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甲醇轿车麦弗逊式独立悬架设计及三维建模【三维图】【毕业说明书论文CAD图车辆结构】,毕业说明书论文CAD图车辆结构,设计【毕业论文

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毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书甲醇轿车麦弗逊独立悬架设计甲醇轿车麦弗逊独立悬架设计及三维建模及三维建模20192019 年年 月月毕业设计说明书 2 摘 要汽车悬架是汽车中作为行驶系统中不可缺少的一部分，主要用于安装支撑车轮，吸收因路面颠簸带来的冲击，减震保证车辆行驶顺畅等作用。而独立悬架的导向机构承担着悬架中除垂向力之外的所有作用力和力矩，并且决定了悬架跳动时车轮的运动轨迹和车轮定位角的变化。本次课题是对甲醇轿车的麦弗逊独立悬架进行设计及三维建模和分析。首先通过已知的汽车相关参数，确定悬架的结构方案及整车中行驶系统的结构形式、转向系统结构形式等。然后对独立悬架中导向机构、稳定杆、拉杆等主要零件尺寸计算，并进行强度校核。接下来是根据设计计算结果对汽车前麦弗逊独立悬架进行图纸绘制/运用三维软件对悬架系统进行三维建模。最后完成设计说明书准备答辩。关键词：麦弗逊独立悬架；导向机构；稳定杆；强度校核；毕业设计说明书 3 ABSTRACTAs an indispensable part of the driving system, vehicle suspension is mainly used to install supporting wheels, absorb the impact caused by road bumps, and ensure the smooth running of vehicles. The guiding mechanism of the independent suspension bears all the forces and moments except the vertical forces in the suspension, and determines the change of wheel trajectory and wheel alignment angle when the suspension runs out. This topic is about the design and three-dimensional modeling and analysis of McPherson independent suspension of methanol car. Firstly, the suspension structure scheme, the structure form of the driving system and the steering system are determined by the known vehicle parameters. Then the dimensions of the main parts such as the guide mechanism, the stabilizer rod and the tie rod in the independent suspension are calculated and the strength is checked. Next, according to the design results, the drawings of the front McPherson independent suspension are drawn/the suspension system is modeled by three-dimensional software. Finally, the design instructions are completed and the defense is prepared. Key words: Mcpherson independent suspension; shock absorber; driving system; 毕业设计说明书 4 目目 录录摘摘 要要.2ABSTRACT .3第第 1 章章 绪绪 论论.61.1 机械加工行业的发展.61.2 课题研究背景及意义.71.2.1研究背景.71.2.2研究意义.81.3 悬架系统的国内外研究现状.111.3.1国外研究现状.121.3.2国内研究现状.131.3.3 悬架的设计水平.141.4 悬架系统的自然振动频率 .141.5 悬架的结构与组成.161.5 悬架的分类.161.5.1独立悬架.161.5.2 非独立悬架.241.5.3 半独立悬架.271.5.4 主动悬架和半主动悬架.291.6 悬架机构的设计要求.331.7 主要设计思路及方法.341.7.1研究方法.341.7.2研究技术路线.341.8.悬架的功用.35第第 2 章章 悬架系统总体设计方案的确定悬架系统总体设计方案的确定 .362.1 悬架的参数确定.37毕业设计说明书 5 2.2 悬架的弹性工作特性确定 .372.2.1悬架频率的选择.372.2.2 悬架的工作行程.372.2.3悬架刚度计算.382.3.4 悬架弹性特性.39第第 3 章章 悬架主要结构的设计与分析悬架主要结构的设计与分析.393.1 导向机构的布置参数.393.2 导向机构的受力分析.423.3 轴线布置方式的选择 .443.4 横臂长度的确定.453.4 螺旋弹簧的设计与计算.453.4.1螺旋弹簧的刚度计算.463.4.2弹簧端部形状.463.5 导向弹簧的受力分析.473.6 减振器的设计与分析.493.7 横向稳定杆的设计.583.7.1 横向稳定杆的作用.583.7.2 横向稳定杆参数的选择.59第四章第四章 三维建模设计三维建模设计.594.1 三维设计简介.594.2 参数化建模.60结结 论论.61参考文献参考文献.64致致 谢谢.65毕业设计说明书 6 第第 1 章章 绪绪 论论1.1 机械加工行业的发展机械加工行业的发展机械制造也的设计水平与制造这水平，预示着一个国家的科学技术水平，其直接影响着国家的经济技术水平。近几年，随着改革开放的大力发展，国家不断的发展自主产业，提高我国机械行业的水平，大力支持制造产业化的构建。现今为止，我们已经逐渐从制造产业大国转化成制造产业强国。最近，国家电影总局刚刚上映一部厉害了，我的国的电影，其中很形象的描述了中国在近五年的制造产业的快速发展。从航海、航天。陆地三个方面进行概括，如建筑行业、到轮船、船舶行业，从飞机制造业，到高铁的上千个零部件的装配，还有历经 6 年高铁上电子元件自主的研发，无一不彰显着我国制造、技术大幅度的跃进。如同习主席说的，我们不在是世界制造业大国，而是制造业强国。天舟一号与天舟二号的完美对接，实现了中国空间补给的首次胜利，也宣告着，中国有可能成为世界上首个建立太空空间站的国家。从中不仅体现了我国科技水平的提高，机械制造行业的制造水平提高，同时也体现了我国工人技术装配能力的提高。全球最大规模，技术最先进的全自动码头即生孩洋山四期自动化码头的建立，意味着智能化、自动化的机械设备诞生，让我们也看到了制造、机械行业的远景目标，将奔着智能化发展。现在，随着国家政策的逐步推进，人民的生活水平不断提高，物质享受与精神享受的同步发展，将机械制造行业中的技术、工艺、设备、原材料、人员等都在不断的优化、改善和提高。以满足现在以及将来人们的要求。通过技术的引进，消化吸收以及工艺的不断创新，全面质量的不断把控，将制造行业的水平提升到很大的一个层次。一些先进的技术在生产、制造中得到了很广泛的应用，能够很多应用在批量生产中。但是我们同欧美地区发达国家相比，还是存在着很大的差距。例如：计算机辅助设备，其发达国家工艺覆盖率可以达到80%，而我们国家仅仅达到 30%左右；发达国家自动化设备的使用率很高，而毕业设计说明书 7 我们的企业往往会因为各种因素所有的是比较落后的设备。而这些原因往往体现在我们国家技术人员的开发以及创新能力上比较薄弱，有些技术我们只能依靠从国外进口，在其基础杀那个优化或者改进。还有一种原因是缺乏将研究成果应用在大批量企业中，且缺少其管理机制。未来，机械行业与制造行业将逐步向智能化、集成化发展。其不仅释放了人的双手，大大提高生产效率，保证零部件的质量，且能提前预警与预防各种事故的发生。智能机器人，全自动汽车生产链、无人驾驶汽车的开发已经逐步趋于成型。