基于福特C1平台的E型多连杆悬架结构分析

赵广辉

上海海马汽车研发有限公司

【摘要】：本文通过对E型多连杆悬架的结构分析，结合悬架几何运动学特性和弹性运动学特性，介绍了各杆件的作用，并论述了两大特性在悬架设计过程中的重要性和设计理念。

【关键词】： E型多连杆，悬架， 结构分析

E-type Multi-link Suspension Structure Analysis Base On The Ford C1 Chassis

Zhao Guanghui

Shanghai Haima Automobile R&D Co.,Ltd

Abstract : Pass the analysis of E-type multi-link suspension ,and base on the theory of K&C ,Textual main purpose is to introduce the function of links and discuss the importance and design ideas of K&C.

Key words : E-type ,Multi-link ,Rear suspension , Analysis

1 前言

多连杆悬架是近年来发展起来的一种新型悬架结构，与传统的导向机构对比，能更有效的控制车辆的操纵稳定性，因而在现代轿车上获得广泛的使用，其中E型多连杆悬架是最典型的结构之一。 目前已上市车型中装备该悬架的有MAZDA 6、SAGITAR、GOLF V， MAZDA 3、FOCUS、VOLVO S40 ，奇瑞A5、A3等，其均用于后悬架。其中MAZDA 3、FOCUS以及VOLVO S40共用于福特集团的C1平台，其它车型的后悬架与之有异曲同工之处。为了便于掌握E型多连杆悬架的设计要领，本文仅以C1平台的E型多连杆后悬架为例进行分析。

因不掌握各铰链球头以及相关导向臂、杆件的刚度，所以分析只能是静态的定性分析，便于设计时获得有利的实际效果，对于文中的结论还需要通过相关动态分析以及试验进行进一步的验证。

2 结构特征

该悬架的结构特征见图1和图2，其描述为：

沿车辆X方向布置，后端通过螺栓与轮鼓连接，前端通过柔性衬套过渡与车身连接的片状纵拖臂。该臂为冲压成型的焊接结构，靠近车轮中心部位的上部具有一个冲压开口，下部具有一前一后两个冲压开口，各开口具有安装孔，在下部两个冲压开口之间有用于安装减振器并焊有自锁螺母的孔。 沿车辆Y方向布置，两端通过柔性衬套过渡，一端与纵拖臂下部前端的冲压开口的连接，另一端与副车架连接的横向连杆，该连杆两端自由摆动，为冲压结构。

沿车辆Y方向布置，两端通过柔性衬套过渡，一端与纵拖臂上部的冲压开口连接，另一端与副车架连接的上控制臂，该臂两端自由摆动，为锻造结构。

沿车辆Y方向布置，两端通过柔性衬套过渡，一端与纵拖臂下部后端的冲压开口的连接，另一端与副车架连接的后下控制臂。该臂两端自由摆动，为冲压成型的焊接结构，在靠近车轮部位有用于安装螺旋弹簧的安装座。

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通过图2可以发现，纵拖臂、横向连杆、上控制臂和后下控制臂成“E”形布置，故命名为E型多连杆悬架。

图 1 E型多连杆悬架结构（左侧）

图 2 E型多连杆悬架结构示意图

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3 原理

悬架几何学：独立悬架尤其是多连杆悬架各杆系的几何学配置。

悬架几何运动学特性（Kinematics）：车轮发生垂直位移时悬架几何学配置引起的其它5个自由度定位的变化，简称K特性。

悬架的弹性运动学特性（Compliance）：车轮受力（Fx、Fy、Fz、Mz）时衬套挠曲变形引起的车轮6自由度定位的变化，亦称之为顺从特性，简称C特性。

K特性和C特性共同决定着车轮跳动时的姿态和位置，以及车辆的行驶性能 3.1

E型多连杆悬架对K&C特性的体现 1) 纵拖臂抗制动点头。

2) 纵拖臂缓冲在制动、加速以及在不平面路面上行驶时的纵向冲击。 3) 纵拖臂提供适度车轮外倾自由度。 4) 横向连杆控制制动时的车轮前张。 5) 上下控制臂控制车轮外倾角变化。

6) 后下控制臂用于固定弹簧，减小弹簧占用的空间，以及用来调整前束。

7) 纵拖臂、横向连杆以及后下控制臂共同控制动态前束变化，提供随动转向和侧倾转向。 8) 横向连杆、上控制臂和后下控制臂共同缓冲侧向力，并提供车轮横向平面内的跳动运动学。

