车桥方案选择标准及车轮悬架调整要求

车桥悬架与车轮支架、车轮支撑、导臂（带有铰链和橡胶支撑）、弹簧和减振器部承担车轮导向和支撑外力作用。按车轮悬架自由度多少可分刚性车桥、车轮独立悬架和复合车桥^[4]、[5]。刚性车桥可以单侧或平行弹跳，也有两个自由度。在车轮独立悬架中，对称的和反对称的减振过程是一致的，只有一个自由度。复合车桥按设计，左、右车轮的耦合度不同，性能介于刚性车桥和车轮独立悬架之间。转向车桥为一个自由度，即车轮绕接近垂直的支撑轴转动。

很多边界条件影响车桥方案的选择，如使用谱（速度范围、车桥载荷…）、结构空间、驱动方式、成本、重量等，见表7.4-1。一般适用原则是优化运动学设计参数和减少导臂与接头数量的可能性，如通过车轮侧的两个三角导臂的球铰链固定车桥转向轴。当然，球铰链位置由于必要的制动器结构空间和在转向时需要自由通过轮毂而不能自由选择，但要合理选择主销内倾角、主销内倾偏移和主销偏距等参数。如果两个真实的、通过虚拟极点的连杆被两个导杆替代，则可以确定与挤占结构空间无关的支撑轴，虚拟的支撑轴可以通过弹簧行程和转向回转而有针对性地变化。这种变化开创了更多的设计自由度。

表7.4-1 车桥方案的几条选择标准

在确定轮胎和轮毂尺寸时要充分考虑结构空间。轻结构、低的非簧载质量和尽可能轻的转动质量，也就是小的和窄的车轮—轮胎组合是值得期盼的。采用低滚动阻力、大直径的窄轮胎可降低燃料消耗。出于视觉和行驶动力学原因，当然更希望选择大轮毂、宽轮胎，这还可为大尺寸制动盘和制动钳提供大的安装空间。但这些优点是与在车轮罩中增加占用面积对整车组装（转向回转、转弯圆周、行李舱）的影响和增加重量是矛盾的。重量问题可使用改进的材料和工艺方法减轻，如铝质车轮替代钢车轮，采用已不断成批配置的轻结构锻造车轮，带铝发泡核的轻金属铸造车轮，镁、纤维增强塑料车轮等。

在误用或碰撞情况下，车轮悬架必须满足专门的要求：在一个部件过载情况下，在最终失效前应调整部件过大的变形。一是要及时识别出过载造成部件的损伤（在断裂前），并中止继续行驶；二是与产品有关的原因：变形表明误用的部件过载发生在断裂前，而过载是在发生交通事故中产生的。这样可以确定事故和部件失效的因果关系：先碰撞后断裂，而不是反过来。车轮导向部件所用材料必须至少要有6%的断裂伸长率。

1.刚性车桥

由于刚性车桥坚实的结构型式，它常用于越野汽车和商用汽车的前后桥上（图7.4-17）。车桥将左、右车轮连接。在驱动桥中包括车桥减速器。像制动力矩一样，驱动力矩也由桥体支撑，这样，制动支撑角和起步支撑角（没有中间轴传动机构）完全一致。在最简单情况下，通过钢板弹簧，不然通过纵向导臂或三角导臂实现导向。侧向导向大多由所谓的潘哈特杆（Panhard-Stab）承担。该杆可以尽量长，以减小横向摇动。

图7.4-17 可转向的刚性驱动桥（梅赛德斯G级）

刚性车桥的优点首先是在用摆动弹簧和平行弹簧时车轮外倾和轮距不变，这有利于轮胎的承载能力。此外，可以良好地平衡起步和制动俯仰而不会改变轮距，从而减小车身的侧倾和纵倾运动。刚性驱动车桥可以没有驱动轴地同步万向节，因而成本较便宜。对越野车重要的“正点（plus-punkt）”是在弹跳时保持桥体的离地间隙不变。

刚性车桥的缺点是非簧载质量大，并在安装弹簧时需要大的车桥空间。在单侧纵向力作用时，由于弹性运动学干扰转向角，在导臂—橡胶支撑中只有很小的纵向力减振。在单侧跳动时，由于其他车轮的影响使车轮载荷和车轮外倾发生变化。此外，由于潘哈特杆是有限长的，产生横向偏移。最后是在设定的车桥载荷下可传递的功率受到限制。因为在万向轴纵置时支撑的驱动力矩使车轮载荷发生差异，这是由于在载荷减轻的车轮上有较大的滑转率，但可用自锁差速器防止。与悬置在车身上的车桥减速器（德迪昂式独立悬架后桥—De Dion-Achsen）分开的刚性驱动车桥不承受的驱动力矩，在起步时不会出现车轮载荷的差异。

