毕业设计0现代SUV轿车悬架系统设计说明书.doc

本科生毕业设计 论文 I 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 悬架系统概述 1 第二章第二章 前 后悬架结构的选择前 后悬架结构的选择 4 2 1 前 后悬架结构方案 4 2 2 辅助元件 5 2 2 1 横向稳定杆 5 2 2 2 导向机构 6 第三章第三章 技术参数确定与计算技术参数确定与计算 7 3 1 主要技术参数 7 3 2 悬架性能参数确定 7 3 3 悬架静挠度 8 3 4 悬架动挠度 8 3 5 悬架弹性特性曲线 8 第四章第四章 弹性元件的设计计算弹性元件的设计计算 10 4 1 前悬架弹簧 麦弗逊独立悬架 10 4 1 1 弹簧中径 钢丝直径及结构形式 10 4 1 2 弹簧圈数 10 4 2 后悬架弹簧 四连杆非独立悬架 11 4 2 1 弹簧中径 钢丝直径及结构形式 11 4 2 2 弹簧圈数 11 第五章第五章 悬架导向机构的设计悬架导向机构的设计 13 5 1 导向机构设计要求 13 5 2 麦弗逊独立悬架示意图 13 5 3 导向机构受力分析 14 5 4 导向机构的布置参数 15 5 4 1 侧倾中心 15 第六章第六章 横向稳定杆的设计横向稳定杆的设计 17 本科生毕业设计 论文 II 第七章第七章 减振器设计减振器设计 20 7 1 减振器概述 20 7 2 减振器分类 20 7 3 减振器主要性能参数 21 7 3 1 相对阻尼系数确定 21 7 3 2 减震器阻尼系数 21 7 4 最大卸荷力 22 7 4 1 前悬架的最大卸荷力 22 7 4 2 后悬架的最大卸荷力 22 7 5 筒式减振器主要尺寸 23 7 5 1 筒式减振器工作直径 23 7 5 2 油筒直径 24 第八章第八章 平顺性分析平顺性分析 25 8 1 平顺性概念 25 8 2 汽车的等效振动分析 25 8 3 车身加速度的幅频特性 28 8 4 相对动载 FD G 对 Q 的幅频特性 28 8 5 影响平顺性的因素 30 第第 9 9 章章 结结 论论 31 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 33 附附 录录 34 外文翻译 34 译文 37 附附 录录 39 1 车身加速度的幅频特性曲线程序 39 2 相对动载的幅频特性曲线 41 本科生毕业设计 论文 1 第一章 绪 论 1 11 1 悬架系统概述悬架系统概述 悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称 其作用是 传递作用在车轮和车架之间的力和力扭 并且缓冲由不平路面传给车架或车身的 冲击力 并衰减由此引起的震动 以保证汽车能平顺地行驶 悬架是汽车中的一个重要总成 它把车架与车轮弹性地联系起来 关系到汽 车的多种使用性能 从外表上看如图 1 1 轿车悬架仅是由一些杆 筒以及弹簧 组成 但千万不要以为它很简单 相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车 总成 这是因为悬架既 要满足汽车的舒适性要 求 又要满足其操纵稳 定性的要求 而这两方 面又是互相对立的 比 如 为了取得良好的舒 适性 需要大大缓冲汽 车的震动 这样弹簧就 要设计得软些 但弹簧 软了却容易使汽车发生 刹车 点头 加速 抬 头 以及左右侧倾严重 的不良倾向 不利于汽 车的转向 容易导致汽车操纵不稳定等 悬架最主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩 比如支撑力 制动力和驱动力等 并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷 衰减由此引起的 振动 保证乘员的舒适性 减小货物和车辆本身的动载荷 悬架与汽车的多种使 用性能有关 为满足这些性能 悬架系统必须能满足这些性能的要求 首先 悬 架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性 对以载人为主要目的的轿车来讲 乘员 在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值 其次 悬架要保证车身和 图 1 1 悬架系统结构图 本科生毕业设计 论文 2 车轮在共振区的振幅小 振动衰减快 再次 要能保证汽车有良好的操纵稳定性 一方面悬架要保证车轮跳动时 车轮定位参数不发生很大的变化 另一方面要减 小车轮的动载荷和车轮跳动量 还有就是要保证车身在制动 转弯 加速时稳定 减小车身的俯仰和侧倾 最后要保证悬架系统的可靠性 有足够的刚度 强度和 寿命 所以 汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件 现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式 但一般都由弹性元件 减振装 置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 特别是在坏路面上高速行驶时 这种冲击力将 达到很大的数值 冲击力传到车架和车身时 可能引起汽车基件的早期损坏 传 给乘员和货物时 将使乘员感到极不舒服 货物也可能受到损伤 为了缓和冲击 在悬架中必须装有弹性元件 使车架 或车身 与车桥 或车轮 之间作弹性联 系 