（车辆工程专业论文）麦弗逊悬架的虚拟设计及试验平台的研究开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文结合悬架设计知识，应用虚拟样机技术，研究开发了汽车麦弗逊式悬 架虚拟设计及试验平台。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。并借助此平台完成 了某高尔夫球车的前悬架设计工作，验证了该平台的实用性和通用性。 本文主要内容如下： ( 1 ) 首先介绍了课题研究的背景，国内外虚拟样机技术的发展状况，在此基 础上提出研究开发麦弗逊式悬架虚拟设计及试验平台，并归纳了本论文的研究 内容和方法。 ( 2 ) 对麦弗逊悬架的结构以及悬架的设计要求进行了分析，介绍了悬架特 性、减振器、弹簧的设计计算方法，详细分析了悬架导向机构，并推导了导向 机构空问关键点坐标的计算方法，使用m a t l a b 软件编写相应的程序来辅助计算 悬架导向机构初始参数的选择以及减振器，弹簧参数的计算。 ( 3 ) 分析了应用虚拟样机软件软件a d a m s 进行悬架仿真的建模方法、建模理 论依据以及运动学分析的理论基础。 ( 4 ) 研究开发了麦弗逊悬架的虚拟试验平台。研究了在a d a m s v i e w 中弗逊 式悬架建模的方法，分析了参数化悬架模型的方法，并对模型进行了参数化， 设计输入初始参数的功能，即改变初始参数就能快速生成不同的悬架模型，提 高了仿真分析以及优化设计的效率，使平台具有开放性。分析研究了所需优化 的目标参量( 如车轮定位角、车轮侧滑量、悬架线刚度和悬架侧倾角刚度等) 及 其函数表达式。 ( 5 ) 进行了悬架运动学仿真分析，分析了悬架各性能参数在车轮跳动过程中 的变化趋势，并指出需要改进的地方。研究每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，并完成虚拟设计及试验。 ( 6 ) 对全文进行了总结。 关键词：麦弗逊式悬架、虚拟试验、车轮定位参数、导向机构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea r t i c l e sr e s e a r c hi sa p a r to ft h ep r o j c c io ft h ee l e c t r i c a l l yg o l fv e h i c l e w i t h t h ec o n d i t i o nt ot h ef r o n ts u s p e n s i o no ft h ee l e c t r i c a l l yg o l fv e h i c l e ，o nt h eb a s eo ft h e s u s p e n s i o nd e s i g nk n o w l e a g e ，u s e da d m a s v i e ws o f t w a r em o d u l e s ，s t u d ya n d d e v e l o p m e n tt h ev i r t u a ld e s i g na n dt e s tp l a t f o r mo fm c p h e r s o ns u s p e n s i o na p p l i e d t os i m i l a rc a r s 1 n h c p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h ea r t i c l el i e s i n e s t a b l i s h i n g av e h i c l e m c p h e r s o ns u s p e n s i o no ft h ev i r t u a ld e s i g np l a t f o r mf o rv i r t u a ls i m u l a t i o nt e s t ， p i o n e e r i n gam o r es c i e n t i f i ca p p r o a c hf o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fm c p h e r s o n s u s p e n s i o n , c o m b i n i n gt h ea u t o m o b i l ed e s i g nt h e o r y , r e s o l v i n gp r o b l e m si nt h ef i e l d o fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fd e s i g n t h i sr e s e a r c hw i l la l s o c o n t r i b u t et oe n h a n c et h ea b i l i t yt oi n d e p e n d e n t l yd e v e l o pp r o d u c t sf o rc h i n a s a u t o m o b i l ei n d u s t r y n l ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n t s ： ( 1 ) f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c ha n dt h es t a t eo f t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lw a si n t r o d u c e d t h ed e s i g n a n da n a l y s i so fh ev e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mi sb a s e do nt h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g n a n da n a l y s i st or e d u c ed e v e l o p m e n tt i m e t h ec o n t e n t sa n dm e t h o d so ft h ep a p e rw a s s u m m a r i z e d ( 2 ) h a v ead e t a i l e da n a l y s i sf o rm c p h e r s o ns u s p e n s i o ns t r u c t u r e i n t r o d u c e dt h e w o r k f l o wo ft h ep a p e r s ，t h ed e s i g nm e t h o d so fs p r i n ga n dd a m p i n g , ad e t a i l e d a n a l y s i so ft h es u s p e n s i o n - o r i e n t e di n s t i t u t i o n s p r e p a r e d as i m p l ec a l c u l a t i o n p r o c e d u r e sf o rt h ep a r a m e t e rs e l e c to ft h ei n i t i a ls u s p e n s i o no r i e n t e di n s t i t u t i o n s ( 3 ) i n t r o d u c e dt h ea d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o ns c o p eo fa d a m ss o f t w a r e 。 a n a l y s i st h eb a s i cm o d e l i n gm e t h o d s ，t h e o r e t i c a lk n o w l e d g ef o rm o d e l i n g , k i n e m a t i c s a n a l y s i so ft h et h e o r e t i c a lb a s i s i na d a m s ，f o rt h ef o l l o w u pm o d e l i n ga n d o p t i m i z a t i o na n a l y s i s ( 4 ) i n t r o d u c e dh o wt ob u i l d i n gam o d e lf o rt h eh a l fo ft h es u s p e n s i o ni n a d a m s v i e w , m a k et h em o d e lp a r a m e t e r s ，t h e nt h em o d e li so p e n ，a n dp r e p a r et h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 n e c e s s a r ym e a s u r i n gf u n c t i o n d i s c u s s e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef r o n tw h e e l a l i g n m e n tp a r a m e t e r si naf r o n tw h e e lv e h i c l ep o s i t i o n i n g t h em o d e lw a sav i r t u a l f r o n ts u s p e n s i o nt e s tp l a t f o r m ( 5 ) a n a l y z e dt h ec h a n g et r e n do ft h es u s p e n s i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nt h e p r o c e s so ff l o p p i n gt h ew h e e l t h ei m p a c t so fi