4 功能分析

4.1

纵倾控制，保证车辆的纵向行驶稳定性

对于独立悬架，因导向元件的布置不同于普通纵置钢板弹簧悬架，同时弹性元件的垂直刚度随着轿车舒适性的提高变得越来越小，因此具有柔软悬架的现代轿车在制动和加速时，车身在纵向平面中会发生显著的倾斜，即制动点头和起步、加速后坐现象。为了克服这种现象，提高车身的纵向稳定性，必须从悬架的结构入手，即采用能保证车身纵向倾斜很小或完全没有的悬架结构。 4.1.1 制动点头产生的机理

当车辆以一定的减速度µ制动时,前轴质量增加，后轴质量减小，如图3，由力矩平衡可得出轴荷转移量：

∆P=µMH/L （1）

式中：H-重心高度，L-轴距，M-汽车总质量，CG-重心位置

- 3 -

图 3 纵倾力矩中心图解

忽略导向杆系的约束反力（N），根据车辆制动时惯性力引起前后桥质量转移，可得出前后悬架弹性元件的变形量，并可以得出纵倾力矩中心位于地面，纵倾力臂为H。

∆f1=∆P/C1=µMH/LC1 （2） ∆f2=−∆P/C2=−µMH/LC2 （3）

式中：

∆f1-惯性力引起的前悬架弹性元件变形量 ∆f2-惯性力引起的后悬架弹性元件变形量 C1-前悬架弹性元件折算到轮心位置的总刚度 C2-后悬架弹性元件折算到轮心位置的总刚度

根据公式（2）和公式（3）可得，前悬架载荷的增加引起弹性元件变形量增大，头部下沉，后悬架载荷的减少引起弹性元变形量减小，尾部抬高，因此前后悬架的变形共同作用导致了制动点头现象。

4.1.2 抗点头分析

因悬架系统必存在导向杆系，因此∆P存在以下关系：

∆P=∆Q+∆P弹 （4）

对于后悬架，为了便于分析，将弹簧折算到车轮中心处，见图4，由力矩平衡可得：

∆Q2=

Px2h2

r2

（5）

∆f2'=(−∆P+∆Q2)/C2 （6）

式中：

Px2-后轮制动力

∆P弹-制动时螺旋弹簧质量转移量 ∆Q-制动力引起的质量转移量

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∆f2'-导向杆系作用下弹性元件总变形

图 4 E型多连杆纵倾分析

4.1.3 结论

1) 通过以上分析，可得，整车纵倾中心越低，即纵倾力臂越大，点头越明显。

2) 通过公式（6），可知， 在导向杆系的约束反力作用下∆f被削弱，从而提高了悬架的制动抗点头性能。当a2愈高且离车轮中心愈近时，∆Q在制动时向下拉车尾的作用就越大，∆f被削弱的也就越大。

3) 抗点头悬架结构的原理是在汽车制动或加速时，由惯性力引起的轴荷转移产生的悬架变形全部或部分被导向杆系的约束反力引起的变形所补偿。对于抗点头功能的悬架只有当前、后悬架的纵倾中心位于两根车桥(轴)之间时，这一性能方可实现。

4) 如果a2越高，离轮胎越近，则轮胎上下跳动时的前后位移量会很大，轴距变化大，对于前轮而言，汽车振动时会造成主销后倾角变化太大，而使操纵恶化。对于驱动轴而言，影响传动轴的的伸缩变化，产生磨损。

5) 对于悬架的设计，在赋予其抗点头功能的同时，改变了车辆在不平路面上行驶时的刚度，影响由路面传递到车身上的冲击力，a2点越高，离轮胎中心越近，对车身的冲击性就越大。

6) 为了能够初步确定悬架纵倾中心的位置，一般希望车轮运动的瞬时转动中心位置不高于车轮半径，同时引入参数λ，并定义λ=∆f2'/∆f2，当设计具有抗点头能力的悬架时，应选择最优的系数λ，根据经验对于前悬架在取第一次近似值时可以考虑系数λ=0.5～0.68，后悬架可以考虑系数λ=0.68～1.0。 4.2

外倾角控制

车辆在曲线行驶，悬架的几何运动和弹性运动会引起轮胎外倾角的变化，因此为了保证轮胎一直垂直于路面有效的发挥轮胎的特性，提高轮胎的最大附着力和侧偏刚度，轮胎随着车体的侧偏产生的侧偏要通过外倾来消除。

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4.2.1 纵拖臂提供适度外倾角变化自由度

对于独立悬架而言合理的车轮外倾变化是必要的，悬架在设计时要保证相关结构能够提供适度的车轮外倾自由度。对于该E型多连杆悬架因纵拖臂衬套的扭转刚度较大，外倾自由度无法全部通过衬套的扭转变形来提供，必要的自由度只能通过纵拖臂结构来实现，为此该臂设计成片状冲压结构，中