但弹性系统在受到冲击后 将产生振动 在持续的振动易使乘员感到不舒适 和疲劳 故悬架还应当具有减振作用 使振动迅速衰减 为此 在许多结构形式 的汽车悬架中都设有专门的减振器 车轮相对于车架和车身跳动时 车轮的运动 轨迹应符合一定的要求 否则对汽车行驶性能有不利的影响 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的导向机构 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大的横向倾斜 在悬架中还设有辅助弹性元件横向稳定杆 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 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 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 2 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 3 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 4 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 本科生毕业设计 论文 3 点头 和 后仰 5 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 6 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 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 9 便于维修 保养 为了满足汽车具有良好的行使平顺性 要求由簧上质量与弹性元件组成的振 动系统的固有频率应适应于合适的频段 并尽可能的低 前后悬架的固有频率的 匹配应合理 对轿车 要求前悬架的固有频率略低于后悬架的固有频率 还要求 尽量避免悬架撞击悬架 在簧上质量变化的情况下 车身的高度变化要小 因此 要用非线性弹性特性的悬架 汽车在不平的路面上行使时 由于悬架的弹性作用 使汽车产生垂直振动 为了迅速衰减这种振动和抑制车身 车轮的共振 减小车轮的振幅 悬架应装有 减振器 并使之具有合理的阻尼 利用减振器的阻尼作用 使汽车的振动幅度连 续减小 直至振动停止 要正确的选择悬架的方案参数 在车轮上下跳动时 使主销的定位参数变化 车架 车轮运动与到导向机构运动要协调 避免前轮摆振 汽车转向时 应使之 具有不足转向特性 独立悬架导向杆系数铰接处多用橡胶的衬套 能隔绝车轮来自不平路面上的 冲击向车身的传递 悬架设计的主要目的之一是确保汽车良好的行驶平顺性 也是汽车的重要使 用性能之一 汽车行驶时振动越剧烈 则平顺性越差 不仅影响到成员的乘坐舒 适性和货物的安全可靠的运输 还影响到汽车的多种使用性能的发挥和系统寿命 也影响汽车的燃油经济性和运输效率 由于汽车行驶平顺性涉及的对象是 路面 汽车 人 构成的系统 因此影响汽车行驶平顺性的主要因素是路面的不平 它是震动的起源 和汽车的悬架 轮胎 座椅 车身等总成部件的特性 包括 刚度 频率 阻尼和惯性参数 质量 转动惯量等 产生变化和破坏 为此 通过 对影响汽车平顺性因素的分析 建立具有代表性的二由度汽车振动系统动力学模 型 并运用随机振动理论 计算出悬架动挠度 车轮与路面间的相对动载荷 响 应均方根值等参量 同时利用汽车主要参数数据 利用 MATLAB 对汽车平顺性进 行仿真 通过仿真分析各种因素和主要参数对汽车平顺性的影响 以达到参数调 整和优化设计的目的 此外 本文通过对汽车平顺性进行预估 可以提高汽车设 计质量 缩短研发和设计周期 具有极其重要的理论意义和实用价值 本科生毕业设计 论文 4 第二章 前 后悬架结构的选择 2 12 1 前 后悬架结构方案前 后悬架结构方案 目前轿车的前后悬架采用的方案有 前轮和后轮均采用独立悬架 前轮用独 立悬架 后轮用非独立悬架 我所设计的是前轮采用独立悬架 后轮采用非独立 悬架 因为独立悬架具有如下优点是 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 可用刚度小的较软弹簧 改善汽车的舒适性 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 左右车轮单独 跳动 互不相干 能减小车身的倾斜和震动 不过 独立悬架存在着结构复杂 成本高 维修不便的缺点 非独立悬架结构简单 成本低 维修方便 工作可靠 等优点 本次设计为 前悬架为目前较为流行的麦弗逊式悬架 后悬架为近似于 独立悬架的四连杆非独立悬架 如图 2 1 所示 麦弗逊式独立悬架也称滑柱连杆式悬架 它是由滑动立柱 和横摆臂组成 该结构可看做是烛式悬架的改进型 由于增加了横摆臂改善了滑 动立柱的受力状况 滑柱摆臂式悬架将减振器作为引导车轮跳动的滑柱 螺旋弹 簧与其装于一体 这种悬架将双横臂上臂去掉并以橡胶做支承 允许滑柱上端作 少许角位移 内侧空间大 有利于发动机布置 并降低车子的重心 车轮上下运 动时 主销轴线的角度会有变化 这是因为减振器下端支点随横摆臂摆动 以上 问题可通过调整杆系设计布置合理得到解决 筒式减振器装在滑柱桶内 滑柱桶与转向节刚性连接 螺 旋弹簧安装在滑柱桶及转向节 总成上端的支承座内 弹簧上 端通过软垫支承在车身连接的 