在以后智能化将逐步走向各行各业，将成为工业 4.0 的主体。1.2 课题研究背景及意义课题研究背景及意义1.2.1 研究背景 悬架是现代汽车上重要组成部分之一，它把车架与车轴，或者车身与车轮连接起来，是传递车身与轮胎之间力与力矩的连接装置，并且，悬架可以减缓冲击，衰减系统的振动，从而保证了良好的平顺性；在路面不平的时候拥有理想的运动特性，从而保证了汽车的操纵稳定性和较高的行驶能力。悬架包括弹性元件、导向装置、减振器和横向稳定器等，如图 1-1 所示。毕业设计说明书 8 图 1-1 中级轿车悬架系统结构图1.2.2 研究意义悬架的主要功能是传递作用在车轮和车身之间的所有力和力矩，并减小汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减承载系统的振动，并且保证了汽车的行驶平顺性，保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。平顺性是现代高速、高效率汽车的一个主要性能，汽车平顺性直接影响到人和车辆。汽车平顺性的好坏直接影响到乘员的舒适性、工作效能和身体健康。因此悬架设计关系到汽车使用性能的好坏，具有重要的理论和实际应用意义。本论文基于凯美瑞轿车，并且结合实际生产，通过对悬架中重要的零部件进行计算校核，设计整个悬架系统，对整车运动学性能的影响进行分析，对实际生产有着重要的意义。一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进，但从结构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件及导向机构毕业设计说明书 9 的作用，麦克弗逊悬架 (McPherson strut suspension，或称滑柱摆臂式独立悬架)中的减振器柱兼起减振器及部分导向机构的作用，有些主动悬架中的作动器则具有弹性元件、减振器和部分导向机构的功能。根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等，各种悬架的结构特点将在以下章节中进一步讨论。除上述非独立悬架和独立悬架外，还有一种近似半独立悬架，它与近似半刚性的非断开式后支持桥相匹配。当左右车轮跳动幅度不一致时，后支持桥中呈 V 形断面并与左右纵臂固结在一起的横梁受扭，由于其具有一定的扭转弹性，故此种悬架既不同于非独立悬架，也与独立悬架有别。该弹性横梁还兼起横向稳定杆的作用。按照弹性元件的种类，汽车悬架又可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等。按照作用原理，可以分为被动悬架、主动悬架和介于二者之间的半主动悬架。本课题来源于凯美瑞轿车的后悬架，按其上下横臂的长短可分为等长双横臂和不等长双横臂两种。等长双横臂悬架在其车轮做上下跳动时，可保持主销倾角不变，但轮距却有较大的变化，会使轮胎磨损严重，多为不等长双摆臂悬架代替，后一种悬架在其车轮上下跳动时候只需要适当的选择上下横臂的长度并合理布置，即可使轮距及车轮定位参数的变化限定在一定的范围之内，这种毕业设计说明书 10 不大的轮距的改变，不应引起车轮沿路面的滑移，而为轮胎的弹性变形所补偿，因此其保持了汽车良好的行使平顺性，双横臂悬架的突出优点在于其设计的灵活性，可以通过合理选择空间杆系的铰接点的位置及导向臂的长度，使得悬架具有合适的运动特性，并且形成恰当的侧倾中心和纵倾中心。如前所述，汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求：A、通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力；B、合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性要求；C、导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能引起转向轮摆振；D、侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾(即所谓“点头”和“后仰”)；E、悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小；毕业设计说明书 11 F、便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间；G、所有零部件应具有足够的强度和使用寿命；H、制造成本低；I、便于维修、保养。悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。1.3 悬架系统的国内外研究现状悬架系统的国内外研究现状汽车能够实现在道路上行驶，主要使靠可以支撑车轮，吸收地面传递的振动的汽车悬架实现的，但是如何降低动力的损失，还有减少燃油的消耗，提高人们乘坐的舒适度这是进行汽车设计时必须要考虑的问题，同时对于购车的人来说，这也是他们选择汽车的主要性能指标。随着社会的发展，近几年以来人民大众经济都好起来，对汽车的舒适性方面和动力性方面等要求非常高。21 世纪以来，微电子技术的发展及机电一体化技术的发展已经在人们生活当中随处可见，汽车行业的发展，主要是向着多元化和工业化的方向发展，其中汽车悬架的设计和生产在汽车中具有非常重要的位置。目前汽车对车速和燃油量的要求方面很高，所以汽车悬架的使用对性能将会有十分重要的影响。目前，我国自主汽车的行业发展已到达一定的阶段，针对主要性能零部件已完成了自主研发及批量生产。而且随着近些年汽车行业的飞速发展，国内主要汽车零部件也竞争激烈。针对汽车悬架就是其中很重要的一部分，因为汽车悬架关系着整车的性能及运动安全性。在国外，一方面汽车行驶的路况越来越好，平均车速逐渐提高，另一方面节约能源，减少对环境的污染意识使得发动机正向着大转矩和低转速的方向发展。国家经济的飞速发展，引领国产汽车迈向一个新的起点，人们生活的提高毕业设计说明书 12 对于性能的要求越来越高。为适应以上情况，提高人们乘坐的舒适性就必须针对汽车悬架进行优化设计。因而目前在国外货车上广泛的采用的是麦弗逊独立悬架，麦弗逊独立悬架具有成本低，质量轻，维修保养简单，噪音小，温升低和整车油耗低等优点。因此被广泛应用，在本设计中也主要对汽车麦弗逊独立悬架行结构的设计与模型的建立。汽车悬架系统的主要功用是支撑车身的重量,并且使汽车稳定有效的进行转向操纵控制,同时有效的分离路面波动对车身的影响。不同的需要导致设计的要求不同,半自动悬架由从动弹簧和需要克服不同路面状况和汽车运行条件的阻尼离的自动减振器组成。由于主动悬架结构复杂而传统的消极式悬架无法满足不同路面状况和汽车运行状况的要求。因此,半自动悬架是目前最常用的悬架系统。半自动悬架系统的优点是带有液压减振使车身在低动力情况下振动降低。目前,许多控制系统是为半自动悬架系统而开发的。从 Karnoopp 的 Skyhook 方法开始。这个方法主要是使缓冲器承受一定的力的作用,而这个力是与汽车全速时悬架上的质量成一定比例的。许多调查都是用一维模型,它可以推导出模糊的控制点和控制运算法则。如 LQG 和活跃控制。由于汽车悬架固有非线性特性,导致这种控制方法不能充分发挥半自动悬架的功用。为充分利用悬架系统的非线性功用。如模糊逻辑控制。神经网络控制和模糊神经控制等智能化控制方法近来都已被科研人员用于非线性悬架系统控制。由于主动式空气悬架弹簧价格较贵，为降低成本，有的企业部分车型前桥使用钢板弹簧，后桥使用空气悬架弹簧。由此可知悬架正充分关注这方面的变化，提高综合开发能力，以适应市场的需求和变化，新型悬架的诞生迫在眉睫。1.3.1 国外研究现状国外汽车悬架运动学的研究起步较早，几乎是随着独立悬架的诞生就开始了。汽车悬架弹性运动学的研究，在上世纪 80 年代兴起。Duym 用一种代数形式的经验公式来描述双横臂式独立悬架系统的非线性特性，仿真结果与实验结果基本吻合3。Kuti 以有限元为工具，建立了一种客车悬架系统的非线性数学毕业设计说明书 13 模型4。这些研究表明，建立双横臂式独立悬架系统的简单而又比较准确的非线性数学模型，并将其用于乘坐动力学的非线性研究具有重要意义。特别是近几年来，摒弃了传统设计方法，比较流行的优化设计方法多是基于空间机构运动学原理及多刚体动力学理论，采用计算机辅助设计，获得了理想的设计结果，并有效地提高了工作效率5。双横臂式独立悬架的设计、制造已比较成熟，而且成本低，工作可靠，是当今世界汽车工业中悬架的主导产品。