麦弗逊前悬架参数匹配与运动仿真

摘 要现在的人们对汽车的要求越来越高，在获得良好的动力性和经济性的同时，还要求具有良好的操纵稳定性。汽车的操纵稳定性是影响汽车行驶安全性的重要性能之一，因此，如何研究和评价汽车的操纵稳定性，以获得良好的汽车主动安全性能一直是关于汽车研究的一个重要课题。析了参数化悬架模型的方法，并对模型进行了参数化,进行了悬架运动学仿真分析。分析了悬架各性能参数（主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角、车轮前束角和前轮侧向滑移量）在车轮跳动过程中的变化趋势，并指出需要改进的地方。研究多个设计变量的变化对样机性能的影响，并总结规律，提出优化设计的方案。再次进行仿真，对比分析了优化前后的仿真结果，并评价了优化方案。优化后悬架的性能明显提高，验证了优化方案的可行性。本文研究的目的和意义为在试制前的阶段进行设计和试验仿真，并且提出改进意见。在产品制造出之前，就可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率。本文的初步研究具有一定的实践和应用价值。关键词：麦弗逊悬架; 模;运动仿真of he as as of a is of on of it is an is to a I a to a of of as in a he a of in of he of in of of to s he of in a of a in of of to s of 摘 要.第 1 章 绪 论. 选题的目的. 选题的意义. 悬架技术研究现状. 研究内容和方法. 预期结果. 悬架的组成与分类.架的组成.架的分类. 本章小结. 架机构形式确定. 主要依据参数的确定. 悬架的弹性特性和工作行程. 螺旋弹簧的设计.旋弹簧的刚度. 减震器结构类型的选择. 减震器参数设计. 横向稳定杆设计.向稳定杆的作用.定杆接头形式选择.定杆直径计算.定杆校核. 轮胎尺寸. 半轴初步计算.0 本章小结. 虚拟样机技术简介. 虚拟样机技术的实现. 弗逊悬架简化模型. 在. 测试悬架模型. 悬架参数化.建设计变量.计点参数化.体参数化. 优化前悬架模型.化方案.化结果.化结果的评价. 本章小结. 悬架各零件建模.轮的创建.旋弹簧的创建.动盘的创建.向节的创建.横臂的创建.震器的创建.他零部件的创建.悬架的装配.件装配概述.配悬架组件的过程. 本章小结.章 绪 架的研究越来越受到广泛的重视。在传统设计和研究方法的基础上，也出现了许多先进的方法和技术，比如限元分析、模拟仿真、虚拟设计、优化设计等等。所以悬架系统的研究设计具有广阔的前景。在实际当中，如果悬架结构设计不当，将会大大影响汽车产品的使用性能，出现转向沉重、车轮摆振、轮胎偏磨严重、轮胎使用寿命缩短等现象。本课题研究的目的就在于运用试制前的阶段进行悬架结构布置和建模仿真，获得分析车轮垂直跳动、转动与车轮前束角的变化等关系，总结规律。获得相关数据，在产品制造出之前，就可以发现并更正设计缺陷，通过对模型某项或是多项性能指标进行优化，通过调节相应的参数来满足设计要求,从而为汽车悬架的设计提供一种新的可行性方案,为生产实践提供必要的理论支持。主要任务是弹性连接车轮与车架，传递二者之间的力和力矩，并缓和冲击、衰减振动。性能优良的悬架系统对改善车辆的操纵稳定性、行驶平顺性、减轻车辆自重、改善轮胎的磨损状况以及减少对公路的破坏具有重要意义。传统的悬架设计一般采用经验设计法、数学推导法以及几何作图等方法, 在悬架系统设计、试验、试制整个过程中必须边试验、边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，虽然可以满足设计要求, 但精度和效率不高。所以，传统的方法已经很难满足日益加速的设计需求, 为缩短开发周期, 降低开发成本, 有必要采用新的设计方法。运用虚拟样机技术，结合虚拟设计和虚拟试验，可以大大简化悬架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，提高产品质量和产品的系统性能，获得最优设计产品。有利于企业抢占市场和发展先机，提高经济效益和社会效益。力学仿真分析在汽车悬架系统的设计和开发中占有重要的地位。悬架系统在发挥车辆操纵稳定性方面至关重要。由于汽车操纵稳定性研究的复杂性和危险性，往往要进行计算机仿真，随着计算机软硬件的飞速发展，许多新的概念被提了出来，如虚拟现实技术(虚拟试验技术(虚拟仿真技术(和虚拟原型实验仿真技术(等，这为车辆计算机仿真技术描绘了美好的前景。虚拟试验技术是一种先进的以高性能计算机系统为支撑平台的计算机仿真技术，是近年来随着计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、并行技术、传感器技术等一系列技术的迅速发展而发展起来的。