汽车悬架系统的部件设计

1、毕 业 设 计（论文）学生姓名： 学 号 学 院： 理工学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 汽车悬架系统的部件设计 指导教师： 2013 年 6月 河北科技大学毕业设计（论文）成绩评定表姓 名学 号成 绩专 业题 目指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。毕 业 设 计（论文） 中 文 摘 要 简单来说，汽车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。其主要作用是传

2、递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩， 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。汽车悬架包括弹性元件、减振器和传力装置等三部分。弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击。减振器又指液压减振器，其功能是为加速衰减车身的振动，它也是悬架系统中最精密和复杂的机械件。传力装置则是指车架的上下摆臂等叉形钢架、转向节等元件。一般来说，汽车的悬架系统分为非独立悬架和独立悬架两种。目前大多数轿车的前后悬架都采用了独立悬架的形式，并已成为一种发展趋势。汽车悬架性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素。因

3、此，研究汽车振动，设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代汽车质量增加人们驾驶舒适度的重要措施。关键词 弹性元件 减震器 传力装置 独立悬架 非独立悬架 4 毕 业 设 计（论文） 外 文 摘 要Title The design of vehicle suspension systems components AbstractSimply put, the vehicle suspension is a general term for all power transmission between the vehicle frame and axle or wheel connecte

4、d devices. Its main role is to pass all the forces and torques acting between the wheel and the body of the car, and to alleviate the impact load of the vehicle body passed by unsure road, thereby causing attenuation of the vibration, to ensure occupant comfort, reduce the cargo and the vehicle itse

5、lf dynamic load. The vehicle suspension including elastic components, shock absorbers and power transmission devices. The elastic element multi-finger coil spring only withstand the vertical loads, relaxation and inhibition of uneven road surfaces on the impact of the car body. The damper also point

6、ed hydraulic shock absorbers, and its function is to accelerate the attenuation of the vibration body, it is the suspension system the most sophisticated and complex piece of machinery. The power transmission device is the fork steel frame of the top and bottom of the frame swing arm, steering secti

7、on and other components. In general, the cars suspension system is divided into a non-independent suspension and two independent suspension. Most of the cars front and rear suspension uses a form of independent suspension, and has become a trend. The vehicle suspension performance is an important fa

8、ctor to affect the car ride comfort, handling and stability and driving speed. Therefore, the study of vehicle vibration, design a new suspension system, vibration control to the lowest level is to improve the quality of Hyundai Motor important measures to increase people driving comfort.Keywords: e

9、lastic components, shock absorbers, power transmission device, independent suspension, non-independent suspension. 张宏 目 录第1章 绪 论1.1皮卡车悬架概述 6 1.2悬架的功用71.3悬架的组成71.4悬架的垂直弹性性81.5悬架的分类81.6 辅助元件 121.7皮卡悬架的要求和方案选定14 第2章 麦弗逊独立悬架的设计和计算2.1悬架的总体布置方案 152.2相关参数的计算162.3减震器的选型与设计222.4弹簧限位缓冲块的设计262.5横向稳定杆的设计计算272.6

10、传力构件及导向机构28 参考文献47 第1章 绪 论1.1 皮卡汽车悬架概述皮卡汽车是汽车市场细分后的产物，它的主要使用者是一些非主流人群，所以皮卡汽车行驶的道路也有其特殊性，从城市道路到山区小道，无所不包，所以对皮卡车的悬架也提出了很高的适应性的要求。对于皮卡汽车而言，现在设计中，一般前悬架是轿车型的独立悬架，后悬架是非独立悬架，离地间隙较大，在一定的程度上既有轿车的舒适性又有越野车的越野性能；皮卡车带有两座或四座，使车辆既可载人又可载货，行驶范围广。近几年，皮卡汽车逐渐向着舒适化发展，一些车辆甚至已经具有普通轿车的功能。但从皮卡车的悬架而言，最主要的功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间

11、的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。所以必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其弹性变形来吸收能量，达到缓冲的目的。 采用弹性联接后，为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，悬架中还需要有可以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置系统，我们称之为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定

