毕业设计（论文）-越野车牧马人五连杆后悬架设计

本科生毕业设计（论文）某越野车后悬架设计学院：车辆与能源学院专业：车辆工程姓名： 学号：指导教师：答辩日期：摘 要伴随着时代的发展，如今汽车早已走进千家万户，汽车的悬架作为汽车重要的组成部分，对于汽车的行驶平顺性以及操纵稳定性起着非常重要的作用，本次以牧马人2017款3.6L Rucicon四门舒享版硬派山地SUV汽车为研究对象，对其进行后悬架设计。首先对悬架进行概述，介绍了悬架的功能、分类及组成部分，结合设计车型具体实例，确定了后悬架的结构型式为五连杆整体桥非独立式后悬架。然后我对悬架的主要参数进行了详细的计算，其包括偏频、静绕度、动扰度以及悬架刚度。然后对悬架中弹性元件进行了设计计算，选择弹性元件的材料，计算和校核了弹性元件受力即刚度，最终确定弹性元件的几何尺寸。然后对导向机构、减震器及横向稳定杆也分别作了设计计算，得出本次设计数据方案。最后使用汽车虚拟仿真软件adams/car对本次设计的悬架进行了仿真。通过本书，读者可以学习到悬架的构造及类别，对悬架的设计思路和方法将有更深层次的理解。关键词：后悬架；牧马人；五连杆；减振器；非独立全套图纸加扣3012250582AbstractWith the development of the times, the automobile has entered thousands of families. Suspension, as an important part of the car, plays an important role in the ride comfort and handling stability of the car. This time the design of the rear suspension is carried out with the 2017 3.6L Rucicon four doors of the hard school mountain SUV car of the herdsman.First, the suspension is summarized, the function, the classification and the components of the suspension are introduced, and the structure of the rear suspension is defined as the non independent rear suspension of the five connecting rod. Then the main parameters of suspension are calculated, including partial frequency, static winding, dynamic disturbance and stiffness of suspension. Then the elastic element in the suspension is designed and calculated, the material of the elastic element is selected, the stiffness of the elastic element is calculated and checked, and the geometric size of the elastic element is finally determined. Then, the guide mechanism, shock absorber and stabilizer bar are designed and calculated respectively, and the design data plan is obtained. Finally, the vehicle virtual simulation software adams/car is used to simulate the suspension.Through this book, readers can learn the structure and categories of suspension, and have a deeper understanding of the design ideas and methods of suspension.Key words: rear