乘用车多连杆悬挂的研究与发展
秦雷
0引言
汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬挂性能好坏的主要指标。目前汽车消费者已逐渐将汽车行驶的平顺性和操纵稳定性指标作为选择汽车的一个重要参考因素，汽车行驶的平顺性和操纵稳定性技术已从不同角度越来越多地影响人们的生产和生活。
现今的车辆悬挂应具有良好的乘坐舒适性，悬挂的动态变形小的特性，对任何输入的响应都很快的特性。新世纪以来，乘坐舒适性要求近乎苛求，同时又要求操控稳定底盘性能，多连杆悬挂便应时而生。多连杆悬挂可以达到其他悬挂方式所达不到的性能要求，即便其结构复杂，零件精度高，制造成本增加，由于其综合性能上的优异表现，目前在所有悬挂中占据主流。
1多连杆悬挂结构介绍
多连杆悬挂通常是由五根连杆及一减振器组成，即两根上控制臂、两根下控制臂，再加上一转向杆及一减振系统，而悬挂一侧以球接头与车身连接，另一侧以球接头与转向节臂(knuckle)相连，而弹簧减振器也使用球接头连接与下控制臂与车身之间，转向节臂则通过一旋转接头与轮胎相连，故转向节臂与轮胎之间仅允许相对的旋转运动，为了方便分析，将转向杆视为地杆，由于此型之多连杆悬挂是由双横臂式悬挂衍生而来，且因各有两根上控制臂及两根下控制臂，所以形成一虚拟的主销中心线，此主销中心线为一瞬间的旋转轴，随着悬挂的位置而变化。传统悬挂因受主销中心线的限制，导致若干设计参数受到了影响，而多连杆悬挂则拥有一瞬间的主销中心线，突破这层障碍。转向节臂在三维空间上的位移被控制臂与转向杆所限制，当汽车行驶时，外力由轮胎传至悬挂，一部分由弹性接头吸收，而另一部分则由减振器来吸收，此悬挂有一个自由度，因此此机构唯一独立输入变数来自减振器，且机构的位置由减振器的长短唯一决定。
一般研究多连杆悬挂虚拟主销中心线分析，有三种方法。其一是简单图解几何运算，此方法虽简单，但准确度低，并受限制，无法精确地分析多连杆悬挂的运动。其二是利用Finite center analysisby curve fitting，定位轮胎上下接触面，并分别求得位移曲线，再利用线性 (curve fitting)求出圆心，连接两圆心即求得理论主销中心线，此种方法虽比前种准确，但误差仍较大。其三是使用瞬时螺旋轴定理，利用这种方法来求主销中心线时，一次只可求出一个位置，而悬挂的运动复杂，包含轮胎的上下跳动及转向等，若要将悬挂所有位置都求出，那将会是一个非常耗时且耗力的工作。
经过各种文献的广泛收集，并且加以分析整理，发现各类型的多连杆悬挂有以下诸多优点：第一，多连杆悬挂由于设计自由度较大，故易于控制外倾角(camber angle)、滚动中心(roll center)及俯仰控制中心(pitching center)等悬挂参数，降低转向连杆的负荷，减小转向力，因侧风及路面不平造成的车身敏感度下降，并保证轮胎的回复力。第二，轮胎在上下运动时，因悬挂结构的影响，致使车轮侧滑量变化轻微，从而轮距变化较小，可以降低轮胎的磨损，减少主销偏移量(kingpin offset)，使驱动力(driving force)的影响降低。第三，多连杆悬挂由于所需的装配空间较小，因此可降低汽车底盘并增大发动机舱空间，并可提供较大的后倾角(caster angle)，故可提升转弯性能。第四，多连杆悬挂由于其结构的关系，可在刹车时产生前束(toe-in)的效果，进而提高刹车的操控性能，提高行车的安全性。多连杆悬挂是目前最为先进的悬挂结构。