前簧上座内 滑柱桶的下端通 过球铰链与悬架的横摆臂相连 当车轮上下运动时 滑柱桶及 转向节总成沿减振器活塞运动 轴线移动 同时 滑柱桶的下 本科生毕业设计 论文 5 支点还随横摆臂摆动 该悬架突出的优点是增大了两前轮内侧的空间 便于发动机和其他一些部 件的布置 其缺点是滑动立柱摩擦和磨损较大 为减少摩擦通常是将螺旋弹簧 中心线与滑柱中心线的布置不相重合 另外 还可将减振器导向座和活塞的摩 擦表面用减磨材料制成 以减少磨损 但麦弗逊式悬架在使用中也有缺点 就是行驶在不平路面时 车轮容易自 动转向 故驾驶者必须用力保持方向盘的方向 当受到剧烈冲击时 滑柱易造 成弯曲 因而影响转向性能 减振器活塞杆受的侧向力较大 从而摩擦力大 麦弗逊式独立悬架是目前前置前驱动轿车和某些轻型客车首选的较好的悬架 结构形式 四连杆非独立悬架的结构简单 质量轻 制造成本低 维修方便 工作可靠 而四连杆非独立悬架近似于独立悬架 它分别通过上连杆 车桥横向拉杆 纵向 控制臂与车身和整体式车桥相连接 前后方向的力由纵向控制臂承受 侧面的力 由上连杆和车桥横向拉杆承受 悬架系统的刚性较好 弹性元件采用螺旋弹簧并 配以筒式减振器 实现缓和路面不平产生的冲击载荷 通过设计来获得满意的操 纵稳定性和平顺性 所以本次设计的前 后悬架分别为麦弗逊式独立悬架和四连杆非独立悬架 2 22 2 辅助元件辅助元件 2 2 1 横向稳定杆 为了降低汽车固有振动频率以改善行驶平顺性 现代轿车悬架垂直刚度都较 小 而使汽车的侧倾角刚度值也很小 使汽车转弯时车身侧倾严重 影响了汽车 的行驶稳定性 为此 现代汽车大多装有横向稳定杆如图 2 3 所示来加大悬架的 侧倾角刚度来改善汽车行 驶稳定性 恰当的选择前 后悬架的侧倾角刚度比值 也有助于使汽车获得所需 要的不足转向特性 通常 在汽车的前 后悬架中都 装有横向稳定杆 或者只 在前悬架中安装 汽车转弯是产生侧倾 力矩 使内外侧车轮的负 图 2 1 麦弗逊式独立悬架 图 2 3 横向稳定器 本科生毕业设计 论文 6 荷发生转移且影响车轮侧偏角刚度和车轮侧偏角的变化 前后轴车轮负荷的转移 大小 主要取决于前后悬架的侧倾角刚度值 当前后悬架侧倾角刚度值大于后悬 架的侧倾角刚度值时 前轴的负荷大于后轴车轮的负荷转移 并使前轮侧倾角大 于后轮的侧倾角 以保证汽车具有不足转向特性 在汽车悬架上设计横向稳定器 能增大前悬架的侧倾角刚度 2 2 2 导向机构 导向机构的作用是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 它由导向机构由控制摆臂式杆件组成 本科生毕业设计 论文 7 第三章 技术参数确定与计算 3 13 1 主要技术参数主要技术参数 表 3 1 整车基本参数 轮距 mm 1500 a mm 1300 尺寸参数 质心位置 b mm 1340 前轴 kg 761 空载 后轴 kg 739 前轴 kg 1041 质量参数轴荷分配 满载 后轴 kg 1009 非簧载质量 前悬非簧载质量为 65kg 后悬非簧载质量为 60kg 簧载质量 满载 前簧载质量 满载轴荷质量 非簧载质量 1041 65 976kg 后簧载质量 满载轴荷质量 非簧载质量 1009 60 949kg 3 23 2 悬架性能参数确定悬架性能参数确定 1 自振频率 固有频率 选取 轿车自振频率取值范围为 0 7 1 6Hz 对于簧载质量大的车型取值偏向小的 方向 对于簧载质量小的车型取值偏向大的方向 货车自振频率取值范围为 1 5 4 0 Hz 北京现代 SUV 轿车要兼顾轿车和越野车的性能 因此 前悬架偏频为 1 20Hz 即 1 20Hz 1 n 后悬架偏频为 1 30Hz 即 1 30Hz 2 n 2 悬架刚度 汽车前 后部分车身的自振频率和 亦称偏频 可用下式表示 1 n 2 n 本科生毕业设计 论文 8 3 1 2 111 mcn 2 222 mcn 上式中 为前 后悬架的刚度 N m 1 C 2 C 将 代入式 3 1 得 1 m 2 m c 976 55428 3N m 单边 1 2 1 2 mn 2 14 3 20 1 2 m27714 15N 1 C c 949 63251 7N m 单边 2 2 1 2 mn 2 14 3 30 1 2 m31625 85N 2 C 3 33 3 悬架静挠度悬架静挠度 静挠度 3 2 2 2 n g fc g为重力加速度 g mm s 9810 172 74mm 2 1 2 n g fc 2 2 12 9810 147 18mm 2 2 2 n g fc 2 30 1 2 9810 3 43 4 悬架动挠度悬架动挠度 前后悬架自振频率的不同 决定了他们挠度数值不同 各类汽车动静挠度取 值范围如下 货 车 mmfc110 50 cd ff 0 1 7 0 越野车 mmfc130 60 cd ff 大客车 mmfc150 70 cd ff 0 1 7 0 轿 车 mmfc300 100 cd ff 7 0 5 0 所以 120 89mm7 0 11 cd ff103 03mm7 0 22 cd ff 本科生毕业设计 论文 9 3 53 5 悬架弹性特性曲线悬架弹性特性曲线 1 缓冲块复原点 2 复原行程缓冲块脱离支架 3 主弹簧弹性特性曲线 4 复原行程 5 压缩行程 6 缓冲块压缩期悬架特性曲线 7 缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8 额定载荷 图 3 1 悬架弹性特性曲线 本科生毕业设计 