suspension; Wrangler; five link; shock absorber; non independence.IV目 录摘 要IVAbstractV第1章 绪论11.1 悬架系统概述11.2 课题研究的目的及意义21.3 课题研究的主要内容2第2章 悬架的概述32.1 悬架的功用和组成32.2 汽车悬架的类型32.3 本次设计车型后悬架结构型式的确定62.4 本章小结7第3章 悬架主要参数确定与计算73.1 参考车型主要参数的确定73.2 悬架偏频的选择73.3 悬架静挠度的计算83.4 悬架动挠度的计算93.5 悬架刚度的计算93.6 本章小结10第4章 弹性元件的设计与计算114.1 弹性元件材料的选择114.2 弹簧几何参数的计算114.2.1 弹簧所受的压力114.2.2 位移传递比及弹簧的刚度计算124.2.3 弹簧的最大变形量及后悬架的刚度124.2.4 满载时弹簧钢丝的几何参数134.3 弹簧的校核144.3.1 弹簧的刚度校核计算144.3.2 弹簧表面的剪切应力校核144.4 本章小结15第5章 导向机构的设计165.1 导向机构的设计要求165.2 本章小结17第6章 减振器的设计176.1 减振器的概述176.2 减振器的分类186.3 减振器主要性能参数196.3.1 相对阻尼系数 196.3.2 减振器阻尼系数206.3.3 最大卸荷力F0216.4 筒式减振器主要尺寸216.4.1 筒式减振器的工作直径D216.4.2 油筒直径Dc226.5 本章小结22第7章 横向稳定杆设计227.1 横向稳定杆概述227.2 横向稳定杆参数的选择247.3 本章小结25第8章 基于adams/car的仿真分析258.1 adams/car软件概述258.2 adams/car的仿真分析26结 论28结论第1章 绪论1.1 悬架系统概述悬架是汽车车桥（或车架）与车轮处连接的有关联的传力装置的全称，其主要作用于力矩和传递力，并且能缓和路面对车身的冲击，衰减外界引起的振动，保证汽车驾驶的舒适性与平顺性。作为汽车上的重要组成部件，悬架对汽车使用性能的影响较大，因此，在对设计悬架时，对悬架提出如下几点要求：1、 悬架能有效缓和冲击和振动，保证汽车良好的平顺性，即在振动时，驾乘人员承受的振动加速度不能超过0.5g加速度。2、 悬架要可以有效保证车身与车轮的振动幅度小，振动衰减快。3、 同时保证汽车舒适性之外，既要保证汽车优良的操纵稳定性，还需保证车轮的定位参数与车轮的跳动量小，还要保证汽车在刹车、转弯或者加速等情况下能保持稳定。4、 悬架一定要有足够强的刚度、强度和寿命，保证悬架可靠性良好。就目前市场来看悬架种类很多，且结构形式也是千差万别，但总的说来，悬架主要组成是由减震器、弹性元件和导向装置三大部分组成。弹性元件主要作为缓和冲击的部件，以保证车架和车轮之间是弹性连接。比如：汽车行驶在不平坦行上，不平坦路面将会给车轮在垂直方的向上一个非常大的冲击力，如速度越高，则这个冲击力将会越大，会严重影响到驾驶人员或则装载货物的舒适性与受损性，因此，需要通过这些弹性元件来以缓和这种冲击力。减震器主要作为衰减振动的部件，因为大的冲击将会给车身和车轮造成振动，因此需要设置减震器来迅速衰减这种振动。导向装置主要作为传力和导向的部件，车轮在跳动时不能随意乱跳，得保证一定的轨迹内运动，对此需要使用导向装置以保证车轮对于车身跳动的方向以及轨迹。很多车型在悬架中加装了横向稳定杆，以为了防止车辆在改变方向时发生较大的横向倾斜，影响力改变方向时的安全稳定性。由悬架、非悬挂质量和悬挂质量构成的汽车振幅系统，很大的影响了车辆行驶的平顺性，对于燃油经济性、行驶速度和稳定性都造成了一定的影响，悬挂对汽车平顺性、操作稳定性和抗“点头”，抗“抬头”能力产生决定性影响，因此再设计悬架时还要对悬架提出如下生产技术要求：1） 只有合理的设计悬架的阻尼特性和弹性特征才能保证汽车的驾驶平顺性，这需要具备较小的的加速震动，较低的振动频率等性能，不能再极限位置发生硬冲击。2） 导向机构设计合理，保证传力可靠，运动轨迹可控。3） 导向机构与其他机构不能发生干涉，保证各操作协调。4） 为避免车辆在加速中或制动中发生较重的“后仰”或“点头”，需对汽车设计时具有一定良好的抗侧倾性。5） 悬架质量不能过大，设计时需要选择合适的材料和形状。6） 发动机和行李箱需要有足够的空间，这需要在设计时考虑到悬架的合理布置7） 参考设计的同时要考虑到悬架零件要有足够大的强度、刚度及寿命。8） 要考虑经济性，控制制造成本。9） 维修、保养、更换容易。