【R&D】本田披露跑车悬架系统设计开发

落叶纷飞

本文描述了用于本田1983年披露跑车Prelude的双横臂悬架系统。该悬架系统旨在通过悬架摆臂、弹簧和减振器的布局来改善操控性能和防俯仰性能。同时，该悬架系统还使得在横置发动机上方实现了低矮的车头线，适用于运动型车辆。
前置前驱（FF）车辆已成为紧凑型车的主流。由于它能够增加内部乘坐空间并简化生产工序，因此这种趋势现在也在运动车型和特种车辆中得到关注，如新款Prelude。对于设计良好且具有良好空气动力学的运动型车辆，两个重要的前提是车辆具有较低的整体高度和良好的视野。前悬架可以成为车头高度的限制因素，因此这些部件正在变得越来越紧凑。尽管如此，运动型车辆对悬架系统的性能要求仍在不断增加。本文以1983年本田Prelude作为现代FF运动型车辆悬架的例子，探讨了解决各种与布置空间相关问题的方法（见图1）。

01 性能与布置要求
以下描述对1983年Prelude前悬架系统设计的性能和空间方面的要求。1.1 空间目标为了满足造型和其他一些要求，需要实现以下紧凑性。1）可以实现与同类传统汽车相比约80毫米的车头高度降低。
2）使悬架系统与FF横置发动机兼容。

为了实现这些造型和布局目标，车头必须比之前的Prelude和Accord等车型更低。由于Prelude旨在成为一款运动型车辆，因此车头必须足够低，不仅可以实现总体高度低至1290毫米，还必须提供良好的驾驶员视野和低风阻。此外，根据日本的税收法规，如果车辆宽度超过1700毫米，它将被归入较高的税收档位。因此，设计还必须考虑车辆的宽度，而Prelude的1690毫米宽度刚好低于此限制。


1.2 性能目标从性能角度来看，一些主要要求如下列所示：1）出色的转弯性能。
2）快速的转向响应。

3）优异的方向稳定性。

4）充足的防俯仰性能。

5）使用185/70SR13的轮胎尺寸。
使用典型的轿车轮胎，Prelude旨在在高速公路上提供良好的操控性和优异的稳定性。为了满足这款运动型车辆的性能要求，采用了独特的布局来改善悬架的基本几何结构。

1.3 悬架性能

为了实现性能目标，以下项目被认为是必不可少的。

1.3.1在转弯时，轮胎应尽可能保持接近垂直。为了实现这一目标，在设计工作中考虑了三个要素：

1）在车轮行驶过程中，静态时的车轮的摆角会发生变化。

2）主销内倾角减小

3）外倾角刚度增加

4）前束角刚度应该较高

5）适合的抗加速度后仰率

6）为了实现驾乘舒适性应该有足够的前/后柔性

最初的悬架设计采用麦弗逊式悬架。然而，由于这些布置和性能目标无法令人满意地实现，因此引入了双横臂悬架系统。

1.4 设计特点
双横臂前悬架系统（见图3）的两个显著特点是：

1）上臂和下臂的布置；

2）减振器和弹簧的布置。

1.5 上/下摆臂的布置

双横臂悬架系统的摆臂具有以下特点：

1）上摆臂位置较高。

2）上摆臂较短。

3）上摆臂为半前置式。

4）使用倒装式球接头提高下摆臂的布置。


在前置发动机横置的前驱车辆中使用双横臂悬架系统的一个困难在于，紧凑的布置要求不允许上摆臂像普通悬架那样长。在传统布局中，如果上摆臂较短，车轮跳动过程时外倾角和轮距变化过大。然而，如果将上摆臂放置在轮胎上方，可以大大增加上下臂的跨度，并且可以消除上述问题（见图5）。从乘坐舒适性的角度来看，高上摆臂与相对较高的下摆臂位置相结合，有助于实现足够的前/后柔性，而不影响主销后倾角的刚度。