近年来，研究多连杆悬架运动特性的方法不断涌现，D.M.A. Lee 等人推导出转向节的速度方程，并应用逐步线性化方法来求解位置问题，Mohamed 和 Attia 应用刚性连杆和转向节之间的约束方程获得悬架的运动特性，Knapzyk 和 Dzierzec 提出的拆杆法以及 Lee Unkoo 等人的位移矩阵法等6。德国 Prof.J.Reimell(耶尔森赖姆帕尔)著的汽车底盘技术对各种悬架运动学及弹性运动学作了详细的分析，对车轮定位参数做了准确的定义，分析了他们的作用及其对操纵稳定性的影响。在悬架运动学分析中，描述了弹簧变形过程中车轮定位值的变化过程；在弹性运动学分析中，描述了弹簧各部件及交接处具有弹性，由轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位值的变化，并且给出了一些典型车型的车轮定位参数的变化曲线，这些变化曲线都是实测得到的，可以用来进行操纵稳定性的评价7。德国人阿达姆措莫托所著的汽车行驶性能 、德国学者 Wolfgang Matschinsky 编写的车辆悬架以及日本学者安部正人所著的汽车的运动与操纵等著作中都对汽车悬架运动学特性做了深入的讨论分析8。1.3.2 国内研究现状独立悬架系统的研究在国内也有较长的历史。近几年来，北京理工大学，浙江大学等高校正在开展此方面的研究，并发表了一些论文。对于独立悬架系毕业设计说明书 14 统的研究，主要是应用线性理论研究汽车乘坐动力学9。目前，独立悬架产品已经实现国产化。但从总体上来看，国内对于独立悬架系统的研究相对较少，产品主要是仿造国外，自主开发能力差，并且缺少具有自主版权的专用软件。在独立悬架系统的研究中，国内基于线性理论的建模与仿真仍处于主导地位，而基于非线性理论的非数学建模与分析也已经引起重视，并有了一定的研究成果10。随着汽车工业的迅猛发展，悬架研究方法不断涌现，对于双横臂式悬架、麦弗逊式悬架等的运动学分析做过大量工作，而对于多连杆悬架系统，清华大学吕振华等利用机械原理中的拆杆法，对五连杆悬架进行了运动分析和受力分析，并应用一种迭代算法分析了考虑橡胶衬套弹性的悬架运动特性，讨论了衬套弹性对车辆性能的影响，清华大学宋健等和同济大学祁宏钟等分别采用瞬时轴线法和近似数值方法确定多连杆悬架的主销轴线，该方法简单可靠，对多连杆运动学理论分析打下基础11。上世纪 80 年代起，多刚体系统动力学理论和方法已经较广泛应用于汽车技术领域，一些优秀的多体动力学分析的商业化软件(如 MSC.ADAMS 等)使得汽车悬架系统运动学分析技术日臻成熟和完善。吉林大学杨树凯在其发表的多连杆悬架与双横臂悬架运动学和弹性运动学特性分析中，利用ADAMS/CAR 软件对两种悬架系统进行了运动学特性仿真对比分析12。1.3.3 悬架的设计水平汽车悬架系统的研究与设计主要是为了提高汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性。汽车悬架系统的研究与设计的领域也相应地分为两大部分：一是对汽车平顺性产生主要影响的悬架特性；另一是对汽车操纵稳定性产生主要影响的悬架特性。长期以来，国内汽车行业，特别是轿车、微型车行业基本上依靠国外技术毕业设计说明书 15 生存。虽有众多专家、学者、业内人士不断强调培育本土设计开发能力的重要性，但在缺乏竞争力的环境下，相关企业往往出于短期利益考虑，不愿在此方面进行大规模投入，致使这项工作难以真正落实到位。因此，迄今为出，国内汽车行业对包括悬架系统在内的汽车底盘系统关键产品的设计机理，仍然知之甚少，重复引进到处可见与浪费惊人，而且也往往受制于人。1.4 悬架系统的自然振动频率悬架系统的自然振动频率由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量(簧载质量)所决定的车身固有频率(亦称振动系统的自由振动频率)，是影响汽车行驶平顺性的悬架重要性能指标之一。人体所习惯的垂直振动频率是步行时身体上下运动的频率，约为1-1.6Hz。车身固有频率应当尽可能地处于或接近这频率范围。根据力学分析，如果将汽车看成个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的固有频率2为n= (2-1)21MK21fg式中，g为重力加速度；f为悬架垂直变形(挠度)；M为悬架簧裁质量；K (KMg/f)为悬架刚度(不定等于弹性元件的刚度)，是指车轮中心相对于车架和车身向上移动的单位距离(即使悬架产生单位垂直压缩变形)所需要加于悬架上的垂直载荷。由上式可见：A、在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度越小，则汽车固有频率越低。但悬架刚度越小，在定载荷下悬架垂直变形就越大，即车轮上下跳动所需要的空间越大。这对于簧载质量大的货车，在结构上是难以保证的，故实际上货车的车身固有频率往往偏高，而大大超过了上述理想的频率范围。B、当悬架刚度定时，簧载质量越大，则悬架垂直变形越大，而固有频率越低，故空车行驶时的车身固有频率要比满载行驶时的高。簧载质量变化范围越大，则频率变化范围也越大。为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身固有频率保持不变成变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小。而载荷增加时，悬架刚度随之增加。有些弹性元件本身的刚度就是可变的，如气体弹簧；有些悬架所用的弹性元件的刚度虽然是不变的，但是安装在悬架中之后，可使整个悬架具有可变的毕业设计说明书 16 刚度，例如扭杆弹簧悬架。悬架一般安装在汽车的底部，其是汽车设计过程中不可缺少的一部分，同时也是整车 NVH 的关键。其主要功用如下：(1) 支撑车轮，用于传递车轮的力矩。(2）为保证汽车良好的平顺性，需要吸收不平路面所引起的振动和冲击。(3）为整车的 NVH 降低提供保障。(4）保证乘车人员的舒适性。综述所述正确的选择悬架结构形式和性能参数，是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性的直接因素。因此本设计中对轿车的麦弗逊独立悬架进行设计。1.5 悬架的结构与组成悬架的结构与组成 不同的悬架有不同的结构形式，但是不同的悬架总体必不可少的结构有悬架由弹性元件、减振器、缓冲块、横向稳定器等主要的几部分组成等，具体结构如图 1-1 所示。图 1-1 汽车悬架组成示意图1-弹性元件 2-纵向推力杆 3-减震器 4-横向稳定器 5-横向推力杆弹性元件根据结构的不同有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等几种形式，空气弹簧主要用于高级轿车上，由于其成本较高。而目前大多数轿车使用的是螺旋弹簧。螺旋弹簧具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，毕业设计说明书 17 因此被广泛应用。本设计也采用螺旋弹簧。减振器是起到了减震作用，本设计中采用筒状减震器。随着科学技术的发展悬架的结构形式也是在飞速的发展，各种结构的出现也将汽车的舒适性提高了一个等级。这对于悬架的要求也越来越高。1.5 悬架的分类悬架的分类1.5.1 独立悬架独立悬架系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬架在车架或车身下面的。优点：1. 质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；2. 可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；3. 可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；4. 左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。缺点：1. 独立悬架系统存在着结构复杂维修不便的缺点2. 成本高3. 因为结构复杂，会侵占一些车内乘坐空间。现代轿车大都是采用独立式悬架系统，按其结构形式的不同，独立悬架系统又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架系统等。1,、单横臂式横臂式悬架指车轮在汽车横向平面内摆动的独立悬挂系统，一般和断开式车桥配合使用。按横臂数量又可分为单横臂式悬架和双横臂式悬架。单横臂式具有结构简单，侧倾中心高，有较强的抗侧倾能力的优点，缺点是轮距变化大，轮胎磨损加剧。毕业设计说明书 18 毕业设计说明书 19 2、双横臂式按上下横臂是否等长又可分为等长双横臂式和不等长双横臂式。