t sc h a n g e si nt h et r e n do fd e s i g n v a r i a b l e sa r ea l s oa n a l y z e d ，m a k ea no p t i m i z e dd e s i g no ft h ep r o g r a m ，w i t ht h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mb e f o r ea n d a f t e rt h eo p t i m i z a t i o n ，t h es u s p e n s i o n sk e yd a t aw a sg e n e r a t e d , t h ev i r t u a ld e s i g na n d t e s t e dw a sf i n i s h e d ( 6 ) s u m m a r yf i n a l l y k e yw o r d s ：m c p h e r s o ns u s p e n s i o n ，v i r t u a lt e s t ，f r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s ， s t e e r i n gm e c h a n i s m n l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 近十年来，汽车工业已经成为国民经济的支柱产业，发展十分迅速。各种 先进技术，例如新材料、电子控制、网络等都应用到汽车上来。汽车行业的产、 供、销的发展对国民经济的带动就有十分重要的意义。 由于汽车设计复杂，特别对于高档汽车的技术含量高，要求复杂，往往需 要多次重复制作，试车后，新产品的样车才能定型。因而新的车型投资大，设 计，生产周期长，耗费大量的时间和精力。但采用计算机辅助设计c a d 技术， 建立汽车模型，通过软件模拟汽车行驶状况，来进行汽车设计分析，可以对汽 车设计提供计算机辅助设计，对于新车的设计，具有相当的经济意义。虚拟技 术已经成为世界汽车开发设计的应用潮流。上世纪9 0 年代中期以来，数字化设 计与虚拟开发技术的应用在世界范围内得到大力推广，这是基于计算机辅助设 计( c a d ) 、计算机仿真分析、计算机辅助制造( c a m ) 及虚拟制造、计算机辅助实 验及虚拟实验等先进技术的全新的汽车设计开发技术体系和流程。 汽车悬架系统对整车行驶动力学( 如操纵稳定性、行驶平顺性等) 有举足轻 重的影响，是汽车总布置设计、运动校核的重要内容之一，由于汽车悬架系统 是比较复杂的空间机构，这些就给运动学、动力学分析带来较大困难。人们采 用不同的途径或手段对其进行分析研究，包括试验、简化成理想约束条件下的 机构分析。过去多用简化条件下的图解法和分析计算法对汽车悬架和转向系统 的运动学及动力学性能进行分析计算，用多自由度的质量阻尼刚体数学模 型对汽车行驶状况进行仿真。所得的结果误差较大，并且费时费力。随着计算 机技术的长足进步，特别二十世纪八十年代以来这种情况得到了改变，而多体 系统动力学的成熟，使汽车动力学的建模与仿真产生了巨大飞跃，特别是a d a m s 软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出。基于a d a m s 的虚拟样机技术，可把 悬架视为是由多个相互连接、彼此能够相对运动的多体运动系统，其运动学及 动力学仿真比以往通常用几个自由度的质量一阻尼刚体( 振动) 数学模型计算描 述更加真实反映悬架特性及其对汽车行驶动力学影响。 武汉理工大学硕士学位论文 在传统悬架系统设计、试验、试制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，周期长。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。 本课题研究的目的和意义就在于建立车辆麦弗逊式悬架的虚拟设计及试验 平台，在试制前的阶段进行设计和试验仿真，并且提出优化设计的意见，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。 1 2 虚拟样机技术的国内外状况 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究，是融合虚拟现实技术和人工 智能技术等多学科的一门综合性技术。它的核心部分是多体系统动力学与动力 学建模理论及其技术实现。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及相关问 题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工 程设计人员可以使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统运动，并 对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的 相互运动情况，可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方 案，对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方案以后，再做出物理样机。