性各向异性构件抵抗绕板面法向方向弯曲的刚度很大。如图2所示中，当构件受到方向平行于o-XZ平面的载荷F₂时，由于构件沿板面横向方向的尺寸很大，其抗弯刚度很大，因此构件受压产生弹性弯曲的程度很小，绕板面法向直线N发生弯曲变形极小甚至不变形，构件纵轴线op在o-XZ平面内的投影依然是一条直线。

由于弹性各向异性构件抵抗绕板面横向水平方向弯曲的刚度较小，弹性变形能力强，因此由第一转动副A₁和第五转动副B₁以及该弹性构件组成的运动链能够在o-XY平面内运动。若以第一转动副A₁为固定基座，则第五转动副B₁能够到达与第一转动副A₁的距离小于弹性构件原长度的所有点。另一方面，由于弹性各向异性构件抵抗绕板面法向方向弯曲的刚度很大，弹性变形幅度极小，因此该构件又能约束上述运动链始终在o-XY平面内运动。由此可见，由第一转动副A₁和第五转动副B₁以及弹性构件组成的运动链可以等效为一个瞬时的RRR运动链，亦即由三个转动副组成的平面内运动链。如图3所示是第一转动副A₁和第五转动副B₁以及弹性构件组成的运动链A₁PB₁等效为瞬时RRR运动链的示意图。在初始状态，运动链A₁PB₁末端B₁受到一个向上的载荷N₁，弹性构件P有较小的弹性弯曲，此时运动链A₁PB₁可以等效成一个瞬时的RRR运动链A₁C₁B₁。当载荷增大为N₂时，弹性构件P的弹性弯曲增大，此时运动链A₁PB₁可以等效成另一个瞬时的RRR运动链A₁C′₁B′₁。由此可以看出，运动链A₁PB₁相当于一个中间转动副位置不固定的RRR运动链。

由上述可知，由第一转动副A₁和第五转动副B₁以及弹性构件组成的运动链能够约束末端构件始终在同一平面内运动。由于上侧第一构件4a和下侧第一构件4c的纵轴线在同一铅垂平面内，而转向节2又分别通过第五转动副B₁和第六转动副B₂与这两个弹性构件联接，因此转向节2只能在这两个构件的纵轴线确定的铅垂平面内运动。另一方面，上侧第二构件4b和下侧第二构件4d的纵轴线在同一铅垂平面内，而转向节2又分别通过第七转动副B₃和第八转动副B₄与这两个弹性构件联接，因此转向节2只能在这两个构件的纵轴线确定的铅垂平面内运动。又由于上述的两个铅垂平面不平行，因此转向节2只能做直线运动，且其轨迹平行于两铅垂平面的交线。也就是说，本发明提供的悬架机构能够约束转向节甚至车轮做定直线运动，具有直线导引功能。

接下来，我们可以利用等效运动链来分析本发明的直线导引作用的运动学原理。根据【赵景山，冯之敬，褚福磊.机器人机构自由度分析理论[M].北京：科学出版社，2009.】提出的机构自由度的分析理论，我们可以应用螺旋理论对运动链末端机构自由度进行分析。

图4是本发明提供的采用弹性各向异性构件的直线导引独立悬架机构俯视图。为方便描述，以第一转动副A₁和第二转动副A₂的两条轴线所在的平面为xoy平面，以这两条轴线的交点为坐标原点，以第二转动副A₂的轴线为x轴建立右手坐标系。若第一转动副A₁和第二转动副A₂的两条轴线相互正交时，则如图4所示，y轴恰好与第一转动副A₁的轴线重合。现不失一般性，设第一转动副A₁的轴线到x轴的夹角为ψ(0°＜ψ＜180°)，第二转动副A₂到坐标原点的距离为a，第一转动副A₁到坐标原点的距离为b，则可以得到第二转动副A₂的坐标为(a 0 0)，第一转动副A₁的坐标为(bcosψ bsinψ 0)。由上所述，由第一转动副A₁和第五转动副B₁以及上侧第一构件4a组成的运动链A₁P₁B₁可以等效为RRR运动链A₁C₁B₁。同理，由第二转动副A₂和第六转动副B₂以及上侧第二构件4b组成的运动链A₂P₂B₂可以等效为RRR运动链A₂C₂B₂。在此基础上，可以设第六转动副B₂和第五转动副B₁的坐标分别为(a y_B2 z_B2)和(x_B1 y_B1 z_B1)，转动副C₂和C₁的坐标依次为(a y_C2 z_C2)和(x_C1 y_C1 z_C1)。若a≠b，则构件容易受到偏心载荷，不利于构型稳定性，因此令a＝b。

在o-xyz坐标系下，转动副A₂，C₂和B₂轴线的方向向量均为s₁＝(1 0 0)^T，转动副A₁，C₁和B₁轴线的方向向量均为s₂＝(cosψ sinψ 0)^T，根据螺旋理论，运动链A₁C₁B₁的运动螺旋系为

${\$}_{A_2{C}_2{B}_2}=\left[\begin{array}{ccc}{\$}_{A2}& {\$}_{C2}& {\$}_{B2}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中 ${\$}_{A2}={\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)}^T,$

${\$}_{C2}={\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_{C2}& -y_{C2}\end{array}\right)}^T,$

${\$}_{B2}={\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& z_{B2}& -y_{B2}\end{array}\right)}^T.$

运动链A₂C₂B₂的终端约束

可以由互易螺旋理论求出，即

${\$E\$}^r=0---\left(2\right)$

其中

为运动螺旋系， $E=\left[\begin{array}{cc}0& I_3\\ I_3& 0\end{array}\right],$ $I_3=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