1.2 课题研究的目的及意义现在很多车企都有注重悬架的研究和调校，希望可高悬架相关性能，保证良好的驾乘体验。考虑到悬架对汽车性能的影响特别重要，因此本次以牧马人2017款3.6L Rucicon四门舒享版越野车为研究对象，对其后悬架进行深入的研究及改良设计。通过本次设计能熟练汽车悬架的设计思路和方法，掌握悬架的相关特性。即是对所学知识的巩固，设计能力的提升，也是在进入社会实践之前对所学课程的一次深入的、综合性的总复习，同时也是理论联系实际的一次大检验，对走出校园走上工作岗位的一次铺垫，具有很强的现实意义和目的。1.3 课题研究的主要内容(1)调查研究国内外越野车悬架系统的技术现状、发展趋势、市场等情况，了解越野车后悬架的结构特点；(2)确定越野车后悬架的结构形式及设计条件；(3)悬架系统主要性能参数的计算；(5)仿真分析及优化；(6)主要零部件的设计计算机校核；(7)绘制后悬架总装配图及重要零件图。第2章 悬架的概述2.1 悬架的功用和组成弹性的链接车架与车轮这就是汽车重要的组成部分悬架。减缓外部给车身造成的冲击载荷是悬架的主要作用，传递车身和车轮之中的所有力和例举，减少由此引发的振荡，确保车辆理想的驾驶平顺性让其有理想的运动形式。汽车悬架的功用总结如下：(1) 为提高车辆的舒适稳定性，需使其能够减少各种路面对车辆造成的摇晃和震动情况。(2)让其能传导所有的车身和车轮产生的力和力矩。(3)使其车身能后支撑起来，让车轮和车身之间有着一定恰当的集合位置联系。 弹性元件、减震器还有导向机构组成了汽车悬架。他是车架与车轮链接的弹性元件。还有一定车型对悬架加入了缓冲模块、横纵向稳定杆等等其他部件。传递并承受这垂直载荷是由弹性元件负责，它需要缓冲各种路面在加速、转弯及紧急制动带来的冲击。受到外部冲击后引起振动将由减震器负责衰减其冲击力。使车轮按照想要的轨迹运动需要由导向机构来协调(特别是转向轮)。当然减震器、弹性元件及导向机构都要具有传递作用。其中还有一些有一些弹性元件还具备导向作用。现在大多数汽车会加入一些辅助的弹性零件，使其车辆能发挥出更好的转向性能，为防止横向倾斜再转向中发生而加入的横向稳定杆能够更高效的改善这一现象发生。自然振动的频率要想保持到非日常小或者甚至不变的状态，那就要把悬架的刚度设计成可变的形式。例如选择气体弹簧作为弹性元件，以此来保证悬架刚度的可变性，但也有个别一些弹性元件的刚度不变但结构合理布置，也可以将悬架变得具有可变的刚度。这样不但可以使汽车空载时悬架的刚度小，还能使负载增加的同时悬架的刚度也伴随增大，从而有效的解决了车辆行驶的舒适平顺性。2.2 汽车悬架的类型 总的来说汽车上的悬架总体可以分为两个大类其中一个是独立式悬架而另一个显而易见就是非独立式悬架。从结构特点上来说非独立式悬架就是安装在车轮两侧一根整体式车桥，弹性元件通过悬挂在车身下面来链接车轮与车桥，如果一面车轮印路面不平整发生改变，从而也会影响到另一侧的变化。其结构示意图如图2-1（a）所示。再来说独立式悬架，他是由车轮两侧的弹性元件独立的悬挂在两侧的车架下面，这种结构形式的车桥都是采用断开式链接的，从而我们得知当车身一面车架位置发生改变时，另一侧的车轮可以说不会产生什么影响。其结构示意图如图2-1（b）所示。（a）（b）图2-1 悬架结构示意图除此之外还有一种特殊的悬架，可以说它类似于采用半刚性的非断开式后支持桥相结合，这种悬架通常称为半独立式悬架。当车子左右侧轮子振幅不一样时，后支持桥会呈现出类似于V形的断面同时其左右臂在一起扭转横梁，由于这种结构有一定的扭转弹性，故此种悬架有不同于前两种悬架。该种弹性横梁还能兼具横向稳定杆的用处。纵臂式独立悬架、麦弗逊式独立悬架、横臂式独立悬架、多连杆独立悬架等，都属于独立悬架。多连杆独立悬架其结构如图2-2所示。多连杆式悬架这种悬架通常由三至五根杆件组成用来控制车轮部位变化。这种悬架可以使汽车在行驶时车轮产生的振动围绕着纵轴线形成一定角度的摆动，这样可以在某种角度上同时获得横臂式悬架和纵臂式某些特点优势以满足车辆使用中大多数要求。图2-2 多连杆独立悬架纵臂式独立悬架纵臂式独立悬架又可以被分为单纵臂和双纵臂式悬架，这种结构是指平面内车辆纵向摆动的一种悬挂系统，这种悬架一般都不会用在转向轮上，因为在车轮上下起伏时主销的后倾角不变。一般另一形式的悬架系统的两个摆臂都做成等长的，使其构成一个平行的四杆结构，这样就可以使主销的后倾角保持不变了。故该系统多应用在转向轮上。其结构如图2-3所示。图2-3 双纵臂式悬架横臂式独立悬架 这种悬架系统可以使汽车在横向平面内摆动，同样这种悬架也被分为但双臂式悬架，单横臂式悬架其构造相对简单，只有下摆臂的这种悬架侧倾中心高有非常强的抗侧倾能力。