论文 10 第四章 弹性元件的设计计算 4 14 1 前悬架弹簧 麦弗逊独立悬架 前悬架弹簧 麦弗逊独立悬架 4 1 1 弹簧中径 钢丝直径及结构形式 汽车满载静止时悬架上的载荷 4 1 w FmgcfF cw 单边 N 9564 8N8 9976 w F 4 4782 1 w F 弹簧指数 设计中一般推荐取 常用的初选范围为 C 5 8 d D C 2 64 C 所以 初选 C 6 曲度系数 1 25 CC C K 615 0 44 14 弹簧丝直径设计 4 2 KFC d 8 弹簧压缩时 类载荷范围内 许用切应力 MPa 63 10 10 590 48 12 590 6 4 478225 1 6 16 1 8 1 CKFKFC d w 取 d 13mm D Cd 78mm 因此 D 取 80mm 结构形式 端部并紧 不磨平 支撑圈为 1 圈 查 机械设计手册 得 材料名称 硅锰合金弹簧钢丝 60Si2MnA 其节距为 P 27 40mm 3 2 D 2 2 D 4 1 2 弹簧圈数 弹簧工作圈数 i 6 7 初选 i 6 螺旋弹簧的静挠度 4 3 43 8GdiDFf wcs 本科生毕业设计 论文 11 式中 G 弹簧材料的剪切弹性模量 查表得 a MP 4 108 mmGdiDFf wcs 44 51131086804 478288 44343 MPa iD Gdf c cs c 500 2 则 cc MPa 7 443 680 1310844 51 2 4 符合要求 4 24 2 后悬架弹簧 四连杆非独立悬架 后悬架弹簧 四连杆非独立悬架 4 2 1 弹簧中径 钢丝直径及结构形式 汽车满载静止时悬架上的载荷 w FmgcfF cw 单边 NFw 2 93008 9949 NFw 1 4650 2 弹簧指数 设计中一般推荐取 常用的初选范围为 C 5 8 d D C 2 64 C 所以 初选 C 6 曲度系数 1 25 CC C K 615 0 44 14 弹簧丝直径设计 4 4 KFC d 8 弹簧压缩时 类载荷范围内 许用切应力 MPa 63 10 10 590 3 12 590 6 1 465025 1 6 16 1 8 1 CKFKFC d w 取 d 13mm D Cd 78mm 因此 D 取 80mm 结构形式 端部并紧 不磨平 支撑圈为 1 圈 查 机械设计手册 得 材料名称 硅锰合金弹簧钢丝 60Si2Mn 其节距为 P 27 40mm 3 2 D 2 2 D 4 2 2 弹簧圈数 弹簧工作圈数 i 6 7 初选 i 6 本科生毕业设计 论文 12 螺旋弹簧的静挠度 mmGdiDFf wcs 01 5013108680 1 465088 44343 G 弹簧材料的剪切弹性模量 查表得 a MP 4 108 MPa iD Gdf c cs c 500 2 则 cc MPa 35 431 680 1310801 50 2 4 符合要求 图 4 1 螺旋弹簧 本科生毕业设计 论文 13 第五章 悬架导向机构的设计 5 15 1 导向机构设计要求导向机构设计要求 1 悬架上载荷变化时 保证轮距变化不超过 轮距变化大会引起mm0 4 轮胎早期磨损 2 悬架上载荷变化时 前轮定位参数有合理的变化特性 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 在侧加速度下 车身侧倾g4 0 角不大于 并使车轮与车身的倾斜同向 以增强不足转向效应 7 6 4 汽车制动时 应使车身有抗前俯作用 加速时有抗后仰作用 5 25 2 麦弗逊独立悬架示意图麦弗逊独立悬架示意图 图 5 1 麦弗逊式独立悬架 1 适用弹簧 螺旋弹簧 2 主要使用车型 轿车前轮 3 车轮上下振动时前轮定位的变化 本科生毕业设计 论文 14 1 轮距 外倾角的变化比稍小 2 拉杆布置可在某种程度上进行调整 4 侧摆刚度 很高 不需稳定器 5 操纵稳定性 1 横向刚度高 2 在某种程度上可由调整外倾角的变化对操纵稳定性进行调整 5 35 3 导向机构受力分析导向机构受力分析 分析如图 5 3 所示麦弗逊式悬架受力简图可知 作用在导向套上的横向力 F3 可根据图上的布置尺寸求得 5 1 式中 为前轮上的静载荷减去前轴簧下质量的 1 2 力越大 则作 1 F 1 F 3 F 用在导向套上的摩擦力f 越大 f 为摩擦因数 这对汽车平顺性有不良影响 3 F 为了减小摩擦力 在导向套和活塞表面应用了减磨材料和特殊工艺 为了减小力 要求尺寸 c b 越大越好 或者减小尺寸 a 增大尺寸 c b 使悬架占用空间增 3 F 加 在布置上有困难 若采用增加减振器轴线倾斜度的方法 可达到减小尺寸 a 的目的 但也存在布置困难的问题 为此 在保持减振器轴线不变的条件下 常 将图中的 G 点外伸至车轮内部 既可以达到缩短尺寸 a 的目的 又可获得较小的 甚至是负的主销偏移距 提高制动稳定性 移动 G 点后的主销轴线不再与减振器 轴线重合 cddc adF F 1 3 本科生毕业设计 论文 15 图 5 2 悬架受力简图 有时为了发挥弹簧反力减小横向力的作用 还将弹簧下端布置得尽量靠近 3 F 车轮 从而造成弹簧轴线及减振器轴线成一角度 这就是麦弗逊式悬架中 主销 轴线 滑柱轴线和弹簧轴线不共线的主要原因 5 45 4 导向机构的布置参数导向机构的布置参数 5 4 1 侧倾中心 在独立悬架中 前后侧倾中心连线称为侧倾轴线 侧倾轴线应大致与地面平 行 且尽可能离地面高些 平行是为了使得在曲线行驶时前 后轴上的轮荷变化 接近相等 