2.车轮独立悬架

车轮独立悬架按几何运动学可分为：车轮和车轮支架绕固定转轴摆动和完成在垂直转轴的平面内运动（平面车轮独立悬架）；如果在弹跳时瞬时轴线绕固定点摆动，则车轮支架点在球形支撑绕这个中心点运动，这称为球形的车轮独立悬架；在空间运动的一般情况，在轴方向的进给运动要叠加绕瞬时轴线的转动，这样瞬时轴线成为瞬时螺旋轴线。悬架的运动学潜力随选用的独立参数的数量增加。在空间中的一根直线由4个参数确定（点和方向）。这样，5个设计参数（前束和外倾变化、起动和制动俯仰平衡以及滚动中心高度不能完全自由选择）。在有瞬时螺旋轴线的空间的车轮独立悬架中还要加上螺距这个参数，以成为5个独立参数（驱动支撑角对非驱动桥当然没有意义，这样只要4个自由选择的参数就足够了）。

由于弹簧行程引起的车轮外倾变化，靠车身侧倾角补偿在变道行驶时相对路面的外倾损失。但在大的车轮外倾时，由于载荷引起的车轮两侧弹跳只能适当减少轮胎的承载能力。车轮外倾调整系统就是试图解决这个目标冲突（主动的调整系统：梅赛德斯F400；被动的调整系统：米其林OCP系统）。当然目前还没有批应用。

（1）平面的车轮独立悬架　没有固定主销的所有悬架，如纵向导臂、倾斜导臂或带平行导臂主销的双横向导臂车桥，都归入平面的车轮独立悬架。

下面进一步说明作为实例的倾斜导臂车桥（图7.4-18）。

图7.4-18 倾斜导臂车桥（BMW Z3后桥）

由于弹簧行程引起车轮外倾变化应这样选择：使在弯道行驶时至少能部分补偿由于侧倾角造成的对路面的外倾损失。通过高置的纵向极点可很好地补偿制动俯仰。驱动的倾斜导臂车桥通常有一个后桥支架。该支架也支撑车桥减速器。体积大的橡胶减振器可很好地实现纵向减振和隔离噪声。

由于设计自由度的限制，在弹跳时前束变化，像滚动中心高度变化一样也是难以避免的，前束变化引起弯道行驶时的支撑效应。在侧向力和纵向力作用下，通过导臂支撑弹性和部件弹性调整不希望的过度转向角，在用后桥支架支撑时，需要较高的费用补偿过度转向角。这时将支架支撑与纵向和横向刚度不同的弹簧分开，并使支撑在侧向力作用下形成一个弹簧重心，使整个车桥绕弹簧重心摆动，并使弯道外车轮向前束方向一起摆动。

（2）球面的车轮独立悬架　绕瞬时轴线的所有车轮支架上的摆动中心点常常作为车身侧的纵向导臂支撑点。如果车轮支架和纵向导臂是一个整体部件，则为保证运动学的确定性，还需要2根横向导臂（由于前束不变的原因，需要2个相对长的、中心导臂后桥，宝马Z4，图7.4-19）或3根较短的导臂与1根纵向导臂可横向运动的4导臂车桥。这4导臂车桥不断用在高档前驱动汽车的后桥上（十字接头导臂车桥福特福克斯，多导臂后桥大众高尔夫V，图7.4-20，马自达6）。这些后桥的优点在于高的行驶动力学潜力。通过弹簧和减振器紧凑和低的布置实现行李舱的大空间和宽的装载。如果梯形导臂的车轮支架侧和车身侧的转动轴有一个共同的交点，则球面的悬架也就是带梯形导臂和车轮外倾导臂的车桥（奥迪^[3]，捷豹^[2]，保时捷Weissach车桥^[1]）。

图7.4-19 中心导臂后桥（宝马Z4）

(www.xing528.com)

图7.4-20 大众高尔夫V后桥

在中心导臂车桥上外倾变化过程可以与在倾斜导臂上外倾变化过程相似选择。在运动的瞬时轴线，通过设计的附加自由度还可以在整个减振行程保持前束不变。起步平衡和制动俯仰平衡也很好。体积大的纵向导臂支撑可达到充分的纵向减振。在纵向力和侧向力作用下，由于仔细调整弹簧的轴向和纵向刚度和安装支撑（在顶视图上可见），能稳定前束变化。

