麦弗逊独立悬架受力分析及计算

麦弗逊(Macpherson)悬架中的 作用力分析与计算方法华福林编写

本文是我根据所收集到的一些有关资料，经消化吸收后并结合自己的 实践经验编写的，仅供参考。

麦弗逊悬架中载荷分三部分来确定:A.静载荷的确定；B.持续作用力的确定；C.短时作用力的确定

A. 麦弗逊悬架中静载荷的确定 1. 弹簧和铰接中的静载荷(见图1): 在进行静力平衡分析时，将车轮、轮轴、减振器 (含活塞杆)对点A及下控制臂形成一整体，点A固定在 挡泥板上，下控制臂的铰接固定于B处。图2是无约束系 统图，选取减振器轴线为Y轴；X轴则与它垂直，用X及Y 轴上的反力代替支承A点。X-Y坐标相对于地面旋转一个 δ0角，也就是车轮回转轴在横向平面内的倾角。按图1所 示的距离符号，对D点取矩后得平衡方程： Ax(c+o)= [Nv-(Uv/2)]b Ax= [Nv-(Uv/2)]b / (c+o) (1) 式中： b=Ro+d tg δ0 mm Uv/2 前轮簧下质量的一半 N

图1

由(1)式可知: 若 ( c+a)值增大(即点A在挡泥板处愈高),b 值减小时，则使减振器活塞杆上的弯曲载荷Ax减小。

另外, 在Y轴方向上的所有力之和应等于零，即∑F=0 见图2。因此，弹簧上的静载荷为： ∵∑Fy=0 ∴Ay=Ny+By 式中，Ny=N‘ycos δ0; By=Bx tg(β+δ0) ∵∑Fx=0 ∴ Bx=Ax+Nx ; 式中 Nx=N’v sin δ0 减振器活塞杆的弯矩为：Mk=aAx 减振器活塞杆导向套上的力为： Cx=AxL/(L-a) 作用于活塞上的力为： Kx=Cx-Ax 线段a越短，Cx和kx就越小，导向套中和活塞上的摩擦 力(Ckμ1+Kx μ2)也相应地减小。

2. 用作图法来确定作用力既简单又实用，如图3所示。 利用已知力N’v和下`控制臂BD所产生力的方向，就可获 得力A,将力A分解成在减振器轴线方向上和与其垂直方向 上的分力，从而可得到支撑上的反力和作用于弹簧上的力。 当代小轿车为了减小前轮驱动转动力臂R0 (scub radius) ,常常把下臂球头B从减振器轴线向车轮 方向移动t的距离，见图4。此时，车轮回转轴线和减振器 轴线形成夹角α,该角可用已知线段长来表示： tg α= t /(c+o) 图4展示出力N’v、B和A在减振器轴向上的分解，即旋转 δ0-α角度时的分解。点A的力矩方程为： bN’v+By t-Bx(c+o)=0

取

b = R0+d tgδ0 +t cos(δ0 –α)+ (c+a)sin( δ0 –α); By =Bx tg(β+ δ0 –α) 则可算出Bx,然后，将车轮载荷N’v=Nv-(Uv/2)分解 成分力Nx=N’v sin( δ0 –α); 和 Ny=N’v cos( δ0 –α);由此确定弹簧压缩力Ay与 铰接上的载荷Ax 。 当载荷为两名乘客时，力Ax应尽可能地小，若是结构上 可能的话甚至Ax=0,见图5。为此，将弹簧作用力线向车 轮方向移动S距离，使其通过力N’v和B的作用线交点M。 移动距离可用作图法或按简图6进行计算。 s=t+

(R0+d tgδ0)cos( β+ δ0 –α)/cos β

如果t与R0值不大，弹簧可在有限范围内作必要的移动。 此时,下摆臂的作用力线、弹簧上铰接点作用力线和轮胎 接地面的作用力线同时通过M点(见图7),这样便可用 作图法求得A0、B0、R0力三角，并得出其矢量值。需要 提醒的重要一点是：此时系统作用力矩等于零，使得减振 器活塞杆免受弯矩之害。然而由于结构上的原因还不能完 全消除活塞杆上的弯矩，只能作到较大的改善而已, 因此就出现下面力的上限值(理想状态)和下限值的讨论。

B.麦弗逊悬架中动载荷(持续作用力)的确定： 汽车在行驶过程中,麦式悬架系统除了要承受来自静载 荷及其变化所带来的作用力以外，还要承受来自驱动力、 制动力、侧向力(侧风、转向、侧滑等力)等引起的持续 作用力及力矩。 1. 承受侧向力S1时的分析: 当汽车转弯时(或受侧风、侧向坡度等影响),车轮对 路面的反作用力S1通过图7和力三角形图，用作图法来确 定作用于下摆臂球头销B与固定滑柱点A上力的上限值，可 由下面两个力得到合力Rvo进行： N’v=Nv-(Uv/2) Uv/2 前轮簧下质量的一半 N Nv 前轮(单轮)下的载荷 N

S1= φNv φ 轮胎与路面的附着系数 考虑到最大侧滑力发生在干燥平整的沥青路面汽车急弯 轮胎发生侧滑时，此时φ =0.70左右,则: S1max= 0.7Nv N 图8.给出确定A、B两点的力的下限值简图。 只要求得合力Rvu即可绘得力三角形求出Bu及Au的大小， 方法如下： 合力Rvu可利用N’v=Nv-Uv/2计算得到。各参数的坐标 简图可用1:1前桥总图或1:2.5的比例关系绘制，力的比 例尺推荐用1cm=200 N。 当下摆臂球头移动距离为t时，弹簧由减振器轴线向外移 动距离s。为了得到力Ao(图6)和Au(图7)的方向

应将上铰接处支反力Ax及Ay一起平移，且连接A’与M两 点。如果作图法有困难，则可通过计算法来确定未知力 Ao及Aox(按图9简图进行)。图中的力分解成X与Y轴的 分力(即旋转δ0 –α角度),其平衡条件为： ∑Fx=0 -Nox-S1x+Box-Aox=0 (1) ∑Fy=0 Noy-S1y+Boy-Aoy=0 (2) 对点A’建立力矩方程，将分力Box和Boy作为未知量，因为 Boy= Box tanξ据此即可求得解。 如果已知：C、d、s、t和Ro,可对点B取矩： ∑MB=0; N’o(Ro+d tanδ0)+S1d-Aox(c+o)-Aoy(s-t)=0 (3)