从而保证中性转向特性 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 前悬架侧倾中心高度受到允许轮距变化的限制且几乎不可能超过 150mm 此外 在前轮驱动的车辆中 由于前轿轴荷大 且为驱动桥 故应尽可 能使前轮轮荷变化小 因此 独立悬架 纵臂式悬架除外 的侧倾中心高度为 前悬架 O 120mm 后悬架 80 150mm 设计时首先要确定 与轮距变化有关的 前悬架的侧倾中心高度 然后确定后 悬架的侧倾中心高度 当后悬架采用独立悬架时 其侧倾中心高度要稍大些 如 果用钢板弹簧非独立悬架时 后悬架的侧倾中心高度要取得更大些 麦弗逊式独立悬架的侧倾中心由如图 5 5 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线并将下横臂线延长 两条线的交点即为 P 点 本科生毕业设计 论文 16 麦弗逊式悬架的弹簧减振器柱 EG 布置得越垂直 下横臂 GD 布置得越接近水 平 则侧倾中心 W 就越接近地面 从而使得在车轮上跳时车轮外倾角的变化很不 理想 如加长下横臂 则可改善运动学特性 麦弗逊式独立悬架侧倾中心的高度可通过下式计算 w h 5 2 式中 mmdKP6861793sin9802sin 式中 r 296mm d 173mm 10 3 rs 40mm bv 1500mm c o 513mm 带入上式求得为 h 图 5 3 麦弗逊式悬架的尺寸和 P 的计算法和图解法 w h s v w rdK pb h tancos2 mm c K9802 30sin 513 sin mm rdK Pb h s v 2 52 4010tan1733cos9802 686 2 1500 tancos2 本科生毕业设计 论文 17 第六章 横向稳定杆的设计 为了降低汽车的固有频率以改善行使稳定性 现代汽车的垂直刚度较小 从 而使汽车的侧倾角刚度值也很小 结果使汽车转弯时车身侧倾严重 影响了汽车 行使的稳定性 为此 现代汽车大多都装有横向稳定杆来加大悬架的侧倾角刚度 以改善汽车的行驶稳定性 横向稳定杆在独立悬架中的典型安装方式如图 7 1 所 示 当左右车轮同向等幅跳动时 横向稳定杆不起作用 当左右车轮有垂向的相 对位移时 稳定杆受扭 发挥弹性元件的作用 横向稳定杆带来的好处除了可增 加悬架的侧倾角刚度 从而减小汽车转向时车身的侧倾角外 恰当地选择前 后 悬架的侧倾角刚度比值 也有助于使汽车获得所 需要的不足转向特性 通常 在汽车的前 后 悬架中都装有横向稳定 杆 或者只在前悬架中 安装 若只在后悬架中 安装 则会使汽车趋于 过多转向 横向稳定杆 图 6 1 横向稳定杆 本科生毕业设计 论文 18 带来的不利因素有 当汽车在坑洼不平的路面行驶时 左右轮之间有垂向相对位 移 由于横向稳定杆的作用 增加了车轮处的垂向刚度 回影响汽车的行驶平顺 性 在有些悬架中 横向稳定杆还兼起部分导向杆系的作用 其余情况下则在设 计时应当注意避免与悬架的导向杆系发生运动干涉 为了缓冲隔振和降低噪声 横向稳定杆与车轮及车架的连接处均有橡胶支承 前悬架弹簧刚度的计算 sp K 式中悬架刚度 6 1 2 1 1 2 n m K K sp su su K 根据结构需要 选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离 m 280mm 从 悬架支撑点到轮胎中心之间的距离 n 350mm 因此 前悬架每个弹簧的刚度为 mN n m K K su sp 4 43303 350 350 15 27714 2 22 1 1 后悬架弹簧刚度的计算 sp K 选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离 m 375mm 从悬架支撑点到轮 胎中心之间的距离 n 375mm 因此 后悬架每个弹簧的刚度为 mN n m K K su sp 85 31625 375 375 7 56199 2 22 2 2 前悬架的侧倾角刚度为 1 K mN n Bm KK sp 4 311178 35 0 28 0 50 1 4 43303 2 1 2 1 22 11 后悬架的侧倾角刚度为 2 K mN n Bm KK sp 1 35579 375 0 375 0 50 1 85 31625 2 1 2 1 22 22 由 6 2 21 5 1 KCK b 则稳定杆的角刚度 mNKKC b 25 22190 4 31178 1 355795 15 1 12 6 3 4 23 2 2 233 1 cblba L al EI P f 本科生毕业设计 论文 19 式中 E 材料的弹性模量 MPaE 5 1006 2 d 稳定杆的直径 mm P 端点作用力 N f 端点位移 mm I 稳定杆的截面惯性矩 4 4 64 mm d I 前悬架横向稳定杆直径 d mm cblba L al EL C d b 22 25 016 0 25 04 16 014 0 2 1 1 14 0 3 0 1006 206 1 25 22190 3 128 4 23 128 4 2233 112 4 2 2 233 1 2 式中 E 材料的弹性模量 E 2 06 105MPa L 横向稳定杆两端点间的距离 所以本次设计横向稳定杆的直径 d 22mm 图 6 2 横向稳定杆设计示意图 本科生毕业设计 论文 20 第七章 减振器设计 7 17 1 减振器概述减振器概述 悬架系统中由于弹性元件受冲击产生振动 