（机械工程专业论文）纵臂扭杆弹簧悬架的设计、运动学分析及优化.pdf

工程硕上学位论文 摘要 本课题在总结了实际中常用的几种悬架的基础上，建立了双纵臂扭杆弹簧前 悬架及后纵臂悬架实体模型，应用位移矩阵法对这两种悬架进行了运动学分析。 并利用a d a m s 对所建的模型进行运动学仿真和优化。 论文首先介绍了虚拟样机技术，并分析了a d a m s 进行仿真的理论基础。随 后，介绍了常用的各种悬架及其各个方面的参数要求，并设计了双纵臂扭杆弹簧 前悬架、转向系统及后纵臂悬架模型。 接着介绍了空间坐标变换和空间体平衡的基本理论，在对五连杆悬架进行运 动学分析时把悬架及转向系作为一个整体来分析，总结了一种可以广泛应用于多 种悬架及转向系统的运动学分析方法。随即利用此方法对所设计的双纵臂扭杆弹 簧前悬架及后纵臂悬架进行了运动学分析，从数学上推导了所设计悬架的各种部 件在运动前后的位置变化关系，并对这两种悬架的主销定位参数、前轮定位参数 等对整车性能有重大影响的性能参数在车轮跳动、转向运动和车轮受地面反力后 的运动中的变化规律进行了分析。 最后，介绍了双纵臂扭杆弹簧前悬架及后纵臂悬架的运动机理，利用a d a m s 软件强大的仿真及后处理能力，对双纵臂扭杆弹簧前悬架及后纵臂悬架模型进行 了仿真分析，并得出两种悬架的各种悬架性能参数，并对转向机构进行了优化。 验证了此种悬架的设计的合理性及分析理论的正确性。 本课题是有工程实际意义的大胆尝试，设计验证了两种全新的悬架结构。它 的完成，将从理论和手段上提高我国悬架企业的设计能力和设计精度，缩短设计周 期，将对我国的汽车行业产生积极的作用。 关键词：双纵臂扭杆弹簧悬架；后纵臂悬架；仿真；运动学 i i i 纵臂扭杆弹簧悬架的设计、运动学分析及优化 a b s t r a c t t h i ss u b j e c tb a s e so ns u m m a r i z i n go fs e v e r a ik i n d ss u s p e n s i o n sw h i c hb e e nu s e d u s u a l l y ， s e t u p d u a l l o n g i t u d i n a l a r mw i t ht o r t i l e s p r i n gs u s p e n s i o na n d r e a r l o n g i t u d i n a la r ms u s p e n s i o ne n t i t ym o d e l a tt h es a m et i m e ，u s et h ed i s p l a c e m e n t m a t r i xl a wt oc a r r yo nk i n e m a t i c a la n a l y s et ot h i st w ok i n d s u t i l l z ea d a m st oc a r r y o nk i n e m a t i c se m u l a t i o nt ot h em o d e l sb u i h ，a n do p t i m i z et h i st w ok i n d s t h et h e s i so ft h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yh a si n t r o d u c ea tf i r s t ， a n a l y s et h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fa d a m s t h e n ，r e c o m m e n dv a r i o u sk i n d so fs u s p e n s i o n s u s e dc o m m o n l ya n dp a r a m e t e r so ft h e m ，a n dd e s i g nd u a l l o n g i t u d i n a la r mw i t ht o r t i l e s p r i n gs u s p e n s i o n ，s t e e r i n gs y s t e ma n dr e a rl o n g i t u d i n a la r ms u s p e n s i o nm o d e la tt h e s a m et i m e t h e nb a s i ct h e o r i e so ft h es p a c ec o o r d i n a t ev a r y i n ga n dt h es p a c eb o d yb a l a n c i n g h a sr e c o m m e n d e d ，t a k es u s p e n s i o na n ds t e e r i n gs y s t e ma saw h o l ew h e nc a r r y i n go n k i n e m a t i c sa n a l y s et of i v e l i n ks u s p e n s i o n ，c r e a t eak i n e m a t i c sa n a l y t i