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长城风骏5皮卡悬架的设计,长城,悬架,设计
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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）中期检查报告 本科毕业论文（设计）中期检查报告论文题目 长城风骏5皮卡悬架的设计 班 级 1001202 姓 名 李春雨 院（系） 汽车工程学院 导 师 周遐余 报告时间 2014.4.29 1论文工作是否按开题报告预定的内容及进度安排进行论文工作，基本按照开题报告预定内容进行，后悬架的设计已基本完成，前悬架正在进行中。2目前已完成的研究工作及结果3后期拟完成的研究工作及进度安排 （1）拟完成的研究工作： 基于CATIA完成前后悬架的结构设计；仿真分析。（2）进度安排： 第12-13周：基于CATIA完成结构设计； 第14-15周：仿真分析；第16-17周：撰写论文；第 18 周：准备答辩。4存在的困难与问题5如期完成全部论文工作的可能性论文工作进展顺利，预计能够如期地完成论文工作。中期报告检查组意见： 组长（签字）： 年 月 日- 4 - 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）开题报告 本科毕业论文（设计）开 题 报 告论文题目 长城风骏5皮卡悬架的设计 班 级 1001202 姓 名 李春雨 院（系） 汽车工程学院 导 师 周遐余 开题时间 2013年12月23日 - 1 -1课题研究的目的和意义悬架系统是指车身、车架和车轮之间的一个连接结构系统，而这个系统包含了避震器、悬架弹簧、防倾杆、悬吊副梁、下控臂、纵向杆、转向节臂、橡皮衬套和连杆等部件。当汽车行驶在路面上时因地面的变化而受到振动及冲击，这些冲击力其中一部分会由轮胎吸收，但绝大部分是依靠轮胎与车身间的悬架装置来吸收的。悬架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，是汽车最重要的三大总成之一。从结构上看，汽车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧等简单构件组成，但汽车悬架却是一个非常难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架系统关系到汽车的许多性能，如操纵稳定性、制动安全性、驾驶舒适性和动力加速性等。悬架的设计必须满足下面这些要求：1. 悬架系统必须保证汽车具有良好的行驶平顺性4；2. 悬架系统必须保证车身和车桥在共振区具有较小的振幅，同时能让振动很快地衰减4；3. 悬架系统必须保证汽车具有优异的操纵稳定性4；4. 悬架系统必须保证车身在制动、转弯、加速时的稳定性，同时尽量低减小车身的俯仰角和侧倾角4；5. 悬架系统必须保证悬架系统具有较高地可靠性，即：具有足够的刚度、强度和较长的使用寿命4。通过运用现代三维设计软件对悬架进行三维实体建模、仿真分析、结构尺寸设计、优化设计，能够锻炼学生运用现代设计方法和设计软件进行汽车零部件快速设计的能力，分析和解决实际工程问题，积累工程设计经验。2国内外研究现状（1）国外研究现状 20世纪30年代,美国的Olley、英国的Lanchester对独立悬架的运动性能展开了研究。为使悬架具有良好的操控性,工程师正致力于对悬架运动性能和转向性能的研究。德国的WolfgangMatschinsky从悬架的理论建模、橡胶支撑模型角度,对悬架的弹性运动学进行了深入研究。根据R-W法(图论法),工程师应用关联矩阵和通路矩阵描述了悬架的结构特征和连接关系,对悬架运动学进行了分析。德国宇航中心与INTEC等公司合作,共同开发了SIMPACKAutomotive+模块,用户可以通过专用数据库建立多种车辆模型并进行高精度求解。20世纪90年代初,国外的研究人员开始把多柔体动力学理论应用于汽车技术,不仅提高了复杂车辆系统的高精度仿真能力,也为建立及求解更加精细的车辆模型提供了可能性,应用前景广泛。1976年,Thompson建立了二自由度的主动悬架数学模型,确定了主动悬架的最优控制率,并通过部分状态反馈最优控制理论,得到了主动悬架的次最优反馈矩阵。20世80年代,继通用公司提出了主动悬架的设计思想后,世界各大汽车制造商便竞相开发和研制主动悬架,并进行了较为成功的试验。主动悬架的研究虽然起步较早,但由于成本昂贵、结构与控制技术复杂,涉及众多的学科和领域,所以对主动悬架的研究始终没能取得重大突破,目前只有少数几种主动悬架成为了商业化产品。20世纪80年代后期 ,半主动悬架技术的发展逐渐成熟,福特和日产公司率先在其生产的轿车上应用了半主动悬架并取得了较好效果。德国的Freeudenberg公司开发了利用液力控制实现不同路况下最优阻尼的半主动悬架。2002年,福特将MAGNCRide半主动悬架成功应用于凯迪拉克SEV/ LTESTS上。半主动悬架的性能虽然不如主动悬架理想,但其耗能低、结构简单、成本低,故应用前景广泛。半主动悬架在安全性、稳定性、舒适性和实用性等方面都显示出了巨大的发展潜力5。（2）国内研究现状国内悬架研究起步比较晚，虽然国内能够生产悬架的企业有很多，但是真正拥有悬架系统独立设计开发和制造的公司却是非常地少，国内的公司主要是代理美日韩德的产品。随着汽车行业的发展，越来越多的专家学者开始研究独立悬架系统了，如：艾延廷用模糊控制策略对多自由度车辆模型进行仿真控制，为车辆的半主动悬架设计提供了一定的参考价值。