麦弗逊悬架的运动学分析与试验方案.doc

燕山大学专业综合训练说明书题目：乘用车前悬架运动学分析及实验方案设计 学院（系）：车辆与能源学院 年级专业： 08级车辆二班 学 号： 080113030060 学生姓名： 于海龙 指导教师：韩宗奇 王立强 王文峰燕山大学专业综合训练任务书院（系）：车辆与能源学院 基层教学单位：车辆与交通运输工程系学 号080113030060学生姓名于海龙专业（班级）08级车辆二班题 目乘用车前悬架运动性能分析与试验方案设计训 练 内 容 和 目 的学习汽车理论中关于车轮跳动引起轴距、轮距的变化，以及引起轴转向和轮转向的基本原理，计算麦克弗逊式前悬架在车轮同向跳动和反向跳动时引起的轴距变化量、轮距变化量、车轴转向角等参数。用MATLAB软件进行仿真，将仿真结果与计算结果对比。同时研究K&C试验台的结构与原理，设计在K&C实验台上测试悬架运动特性的试验方案。完 成 任 务 量1、测绘一种乘用车的麦克弗逊前悬架，画出结构简图，特别是硬点坐标；2、建立该悬架运动学力学模型，推算车轮跳动引起的轴距、轮距变化量的计算公式，并进行计算； 3、用MATLAB或其它软件对上述悬架进行运动学仿真；4、设计在K&C实验台上测试悬架运动特性的试验方案。进 度 安 排第一周：测绘一种乘用车的麦克弗逊前悬架，画出结构简图，特别是硬点坐标；第二周：进行运动学分析，进行计算与仿真；第三周：设计在K&C实验台上的试验方案；第四周：撰写说明书，准备答辩。参考资料1.汽车理论第15版，Fundamental of ground vehicles（美）2.汽车工程手册 3. K&C试验台说明书4. MATLAB软件使用说明书指导教师签字基层教学单位主任签字2011年11月29日目 录前 言1第一章 麦弗逊悬架简介311 麦弗逊悬架312 麦弗逊悬架与车轮定位参数的关系313 麦弗逊悬架的优缺点3第二章 麦弗逊悬架的运动分析与计算421 麦弗逊悬架后视简图422 麦弗逊悬架的运动分析4221 单侧车轮上跳4222 单侧车轮下跳8223 双侧车轮同时跳动11第三章 K&C试验台组成及测试项目1331 K&C试验台的含义1332 K&C试验台的组成13321 平台模块13322 框架和车身夹持系统13323 传感器13324 控制系统1433 K&C试验台的基本功能1434 K&C试验台测试项目14341 车轮跳动（8项）14342 侧倾运动 （7项）14343 纵向柔度试验 （5项）15344 侧向柔度试验 （5项）15345 回正力矩试验 （5项）15346 转向运动 （5项）15结束语16 燕山大学专业综合训练说明书前 言悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传动力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减震器和导向机构等三部分组成。此外，还辅助设有缓冲块和横向稳定器。汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架（或车身）连接，当一侧车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内发生摆动；独立悬架的结构特点是车桥做成断开的，每一侧车轮可以单独的通过弹性悬架与车架（或车身）连接，两侧车轮可以单独跳动，互不影响。乘用车的前悬架广泛采用独立悬架，起优点如下：1、在悬架弹性元件一定的变化范围内，两侧车轮可以单独运动而互不影响，这样在不平道路上行驶时可减少车架和车身的跳动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。2、减少了汽车的非簧载质量。