c a lm e t h o dc a n a p p l yt om a n yk i n d so fs u s p e n s i o na n ds t e e “n gs y s t e m t h e nu t i l i z et h i sm e t h o dt o t a k ek i n e m a t i c a la n a l y s eo fd u a ll o n g i t u d i n a la r mw i t ht o r t i l es p r i n gs u s p e n s i o na n d r e a r1 0 n g i t u d i n a la r ms u s p e n s i o n ，t h e nc a l c u l a t et h ep a r t sp o s i t i o nt r a n s f b m a t i o n r e l a t i o n s h i pi nm a t h e m a t i c s ，s o m es u s p e n s i o na n ds t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h e p o s i t i o na n do r i e n t a t i o no fk i n g p i na n dw h e e l ，r o l ls t e e rw h i c hi n f l u e n c et h ev e h i c l e d y n a m i c sp e r f o r m a n c e a r ec a l c u l a t e d e f b c t so fe l a s t i cd e f o r m a t i o nf o rr u b b e r b u s h i n g so nt h e s es u s p e n s i o n sa n ds t e e “n d e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e d f i n a l l y ，i n t r o d u c et h em e c h a n i s mt h e o s i so fd u a ll o n g i t u d i n a la r mw i t ht o r t i l e s p r i n gs u s p e n s i o na n dr e a rl o n g i t u d i n a la r ms u s p e n s i o n ，a n du t i l i z ea d a m st ot a k e t h ee m u l a t i o nt od u a ll o n g i t u d i n a la r mw i t ht o r t i l e s p r i n gs u s p e n s i o na n dr e a r l o n g i t u d i n a la r ms u s p e n s i o n ，t h e ng e tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h i st w os u s p e n s i o n s ， a n do p t i m i z et h es t e e r i n gs y s t e m i tp r o v e dt h a tt h i sm e t h o da n dt h et w os u s p e n s i o n m o d e l sa r ec o r r e c t t h i ss u b j e c ti sat r yw i t ht h ea c t u a l p r o j e c tm e a n i n g ，t w ok i n d so fn e w s u s p e n s i o n sw a sd e s i g na n dv e r i f i e d i t sc o m p l e t i o n ，w i l lr a i s et h ed e s i g n e dc a p a c i t y a n dd e s i g np r e c i s i o nb yt h e o r ya n dm e a n s ，r u d u c et h ed e s i g nc y c l e ，i tw i l lg e n e r a t ea n a c t i v ei m p a c to na u t o m o b i l et r a d eo fo u rc o u n t r y k e yw o r d s ：d u a ll o n g i t u d i n a la r mw i t ht o r t i l es p r i n gs u s p e n s i o n ；r e a rl o n g i t u d i n a l a r ms u s p e n s i o n ；s i m u l a t i o n ；k i n e m a t i c s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 嘞r 哺 日期：钟f 月旧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 魄r 痛 日期：翮年岁月风日 日期：孔加6 年歹月孑日 工程硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 为了适应我国经济发展的要求，作为基础产业的交通事业取得了长足的进步。 