不过车轮剧烈跳动的同时因轮距变大轮胎的磨损也会加大，而且这种结构在高速行驶时极易发生甩尾，所以现在很少有汽车会选择这种结构设计了。其中双横臂式悬架又分出等长与不等长双臂式两种形式。等长式现在也很少使用了，它在车轮跳动时表现基本与单横臂式悬架的情况类似。另一形式的不等长式只要对其深入优化其长度，选择适当合理布置，就能将各个参数控制在一定范围内，使汽车拥有较好的驾驶稳定性。其结构如图2-4所示。图2-4 双横臂式独立悬架麦弗逊式独立悬架麦弗逊式悬架系统的主销是能够摆动的，车轮也是沿着主销滑动但又与烛式悬挂系统不一样。与双横臂式悬架相比其悬架优点体现在车轮跳动时各项参数变化小，结构紧凑有很好的操作稳定性，而且它取消了上横臂给发动机和转向系统留出了较多的位置，相比下它很大的改善了滑柱受到的侧向力很多小型轿车会选择这种结构用于前悬架。其结构如图2-5所示。图2-5 麦弗逊式独立悬架2.3 本次设计车型后悬架结构型式的确定后悬架的种类比较多，目前的越野车型大多选用多连杆或则双横臂作为后置悬架。多连杆悬架的主要优点是：这种结构可以更好的控制车轮各项参数的变化，在汽车转向上拥有叫还好的特性，能更大的解决汽车的操纵性和平顺性。双横臂悬架优点是：这总结构的设计可以比较多变，通过合理的设计优化可以使车辆具有不错的驾驶稳定性，具有较为合适的运动特性。参照本次设计车型为牧马人2017款3.6L Rucicon四门舒享版，该车型为硬派suv，主要为山地而设计，更多的偏向稳定性和操控性，需要悬架结实耐用，定位参数能规律变化，保证较好的山地越野性能，再参考本身车型选用的悬架类型，因此，本次选用五连杆整体桥式悬架作为本次车型设计的后悬架。2.4 本章小结本章主要是对汽车悬架进行了详细的介绍，首先了解了悬架的功用和组成，理解了重要组成部分悬架对不同路况下路面带来的冲击缓和，一定程度上减少车身震动，保证车辆驾驶中的平顺性和操作稳定性起着怎样的作用。并通过学习了解了悬架是由弹性元件、减震器和导向机构几个主要部分。然后简单介绍了悬架的类别，和各自的优缺点，最后通过比较和参考本次设计车型实例，确定了本次设计车型的结构型式，得出最终设计方案。学习本章能够了解悬架的功能和组成，以及悬架的主要类别及各自的优缺点，为下章的设计做好准备。第3章 悬架主要参数确定与计算3.1 参考车型主要参数的确定本次选用车型为牧马人2017款3.6L Rucicon四门舒享版，该车型设计参数如表3-1所示。表3-1 参考车型主要参数车身长/宽/高(mm)4751/1877/1840前轮距(mm)1572后轮距(mm)1572轴距(mm)2947整备质量（kg）1985前轮胎规格245/75 R17最小离地间隙(mm)2203.2 悬架偏频的选择用在不同用处的汽车，对于平顺性的需求也会不相同。比如，乘用车更加注重驾乘地1舒适性，对平顺性要求最高，客车最为一个大众交通工具，主要以安全性和稳定性为首位，对平顺性要求相对会少一些，货车以载货为主，对平顺性要求最低。我国规定，排量在1.6L以下，要求前悬架的偏频为1.001.45Hz，后悬架的偏频要求在1.171.58Hz，按道理来说，偏频会随着排量增大而在一定区间内变低，乘用车满载时的要求为，前悬架偏频要保证在0.801.15Hz，后悬架偏频则要控制到0.981.30Hz之间，货车满载时的要求为，前悬架偏频需要稳定在1.502.10Hz，后悬架偏频要控制到1.702.17Hz，偏频越小则舒适性越高，驾乘越平稳，驾驶乘坐人员越为舒适。本次设计车型为硬派山地越野车，对偏频的要求不是太高，可以适当放宽松些，选取前悬架偏频为：n1=1.1HZ，后悬架偏频n2=1.4HZ。3.3 悬架静挠度的计算悬架静挠度是说车辆在静止满载的情况下悬架上载荷同时与悬架刚度c之比，即。在汽车悬架结构的设计中，其中一项重要的参数是固有频率（也称偏频），是由汽车悬架与其簧上质量组成的振动系统产生，对车辆行驶中的平顺性起着很大的作用。汽车的前悬架与后悬架在设计时固有频率和可用下式表示 （3-1） （3-2）式中：c1汽车前悬架的刚度（N/cm）； c2汽车后悬架的刚度（N/cm）； m1汽车前悬架的簧上质量（kg）； m2汽车后悬架的簧上质量（kg）。如果悬架的弹性特性以线性变化，前、后悬架的静绕读可用下式表为： （3-3）= （3-4）式中，g为重力加速度(g9.81m)。将、代人公式（3-1）和公式（3-2）中，得到悬架的静绕度与偏频有如下关系： （3-5） （3-6）对公式（3-5）和公式（3-6）分析可知，悬架的静绕度和悬架的偏频成反比关系，因此，其值将影响悬架的平顺性。