3、采用断开式车桥，发动机总成的位置可以降低和前移，使汽车质心下降，提高了汽车行驶稳定性，同时能给予车轮较大的上、下跳动的空间，因而可以将悬架刚度设计的很小，使车身振动频率降低，改善行驶平顺性16独立悬架的结构类型很多，按车轮运动形式分可分为四类：1、车轮在汽车横向平面内摆动的悬架（横臂式独立悬架），分为单横臂式和双横臂式两种。2、车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架（纵臂式独立悬架），分为单纵臂式和双纵臂式两种。3、车轮沿主销移动的悬架（滑柱连杆式悬架），之中包括烛式悬架和麦弗逊式悬架。4、车轮在汽车的斜向平面内摆动的悬架（单斜臂式烛式悬架）。下面主要就麦弗逊悬架进行运动分析与计算。第一章 麦弗逊悬架简介11 麦弗逊悬架当今世界用的最广泛的轿车前悬架之一便是麦弗逊悬架，麦弗逊悬架由通用公司的厄尔S麦弗逊在1947年研发的。麦弗逊悬架结构简单，所以它轻量、响应速度快，并且在一个摇臂和支柱的几何结构下能自动调整车轮外倾角，让其能在转弯时自动适应路面，让车轮的接地面积最大化。12 麦弗逊悬架与车轮定位参数的关系麦弗逊悬架的筒式减振器上铰链的中心与横摆臂外端的球铰链中心连线为主销轴线，此结构为无主销结构。当车轮上下跳动时，因减震器的下支点随横摆摆动，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变化，然而，如果适当的调整杆系布置，可使车轮的这些定位参数变化极小。13 麦弗逊悬架的优缺点麦弗逊式悬架的优点是：结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了横臂，给发动机及转向系统的布置带来方便。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，还可以将减震器导向座和活塞的摩擦表面用减磨材料制成，以减少磨损。虽然麦弗逊悬架并不是技术含量最高的悬架系统结构，但它是一种经久耐用的独立悬架系统，具有很强的道路适应能力。第二章 麦弗逊悬架的运动分析与计算21 麦弗逊悬架后视简图 麦弗逊悬架的后视结构简图如图2-1所示，主要由减震器、弹簧、下摆臂及转向节构成。 图2-122 麦弗逊悬架的运动分析 车轮跳动时会引起轮距和轴距的变化，进而会影响转向轮的定位参数，下面就车轮的不同跳动情况进行分析。221 单侧车轮上跳如图2-2所示为车轮上跳时的运动及受力情况。当车轮向上跳动一定量时，对应的下摆臂OB向上转动，此时OB杆与BC杆运动到如图所示虚线位置，导致车轮轴线对应的E点随之运动，而引起轮距和轴距的变化，根据悬架受外力情况，进行受力分析，即可求出CD缩短的尺寸。 图 2-2计算过程如下： 图 2-3如图2-3为车轮上跳时，悬架及车轮所受外力的平衡图。如图所示车轮所受垂直载荷N与O点和D点所受的外力FO和FD三者平衡，根据正弦定理可得FD / sin（90-） = N / sin（90-+） （2-1）整理得FD / cos = N / cos（-） （2-2）式中N为车轮所受垂直载荷，为减震器与垂直方向的夹角，为车轮跳动时引起的下摆臂的摆角，进而可求得FD = N cos/ cos（-） （2-3）已知悬架弹簧的刚度为K，则FD = Kl （2-4）所以，车轮上跳时，悬架的弹簧压缩量为：l = FD / K = N cos/ K cos（-） （2-5）建立如图2-4所示坐标系 图 2-4其中，y轴为车轮轴线所在直线，z轴为过汽车几何中心的铅垂面内与y轴垂直的铅垂线，其中各点坐标分别为:O(yO , zO)B(yB ,zB)E(yE ,zE) C(yC ,zC)D(yD,zD)。