按传统的方法对新车的操纵稳定特性进行研究时，需要经过设计、试验，试验总结出来的问题反馈到设计。设计通过计算、更改后，再试验，这种完全依靠样车试制后对汽车进行试验达到调整汽车性能的做法已经不能满足开发速度和开发质量的要求，所以有必要在设计中采用虚拟试验技术对汽车的性能进行预测，以在实际样车试制之前就对其性能进行预测，并提出改进意见，达到提高设计质量和加快设计速度的目的，这对于提高我国汽车设计的总体水平也有着重要的意义。上世纪末兴起的数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到了广泛应用，而系统动力学仿真就是数字化虚拟样机技术的核心和关键技术。就汽车而言，车辆动力学性能、驾驶操纵稳定性能、平顺性能均为汽车的根本特性，在实际的研发生产过程中对这些性能的研究、测试就必不可少。为了降低产品开发风险，在样车制造出之前，利用数字化样机对这些上述性能进行计算机仿真，并且优化其参数就显得十分必要了。在概念设计和方案论证中，利用虚拟样机技术，设计人员可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力充分发挥。当用虚拟样机来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率也能得到提高。对操纵稳定性的研究常常采用试验方法和仿真分析方法进行。仿真分析是在计算机上建立简化到一定程度的模型，输入各种操纵控制信号，计算出系统的时域响应和频域响应，以此来表征汽车的操纵稳定性能。因为仿真分析花费时间短，可以在计算机上重复进行，对各种设计方案进行快速优化并对比，并且可实现实车试验条件下不能进行的严酷工况分析，因此广泛地被人们采用。几乎所有汽车生产设计厂家都采用仿真分析的方法来分析汽车的某些性能。美国开发的机械系统动力学仿真软件是应这些要求而诞生的。特别是专门应用于汽车动力学分析的大地方便了汽车设计人员的设计工作。用它可以方便地建立参数化的实体模型，并进行仿真分析。 分析车型的结构特点并获取悬架建模所需要的参数；2 利用机械系统动力学仿真软件其特性参数进行仿真分析，并就结构参数进行优化。分析麦弗逊式悬架的结构和悬架设计要求，在悬架设计中，根据整车的布置要求以及经验数据，确定悬架的整体空间数据和性能参数，运用建立三维物理模型，并在行运动学仿真分析，通过分析车轮垂直跳动、转动与车轮前束角的变化等关系获得相关数据，优化相关参数，建立虚拟麦弗逊悬架模型。该实现这些预期和相应结果：首先在完成必要的设计计算后，利用立简化的麦弗逊前悬架模型，并进行运动学仿真，获得相应的性能曲线。然后将模型参数化，创建若干设计变量，进行优化分析，找出影响悬架性能的主要因素，为进一步改进设计提供理论基础。设计完成后应提交的文件和图表：（1）括设计计算部分内容、悬架建模和仿真分析过程，重点是分析过程；（2）零件图一套（包括零件图），基于优化完成后确定的结构参数在三维建模软件，建立悬架总成的装配图、零件图；（3）基于虚拟软件仿真分析，给出具体的实现过程。第2章 别是乘用车的悬架，形式、种类会因不同的公司和设计单位，而有不同形式。但是，悬架系统一般由弹性元件、减震器、缓冲块、横向稳定器等几部分组成等。它们分别起到缓冲、减振 、力的传递、限位和控制车辆侧倾角度的作用。1弹性元件；2纵向推力杆；3减震器；4横向稳定器；5气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，现代轿车悬架多采用螺旋弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。螺旋弹簧只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑等优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减震器是为了加速衰减由于弹性系统引起的振动，减震器有筒式减震器，阻力可调式新式减震器，充气式减震器。它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。导向机构用来传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。现代汽车悬架的发展十分快，不断出现，崭新的悬架装置。按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，也就是说汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。