缺点是滚动中心高度变化不能自由选择。滚动中心的高度变化会产生像在倾斜导臂车桥那样的支撑效应。此外，两根长的横向导臂需要较大的结构空间；在采用3根短的导臂时增加了部件费用。

（3）空间的车轮独立悬架　由于可操控（转向性），前桥一般为空间机构组成。用得多的是复式万向节弹性体支撑（图7.4-21）。这种车桥将减振器和车轮支架连在一起，并担当车轮导向任务。弹簧和减振器按同心原则布置，并作为弹性体的部件。利用弹簧对减振器中心轴的倾斜布置可降低由于横向力而增大的减振器摩擦，因而被称为横向力平衡。

复式万向节弹性体支撑车桥（也称麦弗逊车桥）可合理地利用结构空间，有较少的部件数，因而最广泛用于前驱动汽车的前车桥上。弹性体支撑符合直线行驶的运动学要求。人们还可以设想，用通过推力轴承与弹性体支撑垂直的三角导臂完成直线行驶。这样，可以将横向和纵向极点设计成与横向双导臂车桥上的横向和纵向极点那样。如果用两根导杆替代下三角导臂（或月牙导臂）可得到一个极点，它可确定支撑轴位置。这样可绕开紧张的结构空间（如由于制动盘）。

图7.4-21 复式万向节弹性体支撑前桥（宝马5系）

如果用两根单独的导臂替代上三角导臂，可形成车轮空间导向的一般形式的5导臂车桥。这时支撑轴由两个极点确定，并成为虚拟的支撑轴。这种高成本的结构目前只在驱动桥上使用。

空间的驱动后桥在市场上有不同的型式：5根独立的导杆（空间导臂后桥戴姆勒克莱斯勒公司，图7.4-22）；3根导杆或1根三角导臂（保时捷911）；梯形导臂与2根横向导臂和摆动支架（奥迪，整体后桥宝马5系、7系^[6]，图7.4-23）。

图7.4-22 空间导臂后桥（迈巴赫）

图7.4-23 整体后桥（宝马5系）

在空间的车桥上，通过独立选择参数可达到运动学性能优化：有利的前束和外倾变化过程；好的起步和制动支撑；通过合理的滚动中心高度变化避免“拉起效应”；通过多橡胶支撑，弹性运动学设计可保证在所有的外部载荷作用下实现稳定的转向角和同时达到好的纵向减振。因为通常用橡胶支撑将后桥支架（导臂连在后桥支架上）与车身相连，所以可保持后桥减速器远离车内空间。按设计情况，整个车桥的纵向减振或只通过后桥支架支撑实现，或部分地也通过导臂支撑实现。

尽管空间的车轮独立悬架有很多优点，但由于有很多导臂、万向节、橡胶支撑和复杂的后桥支架，所以结构费用高。

3.复合导臂车桥

如果单侧弹跳不影响另一侧车轮，或如果平行的、相互的弹跳状态不同，则车桥一般具有复合作用。如在目前已不再使用的摆动后桥就是这种情况。在当前前轮驱动的乘用车上还流行的复合导臂后桥（图7.4-24），大多由两根支撑车轮的抗弯和抗扭的纵向臂和一根不抗扭的、连接两纵向臂的横向臂（型面）组成。按横向臂位置（靠近纵向臂支撑或靠近车轮中心），复合导臂车桥的运动学性能相当前面所说的纵向导臂车桥或刚性车桥。对于横向臂约位于纵向臂中间的情况，在单侧弹跳时，通过纵向臂支撑和横向臂的位移中心可得到瞬时轴线。横向臂由于对称而保持静止。瞬时轴线在空间位置与倾斜导臂转动轴线相似，并引起前束增大和在弹跳的车轮上产生更大的负外倾。在同向弹跳时横向臂不扭转。在两车轮上的前束和外倾几乎不变。

图7.4-24 复合导臂后桥（欧宝Astra）

复合导臂车桥的优点除价廉的、只有两个支撑位置的结构方式外，还有前束和外倾不变。缺点是需要横向臂的结构空间；在弹跳和在纵向力与侧向力作用下弹性运动学的过度转向倾向。由于使用轴向和径向刚度不同的橡胶支撑，则可校正前束角。像刚性车桥那样，由于在单侧纵向力作用下的转向效应，纵向弹跳受到限制。带万向轴的横向臂碰撞损伤阻止复合导臂车桥作为驱动车桥使用。

参考文献