为更好的减少车身振动在选择静绕度时，原则上都会将后悬架的静绕度低于前悬架的静绕度。理论分析证明：汽车若以较为高的速度通过某一个路障，/1同时的车身纵向角振动要比/1还要小，故推荐取（0.80.9）。为驾驶员乘坐的舒适性前后轴荷的差别，将采用前悬架的静挠度值要大于后悬架的静挠度的方式，推荐（0.60.8）。又考虑到一些小排量汽车后方乘坐人员的舒适性，个别时候后悬架偏频较低于前悬偏频。选取前后悬架偏频为=1.1Hz，=1.4Hz。代入公式（3-5）和（3-6）中，得=20.66cm,=12.76cm取=21cm，=13cm。3.4 悬架动挠度的计算在设计时需要有效的汽车频繁撞击缓冲结构，这就需要悬架有较大的动挠度。动挠度是说车辆在满载且相对静止平衡情况下允许悬架结构压缩到最大变形时，车轮中央位置对于车架的垂直位移距离。一般设计中，因为车型的不同，对动绕度距离要求也有差别，对轿车，取79cm；对客车，取58cm；对货车，取69cm。悬架的动静挠度两者之间也存在着一定的关系，后悬架动挠度可用以下公式表达：=（0.50.7） （3-7）取=0.6=0.613078对于大多数SUV来说，悬架的静绕度与动绕度之和不小于160mm，=130+78=208160 符合要求。3.5 悬架刚度的计算已知：已知整车装备质量：m =1985kg，取簧上质量为1885kg；取簧下质量为100kg，满载时总质量为：1985+570+200=2535。牧马人2017款3.6L Rucicon四门舒享版为发动机前置前驱，则由轴荷分配范围表3-2可知：空载后轴单轮轴荷：=397kg满载后轴单轮轴荷：表3-2 各类汽车的轴荷分配范围车型空载满载前轴后轴前轴后轴乘用车前置发动机前轮驱动（FF）56%66%34%44%47%60%40%53%前置发动机后轮驱动（FR）50%55%45%50%45%50%50%55%后置发动机后轮驱动（RR）42%50%50%58%40%45%55%60%货车4*2后轮单胎50%59%41%50%32%40%60%68%4*2后轮双胎，长头、短头车44%49%51%56%27%30%70%73%4*2后轮双胎，平头车49%54%46%51%32%35%65%68%6*4后轮双胎31%37%63%69%19%24%76%81%则后悬架的满载的刚度为：=3.6 本章小结本章主要是对悬架主要参数的确定和计算，确定了参考车型的主要参数，然后根据该车型使用及有关参数对悬架的偏振和静动绕度及刚度进行了计算。通过本章的学习，可以知道，悬架的偏振、静绕度、动绕度对汽车平顺性会产生一定影响，英雌在选择和计算这些参数时，需要参照汽车设计手册，根据国家的相关规定进行选择和计算。第4章 弹性元件的设计与计算4.1 弹性元件材料的选择大多数suv与轿车上会采用螺旋弹簧作为弹性元件，这种元件有简单的构造制造相对容易且比能容量较高，因此，本次设计选择螺旋弹簧作为该车型后悬架的弹性元件。螺旋弹簧是采用弹簧钢棒卷制制造的，根据用处不同可分为变螺距弹簧、等螺距弹簧两种。螺旋弹簧具有如下优点：容易生产、制造成本较低、使用方便、不需要特定的保养和维护、工作寿命长且占地空间小，因此，在众多汽车中得到了普遍使用。本次选择螺旋弹簧，结合车型特点，选择60Si2MnA作为材料，该材料相关特性见表4-1所示。 表4-1 弹簧材料特性许用切应力许用剪应力剪切模量G弹性模量E强度范围481000800020000MP45-50HRC4.2 弹簧几何参数的计算在设计后悬架时，根据以上3.5章节的计算结果，整理得表4-2所示。表4-2 设计参数后悬架满载荷后悬架空载荷后悬架总质量后悬架设计偏频n21267.5Kg794Kg102Kg1.4Hz4.2.1 弹簧所受的压力 弹簧所受的压力可用如下公式计算：P=0.51267.59.81/0.985=6311.76N （4-1）式中：P弹簧所受的压力后悬架满载荷，为1267.5kgg重力加速度，此处取9.81m/s2弹簧所受到的最大的力： （4-2）式中：k弹簧动荷系数，取2.5则：4.2.2 位移传递比及弹簧的刚度计算弹簧的刚度可由传递比建立联系：螺旋弹簧的刚度可以使用传递比i进行计算： （4-3）其中分数代表悬架的线刚度，用表示。从而，得到如下关系式： （4-4）查表得： i x 1.185，i y 1.818。所以，位移传递比 i x i y 为 2.15。