为改善汽车行驶平顺性 悬架 中与弹性元件并联安装减振器 为衰减振动 汽车悬架系统中采用减振器多是 液力减振器 其工作原理是当车架 或车身 和车桥间受振动出现相对运动时 减振器内的活塞上下移动 减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的孔 隙流入另一个腔内 此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形 成阻尼力 使汽车振动能量转化为油液热能 再由减振器吸收散发到大气中 在油液通道截面和等因素不变时 阻尼力随车架与车桥 或车轮 之间的相对 运动速度增减 并与油液粘度有关 减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的 任务 阻尼力过大 将使悬架弹性变坏 甚至使减振器连接件损坏 因面要调 节弹性元件和减振器这一矛盾 1 在压缩行程 车桥和车架相互靠近 减振器阻尼力较小 以便充分 发挥弹性元件的弹性作用 缓和冲击 这时 弹性元件起主要作用 2 在悬架伸张行程中 车桥和车架相互远离 减振器阻尼力应大 迅 速减振 3 当车桥 或车轮 与车桥间的相对速度过大时 要求减振器能自动加 大液流量 使阻尼力始终保持在一定限度之内 以避免承受过大的冲击载荷 7 27 2 减振器分类减振器分类 减振器按结构形式不同 分为摇臂式和筒式两种 虽然摇臂式减振器能在 本科生毕业设计 论文 21 比较大的工作压力 10 20MPa 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 5 5MPa 但是因为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛的应用 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 在乘用车上得到越来 越多的应用 7 37 3 减振器主要性能参数减振器主要性能参数 7 3 1 相对阻尼系数确定 表表 7 3 17 3 1 汽车悬架的偏频及相对阻尼比汽车悬架的偏频及相对阻尼比 空气弹簧钢制弹簧 轿车载货汽车轿车载货汽车 前悬架后悬架前悬架后悬架前悬架后悬架前悬架后悬架 偏 频 n Hz 0 50 80 81 21 01 21 31 5 相对阻尼比 0 80 60 80 60 40 20 40 3 由表 6 3 1 初选前 后悬架平均阻尼系数 3 0 1 3 0 2 压缩 伸张行程时的相对阻尼系数一般取 SY 5 0 25 0 本次设计取 0 5 倍 前悬架 伸张行程时的相对阻尼系数 压缩行程时的相对阻尼系数4 0 1 S 2 05 0 11 SY 后悬架 伸张行程时的相对阻尼系数 压缩行程时的相对阻尼系数4 0 2 S 2 05 0 22 SY 前悬架 伸张行程时的相对阻尼系数 压缩行程时的相对阻尼系数4 0 1 S 2 05 0 11 SY 后悬架 伸张行程时的相对阻尼系数 压缩行程时的相对阻尼系数4 0 2 S 2 05 0 22 SY 7 3 2 减震器阻尼系数 悬架相对阻尼比 7 1 s mC2 本科生毕业设计 论文 22 式中 悬架系统的垂直刚度 C 悬挂部分的质量 s m 减震器阻尼系数 7 2 S Cm 2 前悬架 伸张行程时减振器阻尼 3039 5 52015 277144 022 1111 mC ss 平均行程时减振器阻尼 2279 5 52015 277143 022 1111 mC YY 后悬架 伸张行程时减振器阻尼 3196 5 50485 316254 022 2222 mC ss 平均行程时减振器阻 3039 5 50485 316253 022 2222 mC YY 7 47 4 最大卸荷力最大卸荷力 7 4 1 前悬架的最大卸荷力 为减小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 振器打开卸荷阀 此时的活塞速度称为卸荷速度 vx 7 3 n aA vx cos 式中 vx 卸荷速度 一般为 0 15 0 30m s A 车身振幅 取40mm 悬架振动固有频率 m s3 0 1 取 x v 最大卸荷力 7 4 xsv F 0 伸张行程时的最大卸荷力NvF xs 7 9113 03039 1110 平均行程时的最大卸荷力NvF xY 7 6833 02279 1110 7 4 2 后悬架的最大卸荷力 为减小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 振器打开卸荷阀 此时的活塞速度称为卸荷速度 vx n aA vx cos 式中 vx 卸荷速度 一般为 0 15 0 30m s A 车身振幅 取40mm 本科生毕业设计 论文 23 悬架振动固有频率 m s3 0 2 取 x v 最大卸荷力 xsv F 0 伸张行程时的最大卸荷力NvF xs 8 9583 03196 2220 平均行程时的最大卸荷力NvF xY 1 7193 02397 2220 7 57 5 筒式减振器主要尺寸筒式减振器主要尺寸 7 5 1 筒式减振器工作直径 可根据最大卸荷力和缸内最大压力强度来近似的求工作缸的直径 7 5 1 4 2 0 P F D 式中 P 工作缸内最大允许压力 取MPa4 3 连杆直径与缸筒直径之比 双筒式取 50 0 40 0 由 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件 