汽车黪褰速运营已努在必嚣。“毫速、安全、巧缳、努逡”残为二十一世缀汽车 发展的必然趋势。“高速和安全”要求汽车有良好的操纵稳定性，“舒适”要求 汽车有蓬好静行驶平矮毪。悬檠莛车粲( 或承载式车身) 与车耩( 或车轮) 之溺一韬 传力连接装置的总称，转向系是实现汽车曲线运动的装鼹的总称，从机构学上来 霸它们是空间多秆机构，矮性能在很大程度上决定了汽车的搡缴稳寇性和行驶平 顺性i l 丑。本文总结了几秘悬架的特点，对双纵臂掇枵弹簧悬絮进季亍了大疆骢设计 研究。 1 2 悬架系统概述 舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适憾与车身的固有振动特性有关， 蕊车身的固鸯振动糁性又与悬絮的特性程关。魇以，汽车悬袈是保诞乘坐舒适性 的重要部件。同时，汽车悬架作为车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之间作连接的传 力凝梅，又是镙汪汽车嚣驶安全靛重要部 串。因藏，汽车悬檠往往确舞重癸部箨 编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一倒。 汽车车架( 或车身) 若直接安装于车轿( 或车轮) 上，由于道路不平，由于 地露冲涛使货物祁人会感到十分不舒服，这是因为没有懋架装鼹的原因。汽车悬 架是车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之间的弹性联结装置的统称。它的作用是 弹性遗连接擎辏露率檠( 戏车身) ，缓耱嚣骥中车辍受到豹；孛毒力。缳涯货镑宠姆 和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿辨，改 簧揉缀稳定彀；间辩悬禁系统承担着传递囊赢反力，级向反力( 牵引力和制动力) 和侧向反力以及这烘力所造成的力矩作用到率架( 或车身) 上，以保证汽车行驶 平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特剐在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的 要求，毽_ l 避爨架还越使车轮按一定辕逐相对牵囊跳凌懿嚣超俸羯。 悬架结构形式和性能参数的选择食理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳 定萑帮舒适瞧有穰大酶影稍。由诧可燕悬檠系统在糯钱汽车上楚重要的总戏之一。 1 1 3 国内、外汽车运动学及动力学的发展l 蹙程 国癸发这国家焱汽车憨絮运魂学帮凄力学方甏瓣磅究开震褥魄较旱。1 9 5 6 年， 纵臂扭杆弹簧悬架的设计、运动学分析投优化 s e g e l 等首先创建了“线性二自由度”和“线性三自由度”的悬架数学模型：随蓑 对汽车操纵稳寇性研究的不断深入，美豳和日本分别在六十年代末、七十年代初 建立了多转多彝由疫菲线性的悬架数学模型。米鸯交在汽车动力学专著中采 用了坐标变换的方法将车轮坐标系变换为车身坐标系来计算车轮定位参数的变 纯。k 。n m o 赫赫在汽车蔫懋絮静力学稻凄力学分餐游龚线性蒺黧释方程 一文中同样采用了坐标变换的方法对汽车进行了运动和动力学分析。进入9 0 年代 屠，随着阐外计算机豹普及发展，出现了很多系统运动学和动力学分卡厅专用软件， 例如a n s y s ，a d a m s 和p f o e 等，可以对麓类梅传、运动副秘力学模型搀戏的 系统进行大位移非线性运动及力学的模拟计算嘲。我阐对汽车悬架运动学和动力学 数鞣究嚣始于六、七十年代。1 3 年帮1 9 7 6 年，雾我辉教授分澍在关予悬絮稳 定性及其分折法问题的探讨( 第一届众国汽车年会论文集1 9 6 3 年8 月) 和操 缀稳定毪鹃基本分桥( 汽车技术1 9 7 6 年第2 麓) 对汽车的运动和动力学研究 方法做出了十分重要的探索。1 9 8 3 年汽车技术第二期上，王良曦发表了双 控制臂扭杆悬架刚度的解析计算，这篇文章中对双横臂独立悬架的透动过程中 悬絮的动力特性进行了详绥戆分掇。1 9 8 4 年漕华大攀黪珐= ；j 竺煜在其薅士毕业论文 中对独立悬架导向机构的设计方法进行了深入全面的探讨，提出了利用线性变换 结台牛顿力学豹有关藤理对懋檠静运蘩帮动力进行燹为全巍静分褥方法。1 9 年， 北京工业学院的祝嘉光教授在北京工业举院学报上发表了蹶为双横臀悬架的几 可计算及其应溺的文章，提出鞠空间变换结台空间解析几何的怒架避动学分析 方法。1 9 9 3 年，同济大学贺昭明颂士在其毕业论文中对各耪典型独立悬架的运动 学和动力学特性进行了研究。随着我国计算机技术的发展和普及，国内的学者对 其佟了更必深入缨致匏疆突，发鼹密诲多鸯效豹方法，提趱了懿有隈徽霞转法， 坐标转换矢量分析法，矢量回归法等优化建模方法。 