多连杆悬挂虽然有上述优点，但有一些缺点也需要注意。第一，此种悬挂为达到其他悬挂方式达不到的性能要求，故其结构较复杂，设计难度高。第二，其零件精度要求较高，维修困难，费用高，相对其他型式悬挂，成本增加很多。第三，多连杆悬挂所使用的接头为弹性旋转接头，若此弹性接头的刚性低则转向的精确度会受到影响，若刚性太高又会降低驾乘舒适性。但综合而言，仍是目前最佳的悬挂，发展极具潜力。
2多连杆悬挂依机构形式分类
多连杆悬挂直到目前为止，并无一明确清楚的定义，故本文经广泛收集多连杆悬挂文献，包含论文、学术期刊及专利公报等，参照分类法原则，依机构的形式进行分类，将其分为双横臂式衍生的多连杆悬挂、麦弗逊式衍生的多连杆悬挂及特殊构型的多连杆悬挂，并依其悬挂的不同机构类型及特性予以进一步的探讨，详述如下。
2.1双横臂式衍生的多连杆悬挂
一般常见的多连杆悬挂，以机构的型式区分可分为上下控制臂分离式、下控制臂分离式及上控制臂分离式三种，这里不作赘述。
2.2麦弗逊式衍生的多连杆悬挂
此型悬挂是由麦弗逊式悬挂衍生而来。麦弗逊式悬挂 (MacPherson strut suspension)又称支柱式悬挂，常用于小客车的前悬挂上，支柱上端利用橡胶件把持在车身上，支柱下端与转向节相连，减振器为圆柱型，安装在支柱部位。此新型的悬挂于1977年首先由德国的宝马汽车公司(BMW)研发完成，虽然其机构较简单，但是已为多连杆悬挂的发展揭开了序幕，此悬挂构造简单，占用的空间较小，但是当路面较颠簸时，车辆容易跑偏，且若汽车静止不动或速度较慢时，所需的转向力也较大。为了弥补不足，麦弗逊式衍生的多连杆悬挂便应运而生，最初结构设计时，为了最佳后倾角，并弥补麦弗逊式悬架系统的不足，改以双下控制臂代替原来的单下控制臂。此种机构的两端分别与车身及转向节臂相接，且双下控制臂与转向节臂相接的位置必须要上下对齐排列，此构型的悬挂除了可得到最佳后倾角外，亦可避免当汽车静止不动或速度较慢时，转向力较大的问题。此新型的悬架系统于1977年首先由德国的宝马汽车公司(BMW)研发完成，虽然其机构较简单，但是已为多连杆悬架系统的发展揭开了序幕。
2.3特殊结构多连杆悬挂
根据不同车辆的一些特殊用途，也产生多种特殊构型的多连杆悬挂。
3多连杆悬挂依年代区分
多连杆悬挂的发展已有二十多年的历史了，早在1977年，德国的宝马汽车(BMW)就已开始使用麦弗逊式多连杆悬挂，只是当时并无此名称，一直到1983 年奔驰系列车(Mercedes Benz)首先将多连杆悬挂这个概念应用于W201 车型上，并大大地改善了悬挂的性能，因此多连杆悬挂这个名词才慢慢受到瞩目。自1988 年起，许多学者开始多方面研究，范围包括双横臂式衍生的多连杆悬挂、麦弗逊式衍生的多连杆悬挂及特殊构型的多连杆悬挂等各种类型。研究于1991年至1995 年达到顶峰，其后因悬挂的性能提升及设计上的问题等因素，故其发展慢慢着重于上下控制臂分离式多连杆悬挂。
4多连杆悬挂依地区区分
全世界从事车辆多连杆悬挂研究之地区涵盖欧美亚三大洲，亚洲包含日本、韩国、中国及埃及，其中以日本投入的研究最多，且多集中在双横臂式衍生的多连杆悬挂，从事厂商包括日产汽车(Nissan)、马子达汽车(Mazda)、三菱汽车(Mitsubishi) 、本田汽车(Honda) 、本田汽車(Toyota)等。而韩国方面也投入相当多的研究，从事厂商为现代汽车公司(Hyundai)。欧美各国汽车厂也广泛针对各类型的多连杆悬挂进行研究，但还是以双横臂式衍生的多连杆悬挂为主，包括德国的宝马汽车公司(Bayerische Motoren WerkeGmbH)、奔驰汽车(Mercedes Benz)、Holland NewayInternational, Inc. 与瑞典的富豪汽车(Volvo)等。
