景立新，李 飞，吴利广

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

汽车底盘开发设计过程中涉及到悬架形式的选择及性能目标的设定，在自主研发时需要丰富的工程经验并广泛参考和对标已有车型数据。

不同悬架类型在空间布置、费用成本、性能控制等方面具有明显的差异性，性能目标设定过程中需要根据车型种类、轴距、轮距、悬架类型、驱动形式等确定参考车型，利用统计分析确定悬架K&C各性能参数的目标范围，同时具体设计方案还需校核整车不足转向度、侧倾梯度、悬架偏频比等关键性能，满足整车性能要求后进行后续详细设计。

1 悬架类型

悬架类型可按多种方式划分，如按控制力可分为主动悬架、半主动悬架及被动悬架；按左右悬架耦合关系可分为独立悬架、半独立悬架及非独立悬架；按悬架拓扑结构可分为麦弗逊、双叉臂、多连杆（三连杆、四连杆、五连杆等）、扭力梁、整体桥等主要类型（见图1），鉴于悬架K&C特性与拓扑结构直接相关，本文将以此方式展开说明。

麦弗逊悬架由螺旋弹簧、减震器、三角形下摆臂（或改进为两根控制臂）、转向拉杆（或前束控制臂）组成，螺旋弹簧套在减震器上，减震器总成同时承担导向作用。麦弗逊悬架刹车抗点头作用较差，悬架刚度较弱，稳定性差，转弯侧倾明显，技术含量不高，但因结构简单、横向空间小、质量轻、响应快、舒适性较好而大量应用于中低端乘用车前悬架。

双叉臂式悬架由上下两个叉臂（或叉臂改进为两根控制臂）、转向拉杆（或前束控制臂）组成，横向力由两个叉臂同时吸收，因此，横向刚度大，上下叉臂可精确定位车轮参数，外倾补偿好，转弯侧倾较小，支柱只承载车身重量，广泛应用于中高端乘用车前、后悬架。

扭力梁式半独立后悬架由扭转横梁、纵向摆臂、弹簧及减振器系统组成，悬架两侧车轮相互影响，舒适性较差，纵向空间占用较大，侧向力加载工况时具有过度转向趋势，但结构简单，重量轻，在整车装配时，无须后轮定位，广泛用于前轮驱动的中小型家庭轿车的后悬架。

H臂悬架由下H臂，外倾控制臂及前束控制臂组成，H臂与车架有两个铰接点，与轮毂有一个铰接点及一个柔性接头（如奥迪为一个衬套，特斯拉Model X则在轮毂与H臂之间增加一根连杆，两端为衬套），约束3个自由度，外倾控制臂及前束控制臂各约束1个自由度。H臂悬架纵向空间小，横向刚度大，可获得出色的操控性能及舒适性能，路感明显，广泛应用于中高端SUV车型后悬架。

五连杆悬架由5根连杆组成，能实现车轮定位的精准控制，提高侧向刚度的同时具有较小的纵向刚度，大幅度减少路面来的冲击力，从而改善加速和制动时的平顺性和舒适性。五连杆后悬架结构紧凑，车轮占用车身面积较少，使轿车后排座椅和行李箱的空间增大，更适用于高端轿车后悬架。

E型四连杆悬架由纵臂、下横摆臂、外倾控制臂及前束控制臂组成，悬架自由度解耦充分，性能设计难度降低，纵臂的存在导致轮跳时轮心前后位移明显，不利于操稳，向的冲击部分会直接通过纵臂传到车身上，噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能受到影响。同时，纵臂占用较大纵向空间，不利于电池布置，不利于在新能源汽车上应用。

从轴距对前悬架类型影响统计（见图2）可知，麦弗逊前悬架应用范围，从轴距2 500 mm～3 000 mm的SUV，到2 600 mm～2 900 mm的轿车及2 900 mm～3 200 mm MPV都有应用；双叉臂及多连杆前悬架主要应用于轴距大于2 800 mm的车型，皮卡车型一般采用双横臂前悬架。

扭力梁后悬架主要应用于轴距2 500 mm～2 600 mm的SUV，2 600 mm～2 750 mm的轿车及2 900 mm～3 000 mm MPV车型；钢板弹簧非独立悬架主要应用于皮卡车型；多连杆悬主要应用于轴距2 600 mm以上车型，其中H臂悬架常在轴距2 800 mm以上SUV车型中使用，五连杆悬架在轴距2 800 mm以上轿车车型中使用。

各悬架类型特性详如表1所示。

2 悬架特性数据库

车型开发过程中需要查询、对比、统计大量相似车型的性能数据以设定性能目标，数据库无疑成为解决该问题的关键方案，常用的数据库有整车操纵稳定性数据库、悬架K&C特性数据库及轮胎六分力特性数据库等。