下面进行坐标计算：当车轮上跳引起下摆臂OB向上摆动时，O点坐标不变，B点坐标发生变化yB= yO + acos （2-6）zB= zB + asin （2-7）则B（yO + acos，zB + asin）此时C点坐标yC= yD + （l - l）sin （2-8）zC= zD - （l - l）cos （2-9）则C（yD + （l - l）sin，zD - （l - l）cos）可求得E坐标 （2-10） （2-11）所以，车轮上跳时，单侧轴距变化为：B/2 = yE yE= yE - （2-12）如图2-5为左视图 图 2-5其中x轴为过原点O与yz平面垂直的直线，其中各点坐标分别为:B(xB ,zB) E(xE ,zE) C(xC ,zC) D(xD,zD)。下面进行坐标计算：当车轮上跳引起下摆臂OB向上摆动时，B点得横坐标xB不变，竖坐标xB发生变化zB= zB + asin （2-13）则B（xB ，zB + asin）此时C点坐标xC= xD + （l - l）sin （2-14）zC= zD - （l - l）cos （2-15）则C（xD + （l - l）sin，zD - （l - l）cos）可求得E的横坐标 （2-16）所以，车轮上跳时，轴距变化为 （2-17）222 单侧车轮下跳图 2-6如图2-6所示为车轮下跳时的运动及受力情况。当车轮向下跳动一定量时，对应的下摆臂OB向下转动，此时OB杆与BC杆运动到如图所示虚线位置，导致车轮轴线对应的E点随之运动，而引起轮距和轴距的变化，根据悬架受外力情况，进行受力分析，即可求出CD伸长的尺寸，计算过程如下： 图 2-7图2-7为车轮下跳时，悬架及车轮所受外力的平衡图。如图所示车轮所受垂直载荷N与O点和D点所受的外力FO和FD三者平衡，根据正弦定理可得FD / sin（90+ ） = N / sin（90 -） （2-19）整理得FD / cos = N / cos（+） （2-20）式中N为车轮所受垂直载荷，为减震器与垂直方向的夹角，为车轮跳动时引起的下摆臂的摆角，进而可求得FD = N cos/ cos（+） （2-21）已知悬架弹簧的刚度为K，则FD = Kl （2-22）所以，车轮上跳时，悬架的弹簧压缩量为：l= FD / K = N cos/ K cos（+） （2-23）建立如图2-7所示坐标系，其中，y轴为车轮轴线所在直线，z轴为过汽车几何中心的铅垂面内与y轴垂直的铅垂线，其中各点坐标分别为:O(yO , zO)B(yB ,zB)E(yE ,zE)C(yC ,zC)D(yD,zD)。下面进行坐标计算：当车轮上跳引起下摆臂OB向下摆动时，O点坐标不变，B点坐标发生变化，如图2-8所示。 图 2-8B点坐标计算如下yB= yO + acos （2-23）zB= zB + asin （2-24）则B（yO + acos，zB + asin）此时C点坐标yC= yD + （l + l）sin （2-25）zC= zD - （l + l）cos （2-26）则C（yD + （l + l）sin，zD - （l + l）cos）可求得E坐标 （2-27） （2-28）所以，车轮下跳时，单侧轴距变化为：B/2 = yE yE= yE - （2-29）如图2-9所示 图 2-9其中x轴为过原点O与yz平面垂直的直线，其中各点坐标分别为:B(xB ,zB) E(xE ,zE) C(xC ,zC) D(xD,zD)。下面进行坐标计算：当车轮下跳引起下摆臂OB向下摆动时，B点得横坐标xB不变，竖坐标xB发生变化zB= zB - asin （2-30）则B（xB ，zB - asin）此时C点坐标xC= xD + （l + l）sin （2-31）zC= zD - （l + l）cos （2-32）则C（xD + （l + l）sin，zD - （l + l）cos）可求得E的横坐标 （2-33）所以，车轮上跳时，轴距变化为 （2-34）223 双侧车轮同时跳动两侧车轮同向跳动和反向跳动时，会引起的轴距、轮距、车轴转向角等参数的变化，下面就双侧车轮的不同跳动情况进行分析和计算。