李克强用 H方法对多自由度的主动悬架车辆模型进行了鲁棒控制,讨论了4自由度、6自由度和8自由度的车轮模型的振动问题。张洪欣运用矢量分析方法对麦弗逊悬架进行了分析，为悬架设计提供的理论支持，为评估悬架性能提供了依据。湖南大学的肖力军运用 ADAMS 软件对汽车悬架系统进行了整车性能优化，通过仿真模拟结果和试验结果想比较，证实了仿真模拟结果的正确性，通过优化提高了整车性能。郝海生利用 ADAMS 软件对悬架和轮胎的前轮外倾角、前束角、内倾角、主销后倾角以及车轮侧滑量进行了仿真分析。朱华利用 ADAMS 软件对 ATV 悬架进行仿真分析，测量了整车质心垂向加速度的大小，通过参数修改，保证了行驶的平顺性。孙丽等对传统的扭杆式双横臂独立悬架进行了改型设计，并对改型后的悬架进行了轮距变化特性、主销后倾角变化特性、前轮外倾角变化特性、前束角的变化特性和主销后倾角变化特性进行了对比，得到了最优的一种改型悬架。李槟给出了双横臂独立悬架的运动瞬心、轮胎侧滑量、外倾角、前束角、转向拉杆理想长度、抗点头效应、刚度等的计算方法，为双横臂悬架的设计提供了理论依据。赵娜对一种新型的独立悬架断开式重型驱动桥进行了重新设计，新型的驱动桥主要由减速器、差速器、半轴等构成，设计的断开式重型驱动桥能很好的改善汽车的平顺性、通过性和动力性。王锡兵针对扭矩梁式后悬架的不足，利用 ADAMS 软件建立此后悬架的仿真模型，分析车轮外倾角和车轮前束角，通过优化提高了悬架的整体性能4。3. 本课题的研究内容及技术方案本论文主要研究长城风骏5皮卡悬架的优化设计。研究的主要内容如下：（1）概述悬架的基础以及悬架的发展趋势等。（2）论述悬架分析的基本知识，最后给出本文中的悬架主要性能分析参数的模型，这些知识的介绍有利于对悬架分析的理解1。（3）根据本文所研究的钢板弹簧的结构形式，确定各片钢板弹簧的几何参数，利用ANSYS的APDL语言进行建模，并进行分析2。（4）对钢板弹簧的结构进行研究。以钢板弹簧的厚度及宽度为设计变量，以钢板弹簧装配预应力以及超载分析中的最大应力和最大位移为状态变量，以钢板弹簧总成体积最小最为目标函数进行优化计算2。（5）根据风骏5的悬架形式，建立前双叉臂独立悬架仿真模型，并进行分析。（6）对原来的双叉臂独立悬架进行仿真、分析，发现存在不符合要求的性能参数，然后针对存在的问题提出相应的方案，最后对各种调整方案依次进行仿真、分析，在保证原来满足要求的参数在调整后仍然符合要求，又使原来不符合要求的参数得到改善的原则下，选择最优的调整方案1。 4. 本设计的特色本设计中论述了悬架分析的基本知识，最后给出本文中的悬架主要性能分析参数的模型，这些知识是基础的，这些知识的介绍有利于对悬架分析的理解1。本设计选用的车型是皮卡，悬架类型为前双叉臂式扭杆弹簧独立悬架后钢板弹簧非独立悬架，在近两年中国大城市开始流行的皮卡风潮中，消费者的喜好在开始转移，虽然以大为美的心态仍在，但豪华轿车、豪华SUV已经不能满足于这部分人的胃口，所以那些拖着货厢的皮卡成为了展现个性的工具。而从另一个层面来说，上层消费群体的偏好必然会逐渐向下延伸至普通老百姓，所以皮卡成为家用车说不定就在几年以后，甚至更短。5. 进度安排第 1-3 周： 搜集资料，撰写开题报告；第4-15周： 学习相关软件和设计方法，用设计软件进行悬架的设计，给出设计结果；第16-17周： 撰写论文；第 18 周：准备答辩。 6. 参考文献1 乐升彬. 前双横臂独立悬架的建模仿真与改进设计. 吉林大学硕士学位论文, 2004.5.2 刘凤景. 多片钢板弹簧参数化有限元分析与优化系统研究. 山东科技大学硕士学位论文, 2008.53 徐成荫. 基于ADMAS的汽车前悬架仿真分析与优化. 沈阳工业大学硕士学位论文, 2012.124 赵品斌. 轿车独立悬架轮心等效刚度计算. 吉林大学硕士学位论文, 2013.65 李娇娇. 扭杆式双横臂独立前悬架的运动性能研究. 沈阳工业大学硕士学位论文, 2012.126 赵丛琳. 汽车悬架系统的建模及仿真分析. 河北工业大学硕士学位论文, 2010.127 李宁. 乘用车悬架KnC特性试验技术与装备研究. 吉林大学博士学位论文, 2013.68 陈明星. 双横臂独立前悬架中橡胶衬套刚度的研究及优化. 吉林大学硕士学位论文, 2006.69 陈百超. 月球车悬架研究及动力学仿真. 吉林大学硕士学位论文, 2006.5开题报告检查组意见： 组长（签字）： 年 月 日- 6 -哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）翻译资料 本科毕业论文（设计）翻译资料论文题目长城风骏5皮卡悬架的设计 班 级1001202 姓 名李春雨 院（系）汽车工程学院 导 师周遐余 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）悬架系统当人们提到汽车性能，通常先想到的是是马力、转矩和0到60公里的加速度。但是如果驾驶者不能操纵汽车，这些由发动机产生的功率将毫无用处。这就是为什么汽车设计师在刚掌握了四冲程内燃机时就把精力转移到了悬架系统上。悬架的作用是最大限度地增加轮胎与地面间的摩擦力而使操纵稳定并确保乘客舒适。这里我们将探讨悬架的工作方式、发展和未来的研究方向。如果路面是纯平的，没有坎坷，悬架就不是必要的。但路面不平坦，即使是刚铺好的公路也不是很完美，而使得车轮受到干扰，这些坎坷将使车轮受力，根据牛顿运动定律，力都具有大小和方向。路面上的碰撞导致车轮相对路面垂直移动，车轮碰撞剧烈还是轻微决定它的大小。如果没有这个内部结构，所有的车轮的能量都以同样的方向传到车架。