12、性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。 尽管一百多年来汽车悬架从结构形式到作用原理一直在不断地演进，但从结构功能而言，它大都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件及导向机构的作用，麦克弗逊悬架 (McPherson strut suspension，或称滑柱摆臂式独立悬架)中的减振器柱兼起减振器及部分导向机构的作用，有些主动悬架中的作动器则具有弹性元件、减振器和部分导向机构的功能。 根据皮卡车的行驶路面的特殊行和皮卡汽车本身的功能的多用途而言，前悬要用独立悬架，以保证乘坐人员的舒适性；然而后悬有要选择非独立

13、悬架，以保证悬架有一定的刚度，得以运送足够重量的货物。1.2 悬架的功用迅速衰减车身和车桥的振动；传递它们之间的一切反力及其所形成的力矩；缓和，抑制由于不平路面所引起的振动和冲击，以保证汽车良好的平顺性，操纵稳定性。悬架系统的在汽车上所起到的这几个功用是紧密相连的。要想迅速的衰减振动冲击，乘坐舒服，就应该降低悬架刚度。但这样，又会降低整车的操纵稳定性。因此，必须找到一个平衡点，既保证操纵稳定，又保证使其具备较好的平顺性。1.3 悬架的组成 现代皮卡车，其悬架的形式、种类会因不同的公司和设计单位而有不同形式。但是，悬架系统一般由弹性元件、减振器、缓冲块、横向稳定器等几部分组成等。它们分别起到缓冲

14、、减振 、力的传递、限位和控制车辆侧倾角度的作用。 弹性元件有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，现代轿车悬架多采用螺旋弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。螺旋弹簧只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。这里我们选用螺旋弹簧。减振器是为了加速衰减由于弹性系统引起的振动，减振器有筒式减振器、阻力可调式新式减振器、充气式减振器。它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。导向机构用来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，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹

15、簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。1.4 悬架的垂直弹性特性 汽车悬架的垂直弹性特性图表示作用在悬架上的垂直载荷F与在轮轴上方的变形f之间的关系。1.5 悬架的分类皮卡车的悬架从大的方面来看，可以分为两类：独立悬架和非独立悬架系统。 图1 独立悬架1.5.1 独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机

16、可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。如图1示。 图2独立悬架的类型及特点：独立悬架的车轴分成两段（如图2），每只车轮用螺旋弹簧独立地，弹性地连接安装在车架(或车身)下面，当一侧车轮受冲击，由于两端是分离的，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。现在，皮卡车前悬架都采用独立悬架系统，最常见的有双横臂式悬架和麦弗逊式悬架。工作原理：这种悬架将减振器作为引导车轮竖直方向跳动的滑柱，螺旋弹簧与其装于一体，将双横臂上臂去掉并以橡胶做支承，允

17、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。当车轮上下运动时，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（如图3）。 图3 麦弗逊悬架结构1-减振器外筒;2-活塞杆;3-弹簧支座;4-横向稳定杆支架;5-横向稳定杆拉杆6-副车架;7-横向稳定杆;8-发动机支座;9-弹簧上支座;10-隔离座;11-辅助弹簧; 12-防尘罩;13-U形夹;14-轴承;15-定位螺栓 1.5.2 非独立悬架非独立悬架（如图4）所示。其特点是两侧车轮安装于一个整体式车桥上，当一侧车轮受到冲击力时会直接影响到另一侧的车轮上，当车轮上

18、下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作为弹性元件，它同时还可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。因此非独立悬架目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。图 4由于钢板弹簧结构简单，使用维修、保养方便，长期以来钢板弹簧在汽车上得到广泛应用。现在，由于皮卡车的用途和性能要求，皮卡车后悬架基本都采用非独立悬架系统，最常见的有钢板弹簧非独立悬架。目前汽车使用的钢板弹簧常见的有以下几种：通多片钢板弹簧，如图5-a所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大型客车上，弹簧弹性特性如图6-a所不，呈线性特性。 图 5 图 6少片变截面钢板弹簧，如图5-b所不，为减少弹簧质量，弹簧厚度沿长度方向制成

19、等厚，其弹性特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性图6-a。这种弹簧主要用于轻型货车及大、中型载货汽车前悬架。两级变刚度复式钢板弹簧，如图5-c所示，这种弹簧主要用于大、中型载货汽车后悬架。弹性特性如图6-b所示，为两级变刚度特性，开始时仅主簧起作用，当载荷增加到某值时副簧与主簧共同起作用，弹性特性由两条直线组成。渐变刚度钢板弹簧，如图5-d所示，这种弹簧多用于轻型载货汽车与厢式客车后悬架。副簧放在主簧之下，副簧随汽车载荷变化逐渐起作用，弹簧特性呈非线性特性，如图6-c所示。1.6 辅助元件缓冲块:它们有些由橡胶制造（如图7-a），通过硫化作用将橡胶与钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块