为了实现较高的主销后倾角刚度和足够的柔性，以下项目是必不可少的（见图6）：1）轮心到上/下球铰的距离比值较大；2）上下摆臂球铰距离长度较长。
此外，将下摆臂布置得相对较高有助于改善防俯仰特性，因为下摆臂的转动轴线在侧视图中更倾斜，其中摆臂内点衬套受离地间隙限制（见图8）。

高下摆臂的另一个优点是下摆臂与转向杆之间的高度差很小。这有助于实现高前束角刚度，并减少转向过程中的侧向力（见图7）。

高下摆臂还有助于减小轮心处主销偏置距，这有助于减小主销内倾角。小的主销内倾角也有助于在内空间限制而无法布置的长上摆臂设计（见图8）。






1.6 减振器和弹簧的布置
考虑到发动机舱盖较低、传动轴和转向系统的位置以及轮胎和轮胎链的充足间隙，弹簧和减振器的空间非常有限。解决了这个问题，通过将弹簧和减振器安装在一个节叉支架上，该节叉支架跨过传动轴并连接到下摆臂臂上，（见图3）。

为了防止弹簧/减振器与上摆臂之间的干涉，采用了半前置式（见图9）。这种半前置式上摆臂不仅有助于悬架的防俯特性，还允许Prelude的车头降低约80毫米，即使使用185/70SR13轮胎，仅增加宽度约30毫米。简而言之，双摆臂悬架使得这款车辆可以大幅降低车身高度，只需略微增加车身宽度（见图3和4）。



1.7 悬架几何
1.7.1 静态几何

整备状态车辆的悬架几何如表1所示。


在这部分工作的两个主要目标是：1）减小主销内倾角，为了：*避免产生对转向的不利影响，如外倾角变化。*与阿克曼转向几何结合，实现满意的转向手力。2） 尽量减小轮心处主销偏置距，以减少前驱扭矩转向特性。
1.7.2 动态几何

悬架由于车轮跳动引起的几何变化如图10至图15所示。如图10所示，正常使用范围内的转向角变化（前束角）几乎为零。与通常的麦弗逊悬架相比，新款运动型Prelude的外倾角变化量大约是其两倍（见图11）。如图12所示，轮距变化略有增加，但这是为了满足外倾角变化所必须做出的妥协。抗俯仰性能通过“侧视图中车轮跳动时轮胎接地点运动轨迹”来表示，这在显示为“轴距变化”，如图13所示。抗俯仰性能是新Prelude悬架几何中最重要的特征之一。由于上摆臂为半前置式，可实现理想的逐渐增强的抗俯仰特性。





半前置式上摆臂的另一个优点是，由于其靠近前横梁，上摆臂臂连接点的车身结构刚度可以设计的更高。这也使得真空助力器总成无需偏移地安装到制动踏板上。由于抗俯仰几何，当车轮行驶过程中上跳时，主销后倾角和前主销拖距会发生相当大的变化（见图14和15）。Prelude前悬架利用了这一特性，通过采用较小的初始主销拖距来改善灵活的操控性。


在0 .5G侧向加速度的转弯时，早期Prelude的不足转向度为1.34，而新Prelude仅为1.25（见图16）。较低的不足转向度说明了新Prelude相对于早期Prelude更具运动性的操控特性。在0.5G侧向加速度下的车身侧倾角也已经减少：旧Prelude为3.2°，而新Prelude为2.3°（见图17）。



03 结论在节省空间方面，双横臂悬架对于低发动机护板、宽轮距的汽车非常有用。在性能方面，由于其外倾角变化特性与麦弗逊式悬架不相匹配，即使在高侧向加速时也能保持所需的不足转向特性。由于双横臂悬架比麦弗逊式悬架更重、成本更高，因此不能被视为一种全能型悬架。然而，对设计、空气动力学和性能至关重要的运动型前驱车来说，它是一个很好的设计选择。

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