这样会产生车轮与路面完全脱离，然后在向下的重力作用下车轮回到路面，因此我们需要一个能够吸收垂直加速度的系统使车架与车身在车轮与地面碰撞时无干扰的行驶。汽车悬架系统悬架是底盘的组成部分，底盘包括了位于车身下方的所有重要系统。这些系统包括： 车架结构，承载组件，它支持了发动机和车身，由悬架支撑。 悬架系统装置，支撑重量，吸收和减少振动，帮助保持车轮接触。 转向系统机械装置，使得驾驶者指导和指挥汽车。 轮胎和车轮部件，使得汽车可以通过与路面的附着力或摩擦力进行移动。所以悬架在任何汽车上都很是重要的系统。悬架的三大组成：弹簧，减振器，横向稳定杆。弹簧当今的弹簧系统基于四种基本设计： 螺旋弹簧最常见的弹簧种类，它实质上是弹簧与一根轴螺旋盘绕的重负荷扭力棒。螺旋弹簧的压缩和伸展吸收了轮胎上下移动产生的能量。 钢板弹簧这种弹簧由若干层金属(以下简称叶 )联系在一起,作为一个单位。他最初是用在马车上，直到1985年被用在大多数美国汽车上，直到今天大部分的卡车和重型汽车也在应用。 扭杆弹簧扭杆簧是利用金属棒的扭曲特性而产生类似螺旋弹簧的性能。它的一端支撑在车架上，另一端支撑在前臂上，前臂就相当于一个杠杆相对与扭杆垂直移动。当车轮发生碰撞，垂直的移动传递到前臂，通过杠杆作用传到扭杆。然后扭杆沿着轴的方向扭曲而产生弹簧力。在19世纪50年代到60年代欧洲汽车广泛的应用这种弹簧系统。 空气弹簧空气弹簧系统,由位于车轮和车身之间的圆柱曲面空气装置组成， 利用它的空气可压缩性来吸收车轮振动。这个概念事实上已有上百年的历史了，在马车时代就产生了。那个时代的空气弹簧由皮革作为隔板充气而成，很像个娄。在19世纪30年代它们被替换成橡胶。基于弹簧在车上的位置，例如，在车轮和车架之间，设计师为了方便会谈成簧上质量和簧下质量弹簧：簧上质量和簧下质量簧上质量是汽车支撑在弹簧以上的质量，簧下质量大概的定义为路面和悬架之间的质量。车辆行驶时弹簧的刚度影响簧上质量的响应。低刚度汽车，像奥拓轿车(林肯城市轿车)，可以缓解撞击，和提供一个非常好的行驶平顺性。但是这样的车容易在制动和加速时俯冲或下蹲，在转弯时摇摆或侧倾。高刚度汽车，如运动轿车(马自玛雅塔)，缓解崎岖道路的冲击较差，但是能做很小的车身运动，这意味着他能很积极的行驶，甚至过弯。所以，弹簧本身看起来是很简单的装置，可设计和实施却需要平衡乘坐舒适性和可操纵性，这是很复杂的。使得事情更复杂的是，只有弹簧不能提供完美的驾驶平顺性，为什么呢？因为弹簧在吸收能量上非常出色，可在消退能量上不是很好，另一结构，被称为减振器可以做到这点。减振器如果没有减振器，弹簧将以不可控制的速度延长和释放碰撞时吸收的能量。弹簧将以其自然频率继续跳动直到所有最初的能量被耗尽。一个只有弹簧的悬架会产生非常跳动的行驶性，并依据地形的不同，成为不可控制的汽车。减振器内部或者说是缓冲器，是一个阻尼的过程控制使弹簧不动的装置。减振器通过将悬架运动产生的动能转化为可被液压油消退的热能，使振动的频率和振幅减小。想要知道他是如何工作的，最好的方法是进入减振器内部看看他的结构和功能。减振器基本上为一个位于车架和车轮之间的油泵。他的上部分连接在车架上（如簧上质量），下部分连接在半轴上，靠近车轮（如簧下质量）。一种最常见的减振器是双筒式液力减振器，它的上部连接在活塞杆上，活塞杆反过来接在活塞上，活塞反向位于充满液压油的筒内。筒的内部为工作腔，外层为储油腔。储油腔储存多余的液压油。当汽车在颠簸路面行走，导致弹簧卷曲和伸展，弹簧能量通过上部转移到减振器，向下传到活塞杆再到活塞。通过节流口油液随着活塞的上下移动镏流进工作腔。因为节流口相对很小，只有很少的油液在大的液压下通过。这就使得活塞减慢，反过来使弹簧减慢。减振器有两个工作行程，压缩形成和伸展行程。压缩行程发生在活塞向下运动时，压缩油液进入活塞下腔。伸展行程发生在活塞向上部移动时，压缩活塞上部的油液。典型的轿车和轻型卡车的延伸行程比压缩行程阻力大。基于这点，压缩行程控制汽车的簧下质量，而延伸行程控制较重的簧上质量。所有现代的减振器都是速度敏感，悬架动的越快减振器提供的阻力越大。这使减振器能够适应各种路况和控制行驶中的汽车会产生的任何不希望的移动，其中包括跳动，左摇右摆，制动俯冲和加速蹲下。横向稳定杆横向稳定杆与减振器一起使用，给行驶的汽车提供额外的稳定性。它是一个金属质地的杆，横跨整个车轴并且有效的连接了两边的悬架。当一边车轮的悬架上下跳动，横向稳定杆将移动转移到另一侧车轮。这就使得行驶平顺性更好和减小了车身摇晃。尤其是，它克服了车身在转弯时的侧倾。因为这点，现在几乎所有汽车都安装横向稳定杆作为标准配置，即使没有安装它也易于在任何时间安装。Suspension systemsWhen people think of automobile performance, they normally think of horsepower, torque and zero-to-60 acceleration. But all of the power generated by a piston engine is useless if the driver cant control the car. Thats why automobile engineers turned their attention to the suspension system almost as soon as they had mastered the four-stroke internal combustion engine.The job of a car suspension is to maximize the