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大，造成轮胎磨损严重。不等长双横臂的横向刚度大，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置、就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。双横臂的上下臂不能起到纵向导向作用，还需要另加拉杆导向。这种结构较双叉臂更简单的双横臂悬挂性能介于麦弗逊悬挂和双叉臂悬挂之间，拥有不错的运动性能。3、双叉臂式用 A 字或者 V 字形结构替代双横臂式的单臂。优点：优点：横向刚度大有较好的方向稳定性、抗侧倾性能优异、抓地性能好、路感清晰；缺点：缺点：制造成本高、悬架定位参数设定复杂。缺点是响应速度较其他形式悬架要缓慢，横向安装空间大。毕业设计说明书 20 4、单纵臂式纵臂式悬架是指车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架，根据纵臂的数量，纵臂式悬架可分为单纵臂式和双纵臂式两种。单纵臂式悬架当车轮跳动时，纵臂以套管的轴线为中心摆动，使扭杆弹簧产生扭转变形，以缓和不平路面产生的冲击，因为车轮上下运动时，主销后倾角会产生很大变化。5、双纵臂式双纵臂式悬架是有两个纵臂，而且其两个纵臂长度一般做成相等，形成平行四连杆机构。这样可使车轮上下运动时，主销后倾角不变，因而这种型式的悬架可以用作转向悬架。毕业设计说明书 21 毕业设计说明书 22 6、多连杆悬架连杆式悬架是由多根杆件组合起来控制车轮的位置变化的悬架。适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角，可不同程度地获得横臂式与纵臂式悬架的优点，能满足不同的使用性能要求，舒适性能和操控性能较好。主要优点是：车轮跳动时轮距和前束的变化很小，不管汽车是在驱动、制动状态都可以按司机的意图进行平稳地转向。多连杆式悬架舒适性能是所有悬架中最好的，操控性能也和双叉臂式悬架难分伯仲，高档轿车由于空间充裕、且注重舒适性能和操控稳定性，所以大多使用多连杆悬，可以说多连杆悬架是高档轿车的绝佳搭档。缺点是结构相对复杂，材料成本、研发实验成本以及制造成本远高于其它类型的的悬挂，而且其占用空间大。多连杆独立悬架，可分为多连杆前悬架和多连杆后悬架系统。其中前悬架一般为3连杆或4连杆式独立悬架；后悬架则一般为4连杆或5连杆式后悬架系统，其中5连杆式后悬架应用较为广泛。毕业设计说明书 23 毕业设计说明书 24 7、烛式悬架烛式悬架的主销通过上、下支承板固定在车架上，转向节小巧。弹簧装在主销上，车轮沿着刚性地固定在车架上的主销轴线上下移动，车轮上传的力由主销承受并传递至车架，不用装导向机构。烛式悬架的优点是：当悬架变形时，主销的定位角不会发生变化，仅是轮距、轴距稍有变化，因此特别有利于汽车的转向操纵稳定和行驶稳定。但烛式悬架有一个大缺点：就是汽车行驶时的侧向力会全部由套在主销套筒的主销承受，致使套筒与主销间的摩擦阻力加大，磨损也较严重。8、麦弗逊悬架麦弗逊式悬架由螺旋弹簧、减震器、A 字形下摆臂组成，绝大部分车型还会加上横向稳定杆。麦弗逊式独立悬架的物理结构为支柱式减震器兼作主销，承受来自于车身抖动和地面冲击的上下预应力，转向节（也可说车轮，因为转向节作用于车轮）则沿着主销转动；此外，其主销可摆动，特点是主销位置和毕业设计说明书 25 前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，且前轮定位变化小，拥有良好的行驶稳定性。弗逊悬架的构造其实非常简单，而这种简单带来的最大好处就是其质量很轻，并且体积很小，对于很多前置发动机前轮驱动的车辆来说，车头部分的大部分空间都要用来布置横置的发动机以及变速箱，留给悬架的空间并不大，因此麦弗逊悬架体积小质量轻的优势就会表现的非常明显。而结构简单也是麦弗逊悬架最大的软肋。与双叉臂以及多连杆悬架相比，由于减震器和螺旋弹簧都是对车辆上下的晃动起到支撑和缓冲，因此对于侧向的力量没有提供足够的支撑力度。这样就使得车辆在转向的时候车身有比较明显的侧倾，并且在刹车的时候有比较明显的点头现象。很多采用麦弗逊悬架的小型车为了控制成本，也只能将这样的缺陷保留。虽然通过增加防倾杆能减小车辆侧倾，但是却不能根治这种情况。1.5.2 非独立悬架非独立悬架系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同毕业设计说明书 26 车桥一起通过弹性悬架系统悬架在车架或车身的下面。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都相对较差，在现代轿车中只有成本控制比较严格的车型才会使用，更多的用于货车和大客车上。 优点：1.左右轮在弹跳时会相互牵连，轮胎角度的变化量小使轮胎的磨耗小。2.在车身高度降低时还不容易改变车轮的角度，使操控的感觉保持一致。3.构造简单，制造成本低，容易维修。4.占用的空间较小，可降低车底板的高度。缺点：1.左右轮在弹跳时，会相互牵连，而降低乘坐的舒适性及操控的安定性。2.因构造简单使设计的自由度小，操控的安定性较差。1、钢板弹簧悬架钢板弹簧悬架承载能力大，并且可兼做导向机构，因此结构极为简单，一般和整体桥配合使用。2、扭杆弹簧悬架毕业设计说明书 27 扭杆弹簧(通常简称为扭杆)是用其自身扭转弹性抵抗扭曲力的弹簧钢杆。扭杆的一端固定在车架或车身其他构件上，另一端连在受到扭力载荷的部件上。 扭杆弹簧也用于制造稳定杆。优点是：与其他弹簧相比，真单位重量的能量吸收率较高，所以可减轻悬架的重量，还能简化悬架系统的配置， ；缺点是不能控制振荡，所以要配合减震器使用。3、空气弹簧悬架其优点是固有振动频率低，可保持车高一定；高频绝缘性较好；由于气体的可压缩性，容易获得非线性弹簧特性；缺点是结构复杂，成本较高。毕业设计说明书 28 1.5.3 半独立悬架拖曳臂式悬架我们姑且称之为半独立悬架，从悬架的大分类来看，所有的悬架可以被分成两大类，即：独立悬架和非独立悬架。但是在但纵臂扭转梁悬架上，这两个分类变得有些模糊。从悬架结构来看属于不折不扣的非独立悬架，因为左右纵向摇臂被一跟粗大的扭转梁焊接在一起，但是从悬架性能来看，这种悬架实现的是具有更高稳定性的全拖式独立悬架的性能。典型的拖曳臂式后悬架毕业设计说明书 29 加装了防倾杆拖曳臂式悬架大众甲壳虫采用拖曳臂式后悬架毕业设计说明书 30 拖曳臂式悬架本身具有非独立悬架的存在的缺点但同时也兼有独立悬架的优点，拖曳臂式悬架的最大优点是左右两轮的空间较大，而且车身的外倾角没有变化，避震器不发生弯曲应力，所以摩擦小。拖曳臂式悬架的舒适性和操控性均有限，当其刹车时除了车头较重会往下沉外，拖曳臂悬架的后轮也会往下沉平衡车身，无法提供精准的几何控制。 不同厂家对这种悬架的称谓不同：如：纵臂扭转梁独立悬架，纵臂扭转梁非独立悬架，H 型纵向摆臂悬架等等。归根结底他们都是同一种悬架结构拖曳臂式悬架，只是调教稍有不同。1.5.4 主动悬架和半主动悬架悬架系统的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶条件（车辆的运动状态和路面状况等）进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态，称为主动悬架。分类主动悬架系统按其是否包含动力源可分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类。 全主动悬架就是根据汽车的运动和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。毕业设计说明书 31 半主动悬架半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼，因此它是由无动力源且只有可控的阻尼元件组成。由于半主动悬架结构简单，工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架相近的性能，故有较好的应用前景。毕业设计说明书 32 半主动悬架按阻尼级又可分成有级式和无级式两种。有级式半主动悬架它是将悬架系统中的阻尼分成两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择所需要的阻尼级。 无级式半主动悬架 它是根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内由最小变到最大进行无级调节。