可知 减振器1999491 TQC 的工作缸直径 有等几种 Dmm6550 45 403020 所以筒式减振器工作直径可取 D m P F D023 0 5 01103 7 9114 1 4 262 0 1 减振器的工作缸直径为 30mm m P F D024 0 5 01103 8 9584 1 4 262 0 2 减振器的工作缸直径为 40mm 本科生毕业设计 论文 24 图 7 1 悬架减振器安装示意图 7 5 2 油筒直径 贮油筒直径 壁厚取 材料可取钢 DDC 50 1 35 1 mm220 前贮油筒直径 mmDDC423040 1 40 1 前 后贮油筒直径 mmDDC564040 1 40 1 后 本科生毕业设计 论文 25 第八章 平顺性分析 8 18 1 平顺性概念平顺性概念 行驶平顺性 是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时 能保证乘员不会因车 身振动而引起不舒服和疲劳的感觉 以及保持所运货物完整无损的性能 由于行 驶平顺性主要是根据乘员的舒适程度来评价 又称为乘坐舒适性 8 28 2 汽车的等效振动分析汽车的等效振动分析 本设计根据目前现有的测试条件和计算精度以及建立整车模型要实现的目标 的要求 建立了二自由度汽车振动系统动力学模型如图 8 1 图 8 1 二自汽车振动系统动力学模型 本科生毕业设计 论文 26 这个系统能反映车轮部分在 10 15Hz 范围产生高频共振时的动态特性 它 对平顺性和车轮的接地性有较大影响 更接近汽车悬挂系统的实际情况 图中 M 为悬挂质量 m 为非悬挂质量 K 为弹簧刚度 C 为减振器阻尼系数 Kt为轮胎 刚度 车轮与车身垂直位移坐标为 z s 坐标原点选在各自的平衡位置 其运动方 程为 无阻尼自由振动时 运动方程变成 0 szKzM 0 sKzsKsm t 由运动方程可以看出 M 与 m 的振动是相互耦合的 若 m 不动 s 0 则得 0 KzzM 这相当于只有车身质量 M 的单自由度无阻尼自由振动 其固有圆频率 zK 0 同样 若 M 不动 Z 0 相当于车轮质量 m 作单自由度无阻尼振动 于是得 0 sKKsm t 车轮部分固有频率 mKK tt 0与 t是双质量系统 只有单独一个质量振动时的部分频率 偏频 在无阻尼自由振动时 设两个质量以相同的圆频率 和相角 作简谐振动 振幅为 z10 z20则其解为 tj ezs 10 tj ezz 20 将上面两个解代入微分方程组得 将 代入上式可得MK 2 0 mKK tt 2 0 szKszCzM 0 qsKzsKzsCsm t 0 1020 2 20 z m K z M K z 0 1020 2 10 z M KK z m K z t 0 10 2 020 22 0 zz 本科生毕业设计 论文 27 此方程组有非零解的条件是 z10和 z20的系数行列式为零即 0 2 0 22 0 22 0 24 mK tt 上式称为系统的频率方程或特征方程 它的两个跟为双质量主频率 1和 2的平方 车身与车轮两个自由度系统的主振型如图 1 在强迫振动情况下 激振频 率 接近 1时产生的低频共振 按一阶主振型振动 车身质量 M 的振幅比车轮 质量 m 的振幅大将近 10 倍 所以主要是车身质量 M 在振动 称为车身型振动 当激振频率 接近 2时 产生高频共振 按二阶主振型振动 此时车轮质量 m 的振幅比车身质量 M 的振幅大将近 100 倍 称为车轮型振动 此时 由于车身基 本不动 所以可将两个自由度系统简化如图 8 2 所示车轮部分的单质量系统 来 分析车轮部分在高频共振区的振动 图 8 2 车轮部分单质量系统 此时 质量 m 的运动方程为 qKsKKsCsm tt 将各复振幅代上式 得 qKsKKCsjms tt 2 车轮位移 z1对 q 的频率响应函数为 0 10 22 20 zz m K t Mm KKt tt 2 2 0 22 0 22 21 4 1 2 1 CjKKm K qs t t 2 本科生毕业设计 论文 28 将上式分子 分母除以 K Kt 并把车轮部分固有频率 t 车轮部分阻尼比 t带入上式 则得 其幅频特性为 在高频共振 t时 车轮加速度均方根值谱正比于幅频特性 t z G 式中 车轮部分固有频率mKK tt 车轮部分阻尼比 mKKC tt 2 可见 降低轮胎刚度 Kt 能使 1 下降和 t 加大 这是减小车轮部分高频共振时 加速度的有效方法 降低非悬挂质量 m 使 和 t 都加大 车轮部分高频共振 时的加速度基本不变 但车轮部分动载 m 下降 对降低相对动载有利 GFd 8 38 3 车身加速度的幅频特性车身加速度的幅频特性 对该车悬架进行平顺性分析 在车轮和车身垂直方向上建立两自由度的平顺 性分析模型 根据公式 其中 为刚度比 为质量比 8 48 4 相对动载相对动载 Fd GFd G 对 对 q q 的幅频特性的幅频特性 车轮动载 静载 对 q 的频率 qzKF td 1 gmgmMG1 GFd 响应函数 ttt tt j KKK qs 21 2 2 2 2 21 ttt tt j KKK qs t ttt KKK qs t 2 2 2 0 2 0 2 2 2 0 2 0 1 1 41 1 1 1 2 1 22 41 q Z 本科生毕业设计 论文 29 输出图形为 gm K q qz Gq F jH td G Fd 1 1 本科生毕业设计 论文 30 图 7 3 车身加速度的幅频特性曲线图 图 7 4 