后悬架的偏频在4.2章节中选取得知 f1.4Hz，得出线刚度： （4-5）于是可得出弹簧的刚度: （4-6）4.2.3 弹簧的最大变形量及后悬架的刚度弹簧的最大变形量F与弹簧在满载时的最大压力比Pmax成正比，则与弹簧的刚度比Ks成反比，公式表示为： （4-7）后悬架的刚度与后悬架的偏频即弹簧质量有关，可使用下面的公式计算： (4-8)式中；指汽车后悬架刚度，N/mm 指汽车单个后悬架的簧上质量，Kg n指汽车后悬架的偏频，Hz，由4.2章节知后悬架偏频为1.4HZ当汽车满载时，由3.5章节知： =633.75kgn=1.4Hz代入公式（4-8）计算得： （4-9）汽车空载时，由3.5章节可知： =397kg n=1.4Hz带入公式计算得： （4-10）此时，计算的空载和满载的刚度与3.5章节计算的初始刚度相差不大，因此，计算正确。4.2.4 满载时弹簧钢丝的几何参数满载时，弹簧钢丝的几何参数可以按照（4-11）公式计算： (4-11)所以得出： (4-12)式中：i指弹簧的有效工作参数，取6 G指弹簧材料的剪切弹性模量，取8.3MPa 指弹簧中径弹簧螺旋比： （4-13）再设计中若弹簧越硬，其刚度就会越大，螺旋比C越小。弹簧内外侧的应力相差越小，则弹簧越硬。弹簧丝的直径与螺旋选取范畴如此表4-3所示:表4-3 弹簧直径与螺旋比的选取关系弹簧丝直径d(mm)0.20.40.511.12.22.56716180螺旋比C7145125104104846初选螺旋比为6，弹簧的直径为13mm，一般的选择范围是C=48，弹簧的中径初步选择78mm。弹簧总圈数为：n=i+6=5+2=8 （4-14）式中：i工作圈数弹簧节距P由下式得出： （4-15）两圈间隙由下式得出： （4-16） 弹簧的自由高度由下式得出： （4-17）弹簧的螺旋升角：=6.06 （4-18）4.3 弹簧的校核4.3.1 弹簧的刚度校核计算由上章节知到弹簧刚度的计算公式： 式中：i弹簧的有效工作参数，取6 G弹簧材料的剪切弹性模量，取8.3MPa 弹簧中经，取78mmd 弹簧直径d取13mm代入式中得：=104.07N/mm符合要求。4.3.2 弹簧表面的剪切应力校核弹簧在压缩时会产生剪切变形，其表面切应力可用公式（4-19）表示： (4-19) 式中：C指弹簧的螺旋比，C=78/13=6 指的是曲度系数，考虑到弹簧圈数与曲率对强度的影响系数， =1.2525 (4-20) P指弹簧所受的压力，P=6311.76N带入公式得弹簧的剪切应力为:=714.71MPa弹簧的许用剪切应力为： （4-21） 因为：，所以弹簧剪切应力满足要求。最终悬架弹簧参数的选定如下表4-4所示。表4-4 综上所述最终弹簧选定的参数螺旋角C节距t弹簧高度H内径外径弹簧圈数n6.026mm227.5mm65mm91mm84.4 本章小结本章主要对悬架的弹性元件（螺旋弹簧）进行了设计与计算，最终选定的结构材料为螺旋弹簧，之后进行了详细的压力参数计算，刚度还有螺旋弹簧的最大的变形量。在之后通过查阅资料和计算，确定了螺旋弹簧包括螺旋比，弹簧直径、弹簧中径、弹簧节距以及自由高度等等。学习本章，能掌握悬架弹性元件的设计思路及流程，对弹性元件的各参数将有更加深层次的认识。 第5章 导向机构的设计5.1 导向机构的设计要求导向机构结构形式的不同，决定着悬架的不同类别和形式，导向机构作为悬架的传力机构，几乎可以承载所有力和力矩，唯有不能承载垂向力。导向机构对悬架起着至关重要的意义，在导向节后设计的同时还应满足如下要求：1） 导向机构能保证车轮一定范围内的运动轨迹，避免轮胎孤独磨损。2） 车轮经过不同路况上下跳动时，导向机构要得以保证轮胎定位参数变化不可以过大，且拥有较合适的变化特性。3） 转弯时，导向机构能保证良好的转向效应。4） 导向机构能保证车身稳定，及时在车辆快速加速或则紧急制动状态下，拥有较好的稳定状态。5） 车辆制动时，导向机构保证车身具有抗“点头”的作用，车辆加速时，导向机构保证车身具有抗“后仰”的作用。6） 导向机构能保证悬架拥有足够的侧倾刚度。7） 导向机构需要保障较为良好的导向精度。8） 导向机构需要具有足够的使用寿命既（强度、刚度）。多连杆式悬架的弹性元件的选择上大多都为螺旋弹簧，但这种元件没有承受侧倾力及纵向力的能力，这时就需要其他的装置来传递啊这些力量既导向装置的杆件。五连杆的导向机构如图5-1所示。图5-1 五连杆悬架简图本次悬架的导向机构采用采用的是五连杆导向，该类导向机构可以承受较大的侧倾力、纵向力及一定的垂向力，多作为汽车的后悬架。五连杆导向机构关键在于各连杆之间的布置，布置合理对汽车悬架的整体性能起到较大的提升，通过不断的优化及校核能对“点头”、“后仰”以及侧倾转向性能起到较好的控制效果。