20、固定到车架（车身）或者其它部位上，起到限制悬架最大行程的作用, 还有些由多孔聚氨指制成（如图7-b） ，它兼有辅助弹性元件的作用。同时这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在该材料中有封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。图 7导向机构：导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上提高了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。横向稳定杆: 汽车在高速行驶时，车身整体会产生很大的横向倾斜和横向角振动。因此，悬架中需添设横向稳定杆(如图8

21、)。采用横向稳定杆除了可减轻车身倾斜外，还可以影响汽车的操纵稳定性。作用主要包括以下两点：（1）前悬架中采用较硬的横向稳定杆有助于汽车的不足转向性，并且可以改善汽车的蛇形行驶性能。 （2）增大后悬架的稳定性，会使前轮驱动汽车具有中性转向性能，使后轮驱动车有更大的过度转向性。 图 81.7 皮卡悬架的要求和方案选定1.7.1 设计要求在对此皮卡的设计中，对其悬架提出的设计要求有：（1）有良好的隔声能力；（2）具有合适的衰减振动能力；（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性；（4）保证汽车有良好的行驶平顺性3 ；（5）结构紧凑、占用空间尺寸要小；（6）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩；（7）汽车制

22、动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。1.7.2 皮卡车悬架方案选定要正确的选择悬架方案和参数，在车轮上下跳动时，使主销的定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动压迫协调，避免前轮摆振；汽车转向时应使之稍有不足转向特性。此皮卡悬架部分结构形式选定为：前悬架采用麦弗逊式独立悬架 (图9)图9后悬架采用钢板弹簧非独立悬架（图10） 图10 第2章 麦弗逊独立悬架的设计和计算2.1 悬架的总体布置方案2.1.1 主要内容课题是根据车型的要求来设计悬架系统，悬架系统的结构和参数必须要满足整车的需要，根据实际车型去设计悬架以及悬架系统的导向装置和减振器，保证乘员乘坐舒适和所运货物

23、的完好，其设计首先要确定与悬架有关的操纵稳定性。 2.1.2 总体参数要求如下设计状态下的前轴轴荷G11142kg空载时的前轴轴载m11012kg前桥左右悬架的总质量mu80Kg前悬架的设计偏频n11.31Hz主销内倾角7主销后倾角2车轮外倾角1主销轴线与减振器的夹角式中角度25减振器内倾角5.52.1.3 主要技术要求1、后箱体离地高度：0.5米2、载重：800KG3、自重：1.6吨4、最高时速：120km/h2.1.4 麦弗逊悬架的结构分析及示意图麦弗逊悬架由多个零件组成,故在悬架机构分析中采用空间机构分析法对其进行分析。在运用此方法进行分析时，将悬架总成中的构件等效成刚体来研究悬架系统的

24、空间运动。图11是1/2麦弗逊式悬架的等效机构图，借助图中所示的等效方式，我们可以清楚地看出悬架摆臂和转向节之间的连接通过球副来等效；减振器外套筒和活塞的联接方式被等效成一个移动副；减振器的上支点和车身的联接被等效成一个转动副。这样，麦弗逊式悬架被抽象成一个封闭的空间机构。通过图示的等效方案可以使我们对悬架系统的分析变得简单，且不会在很大程度上影响分析的结果。 图11 麦弗逊式独立悬架结构示意图2.2 相关参数的计算2.2.1 悬架总体参数的计算在设计时首先对悬架总体参数进行计算，如悬架的刚度、悬架的挠度等，这样，在下文对零部件的计算时，就可以以悬架的总体参数为依据，根据悬架的结构参数求出相关零部件的受力、刚度等参数。1.悬架的刚度对于大多数汽车而言，其悬架质量分配系数=0.81.2，因而可以近似地认为=1，即前后桥上方车身部分的集中质量的垂直振动是相互独立的，并用偏频，表示各自的自由振动频率，偏频越小，则汽车的平顺性越好。一般对于钢制弹簧的轿车，约为11.32Hz（6080次/min），约为1.171.5Hz（7090次/min），非常接近人体步行时的自然频率。取=1.3 1HZ 已知：已知皮卡车总质量