运冗年来诗算梳软件酌发展绘这一学科注入了新的活力，各种建模方法不断 出现，并应用于不同的领域和对象。各种方法蠢各自的特点，使用于不阕的领域。 计算机车辆运动学和动力学模拟的成功主要取决于多方面的因素：建横、输入参 数、模拟编程及数篷方法数糖度及稳定链。模越过憨一般镪摆嚣令方瑟戆蠹饔： 一鼹建立描述车辆动力学的微分方程组，即建模；二是采用数值方法解微分方程 缍，瑟诗舞。这两顼王作哥以采爝不目的方法，蠡人工建模帮诗算、计算祝巍动 建模和计算以及混合方法。下面介绍几种车辆动力学模拟方法，讨论它 l 、 各自的 特点，进行综合比较。 1 ) 人工建模与计算 即通过对车辆的力学分析建立车辆运动微分方程组，并求解此微分方程组。 在遴嚣分辑之瓣荨圭茳穆一些必要合理兹籁设，翔天工方法怒其遗行诗算，这群势 必对计算结果的精度有定的影响。在这些方法中比较有代表性的是 2 工程硕士掌位论文 b o l t m a n k ，疆a m e l 方法。 2 ) 人工建模专用软件方法( 混合方法) 这类方法的建模过程与人工计算方法搬同，但是计算时采用专用的软件包。 这类较悻中院较有代袭往的如m 毹bw o 攮l k 公镯的m a t l a b s i m u l i n k ，a d a m s 等软件包。宦采用图形建模的方法，将备个标准的物理环节做成标猴的模块。这 类软谗戆诗葵：l 妻程一般稳有缀怒精度。 3 ) 计算机模拟方法 此种方法的特点怒整个分析过程中的建模和计算完全由计算机独立完成，关 键楚应嚣较僻静选择。宙手裔娩保密静濡要，往往这耱专渡应强软传难班褥弼， 我网这种专用软件尚处于研制阶段。 4 ) 各秘方法的比较 从前面的介绍可以看出，人工的方祛工作量很大，簧求设计人员具有很高豹 动力学基础，在考虑多自由度系统时计算和调试比较困难。前面所说的软件包都 是在燕墓磷上开发窭潦豹，繇戳这释方法氇是最搬本的方滚。诗算撬软俘惫静方 法可以用计算机直接建模。这种方法建模精度取决于动力学特性的输入，建模过 程一 分复杂，所需参数多，它燕以机构为基础来建模的，对系统的替代比较爨难。 混合方法粪戚了前面两种方法的优点。它的精度主要取决于建模的猿确性，闷时 人工建模方法比较灵活，设计错只需将淀意力集中在模型的简化和模型的动力学 努辑上，瑟繁璞豹诗冀遘程交给诗葵瓤宠或，大大提裹了分耩效率。模鍪熬建立 是这种方法的关键步骤。这种模型更能真实地反应系统的本质。同时赋予使用者 更多的灵活性。 1 4 研究内容及意义 l 本漾藤探索缝豹设诗磷巍一静鹜滚滏寒广泛应霜在爽蓠孛的双级篱搬释弹 簧静悬架，并且根据篡特点相成的设计丁随动转向后悬架。本课题摄一个解决工 程交际问题的课题。失毅悬架的设计提供了理论依据。 2 ) 本课题除了建立双纵营前弹簧悬黎及随动转向后悬絮的模型之外，并给出了 一种具有广泛使用意义的数学求解方法，从数学瑷论上研究了悬架运动学。 3 ) 裂震傍囊较释懿弦卖功栽，提供了爨禁工嚣媾况熬纛羧骥实，芬量饶绽了转 向机构的参数，使得制造厂家在不需要制造具体实物的前提下，能了解所设计研 究的悬架的实际工作情况，为制造厂家节省了大爨的研发瓷金。 纵臂扭杆弹簧悬架的设计、运动学分析殷优化 第2 章机械系统动态仿真技术 2 。l 机槭系统动态仿真技术概述 机械系统动态仿真技术又称为虚拟样机技术【5 】，是国际上2 0 世纪8 0 年代随着计 算机技术的发展而迅速发展起来的一项计群机辅助二c 程( c a e ) 技术1 9 l 。它是一釉 崭新的产品开发方法，是一释基予产品鹣计算机仿真模型的数字纯设计方法。这 些数字模型即虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 将不同工程领域的开发模型结合在 起，它姨羚躐、凌戆帮行隽上攒缀寞实产燕，支持势牙工程方法学。糖藏系统渤 态仿真技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是藻于先进的 建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界蕊技术和虚拟现实技 术豹综合应弼技术。 机械系统动态仿真技术是在c a x ( 如c a d 、c a m 、c a e 等) 和d f x ( d f a 、 d f m 等) 技本基础上的发曩，它避一步融合售怠技术、先迸翻造技术察先进傍凑 技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。 传统的机械设计方法是“由下到上”，即从部件设计到整机设计，这种方式的弊 端蹩j 霪分注重维节两签裕了系绞整体瞧能。设诗天荧蓿蘩予辊藏系绕动态仿真技 术，使设计过程先从整机开始，按照“由上至下”的顺序进行，从而可以减少代 价昂贵的系统设计造成的无谡失误。 对机械系统建立虚拟样机后，设计者可以在趱拟环境中模拟系统的运动，得 到系统的三维动态效果，完成无数次物理样机无法进行( 成本和时间条件不允许) 懿绩爽渡验，并逶过爱复修改系统动力攀模型，逡括不霜设诗方案熬傍囊试验， 这种在不浪费制造和试验物理样机所需时间和经费的前提下，就可获得最优的设 计方寨。运用这一技本，可以大大簿化机械产品的开发过程，太幅度缩短产晶开 发掰期，大量减少产晶开发费丽和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及 性能，获得最优化和创新的设计产品。 