friction between the tires and the road surface, to provide steering stability with good handling and to ensure the comfort of the passengers. In this article, well explore how car suspensions work, how theyve evolved over the years and where the design of suspensions is headed in the future. If a road were perfectly flat, with no irregularities, suspensions wouldnt be necessary. But roads are far from flat. Even freshly paved highways have subtle imperfections that can interact with the wheels of a car. Its these imperfections that apply forces to the wheels. According to Newtons laws of motion,all forces have both magnitude and direction. A bump in the road causes the wheel to move up and down perpendicular to the road surface. The magnitude, of course, depends on whether the wheel is striking a giant bump or a tiny speck. Without an intervening structure, all of wheels vertical energy is transferred to the frame, which moves in the same direction. In such a situation, the wheels can lose contact with the road completely. Then, under the downward force of gravity, the wheels can slam back into the road surface. What you need is a system that will absorb the energy of the vertically accelerated wheel, allowing the frame and body to ride undisturbed while the wheels follow bumps in the road. A cars suspension, with its various components, provides all of the solutions described.Car Suspension Parts The suspension of a car is actually part of the chassis, which comprises all of the important systems located beneath the cars body.These systems include: The frame-structural, load-carrying component that supports the cars engine and body, which are in turn supported by the suspension. The suspension system - setup that supports weight, absorbs and dampens shock and helps maintain tire contact The steering system - mechanism that enables the driver to guide and direct the vehicle The tires and wheels - components that make vehicle motion possible by way of grip and/or friction with the roadSo the suspension is just one of the major systems in any vehicle.With this big-picture overview in mind, its time to look at the three fundamental components of any suspension: springs, dampers and anti-sway bars.SpringsTodays springing systems are based on one of four basic designs: Coil springs - This is the most common type of spring and is, in essence, a heavy-duty