车的悬架从大的方面来看，主要可以分为两类：独立式悬架和非独立式悬架。另外还形成了一种介于独立和非独立的中间形式，称为半独立式悬架。1、独立悬架独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。a) (b)(c) (d)(a)双横臂式；(b)纵臂式；(c)烛式；(d)立悬架的车轴分成两段（每只车轮用螺旋弹簧独立地，弹性地连接安装在车架下面，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。悬架基本上都采用独立悬架系统，最常见的有双横臂式和滑柱摆臂式（又称麦弗逊式）。（1）双横臂式独立悬架工作原理：由上短下长两根横臂连接车轮与车身，通过选择比例合适的长度，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。双横臂的臂有做成形臂的上下2个别安装在车轮上，另一端安装在车架上。,5，长双横臂式悬架在其车轮作上、下跳动时，可以保持主销倾角不变，但轮距却有较大的变化，会使轮胎磨损严重，故已很少使用，多为不等长双横臂式悬架所取代。不等长双横臂悬架在其车轮上、下跳动时，只要适当地选择上、下横臂的长度并合理布置，即可使车轮定位参数的变化量限定在允许的范围内。这种不大的轮距改变，不应引起车轮沿路面的侧滑，而为轮胎的弹性变形所补偿。因此不等长双横臂式独立悬架能保证汽车有良好的行驶稳定行，已为中、高级轿车的前悬架所广泛采用。双横臂悬架的特点。优点：结构比较复杂，但经久耐用，同时减振器的负荷小，寿命长。可以承载较大负荷，多用于轻型小型货车的前桥；缺点：因为有两个摆臂，所以占用的空间比较大。所以，乘用车的前悬架一般不用此种结构形式。（2）麦弗逊式独立悬架（滑柱连杆式）生命名的, 也称麦氏悬架通用的雪佛兰分部想设计一种质量小于900距小于2740 设计的关键是悬架总设计师麦弗逊创造性地将活塞杆兼做转向主销, 车轮沿主销轴线跳动, 前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性同双横臂式独立悬架比, 它没有上横臂, 因而增大了两轮间的内部空间, 给发动机和其他部件的布置带来了方便。麦弗逊式独立悬架在轿车上应用最为广泛, 在轻型汽车也有应用, 例如丰田的特锐小型四驱车、日产的京现代中型汽车上, 仅见于国外的一些轮式装甲车辆, 例如美国的斯特莱克、瑞士的皮兰哈和意大利的美洲狮等, 但已呈逐渐增多的趋势。其工作原理：这种悬架将减震器作为引导车轮跳动的滑柱，螺旋弹簧与其装于一体。由于其主销轴线位置在减震器与车身连接铰链中心和下摆臂与转向节连接铰链中心的连线上，车轮上下运动时，主销轴线的角度会有变化。因此前轮定位参数和轮距也都会相应改变，且变化量可能很大。以上问题可通过调整杆系设计布置合理得到解决。弗逊悬架结构1012345弗逊式是铰接式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主销，转向节可以绕着它转动。特点是主销轴线和前轮定位角随车轮的上下跳动而变，这种悬架构造简单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性，结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂，给发动机及转向系统的布置带来方便，并降低车辆的重心。技术成熟，结构紧凑，响应速度快。虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量最高的悬架结构（结构过于简单，刚度小，稳定性较差，转弯侧倾明显，因此应增加横向稳定器，以增强横向刚度），但它是一种经久耐用的独立悬架，具有很强的道路适应能力。所以，目前轿车使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架。2、特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。合具体结构组成，说明悬架系统在汽车行驶时发挥着必不可少的关键作用。对两种典型的独立式悬架的特点进行了阐述，对它们的总体布置形式做了初步的说明。第3章 架具体结构形式的选择为适应不同车型和不同类型车桥的需要，悬架有不同的结构型式，主要有独立悬架与非独立悬架。独立悬架与非独立悬架各自的特点在上一章中已经作了介绍，本章不再累述。所选车型为乘用车。对乘坐舒适性要求较高，故选择独立悬架。麦弗逊式独立悬架是独立悬架中的一种，是一种减震器作滑动支柱并与下控制臂铰接组成的一种悬架形式,与其它悬架系统相比,结构简单、性能好、布置紧凑,占用空间少。