状，并设有开口和角线，质量相对较轻，并可适度扭转，从而给车轮提供适当的间部位设计成

外倾自由度，见下图6。 4.2.2 各横向连杆控制外倾变化

为了保证车轮在跳动时尽量垂直于地面，增加不足转向特性，以及控制轮距变化尽可能小，减小轮胎磨损，悬架中各横向连杆的几何尺寸和布置位置必须经过合理设定,以保证轮胎合理的外倾特性要求，见图5。

1) 上臂短，下臂长；

2) 车身上下悬置点小于轮胎上下悬置点。

表 1 车轮位置处各杆件安装中心点坐标

上控制臂 与纵拖臂连接点 X 2584.2 Y -663 Z 175.8 -5 -22.2 -15.3 101.6 X 2570 2511.2 2758.5 2638.6 与副车架连接点 Y -379 -396 -148.2 -268.3 Z 222.2 52.2 53.2 52.7 2502.6 -613.6 横向连杆 后下控制臂 2729.3 -633 等效下臂 2638.6 -625.3 车轮中心 2638.6 -749.6 注：以上坐标为左侧安装点的测量值

图 5 横向连杆配置图

4.3

纵拖臂的连接功能

纵拖臂除了以上功能外，还具有连接各横向杆件以及后制动毂，传递力和力矩的作用，见图6。该悬架结构的纵臂与支撑后制动毂的支撑部件是做成一体的冲压焊接成形件，通常情况结构下刚性较低，在与后轮制动毂和各横向连接杆连接部位需要加强，因此针对不同车型，为了保证纵拖臂的综合性能，其结构设计、材料、工艺要严格考虑。如因各条件限制了纵臂提供外倾的能力和连接强度要求，需要改变结构设计和工艺处理。如在提高冲压件强度的同时在纵臂上开孔以降低纵臂部位的扭转

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刚度，或改变纵拖臂总成结构，纵臂和轮毂支撑部件独立设计，支撑部件改为铸造件，这样既能保证纵拖臂的扭转刚度需要，又能保证支撑部件的强度要求，见图7和图8。

图 6 纵拖臂结构

图 7 MAZDA公司改进后的纵拖臂总成

图 8 一汽大众SAGITAR后悬架纵拖臂总成

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4.4 纵向顺从性（退化性）

4.4.1 纵向缓冲

车辆在道路上行驶时，会遇到凸起和凹坑而受到纵向冲击力，如果衬套等弹性元件设计的过硬，则不能吸收冲击，近而影响车辆在不平路面上的稳定性和舒适性，因此衬套需要一定的柔顺性。设计时积极利用衬套挠曲变形的前后运动，即“纵向顺从性”，从而可以起到降低悬架的前后刚性的目的。通过大量的试验分析可得，车辆驶过凸起和凹坑时，悬架的前后方向刚度越低，轮胎后移的位移就越大，缓和这种冲击的能力就越强，见图9。

对于E型多连杆悬架，在后轮承受纵向冲击力时，鉴于纵拖臂没有前后运动功能，因此悬架“纵向顺从性”的设计也只能通过前端衬套的结构来实现，见图10。

该E型多连杆悬架纵向柔性的设计要点：

1) 衬套X方向在满足纵向柔性要求的同时，不可过于柔软，否则，当汽车加速或制动时，车轮在纵向力的作用下因位移过大而发生摆动，从而影响操纵稳定性。

2) 衬套X方向通过合理的腰型孔设计用来保证所需要的斜率呈递增变化的静弹性特性。 3) 该悬架结构为复合式独立悬架，拖臂衬套在Z方向上会承受一定的垂直载荷。同时为了能够有效的传递横向稳定杆产生的力，在Fz方向上的弹性特性几乎是线性的。

图 9 纵向刚度与纵向加速度关系曲线 图 10 纵拖臂衬套结构和静弹性特性曲线

4.4.2 纵向力柔性转向和几何特性转向

除车轮外倾角对之外，前束也是影响车辆行驶性能的重要参数，在制动时，为了消除制动时质量转移造成的后轮侧向力下降，将后轮形成正前束。这种积极采用使前束角变化，提高操纵稳定性的方法，称之为悬架的“车轮前束控制机能”，这一点传统的麦弗逊式和双叉臂式悬架可以通过调节与车身连接的前后衬套的刚度，使衬套在力的作用下产生不同变形来实现。为此我们把这种因衬套等弹性元件的变化，引起前束角变化的现象称之为“柔性转向效应”，其可分为纵向力柔性转向和横向力柔性转向。