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的 运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根 本无法进行的试验，直到获得系统的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯穿 在整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己 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 虚拟样机用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 量和效率得到了提高。 虚拟样机技术一出现，立即受到了工业发达国家、有关科研机构和大学、 公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发 中，取得了很好的经济效益。 在虚拟样机技术发展过程中，一直将汽车作为主要的研究对象。美国机械 2 武汉理工大学硕士学位论文 动力学公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发了虚拟样机技术软件a d a m s ，将汽 车动力学仿真作为其中非常重要的部分，软件中包括轮胎和汽车模块，该软件 为机械系统及汽车动态模拟与仿真带来了极大的便利。国内不少学者也对虚拟 样机在车辆工程中的应用进行了研究，对操纵稳定性和整车性能仿真进行了有 益的探讨。目前，主要有吉林工业大学、清华大学、上海交通大学、北京理工 大学等院校运用虚拟样机技术开展汽车动力学的研究工作。 欧美、日本等国外各大汽车厂商及零部件制造厂商已广泛采用数字化虚拟 样机技术来缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量，并 取得了巨大的成功。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿 真技术得到大量应用，许多国际知名汽车企业均己构建了数字化虚拟样机设计、 开发环境，许多产品己完全实现了数字化。 与国外发达国家相比，虚拟样机技术在我国制造业特别是汽车工业的应用 还处于起步阶段。目前，虚拟样机技术主要集中在轿车等轻型、微型车辆的开 发研制上，在重型车辆设计中的应用较少，在国内很少有这方面的研究和应用 资料。 1 3 论文的研究内容和方法 本文结合悬架设计的知识，应用虚拟样机技术，研究开发麦弗逊式悬架的 虚拟设计及试验平台，减少了开发周期，提高了设计效率。在悬架设计中，根 据整车的布置要求以及经验数据，使用辅助设计程序初步确定悬架的整体空问 数据和性能参数，基于该平台参数化的特性生成悬架的仿真模型，依据仿真结 果提出改进方案并进行优化设计，选定比较合适的空间结构参数和悬架性能参 数，然后进行部分零件的选取以及设计，最后完成悬架的装配。在此平台的基 础上完成了某高尔夫球车的前悬架设计工作。 本论文的研究内容和方法： ( 1 ) 分析麦弗逊式悬架的结构和悬架设计要求，分析减振器、弹簧的设计计 算过程，研究悬架导向结构空间位置的算法，使用m a t l a b 软件开发一个虚拟设 计的软件平台来辅助计算弹簧、减振器和导向机构的参数。 ( 2 ) 虚拟试验平台的研究开发。基于a d a m s 软件的v i e w 模块，研究分析麦 弗逊式悬架的建模以及参数化模型的方法，建立并且参数化悬架模型，把所用 3 武汉理工大学硕士学位论文 到的设计变量和虚拟设计平台对应起来，研究分析悬架优化的目标参量及其测 量表达式。 ( 3 ) 对所建立的模型进行悬架运动学仿真试验，研究考虑每个设计变量的变 化对样机性能的影响，并提出优化方案，对比讨论优化i ； 后的仿真结果，最后 对优化结果进行评价。 本章小结 本章从现代汽车技术的飞速发展中，提出基于计算机辅助设计及分析的汽 车悬架系统的设计分析方法，来减少汽车悬架开发时问。并归纳了本论文的研 究内容和方法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章麦弗逊式悬架的设计计算 2 1 设计要求 2 1 1 虚拟设计达到的目标功能 在对麦弗逊式悬架的结构进行分析的基础上，结合悬架设计的要求，使用 l a t l a b 软件开发悬架的虚拟设计程序，用以辅助计算悬架基本参数、减振器参 数、弹簧的参数，选取适当的前轮定位参数，设计布置悬架导向机构的空间位 置，缩短产品开发时间，提高设计效率及设计质量。 2 1 2 麦弗逊式悬架的结构特点 麦弗逊式悬架属于非独立式悬架，一般用于轿车的前桥。简单地说，麦弗 逊悬挂的主要结构即是由螺旋弹簧加减振器组成，减振器可以避免螺旋弹簧受 力时向前、后、左、右偏移的现象，限制弹簧只能作上下方向的振动，并可以 用减振器的行程长短及松紧，来设定悬挂的软硬及性能。麦弗逊式悬架系统与 其它悬架系统相比，具有结构简单，紧凑，占用空间少，性能优越等特点。该 悬架还具有较为合理的运动特性，能够保证整车性能要求。