相对动载的幅频特性曲线图 本科生毕业设计 论文 31 8 58 5 影响平顺性的因素影响平顺性的因素 由于汽车行驶平顺性涉及的对象是 路面 汽车 人 构成的系统 因此影响汽 车行驶平顺性的主要因素是路面的不平 它是震动的起源 和汽车的悬架 轮胎 座椅 车身等总成部件的特性 包括刚度 频率 阻尼和惯性参数 质量 转动惯 量等 产生变化和破坏 这些参数是根据各种不同使用要求的车辆设计的 在使用 时要保证不破坏这些参数 例如悬架系统的钢板弹簧片间的润滑不良 等于增加了 悬架刚度 减震器漏油等于减小了悬架系统的阻尼等 本科生毕业设计 论文 32 第 9 章 结 论 本次毕业设计给我提供了一次非常难得的理论与实际相结合的机会 通过这 次对北京现代 SUV 轿车悬架的设计 我将理论知识和实际设计结合了起来 锻 炼了我的综合运用所学的专业基础知识来解决实际工程问题的能力 同时也提高 我查阅文献资料 设计手册 设计规范以及电脑制图等其他专业能力的水平 而 且通过对整体的掌控 对局部的取舍 以及对细节的斟酌处理 都使我的综合能 力得到了锻炼与提高 根据计算数据 我选择了切实可行的方案 前悬架采用用了目前较流行的麦 弗逊式独立悬架 后悬架则采用平顺性更加出色的双叉骨独立悬架 前 后悬架 的减振器均采用双向作用式筒式减振器 这种设计有利于提高汽车行使稳定性与 乘坐舒适性 考虑到轿车的使用条件增强汽车乘坐舒适性 我选用了螺旋弹簧做为弹性元 件 其结构简单 制造方便及有较高的比能容量 在导向机构大摆动量下任具有 保持车轮定位角的能力 因此得到了广泛采用 为了降低汽车的固有振动频率以改善行驶平顺性 增强悬架的垂直刚度值 减小汽车在转弯时车身的侧倾 我在前悬架增加了横向稳定杆来增强汽车的行驶 稳定性 考虑到现代人对汽车的行驶平顺性与乘坐舒适性的要求越来越高 我利用 MATLAB 软件进行平顺性分析 保证汽车的平顺性达与乘坐舒适性的到要求 历时四个月的毕业设计工作即将结束了 本次对北京现代 SUV 轿车悬架的 设计结构合理 完成了指导教师所下达的任务量 达到了预期目标 为我今后走 向工作岗位打下了坚实的基础 本科生毕业设计 论文 33 参考文献 1 刘惟信 汽车设计 M 北京 清华大学出版社 2001 2 余志生 汽车理论 M 北京 机械出版社 2000 3 陈家瑞 汽车构造 M 北京 人民交通出版社 1999 4 王望予 汽车设计 M 北京 机械工业出版社 2004 5 崔心存 现代汽车新技术 M 北京 人民交通出版社 2001 6 吴宗泽 机械设计师手册 M 北京 机械工程出版社 2002 7 细川武志编 魏朗译 汽车构造图册 M 北京 人民交通出版社 2004 8 龚微寒 汽车现代设计制造 M 北京 人民交通出版社 1995 9 赵学敏 汽车底盘构造与维修 M 北京 国防工业出版社 2003 1 10 屠卫星 汽车底盘构造与维修 M 北京 人民交通出版社 2001 8 11 宋 森 汽车底盘维修实例 M 北京 机械工业出版社 2002 12 高树新 汽车行驶平顺性评价方法述评 总后汽车试验场期刊 J 2001 3 13 蒋立盛 汽车设计手册 整车 底盘卷 4 4 4 5 长春汽车研究所 1998 5 14 Yu F Crolla D A A State Observer Design for an Adaptive Vehicle Suspension M Vehicle Suspension Dynamic 1998 15 Griffin M J Evaluation of vibration with respect to human response Warrendale PA SAE paper J 1986 47 16 张洪图 汽车构造底盘部分 M 北京 北京理工大学出版社 1996 9 本科生毕业设计 论文 34 致 谢 首先要感谢辽宁工业大学给我们提供了四年的学习和生活的良好环境 且提 供给我们一次又一次受益非牵的课程设计和实习的机会 使我掌握了大量的科学 文化知识之余 更能学以致用 及时弥补我们在学习中的漏洞 并在我们即将离 开校园走向社会之时 提供了一次使我受益终身的毕业设计的机会 本次设计得到了张立军老师的悉心指导 使我顺利完成了本次设计 张老师 治学严谨和富有创新的精神对我以后的学习和工作都将产生深远的影响 在设计 期间 张老师更是给了我无微不至的关怀和悉心的指导 另外 系里的各位老师 都能在我们遇到困难时 给予热情的解答 在此向张老师及系里的各位老师致以 最忠心的感谢 汽车与交通工程学院为我们提供了专用毕业设计的机房 给我们创造了一个 良好的设计环境 在此表示感谢 在本次设计中遇到过很多困难 但在老师帮助和跟同学共同讨论下都得以解 决 在此表示感谢 最后 向所有帮助过我的老师 同学还有实习单位表示忠心的谢意 本科生毕业设计 论文 35 附 录 外文翻译外文翻译 McPherson model of the independent suspension McPherson front suspension in the car on the other is the breadth of application of the hoisting second to none To the big BMW M3 Porsche 911 such high performance cars small Fiat STILO Ford FOCUS even before China s Hafei van Maifuxunshi