1） 纵向柔性转向和几何特性转向

对该研究对象，在纵向力的作用下，由于纵拖臂的退让性，车轮将向后方移动。这时因横向连杆比后下控制臂设计的较短，从几何学上讲，在纵向力作用下车轮将向前束方向回转。见图11。

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图 11 纵向力作用下的柔性转向和几何特性转向

2）横向连杆和后下控制臂的柔性转向

当纵向力进入后，前后力作用于纵拖臂，根据力矩的平衡，横向连杆承受拉力，后下控制臂承受压缩力，在各衬套的挠曲变形下，车轮将向负前束方向回转。

根据上述两种情况，把杆件几何学前束和衬套挠曲变形产生的负前束两种情况叠加，则在整体上实现车轮前束变小或变化为零的特性，这说明了在地面制动力的作用下车轮前束对保持汽车制动稳定性和防止制动跑偏是有利的①。 4.5

侧倾转向和侧向力转向

4.5.1 纵拖臂对侧倾转向的影响

纵拖臂是影响侧倾转向的重要因素，若铰链点在前，且该点的位置比车轮中心高，则侧倾后外轮后移，内轮前移。若铰链点比前轮中心低，则相反。对于C1平台的E型多连杆后悬架，经过测量发现纵拖臂的前端铰链点在空载时与车轮中心接近同一高度，满载后，则移至车轮中心之下 。 4.5.2 各横向控制臂对侧倾转向的影响

1) 几何特性转向

因横向连杆和后下控制臂非等长，非平行配置，通过运动分析发现，车轮上下跳时在纵拖臂的影响下均趋于前束变化，见图12。

2) 弹性特性转向

通过对各杆件衬套刚度的计算和和测量（见表1）发现：

横向连杆两端衬套的刚度大于后下控制臂两端衬套的刚度。当车轮前张时，横向连杆受拉，后下控制臂受压，因衬套的挠曲变形使得车轮向更大负前束方向变化。车轮前束时，横向连杆受压，后下控制臂受拉，衬套的挠曲变形使车轮向更大前束方向变化。 3) 侧向力转向（随动转向）

①

对于整车的跑偏量要对左右轮以及前后轮全盘考虑才能判断是否减小跑偏量，同时制动时最终的前束变化趋势取决于以上两者的合成。

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对各杆件衬套安装点的坐标进行测量（见表1），根据测量的坐标值，后下控制臂的布置位置距

图 12 悬架几何学与前束变化的关系

离车轮中心较近，当车辆曲线运动时地面对轮胎产生侧向反作用力F，传递到横向连杆和后下控制臂上的力记作F1、F2，通过力矩平衡关系可得F1󰊻󰀧2。

根据1）和2）我们可以得出，当车辆转弯时，在地面侧向力的作用下，外侧车轮趋于前张，内侧车轮趋于前束，见图13。

图 13 侧向力作用下的弹性转向

4.5.3

设计要点

1) 通过以上对纵拖臂和各横向连杆的分析发现，综合内外轮前束角的差值取决于纵拖臂引起的前后移动量的差值，以及前后杆长度差值和初始角度引起的前束角增量的差值。

2) 为控制稳态转向特性，前后悬架对侧倾转向效应的要求是不同的。例如，在后悬架，为了增大不足转向效应，应让内外轮的平均转向角转向内侧，以减小回转角速度。对于前悬架，则相反，应让平均转向角转向外侧。

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3) 带有侧倾转向的汽车在直线行驶时，因路面不平引起车轮相对车身的跳动也会使车轮产生一定的转向角，从而影响汽车直线行驶稳定性，所以近代轿车又趋于减少侧倾转向量，即前束即变化为零。

4) 随动转向是在车轮接地点受到侧向力之后，由于悬架或转向系的转动中心偏离该侧向力，构成一力矩，促使车轮转向的。例如，对于后悬架，为了增大不足转向效应，应让转动中心位于后轮之后，这样转弯时就可减小回转角速度。侧倾转向是由杆系的运动学确定的。对于随动转向和侧倾转向，车轮应该转向哪一侧，取决于设计者的意图。

5 总结

1) 相比于传统结构，多连杆悬架可以大幅度提高设计自由度，跳动时前束变化、外倾变化等几何形状及纵向力，横向力作用下的柔性转向特性，同时制动点头、加速下沉等特性也可以达到很高的水平。

2) 本文结合前悬架的结构，主要从后悬架结构特性对整车特性的影响进行了分析，汽车运动的高性能化还需要考虑其它诸多因素，如前悬架的结构特性，悬架的侧倾中心、侧倾刚度、车身特性、轮胎特性、质量以及质量分配等，若不能达到平衡则高性能化同样不能实现。 参考文献 ［１］ ［２］ ［３］ ［４］ ［５］ ［６］ ［７］ ［８］

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