毕业设计说明书 33 被动可变阻尼悬架系统被动可变阻尼悬架系统它可以根据路况来调整悬挂的软硬，以达到最佳的舒适型及操控性：在正常行驶并且减震器脉冲较低时，阻尼力自动降低，从而显著提高乘坐的稳定性，而且不影响操控安全性。当减震器脉冲更大时，例如在高速转弯或躲避障碍时，系统设置为最大阻尼力，从而有效地保持车辆的稳定性。毕业设计说明书 34 敏捷操控系统是一项纯粹的液压机械技术，不需要复杂的传感器或电子系统。这项技术主要基于减震器连杆中的一个旁通管，以及在单独油腔中运动的一个控制活塞。在减震器脉冲较低时，控制活塞迫使减震器油通过旁通管，在减震阀产生非常小的阻尼力， “更柔和的”减震器特性造就了奔驰的乘坐稳定性。如果减震器受到更高的脉冲时，控制活塞移向其端部，这时减震器油不再流过旁通管。此时系统能够提供最大的减震效果。1.6 悬架机构的设计要求悬架机构的设计要求独立悬架的导向机构承担着悬架中除垂直力之外的所有作用力和力矩，并决定了悬架跳动时车轮的运动轨迹和车轮定位角的变化，因此，悬架的设计要求有：1）形成强档的侧倾中心和侧倾轴线。毕业设计说明书 35 2）形成恰当的纵倾中心。3）个交接点处受力尽量小，减小橡胶元件的弹性形变，以保证导向精确。4）保证车轮定位参数及其随车轮跳动哦的变化能满足要求。5）具有足够的疲劳强度。对于前轮独立悬架机构的要求是：1) 悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过4.0mm ，轮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）汽车转弯行使时，应使车身倾角小。在 0.4g 侧向加速度作用下，车身侧倾角67，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。4）只用时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用。1.7 主要设计思路及方法主要设计思路及方法1.7.1 研究方法（1）通过查阅相关资料，掌握麦弗逊独立悬架主要参数。（2）充分考虑已有麦弗逊独立悬架的优缺点来确定麦弗逊独立悬架的总体设计方案，对现有装置的不足进行分析。（3）对设计的麦弗逊独立悬架进行修改和优化，最终设计出能满足要求的麦弗逊独立悬架。1.7.2 研究技术路线（1）根据题目和原始数据查看相关资料，了解当今国内外麦弗逊独立悬架的发展现状及发展前景，撰写文献综述和开题报告。（2）根据产品功能和技术要求提出多种设计方案，对各种方案进行综合评毕业设计说明书 36 价，从中选择较好的方案，再对所选择的方案做进一步的修改或优化，最终确定总体设计方案。（3）具体设计麦弗逊独立悬架的驱动装置、工作装置等。 （4）对所设计的机械结构中的重要零件进行校核计算，保证设计的合理性和可行性。 ；（5）绘制零件图、装配图，完成要求的图纸量；（6）整理各项设计资料，撰写论文。1.8.悬架的功用悬架的功用悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力） ，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力造成的力矩都传递到车身上，以保证汽车的正常行驶。汽车悬架系统的主要功用是支撑车身的重量,并且使汽车稳定有效的进行转向操纵控制,同时有效的分离路面波动对车身的影响。不同的需要导致设计的要求不同,半自动悬架由从动弹簧和需要克服不同路面状况和汽车运行条件的阻尼离的自动减振器组成。由于主动悬架结构复杂而传统的消极式悬架无法满足不同路面状况和汽车运行状况的要求。因此,半自动悬架是目前最常用的悬架系统。半自动悬架系统的优点是带有液压减振使车身在低动力情况下振动降低。目前,许多控制系统是为半自动悬架系统而开发的。从 Karnoopp 的 Skyhook 方法开始。这个方法主要是使缓冲器承受一定的力的作用,而这个力是与汽车全速时悬架上的质量成一定比例的。许多调查都是用一维模型,它可以推导出模糊的控制点和控制运算法则。如 LQG 和活跃控制。由于汽车悬架固有非线性特性,导致这种控制方法不能充分发挥半自动悬架的功用。为充分利用悬架系统的非线性功用。如模糊逻辑控制。神经网络控制和模糊神经控制等智能化控制方法近来都已被科研人员毕业设计说明书 37 用于非线性悬架系统控制。汽车悬架尽管有各中不同的结构形式，但一般都是由弹性元件，减振器和导向机构三部分组成。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上告诉行驶时这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车身时，可能引起汽车机件的早期损坏；传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。故悬架系统还应具有减振作用，以使振动速度衰减，振幅速度减小，为此，在许多形式的悬架系统中都设有专门的减振器。 车轮相对于车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则就影响汽车的操纵稳定性，因此，悬架系统中还应该具有导向机构，以使车轮按一定的轨迹相对与车身跳动。 以上的三部分分别起缓冲，减振和导向的作用，然而三者共同的任务则是传力。在多数的轿车和客车上，为了防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中还设有辅助弹性元件横向稳定器。 悬架系统只要求具备上述各个功能，在结构上并非一定要设置这些单独的装置，例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当他在汽车上纵向安置，并且一端与车架做固定铰链连接时，就可担负起决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要再设置其它导向机构，此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，它本身即具有一定的减震能力，因而对减震要求不高时，在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬架系统中，就可以不装减震器。毕业设计说明书 38 第 2 章 悬架系统总体设计方案的确定悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同配合确定。此次设计是对乘用车麦弗逊前独立悬架设计。2.1 悬架的悬架的参数参数确定确定在确定零件尺寸之前，需要先确定悬架的空间几何参数。麦弗逊式悬架的受力图如图 3-1 所示图 2-1 麦弗逊式悬架的受力分析根据车轮尺寸，确定 G 点离地高度为 158.3mm，根据车身高度确定 C 大致高度为 700mm，O 点距车轮中心平面 110mm，减震器安装角度 14。2.2 悬架的弹性工作特性悬架的弹性工作特性确定确定2.2.1 悬架频率的选择 对于大多数汽车而言，其悬挂质量分配系数 =0.81.2，因而可以近似地认为 =1，即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。一1n2n般对于钢制弹簧的轿车，约为 11.3Hz（6080 次/min），约为1n2n毕业设计说明书 39 1.171.5Hz（7090 次/min），非常接近人体步行时的自然频率。取 n=1.2HZ 2.2.2 悬架的工作行程悬架的工作行程由静挠度与动挠度之和组成。 由 n (2-1)cf5式中： 悬架静挠度cf得悬架静挠度： (2-2)25nfc mmfc6 .1731252则悬架动挠度： =（0.50.7）dfcf取 =0.5=0.5173.686.8mmdfcf为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（静扰度与动扰度之和）应当不小于 160mm。而=173.6+86.8=260.4mm160mm 符合要求dcff 2.2.3 悬架刚度计算 已知：已知整车装备质量：m =920kg，取簧上质量为 870kg；取簧下质量为 50kg，则由轴荷分配图知：空载前轴单轮轴荷取 60%： =261kg2%608701m毕业设计说明书 40 满载前轴单轮轴荷取 50%：（满载时车上 5kgm5.2922%50)605870(2名成员，60kg/名）。 悬架刚度：=cWcfFfFC满载mnN /85.166.17329252.3.4 悬架弹性特性悬架受到的垂直外力 F 与由此所引起的车轮中心相对于车身位移厂(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。 悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形厂与所受垂直外力 F 之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，称为线性弹性特性，此时悬架刚度为常数。当悬架变形与所受垂直外力 F 之间不呈固定比例f变化时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大。这样可在有限的动挠度范围内，得到比线性悬架更多的动容量。悬架的动容量系指悬架df从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功。悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架。轿车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的，而带有副簧的钢板弹簧、空气弹簧、油气弹簧等，均为刚度可变的非线性弹性特性悬架。第 3 章 悬架主要结构的设计与分析3.1 导向机构的布置参数导向机构的布置参数1）侧倾中心麦弗逊式独立悬架的侧倾中心由下图所示方式得出。从悬架与车身的固定连接点 E 作活塞杆运动方向的垂直并将下横臂延长。两条的交点即为极点 P 。将 P 点与车轮接地点 N 的连线交在汽车的轴线上，交点 W 即为侧倾中心。毕业设计说明书 41 图 3-1 麦弗逊式独立悬架侧倾中心的确定麦弗逊式独立悬架的弹簧减震器轴线 EG 布置得越接近垂直，下横臂 GD布置得越接近于水平，则侧倾中心 W 就越接近于地面，从而使得在车轮上跳动时车轮外倾角的变化不理想麦弗逊式独立悬架的侧倾中心高度为 （3-1）svwrdkpbhtancos2式中 （3-2）)sin(ockdkpsin表 3-1 轮胎标准规格级别外径 mm断面宽 mm185/65R1485H596mm189设计当满载时候选取:d=360mm =152 =60 =50 （3-3）sr 根据图 3-4 可知 = =50 (3-4)毕业设计说明书 42 因为弹簧自由高度 =260mm ，减振器的长度 L=300mm 所以取0HC+o=478mm 因为轮胎的断面宽度 B=189mm，车宽度=1673mm，所以：aB=742mm （3-5）vb22BBa218921673根据设计要求满载时： K= =2505.24mm （3-6）)65sin(4780o mm （3-7）87.6213606sin24.25050p所以 =84.2mm (3-8)1525tan3606cos24.250587.621272400wh 满足在独立悬架中，前悬架侧倾中心高度在 0120mm 范围内。2）侧倾轴线在独立悬架中，汽车前部与后部侧倾中心的连线称为侧倾轴线，侧倾轴线应大致与地面平行，且尽可能离地高些。平行是为了使得在曲线行驶时前、后轴上的轴荷变化接近相等，从而保证中型转向特性；而尽可能高则是为了使车身的侧倾限制在允许范围内 然而，在前悬架的侧倾中心高度收到允许的轮距变化限制，并其尽可能超过 150mm.此外，在前轮驱动驱动的汽车中，由于前桥轴荷大，且为驱动桥，故应尽可能是前轮轮荷变化小。3）纵倾中心麦弗逊式独立悬架纵倾中心，可由 E 点座减震器运动方向的垂直线。该垂直线与横臂轴 D 延长线的交点即为纵倾中心，如下图所示：vO毕业设计说明书 43 图 3-2 麦弗逊式悬架的纵倾中心4) 抗制动纵倾性抗制动纵倾性可能使制动过程中汽车车头的下沉量及车尾的抬高量减小。只有在前后悬架的纵倾中心位于两根车桥（轴）之间时，这一性能方可实现5) 抗驱动纵倾性抗驱动纵倾性可减小后轮驱动汽车车尾的下沉量或前轮驱动汽车车头的抬高量。对于独立悬架而言，当纵倾中心位置高于驱动桥车轮中心时，这一可能性方可实现。6) 悬架横臂的定位角独立悬架中的横臂铰链轴大多空间倾斜布置。3.2 导向机构的受力分析导向机构的受力分析分析如图的麦弗逊式独立悬架受力简图可知：作用在导向套上的横向力F3，可根据图上的布置尺寸求得毕业设计说明书 44 图 3-3 麦弗逊式独立悬架导向机构受力简图根据弹簧设计要求以及减震器升级要求，和上面布置要求，确定上面参数： a=152mm b=357mm c=120mm d=404mm （3-9） （3-10）42.418334342.38405 . 08 . 9701 FF (3-11)(13cddcadFF式中，F1为前轮上的静载荷减去前轴簧下质量的 1/2 1F所以 =1726.26N (3-12)120)-)(404044(12040425142.41833F 将弹簧和减震器的轴线相互偏移距离 s=6mm,在考虑到弹簧轴向力 F6的影响，则作用到套筒上的力将减小，即 (3-13)cdsFcdbcadFF613)(毕业设计说明书 45 式中，=4183.420.996=4166.69N （3-14）0165cosFF =1638.23N （3-15）)120404(669.416626.17263F增加距离 s ，有助于减小作用到导向套筒上面的横向力。3.3 轴线布置方式的选择轴线布置方式的选择麦弗逊式独立悬架的横臂轴线与主销后倾角的匹配，影响汽车的纵倾稳定性。O 点为汽车纵向平面内悬架相对于车身跳动的运动瞬心。当摇臂轴的抗前俯角等于静平衡位置的主销后倾角时，横臂轴线正好与主销轴线垂直，运动瞬心交于无穷远处，主销轴线在悬架跳动时作运动。因此, 值保持不变。当与的匹配使运动瞬心交于前轮后方时（图 3-4） ，在悬架压缩行程，O角有增大的趋势当与的匹配使运动瞬心交于前轮前方时（图 3-4） ，在悬架压缩行程，O角有减小的趋势。为了减小汽车制动时的纵倾，一般希望在悬架压缩行程主销后倾角有增加的趋势，因此，在设计麦弗逊式独立悬架时，应选择参数能使运动瞬心交于O前轮后方。毕业设计说明书 46 图 3-4 角变化示意图3.4 横臂长度的确定横臂长度的确定有图 3-5 可以看出，横臂越长，By曲线越平缓，即车轮跳动时轮距变化越小，有利于提高轮胎寿命。主销内倾角 、车轮外倾角 和主销后倾角 曲线的变化规律也都与 By类似，说明摆臂越长，前轮定位角度的变化越小，将有利于提高汽车的操纵稳定性。因此，在满足布置要求的前提下，应尽量加长横臂长度。图 3-5 麦弗逊式独立悬架运动特性3.4 螺旋弹簧的设螺旋弹簧的设计与计算计与计算螺旋弹簧作为弹性元件，由于其结构简单，制造方便及具有较高的比能容量，因此在现代轻型以下汽车的悬架中应用相当的普遍，特别是在轿车中，由于要求良好的乘坐舒适性和悬架导向机构在大摆动量下依然具有保持车轮定位角的能力，因此螺旋弹簧悬架早就取代了钢板弹簧。螺旋弹簧在悬架布置中可在弹簧内部安装减振器，行程限位器或导向柱使结构紧凑。通过采用变节距或用变直径弹簧钢丝绕制的或者两者同时采用的弹簧结构，可以实现变刚度特性。毕业设计说明书 47 螺旋弹簧材料的选择。根据汽车工作时螺旋弹簧的受力特点和寿命要求（可参考下文的计算分析） ，选择 60Si2MnA 为簧丝的材料，以提高弹簧在交变载荷下的疲劳寿命。3.4.1 螺旋弹簧的刚度计算由于存在悬架导向机构的关系，悬架刚度 C 与弹簧刚度是不相等的，其SC区别在于悬架刚度 C 是指车轮处单位挠度所需的力；而弹簧刚度仅指弹簧本SC身单位挠度所需的力。例如麦弗逊独立悬架的悬架刚度 C 的计算方法： 选定下摆臂长：EH=284mm；半轮距：B=680mm ；减震器布置角度：=9，高度 430.48mm。 可知悬架刚度与弹簧刚度的关系如下：可知： C=(uCos/PCos)Cs （3-16） 式中： C悬架刚度；Cs弹簧刚度。已知 u=1392.9mm p=1565.3mm =16=24得： 19.36 N/mmcos/cosPUCCS3.4.2 弹簧端部形状螺旋弹簧端部可以碾细，并紧，直角切断或向内弯曲，其中 a 为两端碾细，亦即在绕制弹簧之前先将钢丝两端碾细，碾细部分长度在绕后约占，末端240。厚度为钢丝直径的 1/3 左右，绕制成后末端几乎贴紧相连一端弹簧。必要时两毕业设计说明书 48 端都要磨平。这种结构的特点是节约材料，占用垂向空间小，特别是由于两端都平整，安装时可以任意转动，因而设计时弹簧的圈数可以取任意值，不必限于整数。其缺点是碾细需要专门工序和设备，增加了制造成本。b 为直角切断型，其中一端并紧形成与弹簧轴线垂直的平面。这种结构的特点在于绕制简单，成本低，其缺点是增加了垂向的尺寸和材料的消耗，安装时需要一定方向并且与之相配套的弹簧座，若两端都未平齐，则修改设计时，弹簧圈数必须按整数增减。