torsion bar coiled around an axis. Coil springs compress and expand to absorb the motion of the wheels. Leaf springs- This type of spring consists of several layers of metal (called leaves) bound together to act as a single unit. Leaf springs were first used on horse-drawn carriages and were found on most American automobiles until 1985. They are still used today on most trucks and heavy-duty vehicles. Torsion bars- Torsion bars use the twisting properties of a steel bar to provide coil-spring-like performance. This is how they work: One end of a bar is anchored to the vehicle frame. The other end is attached to a wishbone, which acts like a lever that moves perpendicular to the torsion bar. When the wheel hits a bump, vertical motion is transferred to the wishbone and then, through the levering action, to the torsion bar. The torsion bar then twists along its axis to provide the spring force. European carmakers used this system extensively, through the 1950s and 1960s. Air springs - Air springs, which consist of a cylindrical chamber of air positioned between the wheel and the cars body, use the compressive qualities of air to absorb wheel vibrations. The concept is actually more than a century old and could be found on horse-drawn buggies. Air springs from this era were made from air-filled, leather diaphragms, much like a bellows; they were replaced with molded-rubber air springs in the 1930s.Based on where springs are located on a car - i.e., between the wheels and the frame - engineers often find it convenient to talk about the sprung mass and the unsprung mass.Springs: Sprung and Unsprung MassThe sprung mass is the mass of the vehicle supported on the springs, while the unsprung mass is loosely defined as the mass between the road and the suspension springs. The stiffness of the springs affects how the sprung mass responds while the car is being driven. Loosely sprung cars, such as luxury cars (think Lincoln Town Car), can swallow bumps and provide a super-smooth ride; however, such a car is prone to dive and squat during braking and acceleration and tends to experience body sway or roll during cornering. Tightly sprung cars, such as sports cars (think Mazda Miata), are less forgiving on bumpy roads, but they minimize body motion well, which means they can be driven aggressively, even around corners.So, while springs by themselves seem like