前悬架设计设计说明书论文

前悬架设计是汽车工程设计中至关重要的一环，它直接影响着汽车的行驶性能、操控稳定性以及乘坐舒适度。随着汽车行业的高速发展，人们对整车性能指标的关注度越来越高。在诸多悬架中，麦弗逊悬架凭借非悬挂、质量小、成本低、占用空间小等一系列优点，成为了目前汽车行业中应用最广泛的一种悬架种类。故本文基于比亚迪宋PLUS混合动力轿车中的麦弗逊前悬架为研究对象，基于麦弗逊悬架和车辆工程的研究现状，充分利用已有的麦弗逊悬架设计知识，知网等论文网站的丰富文献，还有CAD,CATIA等软件所设计的模型分析。对比亚迪宋PLUS混合动力桥车中的前悬架取长补短，对前悬架的组成及作用进行分析研究，让自己所学知识得以展现。关键词：麦弗逊悬架，弹性元件，减震器，传力装置AbstractFrontsuspensiondesignisacrucialpartofautomotiveengineeringdesign,whichdirectlyaffectsthedrivingperformance,handlingstability,andridecomfortofacar.Withtherapiddevelopmentoftheautomotiveindustry,people'sattentiontovehicleperformanceindicatorsisincreasing.Amongmanysuspensions,MacPhersonsuspensionhasbecomethemostwidelyusedtypeofsuspensionintheautomotiveindustryduetoitsadvantagessuchasnonsuspension,smallweight,lowcost,andsmallspaceoccupation.Therefore,thisarticleisbasedontheMacPhersonfrontsuspensionintheBYDSongPLUShybridsedanastheresearchobject.BasedonthecurrentresearchstatusofMacPhersonsuspensionandvehicleengineering,itfullyutilizestheexistingknowledgeofMacPhersonsuspensiondesign,richliteratureonpaperwebsitessuchasCNKI,andmodelanalysisdesignedbyCAD,CATIA,andothersoftware.LearnfromthestrengthsandweaknessesofthefrontsuspensionintheBYDSongPLUShybridaxlevehicle,analyzeandstudythecompositionandfunctionofthefrontsuspension,andshowcasetheknowledgelearned.Keywords:MacPhersonsuspension,elasticcomponents,shockabsorbers,transmissiondevices目录第一章 引言 51麦弗逊汽车前悬架的组成及优点 52．前悬架的校核 6二、参数确定 62.1比亚迪宋plus基础汽车的参数数据 72.2悬架其他主要参数的选定 7三．设计与校核 83.1悬架各项参数计算 83.1.1簧上质量计算 82.3.2静挠度的计算 92.3.3刚度计算 93.2弹簧设计 93.2.1弹簧钢丝直径的计算 93.3减震器的设计 113.3.1减震器作用及类型 113.3.2双筒式液力减振器 113.3.3其他减震器的优缺点 123.4经济性指标分析 133.5减震器参数设计 133.5.1相对阻尼系数 13参考文献 16引言汽车作为现代文明社会的标志之一，已成为当今人们出行不可或缺的组成部分。并且随着社会的不断发展，人民生活水平越来越高，对汽车舒适程度也提出更高要求；同时随着高速公路的迅速发展，对汽车高速性能的要求也逐渐提高，尤其是越来越关注汽车行驶过程中其操纵稳定性和行驶平稳性。同时伴随着汽车的日益普及，车辆的安全性、舒适性和通过性也越来越受到公众的重视。而这些汽车性能指标，都需要依靠车辆的悬架系统的更新迭代来提升。悬挂系统可以吸收和缓和地面激励对车身的冲击，衰减弹性系统引起的振动，而这些将直接影响汽车行驶安全性和舒适性。目前常用的悬挂系统有以下八种：非独立悬架、独立悬架、横臂式悬架、多连杆式悬架、纵臂式悬架、烛式悬架、麦弗逊式悬架、主动悬架，它们在各有所长，在他们各自不同的领域中都发挥着自己的作用，而其中麦弗逊悬架凭借着非悬挂、质量小、成本低、占用空间小等优点,成为了目前汽车中应用最广泛的一种悬架种类。所以本课题基于比亚迪宋plus所使用的麦弗逊式前悬架为设计核心对其进行深度研究分析，取长补短，以此设计出一款更为适合的现代化前悬架1麦弗逊汽车前悬架的组成及优点麦弗逊前悬架，作为现代汽车中广泛使用的一种独立悬挂系统，以其结构简洁、响应迅速和成本效益高而备受青睐。