【R&D】现代索纳塔车型悬架系统设计开发

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本文介绍了现代汽车公司新款索纳塔车型的新开发悬架系统，该车型于2005年上市。新款索纳塔的底盘经过改进，旨在为驾驶者带来更多驾驶乐趣和信心。为实现这些驾驶目标，悬架系统进行了调整和优化，以实现与上一代相比更佳的乘坐舒适性和操控性能。其运动学和柔性特性与上一代车型进行了对比。此外，还考虑了与悬架布局相关的碰撞安全性和布置效率，而不受悬架性能的限制。基于市场上顾客的反馈，新款索纳塔的悬架系统致力于满足各类顾客的需求。
01 引言

前悬架系统采用了与上一代相同的双叉臂式结构。然而，悬架布局在控制臂布置和转向器位置方面发生了重大变化，旨在提高NVH和碰撞性能的同时实现良好的乘坐舒适性和操控性能。后悬架系统采用了新开发的多连杆系统，显著提高了后部道路噪音水平和布置效率，同时在乘坐舒适性和操控性能方面也有了很大的改进。因此，本文首先介绍了前后悬架布局的特点，其次描述了乘坐舒适性和操控性能的主要改进：

1）悬架布局描述：包括前后轴的悬架布局改善，以及悬架组件的特殊特点；

2）性能改进：包括轴线几何特性和乘坐舒适性和操控性能。
02 悬架布局和优势

新的悬架系统考虑了前后车身结构和布置效率，旨在改善碰撞性能和行李空间，这些因素对顾客选择至关重要，与驾驶性能同样重要。

2.1 前悬架

前悬架的基本概念延续了先前的双横臂结构，采用高位安装的上控制臂和下控制臂，如图1所示。


转向器的安装位置与以往相比显著降低，以增加车身侧梁的截面尺寸，从而提高前部碰撞性能和车身结构的刚度。
此外，如图2所示，下控制臂的形状也从传统的“L”形改变为“反向L”形，这也有助于提升碰撞性能。在先前的车型中，下控制臂两个次框架安装位置之间的距离需要较高的刚度，以确保转向器的坚固安装，而该转向器位于这两个位置之间。

这种坚固的距离在前部碰撞测试中不会变形，并会侵入底盘下部，损害乘客的脚部区域。但是，在新款索纳塔中，采用了“反向L”形下控制臂布局，两个次框架安装点之间的距离增加了70毫米，通过宽广的跨度实现了更好的力分布，同时在前部碰撞中，这段较长的距离会随着次框架的变形而变形，有助于提升碰撞性能。


此外，新前悬架的一个特殊特点是制动卡钳安装位置的设计。将制动卡钳安装在前车轮中心的后方，通过适当的盘片罩设计，使空气流从前向后，增加了制动盘的冷却效率。
2.2 后悬架

新的多连杆后悬架如图3所示，上控制臂位于车轮内部。下控制臂相对于轮心位于后方，并承载弹簧下座，前束连杆位于轮心的前方，略高于下控制臂位置，起到了前束控制的作用。纵向控制后桥纵向运动的牵引杆位于纵向位置。


悬架弹簧与减振器分开布置，减振器安装在转向节上，如图4所示。通过这种布局和上控制臂的降低位置，道路噪音水平降低了4.5 dB，主要是由于轮包尺寸减小导致的轮包刚度增加，以及上控制臂和弹簧的局部安装刚度增加（与先前车型不同，弹簧没有安装在轮包上）。

此外，与装配弹簧的减振器相比，右侧和左侧之间的后地板横跨距离增加了25毫米，因为弹簧是分别安装在后地板侧梁的下部。这也是道路噪音传递效率的另一个因素，因为地板侧梁比轮包更加坚固。
后悬架弹簧偏置于后轮心布置会影响车轮跳动时轴的旋转运动，轴的旋转运动会使车轮运动变得不可预测，同时导致操控性能恶化。新开发的后悬架通过将弹簧偏移改进了24毫米，并在完全弹跳时将轴的旋转角度减小了一度，从而改善了这种情况。


此外，减振器上部橡胶安装座已经更改，使上跳缓冲块的载荷直接传递到车身侧面，而不影响减振器活塞的载荷输入。
03 悬架性能改进

3.1 悬架几何特性

悬架几何特性经过精细调校，以实现更好的驾驶性能。通过将主销拖距增加10毫米来改善了直线行驶稳定性。在转弯制动方面的稳定性也得到了提高，通过提供负的主销偏置距来实现，而先前车型的主销偏置距为正值。稳定杆连杆从下摆臂位置移动到减振器缸筒下端，前稳定杆杠杆比率从0.47增加到0.7，增加了前悬侧倾刚度。此外，前后悬架的侧倾中心高度均提高了约10毫米，以减小侧倾力矩。详细的侧倾运动特性将在后面的部分进行解释。