5结束语
本文完成车辆多连杆悬挂相关的分类，简单了解各类型悬挂的演变及其构型。架系统性能提升有许多方法，以结果来说，主动式悬挂可算是性能最好的悬挂，但因其能量消耗过大、成本费用高、占用空间大、元件重量重等问题，使主动式悬挂较不具商业价值，而多连杆悬挂则不需要額外的能量消耗，并可兼顾各种悬挂参数，从而达到其他悬挂方式所达不到的性能要求，因此多连杆悬挂将成为未来汽车悬挂发展的主流。由所收集之文献可以看出，本文所述的悬挂主要以双横臂式衍生的多连杆悬挂为主，其中又以上下控制臂分离式多连杆悬挂为发展趋势，由于此悬挂的虚拟主销中心线设计自由度还比其他两者大，因此最具发展潜力。
参考文献：
[1]J. Knapczyk; S. Dzierzek “ Displacement andForce Analysis of Five-Rod Suspension WithFlexible Joint, ” Trans. ASME, J. Mech. Des.,1995, 117, P532-538.
[2]A Kouichi Ushio, “New Multi-link Suspension,”Proceedings of 6th International Pacific conferenceonAutomotive Engineering, 1991, P975-985.
[3]张启先.空间机构的分析与综合[M].机械工业出版社, 1984.
[4]孙桓，陈作模.机械原理[M].高等教育出版社, 1996.（02）
0引言
汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬挂性能好坏的主要指标。目前汽车消费者已逐渐将汽车行驶的平顺性和操纵稳定性指标作为选择汽车的一个重要参考因素，汽车行驶的平顺性和操纵稳定性技术已从不同角度越来越多地影响人们的生产和生活。
现今的车辆悬挂应具有良好的乘坐舒适性，悬挂的动态变形小的特性，对任何输入的响应都很快的特性。新世纪以来，乘坐舒适性要求近乎苛求，同时又要求操控稳定底盘性能，多连杆悬挂便应时而生。多连杆悬挂可以达到其他悬挂方式所达不到的性能要求，即便其结构复杂，零件精度高，制造成本增加，由于其综合性能上的优异表现，目前在所有悬挂中占据主流。
1多连杆悬挂结构介绍
多连杆悬挂通常是由五根连杆及一减振器组成，即两根上控制臂、两根下控制臂，再加上一转向杆及一减振系统，而悬挂一侧以球接头与车身连接，另一侧以球接头与转向节臂(knuckle)相连，而弹簧减振器也使用球接头连接与下控制臂与车身之间，转向节臂则通过一旋转接头与轮胎相连，故转向节臂与轮胎之间仅允许相对的旋转运动，为了方便分析，将转向杆视为地杆，由于此型之多连杆悬挂是由双横臂式悬挂衍生而来，且因各有两根上控制臂及两根下控制臂，所以形成一虚拟的主销中心线，此主销中心线为一瞬间的旋转轴，随着悬挂的位置而变化。传统悬挂因受主销中心线的限制，导致若干设计参数受到了影响，而多连杆悬挂则拥有一瞬间的主销中心线，突破这层障碍。转向节臂在三维空间上的位移被控制臂与转向杆所限制，当汽车行驶时，外力由轮胎传至悬挂，一部分由弹性接头吸收，而另一部分则由减振器来吸收，此悬挂有一个自由度，因此此机构唯一独立输入变数来自减振器，且机构的位置由减振器的长短唯一决定。