因此对布置空间要求高的发动机前置前驱动轿车的前悬架几乎全部采用了麦弗逊式悬架。此次设计的悬架为发动机前置前轮驱动的北京现代于只知其前悬形式为麦弗逊式独立悬架和整车基本参数。故设计时参考同类车型，根据所学知识，初步计算确定悬架的结构参数，是为进一步的分析研究的基础。2、弹性元件弹性元件是悬架的最主要部件，因为悬架最根本的作用是减缓地面不平度对车身造成的冲击，即将短暂的大加速度冲击化解为相对缓慢的小加速度冲击。使人不会造成伤害及不舒服的感觉；对货物可减少其被破坏的可能性。弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧等常用类型。除了板弹簧自身有减振作用外，配备其它种类弹性元件的悬架必须配备减振元件，使已经发生振动的汽车尽快静止。钢板弹簧是汽车最早使用的弹性元件，由于存在诸多设计不足之处，现在逐步被其它种类弹性元件所取代。如前所述，由螺旋弹簧具有占用空间小，质量小，无需润滑等优点，而被大多数乘用车选用。故本设计选择螺旋弹簧。3、减震元件减震元件主要起减振作用。为加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内都装有减震器。减震器和弹性元件是并联安装的，车悬架系统中广泛采用液力减震器。液力减震器的作用原理是当车架与车桥作往复相对运动时，而减震器中的活塞在缸筒内也作往复运动，则减震器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。此时，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，而被油液和减震器壳体所吸收，然后散到大气中。本文选择双筒式液力减震器（后有详述）。力构件及导向机构车轮相对于车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。对前轮导向机构的要求（1）悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过距变化大会引起轮胎早期磨损；（2）悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度；（3）汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。身侧倾角6使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。（4）制动时，应使车身有抗”前俯”作用；加速时，有抗“后仰”作用。（5）具有足够的疲劳强度和寿命，可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。5、横向稳定器在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件横向稳定器。横向稳定器实际是一根近似个端头与车轮刚性连接，用来防止车身产生过大侧倾。其原理是当一侧车轮相对车身位移比另外一侧位移大时，稳定杆承受扭矩，由其自身刚性限制这种倾斜，特别是前轮，可有效防止因一侧车轮遇障碍物时，限制该侧车轮跳动幅度。中前后轮距数据为参考同类车型确定。京现代35925/60 17：麦弗逊独立前悬架 后：多连杆独立后悬架最大总质量 1821 架的空间几何参数在确定零件尺寸之前，需要先大体确定悬架的空间几何参数。据车轮尺寸，确定据车身高度确定点距车轮中心平面120 架频率的选择对于大多数汽车而言，其悬挂质量分配系数=而可以近似地认为=前后桥上方车身部分的集中质量的垂直振动是相互独立的，并用偏频，表示各自的自由振动频率，偏频越小，则汽车的平顺性越好。一般对于钢制弹簧的轿车，约为1080次/090次/非常接近人体步行时的自然频率。取n=、悬架的工作行程汽车的前后偏频的计算公式如下：11111 2121 （2222 2121 （中 1 2前后悬架刚度， 1 2前后悬架的簧载质量。对于一般采用钢制弹簧的轿车 1n 约为 、 2n 21 取 ， 。 s sc （ 22222 11111 2121 2121 22 11 222 211 nf 悬架动挠度： （0.5 般对于乘用车 7090 车5080 车6090 了得到良好的平顺性，因当采用较软的悬架以降低偏频，但软的悬架在一定载荷下其变形量也大，对于一般轿车而言，悬架总工作行程（静挠度与动挠度之和）应当不小于160 dc =60.4 60 合要求。3、悬架刚度计算已知：已知整车装备质量：m =1521簧上质量为1060簧下质量为60载前轴单轮轴荷取60%：