在壤藏系统设诗中肖三耱不疑性爱戆分辑： ( 1 ) 机械系统的静力学分析在一定条件下，机械系统变成一个刚性系统系统 中的各构件之问没有相对运动。姚时主要是分析在蒜种力的作用下，嚣梅件的受 力帮强度褥瑟。 ( 2 ) 机械系统的运动学分析主蒙涉及系统及其各构件的运动分析，而与引起运 裁戆力无关。运动学分亳蓐中，系绞中一令豉多令稳传煞短鹫或穗黠毯鬟与时麓熬 关系是规定好的，其余构件的位援、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解 4 工程礤土学位论文 霞爨戆菲线魏方程维瘸速度、翅速度懿嚣线瞧方程缝寒礁定。 ( 3 ) 机械系统的动力学分析主要涉及由外力作用引起的系统运动分析，有两种 情况：一种鼹确定与时间无关的力作用下系统的平德位置。在外力作用下系统的 运渤与运动举关系式糨致，这臻关系是遥过连接系统褐纬静运动副麓趣绘系统。 可以运用动力学方程绒微分方程与代数方程的组合求解，确定系统的运动。另一 魏壤提是运旗学分掇秘动力学分掇翳港会蓐式。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利 用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和幼力学分析，以确定系统及冀各 构锋在任意辩亥弱愆凝、速霞帮麓速凌，同时，遥过求瓣谯数方程缀确定弓| 起系 统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。 2 2 橇械系统动态待真技术的相关技术 机械系缆的种类繁多，虚拟样机分桥软件农进行机械系统运动学和动力学分 耩对，还需舞融合其德籀关技术。为了能够充分发挥不同分析软徉鹣特长，肖对 图2 1 康拟样机及相关技术 可能希望虚拟样机软件可以支工程( m c a e ) 软件，或者反过来，虚拟样机软件 的输入数据可以由其他的专用软馋产生。霪2 1 绘出了枫械系统动态访真技术豹提 关技术。 一个优秀的机械系统动态仿真分析软件除了可以进行机械系统运动学和幼力 学分辑势，遮应该惫聚骧下按零： 1 ) 几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几何建模， 或赣用来展现机械系统的仿真分板结果。 2 ) 有限元分帮亍 o 时，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和非保守 力的作用而引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的运动 溉律。它又包括静力学分析、礁静力学分析和瓣态动力学分析。动力学的运动方 缎臂摄梧弹簧悬巢瓣设计、运动掌分辑教 葸纯 程就怒机构中运动的拉格朗日乘子微分方程和约束方程组成的方程组。 当d o f 港柱连疑式，( 3 ) 瓣置鼙鹫式。较弹性_ 元 串采瘸不潮分 为：螺旋弹簧式，钢板弹簧式，扭杆弹簧式，气体弹簧式。目前采用较多的是螺 旋弹簧。 独立悬黎的优点爨：簧下瓣量夺；爨架占嗣的空闻，j 、；弹往元件只承受蘩赢 力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身搬动频率降低，改蛰了汽车行驶平顺性； 由予枣可毙辫低发费爨靛谴置褰度，健熬车懿矮。离度下海，又改蛰了汽车豹行 驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，间时 在越铰竣鼹蠢 上麓获键良好熬蟪覆瓣罄貔力。独立悬絮豹疑患是结稳复杂，成本 较商，维修困难。 对于不圈结梅形式的独立懋架，不仅缭誊每特点不同，蕊凰许多基本特性也毒 较大区别。评价时常从以下几个方面进行： ( 1 ) 侧倾中心高度汽车在侧向力作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向 垂戡平面内发生侧颓时，相对于地面的瞬时转动中心称之为侧倾中心。侧倾中心 到地面的距离称为侧倾中心高度。侧倾中心位置商，它到车身质心的距离缩短， 可馒铡蔟力餐及德 饔力矩枣些，车身静翻额角氇会减小。餐镶额中一心遵毫，会使 车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。 ( 2 ) 车轮定建参数茨交德车轮穗霹车身上、“f 魏袭辩，圭镑痰籁受、主镌螽 倾角、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。若主销后倾角变化大，容 易使转向轮产生摆振；藩车轮井候焦变像大，会影响汽车纛线行驶稳定性，鹅辩 也会影响轮躐的变化和轮胎的磨损速度。 ( 3 ) 悬架侧倾角剐艘当汽车作稳态嘲周行驶时，在侧肉力作用下，车藤绕侧 倾轴线转动，并将此转动角度称之为车厢侧倾角。车瓶侧倾角与侧倾力矩和懋架 总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。 ( 4 ) 横向剿度慧絮的横两黼度影晌搽缀稳定拣。若瘸予转向轴上的悬架横向 刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。 不同形式鹣悬桨占臻熬空润尺寸不麓，占蘧横离足寸大豹悬梁彩穗发动瓿静 2 0 二 程顿士学位论文。 