五连杆悬架多作为汽车的后悬架，本次设计的车型为牧马人2017款3.6L Rucicon四门舒享版，采用的导向机构就是五连杆。5.2 本章小结本章主要对悬架的导向机构进行设计，导向机构作为悬架的抓药组成部分，对悬架的整体性能起着至关重要的作用，因此，设计时有提出了一定的设计要求，通过实例，最终确定本次设计的导向机构为五连杆导向。学习本章，读者需要了解导向机构的作用及设计时要求即可。第6章 减振器的设计6.1 减振器的概述振动迅速衰减，因为其转化为热能耗散掉，所以减震器的用处是吸收悬架上垂直震动的能量。目前液力式减震器在汽车悬架中运用的最为普遍，当车轮经过不平路面时，车轮会将力和力矩产生的振动传递给悬架，悬架再将这种振动传递给车架（或车身），导致车架（或车身）作往复相对运动，悬架上的减震器就会衰减这种振动。其工作原理是：活塞在减震器中的钢筒能反复运动，因此壳体内的油液在内腔往的一些很小的空隙之中往复流动。这将会使车身车架的振动将会产生热能，因这些小孔与油液油和油液之间的分子相互碰撞便形成对振动的阻尼力，这些转化的热量又被油液吸收并散入到空气当中。其实现在推出的车型中基本上都会加装减震器，它可以很好的衰减车子的震动，让车辆有更好的平顺性。不过一味的把阻尼放大也不见得是件好方法，把振动衰减的太多会让弹性元件会发挥的不够充分，也会给驾乘的舒适性带来影响，还会导致减震器连接零部件瞬间冲击力加大而导致零部件的过早损坏，所以设计时要予以避免。在减震器设计时，提出如下要求：1、 为保障弹性元件在悬架压缩过程中对振动的缓冲，减震器的阻尼应取得相对较小。2、 为保障在悬架伸长的过程可以得到足够的减震效果，减震器阻尼应取大值。3、 减震器的阻尼力能够在一定范围内自动调节，比如可以通过自动调节各阀系的开口大小，进而调节阻尼力，避免瞬间承受过大载荷冲击。6.2 减振器的分类液压式和充气式是减震器按照阻尼材料划分来的。液压减震器的对减震采取的措施是油液，其工作原理是：在车架与车桥反复振动的同时，其缸体内活塞将会反复运动，这时其中的油液将会反复的在内腔中一些非常小的空隙中流动。这些油液相互之间的摩擦同时又与内壁摩擦便形成对汽车振动的阻尼。另一种充气式减震器会在钢筒底部装置一个浮动活塞，这两者之间会形成一个充满高压氮气的密闭气室。为把其中的油和气体完全隔离开这个浮动活塞会装备一个有大断面的O型密封圈。还会将工作活塞上装备压缩阀和伸张阀，为改变其通道截面积。这样阀得会产生很大的压力用于减少汽车的振动。为何双筒充气式减震器会出现在大多数的中大型SUV上，因其具有以下几个优点：1、 对振动响应敏感；2、 拥有良好的阻尼特性；3、 减振稳定，即使气压损失，仍能发挥一定减振功能；4、 能保证汽车较好的减振性能。5、使用轴向空间小，且没有浮动活塞摩擦也会减小，这是与单筒充气式减震相比的优势。本次设计悬架的减震器采用双筒充气式减振器。6.3 减振器主要性能参数6.3.1 相对阻尼系数 我们采用速度特性曲线来辨识减震器的减振性能，如图6-1（b）。这段曲线由四段接近类似直线的线段组成，其中首末两段为伸张行程和压缩行程；使用公式F/v计算其表达的斜率，就是减振器的阻尼系数，其减振器共四个阻尼系数，因每个段均有一个阻尼系数。平常所说的阻尼系数及我这次设计所提到的阻尼系数，都是卸荷阀开启前的状态。图中，一相限的首端为压缩行程，阻尼的系数为：，三相限的末端为伸张行程，阻尼系数为：，中间两段为过渡行程。(a)阻力一位移特性 （b）阻力一速度特性6-1减振器特性汽车行驶时，其振动在减震器作用下，成周期性衰减，其振动衰减的快慢可用相对阻尼系数的大小来衡定。的表达方式为： （6-1）式中： 悬架系统的垂直刚度； m汽车的簧上质量； 减震器的阻尼系数。公式（6-1）表明，不一样垂直刚度与不同的汽车簧上质量进行配套时，相对的阻尼也会不同，减震器的相对阻尼与减振器的阻尼成正比。减振器振动衰减越低，相对的阻尼系数y越小，其减振器振动衰减越高，则相对阻尼系数y值越大。要想更大的发挥弹性元件在压缩行程时的用处，阻尼力不可以选定过大，所以阻尼系数就要选定小些；伸张行程时，为了保证振动衰减迅速，不至于发生硬冲击，此时阻尼系数取得大些，通常情况下：(0.250.50)。在进行无内摩擦的弹性元件悬架的设计时，取=0.250.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，s0.3；为了避免悬架碰撞车架，取y=0.5s。本次设计取s取0.4，则y=0.5s=0.2。相对阻尼系数可由公式（6-2）求得： （6-2） 6.3.2 减振器阻尼系数减振器阻尼系数。