因此麦弗逊式悬架 在前置驱动的轿车和微型汽车上有着广泛的应用。虽然麦弗逊悬挂在行车舒适 性上的表现令人满意，其结构体积不大，可有效扩大车内乘坐空间，但也由于 其构造为直筒式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差。 该悬架系统特点是：为了保证系统合理地受力，延长减振器的寿命并满足 使用性能要求，在布置上采用主销中心线，减振器中心线以及弹簧中心线不共 线的形式。这一布置形式决定了其运动规傅与其它的悬架系统的不同。一般地， 在其它悬架系统结构中，对应于不同的车轮跳动位鼍，各点至主销中心的距离 不变。而在三线不共线的麦弗逊式悬架系统中，对应于不同的车轮跳动位置， 各点至主销中心线的距离是变化的。 轻型轿车中的麦弗逊式悬架是典型的空间机构。如图2 - 1 是某微型汽车的 麦弗逊式前悬架机构。 武汉理工大学硕士学位论文 ； 图2 - 1 麦弗逊式悬架结构图 1 下摆臂2 车轮3 转向节4 减振器5 车身6 弹簧 筒式减振器4 的上端用螺栓和橡胶垫圈与车身5 连接，减振器钢筒下端固 定在转向节3 上，而转向节通过球铰链与横摆臂1 连接。车轮所受的侧向力通 过转向节大部分由横摆臂承受，其余部分由减振器承受。 因此，这种结构形式较其余悬架在一定的程度上减少了滑动摩擦。螺旋弹 簧6 套在筒式减振器的外面。主销的轴线通过上下铰链中心。当车轮上下跳动 时，因减振器的下支点随横摆臂的摆动，故主销轴线的角度是变化的，这说明 车轮是沿着摆动的主销轴线而运动。因此，这种悬架在变形时，使得主销的定 位角和轮距都有些变化。然而如果适当调整杆系的结构的布置，可以使车轮的 这些定位参数变化极小。 2 1 3 悬架设计的要求 悬架设计时有以下几个方面的要求： ( 1 ) 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，即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 避免在悬架的压缩或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； ( 2 ) 合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之问所有力和力矩的可靠 传递，保证车轮跳动车轮定位参数的变化不会过大，在悬架负荷变化时，前轮 定位角能有合理的变化特性，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性的要求； 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在悬架负荷变化时，导向机构应保证轮距不会有显著的变化，因为轮距 变化时轮胎磨损的主要原因之一； ( 4 ) 在悬架负荷变化时，车轮不产生很大纵向加速度，以减少纵向冲击，避 免其引起的惯性力矩作用到转向节上，使方向盘上的力矩急剧变化； ( 5 ) 转弯时，车身侧顷角尽可能小，导向机构还应保证车轮与车身的侧顷同 向，以增强不足转向效应； ( 6 ) 制动时，车身有抗“点头”作用，加速时，有抗“仰头”作用； ( 7 ) 所有零部件应具有足够的强度和使用寿命； ( 8 ) 制造成本低，便于维修包养。 2 2 悬架特性参数 悬架设计的主要目的之一是确保汽车有良好的行驶平顺性。汽车行驶时振 动越剧烈，则平顺性越差。大量的研究及实践结果表明，对平顺性影响最为显 著的悬架特性参数分别是：悬架的弹性特性、阻尼特性以及非簧载质量。 ( 1 ) 悬架的弹性特性 对于大多数汽车而言，其簧载质量分配系数- 0 8 1 2 ，可以近似的认为 ；1 ，即前后悬架上车身部分的集中质量的垂直振动是相互独立的，并用偏频 、厶表示各自的自由振动频率，单位为h z 。 当一1 时，汽车的前后悬架上方的车身振动频率与相应的悬架刚度k 、 k ( 单位为n m m ) 以及簧载质量、m ：( 单位为k g ) 之间的关系表示为： = 去厝 厶= 去厝 悬架的静饶度与簧载质量和悬架的刚度关系为： 五。= 玛g i k , 。式中分别表示前后悬架的静饶度，单位为m ， 五= 去压一筹 7 ( 2 - 1 ) 五。- g l l q 和 则有： 武汉理工大学硕士学位论文 厶一去压一等 由此可见，要提高汽车行驶的平顺性， 持前、后悬架的振动频率尽量接近。但是， 增加静挠度又会带来以下矛盾： ( 2 2 ) 就应降低悬架系统的振动频率，保 降低频率就必须增加悬架的静挠度， 1 、静挠度增大后，为使汽车在坏路上行驶时不经常碰撞缓冲块，就要求相 应的增加动挠度。动挠度增加会使弹簧重量增加以及抬高车架上各总成的位置。 2 、静挠度增加后，弹簧变软，紧急制动会产生严重的汽车点头现象。在汽 车转弯时，会因悬架刚度不足，造成车身的侧倾严重。 3 、静挠度和动挠度增大后，车轮的跳动范围增大，增加总布置难度。 ( 2 ) 阻尼特性 当汽车悬架仅有弹性元件而无摩擦或减振装置时，汽车簧载质量的振动将 会延续很长时间，因此，悬架中一定要有减振的阻尼力。对于选定的悬架刚度， 只有恰当的选择阻尼力才能充分发挥悬架的缓冲减振作用。当汽车在不平的路 面上行驶时或当车轮受到冲击负荷时，为了衰减车身的自由振动和抑制车身、 车轮的共振，以减小车身的垂直加速度和车轮的振幅，悬架系统应具有合适的 阻尼。 