3.2 弯道稳定性改进

3.2.1 前悬前束角变化

改善线性弯道稳定性的重要特性之一是使前外轮的束角变化保持线性。非线性的前束角变化可能导致车辆在颠簸路面上产生不可预测的橫摆运动，从而影响直线行驶稳定性。新车型相比先前车型使跳动时的束角变化保持线性。


3.2.2 后悬前束角变化
此外，为了增加弯道稳定性，后悬前束角特性对于在转弯时保持稳定的不足转向非常重要。后悬架的外轮需要进行toe in以实现不足转向。然而，较大的前束角变化会引发干扰过度转向现象，这种现象发生在弯道制动时后悬内侧车轮较大的toe out变化。因此，希望减少后轮跳动时的前束角变化。新车型相比先前车型增加了侧向柔性前束角变化，但减少了跳动前束角变化，以实现稳定的转弯性能。




弯道制动时，希望后轮在制动力作用下实现toe in的前束角变化。新车型通过优化下控制臂臂和前束连杆的位置，增加了制动时的toe in的变化。图10展示了在后悬作用制动力的情况。

如图10所示，后悬架的下控制臂相对前束连杆较长，前束连杆位于车辆前部位置。此外，前束连杆和下控制臂在俯视图中具有斜率θf和θr。由于lf < lr且θf < θr的关系，后轮在制动力作用下呈现toe in。

3.3 纵向稳定性改进
3.3.1 抗制动点头

为了减少制动点头现象，需要从几何角度考虑前悬的制动点头。新车型改变了前下控制臂的旋转轴，与先前车型形成对比，使得抗制动点头率随着车轮跳动的增加而增加。

因此，在制动状态下，随着车辆重量轴荷转移，抗制动点头率倾向于增加，从而减少车辆的俯仰运动，有助于改善纵向稳定性。


3.3.2 抗加速后仰
对于前置发动机驱动的汽车，制动时的后悬加速后仰性能与防俯冲几何形状一样重要。新车型相比先前车型增加了后悬抗加速后仰率，以改善后悬架的乘坐质量，因为后轮运动的瞬时纵倾中心与纵向轮胎柔性值息息相关。纵倾中心位置较高，较高抗加速后仰率使后轮向后运动，具有更多的纵向柔性。


为了实现柔和的乘坐感，前后轮的驾乘偏频分别降低了3%和8%。此外，车辆重心高度提高了60毫米，以改善乘员舱。
如上所述，驾乘偏频的降低和车辆重心高度的增加导致车辆的侧倾刚度降低。然而，如图13所示，车辆的侧倾角度已经减小，主要是通过将稳定杆的侧倾刚度比先前车辆增加50%，以及几何部分所述的侧倾中心提高来实现的。


3.4 侧倾运动
改善车辆的侧倾性能不仅要减少侧倾角度，还要改善侧倾轴的行为。在先前的车辆中，车辆在侧倾运动中前悬抬升的程度超过了后悬，导致了不良的侧倾感觉。希望车辆在侧倾运动中前悬的抬升程度小于后悬，如图14所示。因此，建议将车辆的前悬降低，而不是抬高（图中的A方向）。


前后悬的举升运动是由侧倾中心的横向迁移引起的。在双横臂前悬架的几何结构中，侧倾中心的横向移动或迁移取决于上控制臂和下控制臂长度的比值。在先前的车辆中，由于上控制臂长度与下控制臂长度的比值较小，侧倾中心往往向转向方向外部移动，如图15所示。相反，在新车型中，上控制臂长度与下控制臂长度的比值相对较大，侧倾中心往往向转向方向内部移动，如图16所示。因此，麦弗逊悬架的侧倾中心通常向转向方向内部移动，因为等效的上臂长度趋近于无穷大。侧倾中心向外部移动会导致车身抬升，而侧倾中心向内部移动会导致车身下降。



在后悬架中，上臂长度与下臂长度的比值与先前车型相似，下控制臂相对较长，然而，由于后车身在侧倾运动中的举升程度较大，与先前车型相比，侧倾轴向外移动的幅度增加了，这是由于更大的举升力使得侧倾中心的高度增加。总结来说，新车型的前部悬架举升较少，而后部悬架举升较多，因此新车型由侧倾中心的移动产生的车头举升效应较先前车型减小。
04 结论

索纳塔新悬架系统经过了精心开发，旨在提高驾驶性能。此外，新悬架还考虑了与悬架相关的布置效率和车身结构改善。通过改善车辆的橫摆和侧倾的动态稳定性，新车型实现了其性能目标。通过从一开始就达成所有性能目标，现代汽车可以自信地推出新款索纳塔，并期待其在市场上取得成功