因悬架系统固有频率，所以理论上。选定减振器的阻尼系数其实还要参考减振器的布置特点。例如，6-2此图所示减振器的方式安装时，其阻尼系数可用公式（6-3）计算： （6-3）后悬架的单个减振器的阻尼系数由公式（6-4）计算： （6-4）图6-2 减振器安装位置6.3.3 最大卸荷力F0当减振器活塞振动速度达到某一高度时，减振器会把卸荷阀打开，为减小传到车身上的冲击，此时的活塞速度称为卸荷速度。如图6-2减振器的安装方式时，卸荷速度可用（6-5）公式进行核算。 （6-5） 式中：A车身振幅，取40mm；为悬架系统的固有频率，为1.4HZ；为卸荷速度，一般为0.150.30m/s；这样我们得知伸张时的阻尼系数s，当行程放到最大时荷力，本次设计取后悬架卸荷速度为： 单独一个后悬架减振器阻尼系数伸张行程时的阻尼由下式得： 单独一个后悬架减振器最大的卸荷力由下式得： （6-6） 6.4 筒式减振器主要尺寸6.4.1 筒式减振器的工作直径D最大卸荷力根据伸张行程，计算工作缸直径D为： （6-7） 式中，我这次选值为2.3Mpa，因工作缸一般取值24Mpa，；我这次选值为=0.50，因为我采用的设计是双筒充气式式减振器，连杆直径与缸筒直径之比；减振器的工作缸标准直径D有20mm、30mm、40mm、（45mm）、50mm、65mm等几种。选取时应按标准选用。下面的计算得出后悬架减振器工作缸直径： （6-8） 按照公家标准取D后=40mm6.4.2 油筒直径Dc贮油筒直径，壁厚取为2mm，材料可选20钢。下列计算得出后贮油筒直径： 6.5 本章小结本章主要对悬架中的减震器进行了设计计算，对减振器的类别以及作用进行了详细介绍，确定了本次设计课题减振器的方案选用，本次设计采取的悬架减振器是双筒充气式减振器，然后对本次选用的减振器进行详细参数的计算与设计，其中还囊括相对阻尼参数，阻尼参数以及最大卸荷力的详细计算。最后设计计算了减振器的主要尺寸。学习本章能了解减震器的运动原理及分类，减震器相关参数的计算及主要尺寸设计的依据。第7章 横向稳定杆设计7.1 横向稳定杆概述现代汽车多数车型都会安装稳定杆，为的就是增加车辆的侧倾稳定性，这种部件也囊括在系统悬架有时候也叫做它防侧倾杆。其安装位置如图7-1所示，它主要作用是加大悬架的侧倾角刚度来以改进车辆行驶的稳定性，减小转向时车身的侧倾角，现在汽车应用比较多。如果左右车轮的等幅同向振动时，则横向稳定杆不会受力，不起作用；当左右车轮产生相对位移时，弹性元件发挥作用，稳定杆受力。横向稳定杆经常被安装在前后悬架上，它以增大侧倾角刚度来提高了车辆行驶的稳定性。当然凡事都是正反两例，其缺点是：它也会使汽车平顺性的降低，当汽车遇到不平整的路况时，左右侧车轮有垂直方向相对位移，横向稳定杆就会增加了车轮的垂向刚度。图7-1 横向稳定杆的安装位置稳定杆是一个横跨整个车轴的金属杆，它连接到前轮前方的车架上，但要用衬套连接以使其可以旋转，两臂连接到两侧的前悬架梁上，将悬架的两侧有效地连接在一起。横向稳定杆形状大致如图7-2所示。图7-2 横向稳定杆形状设计合适刚度的稳定杆，在不影响车辆转弯性能的情况下，不仅可降低车身侧倾度，还可改善车辆的舒适性。图3-4 横向稳定杆现代汽车严重影响行驶稳定性的原因是垂直刚度较小，这也使侧倾角度值变低，结果就是为了降低汽车的固有频率改善稳定性却造成了车辆在转弯时严重侧倾。所以现在大多数汽车都会装置横向稳定杆来改善汽车在行驶过程中得到稳定。若只在后悬架添加横向稳定杆设计会使车辆转向趋于过多。现在普遍都会在汽车的前、后悬架中安装这一装置，也有一些车型只在前悬架中安装。当然横向稳定杆带也会有一些弊端：当车辆行驶在不平整路况，左右车轮之间出现垂向相对位移时，同时横向稳定杆将发挥用处，车轮处的垂向刚度将会增加，从而影响行驶的平顺性。正常横向稳定杆在设计时应避免悬架的导向杆系发生运动干涉，不过一些悬架的横向稳定杆同时也发挥了一些导向杆系的作用。车轮及车架与横向稳定杆的交接处添加了橡胶支承，其目的是为了降低噪声。7.2 横向稳定杆参数的选择横向稳定杆大致结构如7-3图所示:图7-3 横向稳定杆尺寸选取: B=950mm m1=300mm d1=20 mm 横向稳定杆角刚度为：C1=d4G/32B (N.mm/rad) （7-1) 式中 ：G1剪切弹性模数，取=80000 (N /mm2)d稳定杆直径（mm），取20mm B稳定杆有效工作长度(mm),取950mm将数据带入公式（7-1）得:C1=d4G/32B=20480000/（32950）=1322775.9 N.mm/rad =1322.78N.m