虽然在悬架中存在干摩擦能衰减振动，但阻尼力不稳定，不易控制，而且 干摩擦的存在又使悬架在承受路面冲击时，将部分冲击传给车身，损坏了行驶 平顺性。故目前多数汽车的悬架系统中尽量减少干摩擦而装液力减振器，促使 振动迅速衰减以提高汽车行驶平顺性。 ( 3 ) 非簧载质量 根据是否由悬架弹簧支撑，汽车的总质量可以分为簧载质量和非簧载质量 两部分。非簧载质量即为非悬挂质量，例如车轮和转向节的质量，此外，还应包 括车轮和车身或车桥之间各连接件质量的一半，比如导向机构的摆臂、弹簧( 固 定在车架上的扭杆弹簧除外) 、减振器、横向推力杆、转向横拉杆等。 为了获得良好的平顺性，非簧载质量应该尽量小。一般而言，对于轿车的 非驱动桥，其非簧载质量约为( 5 0 9 0 ) k g 之间，采用独立悬架时约为下限，采 用非独立悬架时约为上限，采用复合纵臂式后支持桥悬架时约为中间值。对于 轿车的驱动桥，采用独立悬架的非簧载质量约为( 6 0 1 0 0 ) k g ，而非独立悬架 8 武汉理工大学硕士学位论文 由于带有主减速器、差速器和刚体桥壳，非簧载质量可达( 1 0 0 1 4 0 ) k g 。 2 3 减振器计算理论 主要介绍筒式阻尼减振器的设计计算，图2 2 为减振器安装示意图： 图2 - 2 减振器安装示意图 2 3 1 计算参数的选取原则 ( 1 ) 相对阻尼系数y 在选择时应考虑到矽的取值较大，能使系统振动迅速衰减，但会使较大的 不平路面的冲击力传到车身；嘴得过小，振动衰减过慢，不利于行驶平顺性。 对于内无摩擦弹性元件( 螺旋弹簧) 悬架，取p = 0 2 5 o 3 5 。 ( 2 ) 主要尺寸参数的选择 工作缸筒常由低炭无缝钢管支撑，其壁厚般取( 1 5 2 0 ) r a m 。单筒式减振 器为防止外物撞击而产生变形，应取2 m m 。贮油简直径取= ( 1 3 5 1 5 0 ) d ，壁 厚取( 1 5 2 0 ) i n i n ，d 为筒式减振器工作直径。 为了能以最少产品型号满足各类汽车的需要，我国已制订了汽车筒式减振 器标准，由专业厂进行系列化生产。筒式减振器以工作缸直径制定系列，国家 标准确定了工作缸径的系列为：3 0 、4 0 、5 0 、6 5 、8 0 ( m ) 。 所计算得到的工作缸径，要在系列尺寸中找出相近的缸径作为最后确定尺 9 武汉理工大学硕士学位论文 寸。 2 3 2 性能参数的计算方法 ( 1 ) 计算力臂传递比f i 一c o s 口 ( 2 3 ) 其中r 为下摆臂长度，a 、a 如图3 2 所示。 ( 2 ) 减振器阻尼系数r r 一2 砂4 c m ( 2 - 4 ) 其中c 为悬架刚度，m 为簧载质量。 ( 3 ) 卸荷速度i ， 为减少传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振 器应打开卸荷阀。打开卸荷阀瞬时的减振器活塞速度称为卸荷速度v 。 v - 爿c o c o s c ( i( 2 - 5 ) 其中彳为车身振幅，一般取4 0 硼，m 为悬架固有频率，甜一c 肘。 ( 4 ) 筒式减振器工作直径d 的计算 。一品磊 ( 2 - 6 ) 其中【p 】缸内最大容许压力，可取3 4 n 唧2 只为最大卸荷力( 伸张过程) ， p e ：r e v ，其中 为伸张阻力系数；a 为缸筒直径与连杆直径之比，对于双筒式减 振器，2 = 0 4 o 5 ，对于单筒式减振器，2 = 0 3 0 3 5 。 2 4 弹性元件计算理论 螺旋弹簧作为弹性元件，由于结构简单、制造方便并且有高的比能容量， 因此在现代轻型以下汽车的悬架中应用相当普遍。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。在此主要计算弹簧的 各项性能参数。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 螺旋弹簧的刚度和应力计算 螺旋弹簧在其轴向载荷p 作用下的变形，为： ，掣( 2 - 7 ) g d j 4 其中p 为轴相载荷，为变形，d k 一弹簧中径，唧；d 一弹簧钢丝直径，g l n ； f 一弹簧工作圈数；g 一弹簧材料的剪切弹性模量，取8 3 1 0 4 d p a 。 因此弹簧刚度c 为： c ，一手。嚣 c z s ， 弹簧在压缩时是靠材料的剪切变形吸收能量，弹簧钢丝表面的剪应力为： f 。8 p j d m 广k 。了8 p c k ( 2 9 ) d j冗d 其中，c 为弹簧指数，c 一l d ；k 为曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度 影响的系数，k = ( 4 c 一1 ) ( 4 c 一4 1 + o 6 1 5 c 。 螺旋弹簧钢丝表面的剪应力分布复杂，在静载状态下，这种截面内的应力 分布不均匀可以忽略不计，但在承受动载荷时，由于弹簧内侧应力水平较高并 且应力变化幅值更大，导致螺旋弹簧的失效总发生载内侧。为了在设计时考虑 内侧应力的增大，引入修正系数k 。 一般情况下，弹簧的许用剪应力h 与许用拉应力p 】成比例关系，通常情况 下，可取m = 0 6 3 1 a 】。 2 4 2 螺旋弹簧设计步骤 ( 1 ) 根据总布置要求求出需要的弹簧刚度c 。