c 为端部向内弯曲并形成与弹簧轴线垂直的平面，这种结构长用于和弹簧座配合起定位作用，若两端都内弯，则需要专用设备。表 3-1 列出了不同端部结构时弹簧总圈数 n 与有效圈数 i 以及弹簧完全并紧时的高度公式中的系数 1.01 为考虑螺旋角的补偿关系，t 为端部碾细时sH的末端厚度6。总圈数 n完全并紧时的高度sH两端碾细i+21.01d(n-1)+2t两端切断i+1.331.01d(n+1)两端内弯i+1.501.01d(n-1.25)一端碾细一端切断i+1.671.01dn+t一端碾细一端内弯i+1.751.01dn(n-1)+t一端切断一端内弯i+1.421.01dn表 3-1.螺旋弹簧不同端部结构时的总圈数及并紧高度3.5 导向弹簧的受力分析导向弹簧的受力分析 根据悬架系统的装配图，对其进行结构分析 计算可以得到平衡位置处弹簧所受压缩力 P 与车轮载荷 Nv 的关系式:毕业设计说明书 49 P=Ay=2890(N) （3-17） coscosN va292.5 cos22 9.81cos 22 9 -3。 式中：-车轮外倾角；-减震器的内倾角 -主销轴线与减震器的夹角。图 3-5 弹簧的受力（1）弹簧所受的最大力 取动载荷系数 k=1.7 则弹簧所受的最大力 Pdmax 为Pdmax=kp=1.72890=(N) 34.913 10图 3-6 螺旋弹簧受力（2）车轮到弹簧的力及位移传动比车轮与路面接触点和零件连接点间的传递比既表明行程不同也表明作用在该二处的力的大小不同。弹簧的刚度 Ks 与悬架刚度 Kx 可由传递比建立联系；利用位移传递比 ix 便可计算出螺旋弹簧的刚度 Ks毕业设计说明书 50 (3-18).w=FN vhiyixKsFff其中分数 代表悬架的线性刚度。从而，得到如下关系式.N vhfKskxiyix当球头支撑 B 由减震器向车轮移动 t 值时，根据文献，悬架的行程传递比及力的传递比为ix=1/cos(-)=1.005 (3-19)iy=1.022 (3-20)cos()sin()cos()()()Rodtgtcoco ctgt代入数值可得 ix=1.005 iy=1.022 所以，位移传递比 iyix 为 1.027（3）弹簧在最大压缩力作用下得变形量 由于前悬架给定的偏频 f=1.2Hz.可得汽车悬架的线刚度 K= (3-21)2224f6.95 427.83(/ mm)mN 可得到弹簧的刚度 KsKs=Kxiyix=28.43(n.mm) (3-22) 进而可得到弹簧在最大压缩力 Pdmax 作用下的变形量 FF=Pdmax/Ks=172.8(mm) (3-23) 所以，弹簧所受最大弹簧力和相应的最大变形为： Pdmax=4913N F=172.8 mm3.6 减振器的减振器的设计与分析设计与分析减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。汽车悬架系统中广泛采用液力式减震器。其作用原理是，当车架与车桥作往复相对运动时，减震器中的活塞在缸筒内业作往复运动，于是减震器毕业设计说明书 51 壳体内的油液反复地从一个內腔通过另一些狭小的孔隙流入另一个內腔。此时，孔与油液见的摩擦力及液体分子内摩擦便行程对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转换为热能，被油液所吸收，然后散到大气中。减振器大体上可以分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。故名思义，摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很易受油、水等的影响，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、易调整等优点，但现代汽车上已不再采用这类减振器。液力减振器首次出现于 1901 年，其两种主要的结构型式分别为摇臂式和筒式。与筒式液力减减振器振器相比，摇臂式减振器的活塞行程要短得多，因此其工作油压可高达 75-30MPa，而筒式只有 2.5-5MPa。筒式减振器的质量仅为摆臂式的约 1/2，并且制造方便，工作寿命长，因而现代汽车几乎都采用筒式减振器。筒式减振器最常用的三种结构型式包括:双筒式、单筒充气式和双筒充气式。双筒式液力减振器双筒式液力减振器双筒式液力减振器的工作原理如图 3-7 所示。其中 A 为工作腔，C 为补偿腔，两腔之间通过阀系连通，当汽车车轮上下跳动时，带动活塞 1 在工作腔 A 中上下移动，迫使减振器液流过相应阀体上的阻尼孔，将动能转变为热能耗散掉。车轮向上跳动即悬架压缩时，活塞 1 向下运动，油液通过阀进入工作腔上腔，但是由于活塞杆 9 占据了一部分体积，必须有部分油液流经阀进入补偿腔 C;当车轮向下跳动即悬架伸张时，活塞 1 向上运动，工作腔 A 中的压力升高，油液经阀流入下腔，提供大部分伸张阻尼力，还有一部分油液经过活塞杆与导向座间的缝隙由回流孔 6 进人补偿腔，同样由于活塞杆所占据的体积，当活塞向上运动时，必定有部分油液经阀流入工作腔下腔。毕业设计说明书 52 减振器工作过程中产生的热量靠贮油缸筒 3 散发。减振器的工作温度可高达120 摄氏度，有时甚至可达 200 摄氏度。为了提供温度升高后油液膨胀的空间，减振器的油液不能加得太满，但一般在补偿腔中油液高度应达到缸筒长度的一半，以防止低温或减振器倾斜的情况下，在极限伸张位置时空气经油封 7 进入补偿腔甚至经阀吸入工作腔，造成油液乳化，影响减振器的工作性能。图 3-7 双筒式减振器工作原理图1-活塞；2-工作缸筒；3-贮油缸筒；4-底阀座；5-导向座；6-回流孔活塞杆；7-油封；8-防尘罩 9-活塞杆减振器的特性可用图 3-5 所示的示功图和阻尼力-速度曲线描述。减振器特性曲线的形状取决于阀系的具体结构和各阀开启力的选择。一般而言，当油液流经某一给定的通道时，其压力损失由两部分构成。其一为粘性沿程阻力损失，对一般的湍流而言，其数值近似地正比于流速。其二为进入和离开通道时的动能损失，其数值也与流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影响。由于油液粘性随温度的变化远比密度随温度的变化显著，因而在设计阀系时若能尽量利用前述的第二种压力损失，则其特性将不易受油液粘性变化的影响，也即不易受油液温度变化的影响。不论是哪种情形，其阻力都大致与速度的平方成正比，如图 10 所示。图中曲线 A 所示为在某一给定的 A 通道下阻尼力 F 与液流速度 v 的关系，若与通道 A 并联一个直径更/大的通道 B，则总的特性将如图中曲线 A+B 所示。如果 B 为一个阀门，则当其逐渐打开时，可获得曲线 A 与毕业设计说明书 53 曲线 A+B 间的过渡特性。恰当选择 A,B 的孔径和阀的逐渐开启量，可以获得任何给定的特性曲线。阀打开的过程可用三个阶段来描述，第一阶段为阀完全关闭，第二阶段为阀部分开启，第三阶段为阀完全打开。通常情况下，当减振器活塞相对于缸筒的运动速度达到 0. lm/s 时阀就开始打开，完全打开则需要运动速度达到数米每秒。图 3-8 阀的开启程度对减振器特性影响示意图图 3-8 给出了三种典型的减振器特性曲线。第一种为斜率递增型的，第二种为等斜率的(线性的)，第三种为斜率递减型的。其中第一种在小速度时，阻尼力较小，有利于保证平坦路面上的平顺性，第三种则在相当宽的振动速度范围内都可提供足够的阻尼力，有利于提高车轮的接地能力和汽车的行驶性能。根据汽车的型式、道路条件和使用要求，可以选择恰当的阻尼力特性。图 3-9 典型的减振器特性曲线 图 3-10 减振器斜置时计算传递比示意图需要注意的是，在大部分汽车上，减振器不是完全垂直安装，如图 3-10 所示为刚性桥非独立悬架的情况。这时减振器本身的阻尼力与车轮处的阻尼力之间存在差异，当左右车轮同向等幅跳动时，阻尼力的传递比，由于cos/1Di毕业设计说明书 54 角度 (见图 3-10)同时造成车轮处力的减小和减振器行程的减小，因此减振器的阻尼系数应为车轮处阻尼系数的倍。当车身侧倾时，相应的传递比2Di，式中 B 为轮距，b 为减振器下固定点的安装距。cos/ bBiD单筒充气式液力减振器单筒充气式减振器的工作原理如图（3-11）所示。其中浮动活塞 3 将油液和气体分开并且将缸筒内的容积分成工作腔 4 和补偿腔 2 两部分。当车轮下落即悬架伸张时，活塞杆 8 带动活塞 5 下移，压迫油液经过伸张阀 10 从工作腔下腔流入上腔。此时，补偿腔 2 中的气体推动活塞 3 下移以补偿活塞杆抽出造成的容积减小;车轮上跳时，活塞 5 向上运动，油液通过压缩阀 6 由上腔流入下腔，同时浮动活塞向上移动以补偿活塞杆在油液中的体积变化。