simple devices, designing and implementing them on a car to balance passenger comfort with handling is a complex task. And to make matters more complex, springs alone cant provide a perfectly smooth ride. Why? Because springs are great at absorbing energy, but not so good at dissipating it. Other structures, known as dampers, are required to do this.Dampers: Shock AbsorbersUnless a dampening structure is present, a car spring will extend and release the energy it absorbs from a bump at an uncontrolled rate. The spring will continue to bounce at its natural frequency until all of the energy originally put into it is used up. A suspension built on springs alone would make for an extremely bouncy ride and, depending on the terrain, an uncontrollable car.Enter the shock absorber, or snubber, a device that controls unwanted spring motion through a process known as dampening. Shock absorbers slow down and reduce the magnitude of vibratory motions by turning the kinetic energy of suspension movement into heat energy that can be dissipated through hydraulic fluid. To understand how this works, its best to look inside a shock absorber to see its structure and function.A shock absorber is basically an oil pump placed between the frame of the car and the wheels. The upper mount of the shock connects to the frame (i.e., the sprung weight), while the lower mount connects to the axle, near the wheel (i.e., the unsprung weight). In a twin-tube design, one of the most common types of shock absorbers, the upper mount is connected to a piston rod, which in turn is connected to a piston, which in turn sits in a tube filled with hydraulic fluid. The inner tube is known as the pressure tube, and the outer tube is known as the reserve tube. The reserve tube stores excess hydraulic fluid.When the car wheel encounters a bump in the road and causes the spring to coil and uncoil, the energy of the spring is transferred to the shock absorber through the upper mount, down through the piston rod and into the piston. Orifices perforate the piston and allow fluid to leak through as the piston moves up and down in the pressure tube. Because the orifices are relatively tiny, only a small amount of fluid, under great pressure, passes through. This slows down the piston, which in turn slows down the spring.Shock absorbers work in
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