，设计载荷时弹簧的受力只以 及弹簧高度。，悬架在压缩行程极限位置弹簧高度日。 ( 2 ) 初步选择弹簧中径，端部结构形式及所用的材料，选取两端碾细的端部 结构。 弹簧总圈数h 与有效圈数f 以及弹簧完全并紧时的高度h 。问的相互关系， 其中以公式中的系数1 q 1 为考虑螺旋角的补偿系数，t 为端部碾细时的末端厚 度，末端厚度为钢丝直径的1 3 左右，d 为钢丝直径。 n = + 2 ，。= 1 0 1 d ( n 一1 ) + 2 t ( 2 - 1 0 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 参考相关标准确定台架试验时伸张及压缩极限位置相对于设计载荷位 置的弹簧变形量 ，2 ，并确定要达到的寿命( 循环次数) 。 ( 4 ) 初选钢丝直径d ，并根据相关材料查处需用拉应力p 】。 ( 5 ) 计算i 以及h ，。 ( 6 ) 计算弹簧完全压紧时的载荷p ，台架试验伸张、压缩极限位置对应的载 荷日、e 以及工作压缩极限位置的载荷只分别为： 只= 只+ c j ( 上+ 月，) 墨l 霉一c ：五 e 。层+ c j ，2 己一只+ c ：( q 一月_ ) ( 2 - 1 1 ) ( 7 ) 按弹簧指数c 。d 舛d 及k 7 的表达式求得k ，并求出载荷墨，最，只， 己对应的剪切应力q ，t ，( 计算出来的t ，但是悬架工作 时弹簧实际对应的最大剪应力，对应悬架的极限压缩状态) 。 ( 8 ) 校核f 。是否小于卜 = o 6 3 0 ，若不成立，则返回第( 4 ) 步重新选择钢 丝直径d ；若余量很大，则根据第( 9 ) 步寿命校核结果决定是否重新选择较小些 的直径d 。 ( 9 ) 校核台架试验条件下的寿命，给定试验条件下的循环次数k 可按下式估 算： 上一 ”( 警r k 。旦：丝虹二王! ( 2 1 2 ) 1 4 8 1 0 卜瓴+ 1 ) 若计算出的小于预期的台架寿命，则返回第( 4 ) 步重新选择以若有较大余 量，则与第( 8 ) 步的结果综合考虑是否选择更小的钢丝直径以节约材料，减少质 量。 ( 1 0 ) 得到合适的钢丝直径d 以后，可以进一步确定弹簧的自由高度巩和最 小工作高度日； ( n ) 稳定性校核：又高又细的弹簧在大载荷作用下会失稳，失稳的临界载 荷不仅与其高度对直径之比a = h 。o 有关，还与弹簧两端的支撑方式有关，对 于钢丝截面为圆形的螺旋弹簧，其相对变形量，h 。必须小于如下临界值： 武汉理工大学硕士学位论文 隹l 则- + 、1 - 6 8 9 ( c o a ) 2 ) 依据弹簧的支撑方式，设计时选取c o = 2 0 。必要时，可以重新选取d l ， 然后从第( 2 ) 步开始重新计算。 2 5 麦弗逊式悬架导向机构设计分析 2 5 1 悬架导向机构设计要求 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。所以，在设计独立悬架的导向 机构时，应满足以下的要求： ( 1 ) 形成恰当的侧顷中心； ( 2 ) 各铰点处受力尽量小，减少橡胶元件的弹性变形，以保证导向精度； ( 3 ) 保证车轮定位参数以及其随车轮跳动的变化能满足要求； ( 4 ) 当车轮与车身产生相对运动时，保证轮距变化在一定的范围之内，减少 车轮的磨损； ( 5 ) 具有足够的疲劳强度和寿命。 2 5 2 导向机构空间位置计算方法的研究分析 麦弗逊式悬架由横摆臂、转向节、减振器和车身构成机构组成部分。图2 - 3 为麦弗逊式左l 2 悬架的结构示意图，其中b d 为主销中心线，m n 为下摆臂旋 转轴线，d e 为减振器中心线，p 点为拉臂球头中心，f 为车轮的中心，q 点为主 销的中心线与车轮轴线的在后视图上的交点，o 点为m n 连线的中点，g 为车 轮的着地点，g 为主销中心线与地面的交点。坐标系x y - z 为静坐标系， 为了方便后续的计算，取坐标系的原点在悬架对称中心平面( 即y z 平面) 上，并且x y 平面过o 点，x z 平面为地面。z 轴指向汽车的尾部，y 轴垂直向 上，x 轴由右手定，拇指指向z 轴，食指指向y 轴，则中指指向的则是x 轴。 武汉理工大学硕士学位论文 g ( ；i 图2 3 麦弗逊式悬架结构简图 ( 1 ) 前轮定位参数的计算 在麦弗逊式悬架模型中，主销内倾角p 、主销后倾角卜前轮外倾角a 、前 轮前束角0 可以由以下的坐标参数表示。 主销内倾角口为主销中心线b d 与y z 平面的夹角。 口，删柚叠二圣( 2 一1 4 ) 。 写一与 主销后倾角r 为主销中心线b d 与x y 平面的夹角。 y ；a r c t a n 丝( 2 一1 5 ) y 篇型生z l b j 一乓 前轮外倾角口主要由转向节e f 的零件设计来保证，为e f 和x z 平面的夹 角。 口：a r c t a n 羔二 ，z 一- 1 6 )口= l o ， x e x f 前轮前束角0 在机构里面表示为e f 和x y 平面的夹角。 口，删锄生二刍( 2 1 7 ) x e x f ( 2 ) b 、o 、d 点的坐标 0 、d 、s 点坐标在悬架运动中保持相对不变，可由底盘的总布置要求来确 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 定其取值范围。 