2231 车轮同向跳动当两侧车轮同向跳动，即两侧车轮同时向上或向下跳动时，轮距的变化是两侧车轮单独跳动时引起的轴距变化之和，即B = B左 + B右 （2-35）B左和B右通过前面的计算分别可以求得。轴距的变化，通过前面的计算可分别求出L左和L右车轴转向角可根据左右两侧轴距的变化求得 （2-36）其中，B为车轮发生跳动后的实际轮距，则 （2-37）2232 车轮反向跳动当两侧车轮反向跳动，即两侧车轮一个向上跳动另一个向下跳动时（侧倾），轮距的变化是两侧车轮单独跳动时引起的轴距变化之和，即B = B左 + B右 （2-38）B左和B右通过前面的计算分别可以求得。轴距的变化，通过前面的计算可分别求出L左和L右车轴转向角可根据左右两侧轴距的变化求得 （2-39）其中，B为车轮发生跳动后的实际轮距，则 （2-40）第三章 K&C试验台组成及测试项目悬架运动分析的试验设备主要用的是K&C试验台，下面介绍一下K&C试验台的组成及测试项目。31 K&C试验台的含义K&C试验台中的“K”和“C”分别是Kinematic（运动）和Compliance（柔顺）的缩写，K&C试验台是用来测量车辆悬架的运动特性和柔顺特性的设备。32 K&C试验台的组成K&C试验台主要由四部分组成，分别为平台模块、框架和车身夹持系统、传感器和控制系统。321 平台模块K&C试验机共有四个平台模块，以便于对各个车辆轮胎施加位移或作用力。每个平台模块均为轮胎表面提供了垂直、侧向、纵向、转向和转动运动。平台模块设计非常短，并具有高刚度，以减少测试系统本身的偏差。322 框架和车身夹持系统系统有一个框架钢结构的基座，可以提供各个平台模块和车身夹持系统之间必要的直线性的刚度调整。同时，针对不同的车辆，对平台模块进行轴距、轮距调整。框架是一个焊接钢结构，可以将系统安装在正常的工业混凝土地面上。323 传感器K&C试验台上安装了多种传感器，主要包括车轮负载传感器、车轮位置传感器、平台位置传感器、平台转向角度传感器、方向盘位置传感器和方向盘扭矩传感器。324 控制系统控制系统主要作用是控制试验台的运动，并采集、处理试验数据。 33 K&C试验台的基本功能K&C试验台的基本功能很多，主要是：测量车轮上下跳动时车轮前束角、外倾角和轮距的变化 ，在任意载荷下车轮受到纵向力、侧向力和回正力矩时车轮前束角、外倾角、轮距的变化，以及车轮跳动时，汽车前后悬架的垂直刚度、侧倾刚度、纵向刚度和侧向刚度。34 K&C试验台测试项目K&C试验台测试项目有很多种，主要包括：车轮跳动 （8项）、侧倾运动 （7项）、纵向柔度试验 （5项）、侧向柔度试验 （5项）、回正力矩试验 （5项）和转向运动 （5项）。341 车轮跳动（8项）K&C试验台测量车轮跳动的8项包括：在轮胎接地处测得的单个悬架相对车身或车架的垂直刚度、在轮心处测得的单个悬架相对车身或车架的垂直刚度、轮胎垂直刚度、轮心垂直方向的单位位移引起的车轮转向角、轮心垂直方向的单位位移引起的车轮外倾角变化量、轮心垂直方向的单位位移引起的主销后倾角变化量、轮心垂直方向的单位位移引起的轮距变化量，该测量可确定侧倾中心高度以及轮心垂直方向的单位位移引起的轴距变化量。342 侧倾运动 （7项）K&C试验台测量侧倾运动的7项包括：在轮心处测得的单个悬架相对车身或车架的垂直刚度(侧倾时) 、侧倾力矩、侧倾刚度、前后悬架侧倾刚度所占比例、侧倾转向量、侧倾轴转向（左右车轮转向角均值）以及车轮外倾角随车身侧倾角的变化率。343 纵向柔度试验 （5项）K&C试验台测量纵向柔度的5项包括：车轮前束与纵向力的关系、轴转向与纵向力的关系、纵向刚度（同向、反向）、车轮施加同向纵向力时，主销后倾角与纵向力的关系和车轮外倾角与纵向力（同向、反向）的关系。344 侧向柔度试验 （5项）K&C试验台测量侧向柔度的5项包括：车轮外倾角与侧向