以悬架K&C特性数据库为例，其主要功能包括：

（1）根据车辆类型、轴距、轮距、前后悬架型式等信息查询到对标车型。

（2）根据载荷状态、工况设置、试验条件等信息查询获得具体K&C指标参数。

（3）通过散点图、正态分布图、概率分布图、因素分析图等进行参数的统计对比，关注车型或开发车型（实车数据或仿真分析数据）应与参考车型需区分显示。

设置功能1的原因是不同车辆类型、悬架型式对应的特性差异较大，如轿车与SUV车型的侧倾中心高度、悬架偏频等指标差异明显，麦弗逊悬架与双叉臂悬架在外倾角补偿（见图3）、主销侧向偏移距等指标差异明显，独立悬架与扭力梁半独立悬架在侧倾前束等指标差异明显（见图4）等。

设置功能2是为了区分详细的检验项目与试验条件。检验项目包括平行轮跳试验、侧倾试验、转向试验、侧向力试验、纵向力试验、回正力矩试验。试验条件则区分试验时具体设置（如表2所示），不同设置对性能影响巨大，如不同载荷状态对应的侧倾中心高度差异明显（见图5）；侧倾工况是否连接稳定杆对应的侧倾刚度明显不同；侧向力工况同向加载或反向加载对应的前束角变化可能会变方向（见图6）。

设置功能3的目的是用于显示统计学特性，散点图可显示出统计车型参数的分布情况（见图7），同时图中包含均值、方差信息，正态分布图（见图8）中包含各参数数值区间车型个数及累计概率等；为便于与其它车型区分，可设置关注车型采用高亮显示。

除以上主要功能外，数据库还具有数据一键导入、自定义参数添加、数据拟合、对比报告生成等功能。

3 悬架目标设定

在设定悬架K&C目标时，首先需要根据车型信息设置查询条件，以某SUV开发车型为例，设定车型级别为SUV，轴距范围为开发车型轴距2 700 mm±100 mm，前悬架类型设定为麦弗逊悬架，后悬架型式设定为E型四连杆悬架，查询筛选获得途观L、探岳、胜达、RAV4、昂科威等30余款参考车型；分别设定半载状态对应的试验工况（平行轮跳试验、侧倾试验、侧向力试验、纵向力试验、回正力矩试验、转向试验）及具体试验条件（引擎是否开启、制动是否开启、稳定杆是否连接及载荷同向或反向施加），获得各具体参数均值与方差，按照均值±*方差建立目标范围。以前悬架侧倾中心高度（单位为mm）为例（见图9），获得均值为53、方差为24，目标范围为29至77（=1），最终的目标设定如表3所示。

通过统计分析，获得的悬架参数指标绝大部分符合车辆动力学设计理论：前悬架轮跳前束角梯度希望为负值，代表悬架压缩时前束角toe out变化，对应转向时外侧车轮产生与转向相反的变形，即减小实际的转向角，对车辆的不足转向度有正向贡献；轮跳外倾角梯度希望为负值，代表悬架压缩时外倾角top in变化，对应转向时外侧车轮产生与车身侧倾相反的变形，减小车轮与地面的实际倾角，有利提高抓地力，同时对车辆的不足转向度有正向贡献；主销侧向偏移距希望为0或一个小的负值，代表悬架主销轴线与地面的交点在轮胎接地点或外侧，对车辆的制动稳定性有正向贡献；同时前后悬架特性具有关联性，如前悬架侧倾中心高度目标范围29 mm～77 mm要低于后悬架侧倾中心高度目标范围100 mm～160 mm，以保证正确的侧倾姿态，其它关联参数如表4所示。

4 方案校核

通过对标统计形成的悬架目标虽能保证悬架各指标在常用范围内，但无法保证前后悬架的匹配完全合理，还需要根据具体实施方案对不足转向度、侧倾梯度、转向灵敏度、前后悬架偏频比、TLLTD等整车参数进行校核。以不足转向度为例，计算公式为

式中，为前轴等效侧偏角梯度；为后轴等效侧偏角梯度。

各参数具体含义及技术过程见文献[9]。

为保证车辆具有一定不足转向特性，常用的不足转动度范围为1 deg/～2 deg/，如不满足此范围可通过调整悬架K&C特性或轮胎特性优化改善。

该开发车型的不足转向度校核如表5所示。

由计算结果可以看出，该车不足转向度适中，由于前后轴荷及轮胎侧偏刚度接近，前后轮胎产生的侧偏角相差不大，对整车不足转动贡献较小；后轴等效侧偏柔度受后悬K&C的影响不大，前轴等效侧偏柔度受前悬K&C的影响较大，整车的不足转向度很大比例是由前悬架K&C特性提供，其中侧倾转向、侧向力转向及回正力矩转向对整车不足转向度影响明显。

5 结论

本文简要分析了不同悬架类型的优缺点及适用范围，明确悬架性能目标设定时必须先通过车型分类、轴距大小、悬架类型等关键参数筛选车型；通过载荷、试验工况、试验条件等查询具体参数指标，利用统计分析计算均值及方差，以均值±*方差为目标范围；统计获得的悬架参数指标绝大部分符合车辆动力学设计理论，前后悬架特性具有明显关联性；悬架具体设计方案需进行不足转向度、侧倾梯度、转向灵敏度、前后悬架偏频比、TLLTD等整车性能校核，满足后方可开展后续详细的设计开发工作。