为

的反螺旋系。

由(2)式可以求出

为：

${\$}_{A_2{C}_2{B}_2}^r={\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(3\right)$

同样，可以写出转向节2的另一条运动链A₁C₁B₁的运动螺旋系为：

${\$}_{A_1{C}_1{B}_1}=\left[\begin{array}{ccc}{\$}_{A1}& {\$}_{C1}& {\$}_{B1}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中 ${\$}_{A1}={\left(\begin{array}{cccccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)}^T,$

${\$}_{C1}={\left(\begin{array}{cccccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0& -z_{C1}\sin \mathrm{\ψ}& z_{C1}\cos \mathrm{\ψ}& x_{C1}\sin \mathrm{\ψ}-y_{C1}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right)}^T,$

${\$}_{B1}={\left(\begin{array}{cccccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0& -z_{B1}\sin \mathrm{\ψ}& z_{B1}\cos \mathrm{\ψ}& x_{B1}\sin \mathrm{\ψ}-y_{B1}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right)}^T.$

同样，运动链A₁C₁B₁的终端约束

也可以根据(2)式求得：

${\$}_{A_1{C}_1{B}_1}^r={\left[\begin{array}{cccccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \sin \mathrm{\ψ}& -\cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

因此，以车架(5)作为固定支座，则转向节2所受到的约束为：

${\$}_2^r=\left[\begin{array}{cc}{\$}_{A_2{C}_2{B}_2}^r& {\$}_{A_1{C}_1{B}_1}^r\end{array}\right]---\left(6\right)$

将(6)式代入(2)式可以求出转向节2所具有的自由运动为：

${\$}_2={\left(\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)}^T---\left(7\right)$

只要0°＜ψ＜180°，(13)式成立，显然，当ψ＝90°时，式(7)亦成立。式(7)表明转向节2具有一个沿z轴方向平移的自由运动，从而采用弹性各向异性的直线导引悬架机构的转向节可以做单自由度定直线的平移运动。因此，该直线导引悬架机构能够使与转向节2相联的车轮的外倾角、主销内倾角和后倾角、轮距及轴距等参数在车轮跳动过程中始终保持不变。这样就可以最大限度地减少轮胎的磨损，进而提高了汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和乘坐舒适性。同时，该机构设计简单，结构形式灵活多变，装配调整简单方便。同时，本发明除用来作为汽车的独立悬架，还可以应用于飞机的起落架，也可作为导向机构应用于任何需要做定直线平移运动的机械结构中。

实施例2：悬架机构增加一个弹性各向异性构件，且该弹性各向异性构件的纵轴线位于两个不平行的铅垂平面之一内。其余结构同实施例1。

实施例3：悬架机构增加两个所述的弹性各向异性构件，且所有的弹性各向异性构件的纵轴线只位于两个不平行的铅垂平面内。其余结构同实施例1。

实施例4：如图5所示是本发明提供的弹性多连杆空间直线导引独立悬架机构在实际应用中的一种实施例。在每侧的上下两个弹性各向异性构件中间增设两个辐条板6，辐条板与相邻的上下两个弹性各向异性构件通过转动副连接。增加辐条板并不增大弹性构件在铅垂平面法向的抗弯刚度，而又能约束同侧上下的两个弹性构件使其弹性形变趋于一致。同时，增大了弹性构件抵抗绕铅垂直线方向的抗弯刚度，更加保证了弹性构件的变形保持在同一铅垂平面内，也就进一步保证了悬架机构的直线导引功能，增大了转向节除铅垂方向外其它各向的刚度和承载能力。其余结构同实施例1。

实施例5：悬架机构在每侧的弹性各向异性构件之间增设一个6，辐条板6与相邻的上下两个弹性各向异性构件通过转动副连接。其余结构同实施例1。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种弹性多连杆直线导引独立悬架，包括车轮（1）、车架（5），弹簧减震器系统（3）和转向节（2），其中转向节（2）通过轮毂单元与车轮（1）联接，弹簧减震器系统（3）通过球头副分别与转向节（2）和车架（5）联接，其特征是：该悬架机构还包括四个长条板状的弹性各向异性构件，分别是通过第一转动副（A）与车架（5）联接以及通过第五转动副（B）与转向节（2）联接的上侧第一构件（4a），通过第二转动副（A）与车架（5）联接以及通过第六转动副（B）与转向节（2）联接的上侧第二构件（4b），通过第三转动副（A）与车架（5）联接以及通过第七转动副（B）与转向节（2）联接的下侧第一构件（4c），通过第四转动副（A）与车架（5）联接以及通过第八转动副（B）与转向节（2）联接的下侧第二构件（4d）；所述上侧第一构件（4a）和下侧第一构件（4c）的纵轴线在同一铅垂平面内，上侧第二构件（4b）和下侧第二构件（4d）的纵轴线在同一铅垂平面内，且上述两个铅垂平面不平行。

2.根据权利要求1所述的弹性多连杆直线导引独立悬架，其特征是：悬架机构增加一个或者多个所述的弹性各向异性构件，且所有的弹性各向异性构件的纵轴线只位于两个不平行的铅垂平面内。

3.根据权利要求1所述的弹性多连杆直线导引独立悬架，其特征是：悬架机构在每侧的弹性各向异性构件之间增设一个或多个大刚度的辐条板（6），辐条板（6）与相邻的上下两个弹性各向异性构件通过转动副连接。

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