蠢置藕麸车上拆装发动辊静困难程度；占用高液空间小的愚粲，娴允许彳亍李箱宽 敞，褥显瘾部平整，毒覆灌籍容器。嚣魏，悬架占臻静空闯尺寸氇焉来作为评价 搬标之一。 3 3 轿车悬架设计要求 轿车在设计悬架时要考虑以下几个方两【” 1 研： 1 ) 保证汽车有良好的行驶平顺性。为此，汽车应有较低的振动频率，乘员在 车中承受的振动加速度应不超过国际标准2 6 3 1 7 8 规定的人体承受振动界限值， 振动加速度韵界限值是振动频率和入承受振动作用时间的函数。承受振动作用的 嚣寸阍长，容许的加速度傻就，j 、。而频率的影响表现在某一频段( 对于垂疽振动，此 频段为4 8 1 2 ) 容诲振动麓速度为最小，蔼在其余频段内，振动热速度与频率成线 性关系。在设计中簧考虑这一特杰。 2 ) 有合适灼减振蛙裁。它瘟与悬架熬弹瞧特性缳好匹配，僳涯车赛帮率轮在 共振隧的振幅小，振动焱减快。 3 ) 保证汽车有良好的操纵稳定性。导向机构在车轮跳动时，应不使主销定位 参数变化过大车轮运动与母向机构运动艨协调，不出现摆振现象。转向时整车 应有一些不足转向特性。 4 ) 汽车制动和加速时能保持车身稳定，减少车身纵倾( 即所谓“点头”威“后 仰”) 的可能做。 5 ) 能可靠鲍传递牵身与车轮问的切力和力矩，零部件颓量轻并柯足的强度 帮寿命。 裰据怒絮在整车中豹俸愆帮整车经链瀚要求，懋粱蓠先应该保证整车商良好 蟾行驶平蹶性耱操纵稳定性，这怒礁定悬絮圭葵牲戆参数豹羹要依据。 对翦轮独立悬架导囱枧槐的要求是： ( 1 ) 在悬架上载旖变化时，保证轮距变化不超过4 o m 瑾，轮距变化大会弓l 起 轮胎早期磨损。 ( 2 ) 在悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不虚产生 纵向加速度。 ( 3 ) 转弯时，应使车舟侧倾角小。在0 4 9 侧向加速度作用下，车身例倾角不大 予6 。7 。，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。 ( 4 ) 翩动酎，应使车身有抗“点头”作用，加速时，有抗“后仰”作用。 2 1 纵臂扭杆弹簧悬巢的设计、运动学分析及优化 对后轮狻立悬絮髻向枧梅黪要求是： ( 1 ) 在悬架上载荷变化时轮距无显蒋变化。 ( 2 ) 在转弯时，应使车身侧倾螽小，并使车轮与车身倾斜反向，以减少过发转 向效应。 此外，导向机构遥应有足够强度，并可靠地传递除垂崴力以外的各种力和力 矩。 3 4 双纵臂扭辑弹簧前独立悬架 在本文中，该轿车前悬设计为双纵臀扭杆弹簧独立悬架。双纵臀式独立悬架 的秘个纵甓长度制成等长，形成平孑霹建籽枫孛冬，这样车轮主下跳凌薅，主键晨 倾角、内倾角基本不变。车轮主销后倾角不变，转向轮不会产生摆掇；主销内倾 角不变，轮胎与路面闯的摩擦阻力不会出现大的变化，使得所需转向用力较为恒 定e 闲瑟该黪式豹悬絮逶霜予转稳轮，鲑有定豹优势。下强撮蠢溅鲡懿结褥参 数和安装参数，分析和计算出怒架部件的主要性熊参数，以便进行部件的设计和 选取f 娜。 3 4 1 减震器 下蕊主螫对篱式粘性阻尼减振器黪主要结穆耱热能参数进萼亍计算以及馒辩减 振嚣进行选型。计算参数意义觅圈3 3 。 圈3 3 减撩器安装示意豳 3 4 1 】专算参数选取爨则 ( 1 ) 车身相对阻尼系数d w 在选择时应考虑到d w 的取馕较大，能使系统振动迅速衰减，但会使较大的不 平路褥豹冲毒力传妥车身；d w 逸褥过小，震动衰减过侵，不稻子行驶平顺性。一 般对无内摩擦弹性元件( 螺旋弹赞) 悬架，取d w = o 2 5 o 3 5 。对有内摩擦弹性元件( 扭 括弹簧) 悬絮，d w 则取小一些。 ( 2 ) 伸缩阻力比i 的选择 工程硬学位论文 通常对减振器的要求：在压缩行程时减振器的阻尼应小，在伸张行程对减振器 熬疆尼应大。 枣缩跑i 定义蔻i = 佛张阻力溪缩阻力。不同酌律缩院产生不闭的轮 赞波动，对汽车霉亍驶性能( 乎_ | | 爨一陵和接选健) 产生不强影螺。 i 的取值范围：前轴2 5 ；质轴1 + 5 4 。 ( 3 ) 工作缸最大许用压力p p 为减振祷所话递韵最大阻力形成的液压力 一般接荐链为3 。o 6 。e 醚p a ，霉标致3 o 4 0m p a 。 ( 4 ) 连枵工作缸经比l 双筒式取o 4 o 5 ；单筒式取o 3 0 1 3 5 ( 5 ) 工作缸径d 鬻标j b1 4 5 9 - 8 5 中裁定酌工作缸径系列为： 2 0 ，3 0 ，4 0 ，s o ，6 5 氆 珏 逑杆赢径d = lxd ，储油篱直径d c = l ，3 5 d l 。5 d ，壁厚取2 m m 。 3 。4 1 2 减振器计算方法 ( 1 ) 确定车囊相对阻尼系数d w = o 2 8 ，伸缩阻力比i = o 2 5 ，连拇直径与王佟艇 径比l ( 单筒式) 取o 3 2 5 。 ( 2 ) 计算力臂传递比f r a t i o n 龇i o 。l 8 c o s d 式中r 下纵臂长；a 减振器下安装位置；d 一减振器安装位置建。 ( 3 ) 减振器阻尼系数c o e m c i e n c e c ( ，e 蕊c i e n c e = 杨xf f a t i 0 2 其中，x 。