一般研究多连杆悬挂虚拟主销中心线分析，有三种方法。其一是简单图解几何运算，此方法虽简单，但准确度低，并受限制，无法精确地分析多连杆悬挂的运动。其二是利用Finite center analysisby curve fitting，定位轮胎上下接触面，并分别求得位移曲线，再利用线性 (curve fitting)求出圆心，连接两圆心即求得理论主销中心线，此种方法虽比前种准确，但误差仍较大。其三是使用瞬时螺旋轴定理，利用这种方法来求主销中心线时，一次只可求出一个位置，而悬挂的运动复杂，包含轮胎的上下跳动及转向等，若要将悬挂所有位置都求出，那将会是一个非常耗时且耗力的工作。
经过各种文献的广泛收集，并且加以分析整理，发现各类型的多连杆悬挂有以下诸多优点：第一，多连杆悬挂由于设计自由度较大，故易于控制外倾角(camber angle)、滚动中心(roll center)及俯仰控制中心(pitching center)等悬挂参数，降低转向连杆的负荷，减小转向力，因侧风及路面不平造成的车身敏感度下降，并保证轮胎的回复力。第二，轮胎在上下运动时，因悬挂结构的影响，致使车轮侧滑量变化轻微，从而轮距变化较小，可以降低轮胎的磨损，减少主销偏移量(kingpin offset)，使驱动力(driving force)的影响降低。第三，多连杆悬挂由于所需的装配空间较小，因此可降低汽车底盘并增大发动机舱空间，并可提供较大的后倾角(caster angle)，故可提升转弯性能。第四，多连杆悬挂由于其结构的关系，可在刹车时产生前束(toe-in)的效果，进而提高刹车的操控性能，提高行车的安全性。多连杆悬挂是目前最为先进的悬挂结构。
多连杆悬挂虽然有上述优点，但有一些缺点也需要注意。第一，此种悬挂为达到其他悬挂方式达不到的性能要求，故其结构较复杂，设计难度高。第二，其零件精度要求较高，维修困难，费用高，相对其他型式悬挂，成本增加很多。第三，多连杆悬挂所使用的接头为弹性旋转接头，若此弹性接头的刚性低则转向的精确度会受到影响，若刚性太高又会降低驾乘舒适性。但综合而言，仍是目前最佳的悬挂，发展极具潜力。
2多连杆悬挂依机构形式分类
多连杆悬挂直到目前为止，并无一明确清楚的定义，故本文经广泛收集多连杆悬挂文献，包含论文、学术期刊及专利公报等，参照分类法原则，依机构的形式进行分类，将其分为双横臂式衍生的多连杆悬挂、麦弗逊式衍生的多连杆悬挂及特殊构型的多连杆悬挂，并依其悬挂的不同机构类型及特性予以进一步的探讨，详述如下。
2.1双横臂式衍生的多连杆悬挂
一般常见的多连杆悬挂，以机构的型式区分可分为上下控制臂分离式、下控制臂分离式及上控制臂分离式三种，这里不作赘述。
2.2麦弗逊式衍生的多连杆悬挂
此型悬挂是由麦弗逊式悬挂衍生而来。麦弗逊式悬挂 (MacPherson strut suspension)又称支柱式悬挂，常用于小客车的前悬挂上，支柱上端利用橡胶件把持在车身上，支柱下端与转向节相连，减振器为圆柱型，安装在支柱部位。此新型的悬挂于1977年首先由德国的宝马汽车公司(BMW)研发完成，虽然其机构较简单，但是已为多连杆悬挂的发展揭开了序幕，此悬挂构造简单，占用的空间较小，但是当路面较颠簸时，车辆容易跑偏，且若汽车静止不动或速度较慢时，所需的转向力也较大。为了弥补不足，麦弗逊式衍生的多连杆悬挂便应运而生，最初结构设计时，为了最佳后倾角，并弥补麦弗逊式悬架系统的不足，改以双下控制臂代替原来的单下控制臂。此种机构的两端分别与车身及转向节臂相接，且双下控制臂与转向节臂相接的位置必须要上下对齐排列，此构型的悬挂除了可得到最佳后倾角外，亦可避免当汽车静止不动或速度较慢时，转向力较大的问题。此新型的悬架系统于1977年首先由德国的宝马汽车公司(BMW)研发完成，虽然其机构较简单，但是已为多连杆悬架系统的发展揭开了序幕。