悬架中用得最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的粘性摩擦形成了振动阻力，将振动能量转变为热能，并散发到周围空气中去，达到迅速衰减振动的目的。如果能量的耗散仅仅是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称之为单向作用式减振器，反之称之为双向作用式减振器。后者因减振作用比前者好而得到广泛应用。根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。虽然摇臂式减振器能够在比较大的工作压力(1020MPa)条件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大而遭淘汰。筒式减振器工作压力虽然仅为2.55MPa，但是因为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛应用。筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。双筒充气液力减振器具有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低、总长度短等优点，在轿车上得到越来越多的应毕业设计说明书 55 用。设计减振器时应当满足的基本要求是，在使用期间保证汽车行驶平顺性的性能稳定。与前述的双筒式减振器相比，单筒充气式减振器具有以下优点:工作缸筒n 直接暴露在空气中，冷却效果好;在缸筒外径相同的前提下，可采用大直径活塞，活塞面积可增大将近一倍，从而降低工作油压;在充气压力作用下，油液不会乳化，保证了小振幅高频振动时的减振效果;由于浮动活塞将油、气隔开，因而减振器的布置与安装方向可以不受限制。其缺点在于:为保证气体密封，要求制造精度高;成本高;轴向尺寸相对较大;由于气体压力的作用，活塞杆上大约承受 190-250N 的推出力，当工作温度为 100时，这一值会高达450N，因此若与双筒式减振器换装，则最好同时换装不同高度的弹簧。图 3-11 单筒充气式减振器双筒充气式减振器的优点有:在小振幅时阀的响应也比较敏感;改善了坏路上的阻尼特性;提高了行驶平顺性;气压损失时，仍可发挥减振功。 毕业设计说明书 56 图 3-9 为双筒充气式减振器用于麦克弗逊悬架时的结构图1-六方;2-盖板;3-导向座;4-贮油缸筒;5-补偿腔;6-活塞杆;7-弹簧托架;8-限位块;9-压缩阀;10-密封环;11-阀片;12-活塞紧固螺母;13-活塞杆小端;14-底阀（1）相对阻尼系数 相对阻尼系数 的物理意义是：减震器的阻尼作用在与不同刚度 C 和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。 值大，振动能迅sm速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身； 值小则反之，通常情况下，将压缩行程时的相对阻 尼系数取小些，伸张行程时的相对阻尼系数取得大些，两者之间保持YS=（0.25-0.50）的关系。YS 设计时，先选取与的平均值 。相对无摩擦的弹性元件悬架，取YS=0.25-0.35；对有内摩擦的弹性元件悬架， 值取的小些，为避免悬架碰撞车架，取=0.5YS取 =0.3，则有： 计算得：=0.4，=0.SY毕业设计说明书 57 （2）减震器阻尼系数的确定减震器阻尼系数。因悬架系统固有频率，所以理论scm2smc上。实际上，应根据减震器的布置特点确定减震器的阻尼系数。我sm2选择下图的安装形式，则起阻尼系数为： （3-18）222cos2abms图 4-10 减震器的布置 根据公式，可得出：ssmCn21nmcs2 满载时计算前悬刚度N/m224 13.14292.511535.73SC 代入数据得：=6.3HZ，取,8 . 0/ba14 按满载计算有：簧上质量kg，代入数据得减震器的阻尼系数为：2292.5m （3-19） 22112 0.3 292.5 8.231640/0.9480.9703Ns m（3）减震器最大卸荷力的确定0F毕业设计说明书 58 为减小传到车身上的冲击力，当减震器活塞振动速度达到一定值时，减震器打开卸荷阀。此时的活塞速度称为卸荷速度，按上图安装形式时有：xV (3-20)baAVx/cos 式中，为卸荷速度，一般为 0.150.3m/s，A 为车身振幅，取；xVmm40为悬架振动固有频率。代入数据计算得卸荷速度为：0.04 8.23 0.948 cos160.3/xVm s 符合在 0.150.3m/s 之间范围要求。xV根据伸张行程最大卸荷力公式：可以计算最大卸荷力。式中，c 是冲xVcF0击载荷系数，取 c=1.5；代入数据可得最大卸荷力为： 0F01.8 1640 0.3885.6FN（4）减震器工作缸直径 D 的确定 根据伸张行程的最大卸荷力计算工作缸直径 D 为：0F (3-21) 024FD= P1- 其中，工作缸最大压力，在 3Mpa4Mpa,取=3Mpa； P P 连杆直径与工作缸直径比值，=0.40.5，取=0.4。代入计算得工作缸直径 D 为： (3-22)624885.621.163.143 1010.4Dmm 毕业设计说明书 59 减震器的工作缸直径 D 有 20mm，30mm，40mm，45mm，50mm，65mm，等几种。选取时按照标准选用，按下表选择。表 3.12 减震器的工作缸选择工作缸直径 D基长 L贮油直径cD吊环直径 吊环直径宽度 B活塞行程 S3011 （120）44 （47）2924230、240、250、260、270、2804014 （150）543932120、130、140、150、270、2805017 （180）70 （75）4740120、130、140、150、160、170、180652102106250120、130、140、150、160、170、180、190所以选择工作缸直径 D=30mm 的减震器，对照上表选择起长度：活塞行程 S=240mm，基长 L=110mm，则：（压缩到底的长度）mmSLL350110240min（拉足的长度）mmSLL590240350minmax 取贮油缸直径=45mm，壁厚取 2.6mm。CD毕业设计说明书 60 3.7 横向稳定杆的设计横向稳定杆的设计3.7.1 横向稳定杆的作用 横向稳定杆是一根拥有一定刚度的扭杆弹簧，它和左右悬挂的下托臂或减震器滑柱相连。当左右悬挂都处于颠簸路面时，两边的悬挂同时上下运动，稳定杆不发生扭转，当车辆在转弯时，由于外侧悬挂承受的力量较大，车身发生一定得侧倾。此时外侧悬挂收缩，内测悬挂舒张，那么横向稳定杆就会发生扭转，产生一定的弹力，阻止车辆侧倾。从而提高车辆行驶稳定性。3.7.2 横向稳定杆参数的选择 具体尺寸选择如下：杆的直径 d=22mm，杆长L=1000mm，c=363mm，a=68mm，b=69mm，=156mm，圆角半径 R=23mm。2l图 3-18 横拉杆第四章 三维建模设计CATIA体现了机械设计自动化系列软件的最新发展方向，成为提供工业解决方案的有力工具。它已被广泛应用于电子，机械、模具、工业设计、汽车、航空、航天、军工、纺织、家电、玩具等行业。CATIA可谓是个全方位的三维产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造设计、造型设计、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理功能于一体，模块众多。毕业设计说明书 61 4.1 三维设计简介三维设计简介CATIA作为三维造型设计系统，是一套由设计至生产的机械自动化软件，其功能强大，用途广泛，是新一代. CAD/ CAM系统软件。它以尺寸驱动、特征建模、全参数设计、单一全关联的数据库、虚拟现实及多数据接口等优点改变了传统的设计观念，使设计工作直观化、高效化、精确化和系统化，成为目前机械CAD领域的新标准与传统的CAD系统仅提供绘图工具不同，CATIA提供了一套完整的机械产品解决方案，包括工业设计、机械设计、模具设计、钣金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据库管理，甚至包括了产品生命周期，是多项技术的集成产品。CATIA的主要特征有：（1）3D实体模型；（2）单一数据库；（3）基于特征的参数化实体建模；（4）行为建模技术；（5）机构设计技术；（6）强大的装配功能；