b 点初始位置坐标( 即悬架平衡位置时的坐标) 关系着主销内倾角，和主销 后倾角y ，b 点坐标、o 点坐标、下摆臂b o 的空间位置、d 点坐标、主销内倾 角口和主销后倾角y 是相关联的。在选取初始值的同时，可以根据底盘布置的要 求，适当的调整以下几个量：x 。、y 0 、y d 和b 点的坐标，来控制悬架的导向 结构。b 点的坐标可以通过b o 的空间位置来控制，b o 的空间位置由b o 的长 度、下摆臂的水平夹角p ( 与x z 平面的夹角) 和下摆臂横向平面的夹角盯 ( 与x y 平面的夹角) 来确定。 由于0 点在x y 平面上，则0 点的坐标为 o - i x 。，y 0 ，o r 。 由空间几何运算，容易计算出b 点的坐标为： 【b 卜i x 。，y b ，z b r 一x o k 扳i 忑瓦i ：五两，v o l b o s i n p ，一l b os i n a 1 ( 2 一l s ) 再根据式( 3 - 9 ) 和( 3 1 0 ) ，反求出： d = 【x 。，y d ，z 。r i x 。+ ( y d y b ) t a 妒，y d ，z 。+ ( y d y b ) t a n y 7 ( 2 1 9 ) 计算得到的b 、o 、d 点的坐标就是通过上面提供的6 个变量来表示的。 ( 3 ) e 、f 、g 点的坐标 由于要保证前轮轮距b ，则有x ，= 一b 2 ；g 点在地面，则有y g ；0 。 f g 的长度( 车轮半径) 为，由于前轮外倾，则有： y f 一，c a 0 5 a 、x g 一一b 2 + rs i n a ( 2 2 0 ) 所以f 、g 点的坐标表示为： 。 f = i x ，y f ，z ，r “一b 2 , r c 0 $ 0 r ，z ， 7 ( 2 2 1 ) g = 【x 。，y o ，z 。 - 一b 2 + r s i n a ，0 ，z ， 7 ( 2 2 2 ) 其中z 。为未知量。 在平衡位置时，设计减振器中心线d e 平行于x y 平面，d e 与y z 平面的 夹角为妒，则有： e 】= 【x 。，y e ，z 。】t ； x 。一( y d y r ) s i n p ，y b ，z 。r ( 2 2 3 ) 其中y 口为未知量。 将e 、f 的坐标代入到式( 3 - 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 中，2 个方程两个未知量，求解z 。 和y 口，得到方程： y i = ( x e x f ) t a n 口+ y ； ( 2 2 4 ) 其中x 。= x d 一( y d y e ) s i n p ，解方程得： 武汉理工大学硕士学位论文 y口。xd-ydsin4”-xftana+yf( 2 2 5 ) 。 1 一s i n t a n 口 z ftz e - ( x e - x f ) t a n 0 ( 2 - 2 6 ) 在此加入一个控制量妒。 ( 4 ) g 的确定 主销延长线与地面的交点g 为导向机构布置是否合理的一个判断标准。 g ， = x y g ，z o 7 ，并且g 、b 、d 三点一线，b 、d 点的坐标已知，根 据几何知识，有： x o 一x b x d x b z g 一z bz d z s 羔：二羔二玉( 2 2 7 ) z o 一z bz o z 8 g 在地面上，则有y o = 0 ， 经过计算，可以有： x o t i x b + ( z g , - z b ) ( 乏鲁) - - - - x s - y b 丽x d - x b ) ( 2 - 2 8 ) 厶n 一厶口i n 1 4 z g 一z b y b ( 鱼y 鱼) 所以g 的坐标为： “-y(2-29) g = x 。，y o ，z 6 7 = x y 。( 、x k d - 一x x ，、，。，乙一y 。t 、k z , - 一x z 、，一q 7 ( 2 3 。) ( 5 ) 侧倾高度的计算 汽车的侧倾中心是指在侧向力的作用下，车身在通过左右车轮中心的横向 平面发生侧倾时，相对于地面的瞬时中心，如图3 4 所示。侧倾中心的位置常 用侧倾中心离地面的高度巩来评价，一般现代轿车的侧倾中心距地面高度推荐 为( 0 1 4 0 ) r f g n 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 4 瞬心示意图 1 、瞬心m 点的坐标 m = x 。，y m ，z m 7 ，根据图中的几何关系，可以知道b 、o 、m 三 点共线，并且b 、o 坐标己知，根据几何关系得到： 圣二圣x o - - x b z m z bz o z b 当二蔓。y o - y b ( 2 3 1 ) z m z bz o z b 变化得到： x 。x b4 - 争争( z 。- - z b ) ( 2 - 3 2 ) y m 。y b + v 万o - v ( z m z 。) ( 2 - 3 3 ) 2 - 3 3y m - y b + 万( z m z 。) 厶0 一厶b 又由于b d 和m d 垂直，则有面而。0 ，即： ( z b z d ) ( z m z d ) + ( x 。- x 。x x 。一x d ) + ( y b