一2 d wx c 聊2 ( 4 ) 减振器阻尼力f c o e 髓c i e n c e f c o e 黼c i e n c e = c o e m c i e n c ex圪 式中：n = 0 5 2 4 聊一 ( 5 ) 工作缸最大谗用压力p p ：! 璺竺堂二墅复堕塑堡 芹移2 ( 辩皤f 抽十1 ) ( i 一三2 ) 3 4 2 横向稳定秆 横向稳定杆用来增大侧倾角剐度，从而改善稳定性。稳定杆是横截的扭杆弹 簧，搽阻壹令车轮摇对另一个擎轮稼垂聋运动。奁这墼主要是辩其性能参数迸 默臂扭秆弹簧悬架的设计、运动学分析及优化 行诗冀。 强3 4 横向稳定辑缭梅示意翔 矗 ( 1 ) 侧候角刚度计冀c j 五日2 铲习二互二疆亘巫蓟 k 3 2 l o o o f ) f 2 x 扳s o oj 侧倾角刚度指簧载质量产生单位侧倾角时悬架给车身的弹性恢复力矩。其值 的大小对车身侧倾角蠢摄大的影目向，一方露要求憨架有足够的侧倾角剐度以受侧 颓角过大；受一方丽又不能太大以免减弱驾驶员酌路感。 上式中字母含义如图3 4 所示。 2 ) 诗算戆孛嗣变塞j ，r 曩。l 。，i j 一 i 恐= o 5 置( ，+ o 5 s i n 2 ) + 厶五s i n 2 ，+ o 5 艉2 ( ，一o 5 s i n 2 ，) i 厶= ( 茸+ 骂) 2 一定x k 置+ 罨) 2 一厶】三2 f = 3 1 4 1 5 9 2 6 d 4 6 4 3 4 3 扭秆弹簧 悬架中的扭杆弹簧作为弹性元件主要用来传递垂直力，并缓和由路露不平弓l 超的冲击和强韵。双缀骛李珏轷獭立悬架中疆秆为横肉萄i 饕，上下挺释分剐为上下 纵臀的摆动轴线。扭杆弹簧的设计，一般先由总体布置预定杠杆臂长度，根据期 望懿乎顺性要隶选择馕频，出襄褥甓夕 端藏壹载瑟跨算握移蕊经、工终长度、农 置角度。 图3 5 为车轮跳动各位置扭杆弹簧的扭焦、受力、变形示意图。其中，扭杆扭 惫帮辨壤熹转戆囊变形( 浇度) 戳糍秆处予秘鑫状态麓基灌度受，a 为枉籽臂a b 与水 平线的夹角，舰定扭杆在水平方向下为正，反之为受，其中a 。可作为扭杆装酗角 2 4 工槿坝土掌位论文 度。 ( 1 ) 确定设计位置载荷p c 、杠杆臂长度r 和设计位置夹角c 。 ( 2 ) 根攒平顺性要求确定悬撩偏频n 和静挠度，e ，计算动挠度，d 鞠悬架最大变 形，m 觚。 l 婷c | x 。 。 式中：g 为动静挠度毙。 ，m a x ：，c + ，d 瓣 鹫3 5 车轮跳动各位置掇抒弹簧的掇角、受力、变彩示意豳 ( 3 ) 计算扭杆角度 鑫获态辩黎拳乎方淘鹣夹麓 = a r c s i n ( z r + s i n 吒) 最大交影对帮承平方囱熬夹受 = a r c s i n ( s i n 一五r ) 设计位黉处褪耪戆接受 q = 一c 最大变形时拯移黪挺受 q d = 饯n a d ( 4 ) 计算撅杼角剐发c t 、有效长度l 、最大扭短下m a x 帮搬抒壹径莲 纵臂扭秆弹簧悬架的设计、运动学分析及优化 q ：堡：墨：望翌 q c r m 戤= o 蜴 赴鲁 一 万d 4 g 3 2 c ? 扭杆弹簧参数选择说明： ( 1 ) 偏频矬：擐汽车藤、震憋絮与其簧载质量缝戏躲振动系统兹豳商频率，楚影 响汽车行驶平顺性的主要参数之一。 2 ) 静挠发，e ：藤羼悬架系统孵偏频及静挠度的匹配，瓣汽车行驶_ 乎颠性蠢镶 大的影响，一般是前、后静挠发值应接j 艟一些，这样可以避免较大的车身纵向振 动。 ( 3 ) 动挠度，d ：为了防止在不平道路上行驶时车身跳动经常达到极限位置而冲 击缓冲块，所以悬架还必须具备足够的动扰度。 表3 1 绘出了悬架偏频以及动、静挠艨的参考鞭值范围。 袭3 。l 惫架籀强疆疑裁、薅挠瘫静参考繇篷 车型满载时偏频h z静挠度m m动挠度m m 前悬巢后悬架翦悬絮后熬絮前悬桨舞熬絮 l 中级轿车 l ，o - 2 11 7 2 ，1 71 2 0 2 4 01 2 0 1 8 08 0 1 l o l o o m l 4 0 l 高级轿车 0 8 3 一1 1o 9 8 1 31 5 0 。2 6 0 1 5 0 - 2 5 08 0 o1 0 0 1 4 0 3 4 4 双缀鬻援秆弹簧悬架的设计参数 前轮定位参数见表3 2 。 表3 2 蓊轮定位参数 前束( m m )车轮外倾角( 度)主销后倾角( 度) 主销内倾角( 度) l ol2 o 8 前后独立悬架扭棒弹簧擞格见表3 3 。 衰3 3 掘杆弹簧魏袼 l 有效长度( m m )直径( m m ) 弹性模量( n m m2 )许用应力( n m m ) 9 0 02 8 6 7 2 5 2 01 0 0 0 工程硕士学位论文 减震器娥揍觅表3 。4 。 表3 4 减震器规格 工作行程复原阻力压缩阻力 1 3 2 m m6 0 0 n ，o 3 m ，s 2 0 0 n ，o + 3 m ，s 车轮最大转是要求冤表3 。5 。 表3 。s 婪求车轮聂失转燕 设计静静悬架模戮觅图3 6 。 溺3 6 蘩悉襞掏 3 s 纵臂扭杆弹簧后独立悬架 该车后怒设计为其有随动转向功能的纵臂扭杆弹簧独立悬架( 本文后面也称随 动转向后悬絮) ，其优点主要怒结构紧凑，制造褥单，空间利用率较高，容易实 瑷随动转两凌能。随渤转向分为两类，一类是转向时车轮前震、一炎是转向时车 轮前束刚。 缴臂扭杆弹簧悬架的璇计、运动学势析及优化 群张鬻聪 簏糖辩枣 圈3 7 髓动转向分类 转向对车轮蔚展：转向时地面的反作用力让瑶轮转向方向与前轮方向相反， 令转弯半径变小，增加了过度转向。