2.3特殊结构多连杆悬挂
根据不同车辆的一些特殊用途，也产生多种特殊构型的多连杆悬挂。
3多连杆悬挂依年代区分
多连杆悬挂的发展已有二十多年的历史了，早在1977年，德国的宝马汽车(BMW)就已开始使用麦弗逊式多连杆悬挂，只是当时并无此名称，一直到1983 年奔驰系列车(Mercedes Benz)首先将多连杆悬挂这个概念应用于W201 车型上，并大大地改善了悬挂的性能，因此多连杆悬挂这个名词才慢慢受到瞩目。自1988 年起，许多学者开始多方面研究，范围包括双横臂式衍生的多连杆悬挂、麦弗逊式衍生的多连杆悬挂及特殊构型的多连杆悬挂等各种类型。研究于1991年至1995 年达到顶峰，其后因悬挂的性能提升及设计上的问题等因素，故其发展慢慢着重于上下控制臂分离式多连杆悬挂。
4多连杆悬挂依地区区分
全世界从事车辆多连杆悬挂研究之地区涵盖欧美亚三大洲，亚洲包含日本、韩国、中国及埃及，其中以日本投入的研究最多，且多集中在双横臂式衍生的多连杆悬挂，从事厂商包括日产汽车(Nissan)、马子达汽车(Mazda)、三菱汽车(Mitsubishi) 、本田汽车(Honda) 、本田汽車(Toyota)等。而韩国方面也投入相当多的研究，从事厂商为现代汽车公司(Hyundai)。欧美各国汽车厂也广泛针对各类型的多连杆悬挂进行研究，但还是以双横臂式衍生的多连杆悬挂为主，包括德国的宝马汽车公司(Bayerische Motoren WerkeGmbH)、奔驰汽车(Mercedes Benz)、Holland NewayInternational, Inc. 与瑞典的富豪汽车(Volvo)等。
5结束语
本文完成车辆多连杆悬挂相关的分类，简单了解各类型悬挂的演变及其构型。架系统性能提升有许多方法，以结果来说，主动式悬挂可算是性能最好的悬挂，但因其能量消耗过大、成本费用高、占用空间大、元件重量重等问题，使主动式悬挂较不具商业价值，而多连杆悬挂则不需要額外的能量消耗，并可兼顾各种悬挂参数，从而达到其他悬挂方式所达不到的性能要求，因此多连杆悬挂将成为未来汽车悬挂发展的主流。由所收集之文献可以看出，本文所述的悬挂主要以双横臂式衍生的多连杆悬挂为主，其中又以上下控制臂分离式多连杆悬挂为发展趋势，由于此悬挂的虚拟主销中心线设计自由度还比其他两者大，因此最具发展潜力。
参考文献：
[1]J. Knapczyk; S. Dzierzek “ Displacement andForce Analysis of Five-Rod Suspension WithFlexible Joint, ” Trans. ASME, J. Mech. Des.,1995, 117, P532-538.
[2]A Kouichi Ushio, “New Multi-link Suspension,”Proceedings of 6th International Pacific conferenceonAutomotive Engineering, 1991, P975-985.
[3]张启先.空间机构的分析与综合[M].机械工业出版社, 1984.
[4]孙桓，陈作模.机械原理[M].高等教育出版社, 1996.（02）