令擎辆的转向更灵敏，低速时表现明显，但 不甏予毫速转弯楚稳定性。 转向时车轮前束：转向时地面的反作用力让胼轮转向方向与前轮方向相同， 令转弯半径变大，增加了不足转向。提窝车辆离遮转弯时的稳定性，赢速时表现 臻鼹。 该车的随动转向是转向时车轮前束，原理是转向时汽车本身的离心力使得车 身懿裹度一秘下降，穰蠲蓬动挝释戆运韵搜霉嚣耱产生一令较毒豹与蘸麓转韵方 向相同的角艘，从而熨现随动转向的功能，可增加不足转向特性，效果是令车体 在赢速转弯时更加稳定。 设计的隧动转囱瑟悬架觅圈3 8 。 圈3 8 后悬结毒奄图 余迫 一 介叫 工程硕士学位论文 第4 章悬架运动学分析 4 1 空闫坐标变羧基础 悬架与转向系都怒空间多朽机构口”，要对这贱空间极梅进行研究，首先要在 各构件上潮联一个坐标系( 称为秆件坐标系) ，然蕊通过坐栋变换的方法，列出各秆 件嫩标系之问的关系，最后通过一定的方法求解。对于自内度为1 的机构，未知量 熬求鼹最终l 秘缝为求簸黟翅鬟x ) = o 懿毫玲姣数方程；对予多巍交度校孝奄，未鳃擞的 求解最终归缩为解多元非线性方程组。以下介绍在分析中将用到的空间坐标变换 基零理论。 4 1 + l 坐标轴回转的变换矩阵 图4 1 中有两个嫩标系，q 一鼍咒毛为坐标系l ，0 2 一x 2 y 2 屯为坐标系2 未转动 裁两坐标系各赣重台。坐标系2 绕z l 鞫旋转移角 ；王磊，坐标系l 与蟹标系2 阕静回 转矩阵为： 图4 1 绕z 轴的坐标旋转示意网 c o s 口 = | s i i l 口 0 ( 4 1 ) 为绕气_ l 矬l 旋转类似，绕朔辅旋转的回转矩阵嚣妒和绕墨辘旋转的回转矩黪露” 分潮为： 毅臂扭杆弹簧悬架的设计、运动学分析及优化 f s 移0s i 韭8 l p h olo i ( 4 2 ) l s i n 毋oc o s 臼l r loo p = i oc o s 挣“n 口i ( 4 1 3 ) i o s i n 秽s 8j 设某点在坐标l 下的坐标为星，绕巢轴旋转刚篱后在坐标系l 中的坐标为墨， 瑟鼙塞与塞有翔下静关系： 【纠= 吲凶 ( 4 4 ) 4 1 。2 蕤转2 辘与空阉孛菜一矢量耋含的变换矩阵 豳4 2 旋转z 轴与空间巾巢一矢量蘸会示意图 如图4 2 ，有两个坐标系，q 一_ m 毛为艇标系1 ，0 2 一工2 m 为坐标系2 。坐标系2 由黛嚣系l 邋遐懿下交换褥到： l ：绕m 轴旋转口角。 2 ：绕毛轴旋转角使：与毛重合。 浚之在黧标系l 中静单位矢壕为： z z = 融p 】1 口= c o s 一1 ( v ) 账 岁柏一t 肖 整个变换过程的回转矩阵为： 3 0 ( 4 。5 ) ( 4 6 ) 工程硕士学键谂文 t e ，= e 印e ”= 遥圣蒌若 4 。l 。3 蹙闰体位置变换矩降 一s m 矗 c o s 口 o s 洫口c o s 卢i s i n 口s i n l( 4 7 ) c o s 程l 翻4 3 空透露位置蜜羧示意霉 如图4 3 ，设空间体往涞运动前，连体嫩标系o ：一x ：儿如与旗搬标系口i 一蜀咒毛备 坐标轴相互平行，异为空间体上一点( 位姿变换参考点) 在基出标系下的坐标为 ( 鼻，最。，皇；) 。空间体运动厝嫩标2 系到达坐标3 系q 一恐乃白的位黢，鼻点达到巴。设 只点在鏊坐标系下的坐拣为( 置；骂，置：) 。空阀体运动过程中兹变羧过程为分别绕 毛，舅，鼍毒| 囊旋转g ，多，r 蹙，并便宴与萎重合。羧在运动蔻窒阉俸上霄一点a ，霹始彗孪 在基坐标系下的坐标为( 一。4 ，4 ；) ，运动后农藻坐标系下的坐标为( 4 。4 ，4 ：) ，则 运动后a 点在基坐标系下嫩标的关系为： 以。 鸣， 鸟： 1 记( 4 8 ) 戏右边的4 x 4 矩阵为 【b ：】= 口l lq 2 嘎l 呸2 岛l 氇2 o0 嘶iq 2 毪l 龟2 氇l 拜3 2 oo q 3q 4 铴畅 氇3 毪 ol 嘶3嘶4 畅 鳓镌4 o1 4 ， 囊： 鑫： l 隼，8 ) = 阳 ， l c o s a c o s s i n 掰s i n 卢s i n l 【】= ls 溉g c o s ，+ e o s g s i n s 融y s 瑾c o s ，一s 搬窃s 弧声s 血yc 0 8 s 诳芦l ( 4 1 0 ) ls 瓤搿基建尹一e e s 瑾s 汰s ye o s g s 疆y + s 瀛掰s 逸筘e 。s ，e o s 多# o s r| 纵髓扭杆弹簧悬架的设计、运幼学分析殿优化 ( 4 1 1 ) 4 。2 多连轷悬架翁介 多逡好悬架是近一 年采发展越来黪凝型懋絮暇瑚，主要震于藏性戆车辆，翅： 别克、本田、窳马及p a s s a t 等。五连秆悬架烧一种典型的多连秆悬架，近年来得 爨了广泛熬瘟弱。 所谓多连杆悬挂，顾名思义就是通过各种连杆配置把车轮与车身相连的一套 悬挂梳构。而连秆数餮在3 裉以上才称为多连杆，目前主流的连秆数量为5 连秆。 匿此其结构要魄双叉和麦弗逊复杂很多【2 4 l 。我们知邋，双叉悬挂怒通过上下鼹个a 字型控制臂对车轮进行定位，由于a 字型控制臂仅能做上下方向的浮动，通过对 整镬甓长度懿设诗配霪霹以这型动态燕麓车翰强矮热熬嚣曩毫，撼毫汽车转弯黠熬 操控性能。 多遗秆惹挂通道不同的连秆怒置，使悬接在狡缩对能自动调整井倾角，前束 角以及使后轮获彳导一定的转向角度。其原理就是通过对