弗逊前悬架的核心部件包括弹性元件、减震器以及传力装置。这些部件相互协作，共同构成了一个既稳固又灵活的悬挂系统。弹性元件是麦弗逊前悬架中的重要组成部分。它承担着吸收和缓冲路面冲击的任务，为乘客提供舒适的乘坐体验。弹性元件的设计使得它能够在受到压力时发生形变，从而吸收来自路面的震动，减少车身的晃动。减震器在麦弗逊前悬架中扮演着至关重要的角色。减震器与弹性元件紧密结合，共同形成一个可以上下运动的滑柱。当车辆行驶在不平坦的路面上时，减震器通过其内部的阻尼机制，限制弹性元件的形变范围，防止车身过度晃动。同时，减震器还可以根据行驶路况和驾驶习惯的不同，通过调整其行程和阻尼力，来实现对悬挂软硬及性能的设定。传力装置作为麦弗逊前悬架的支撑结构，连接着车轮与车身。它能够将来自车轮的力和力矩有效地传递到车身上，确保车辆行驶的稳定性和安全性。传力装置的设计使得麦弗逊前悬架在承受侧向力时具有较高的刚度和稳定性，从而提高了车辆的操控性能。此外，值得注意的是，大部分麦弗逊前悬架还会配备横向稳定杆。横向稳定杆的作用是在车辆转弯时，通过产生扭转力矩来抵抗车身的侧倾，从而提高车辆的操控稳定性和乘坐舒适性。总的来说，麦弗逊前悬架以其独特的组成和结构特点，为现代汽车提供了稳定、舒适且经济的悬挂解决方案。然而，尽管麦弗逊前悬架在许多方面表现出色，但其对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差等缺点也不容忽视。2．前悬架的校核在设计汽车前悬架时，为了确保其性能、稳定性和安全性，需要进行一系列的校核工作。以下是一些关键校核点：（1）.结构强度和刚度：检查悬架系统的各个部件（如摆臂、减震器、弹簧等）是否具备足够的强度和刚度，以承受车辆在行驶过程中产生的各种力和力矩。（2）.运动范围和间隙：校核前悬架在跳动范围及转向状态下的运动情况，检查各个部件之间的间隙是否满足要求，确保无干涉现象。（3）.减振性能：评估悬架系统的减振性能，包括对路面不平度的吸收能力和对车身振动的抑制能力。这有助于确保乘客的乘坐舒适性和车辆的行驶稳定性。（4）.控稳定性：检查前悬架对车辆操控稳定性的影响，包括转向响应、侧倾控制等方面。通过优化悬架设计，可以提高车辆的操控性能，增强驾驶体验。（5）.制动性能：评估前悬架在制动过程中的表现，确保制动时车身的稳定性和安全性。这包括检查制动点头现象、制动距离等参数。（6）.耐久性：对悬架系统进行耐久性测试，模拟长时间、高负荷的行驶条件，检查各部件的磨损和变形情况，以确保悬架系统的使用寿命和可靠性。二、参数确定悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同配合确定。此次设计是对比亚迪宋plus的前独立悬架设计。参数如表2-1所示2.1比亚迪宋plus基础汽车的参数数据项目项目参数车型级别能源类型长/宽/高（mm）发动机最大功率(kW)电动机最大功率(kW)发动机最大扭矩(N·m)电动机最大扭矩(N·m)轴距(mm)前轮距(mm)后轮距(mm)整备质量（kg）满载质量（kg）前轮胎规格尺寸后轮胎规格尺寸前悬挂形式发动机布置形式比亚迪宋plus紧凑型suv混合动力4775/1890/167081(110Ps)145(197Ps)13532527651630163017702145235/50R19235/50R19麦弗逊式独立悬挂前置后驱表2-1比亚迪宋plus汽车的基础参数数据2.2悬架其他主要参数的选定在确定零件尺寸之前，需要先确定悬架的空间几何参数。麦弗逊式悬架的受力图如图3-1所示图2-1麦弗逊式悬架的受力分析按图所示，根据车轮尺寸，确定G点离地高度为172.4mm，根据车身高度确定C大致高度为760mm，O点距车轮中心平面120mm，减震器安装角度14°。三．设计与校核3.1悬架各项参数计算3.1.1簧上质量计算车型满载空载发动机前置前轮驱动发动机前置后轮驱动发动机后置后轮驱动47%～60%45%～50%40%～46%56%～66%51%～56%50%～62%表3.1各类乘用车车轴荷分配情况因为比亚迪宋PLUS为发动机前置后轮驱动所以满载取55%,空载取60%满载时：m式中:mq一一前悬架簧上质量，单位：mF一一前轴的载荷，根据表3.1mf一一非簧载质量(簧下质量)，一般占前轴载荷的5%~7%在设计麦弗逊悬架时，偏频是一个影响汽车行驶平顺性的一个重要参数，偏频是汽车前悬架与簧上质量所组成的振动系统的固有频率。可用公式（3-2）来计算偏频，但是对于大多数汽车而言，其悬挂质量分配系数ε=0.8～1.2，因而可以近似地认为ε=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n1，n2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，n1约为1～1.3Hz（60～80次/min）nq式中:nq一一前悬架的偏频，单位：Cq一一前悬架的刚度，单位：N/m2.3.2静挠度的计算不仅前悬架静挠度与偏频之间存在关联关系，同时与前悬架弹簧的刚度也存在关联关系。式(3-3)表示当悬架弹簧的刚度是常数时，静挠度总等于在重力作用下的弹性变形，即:fcq=m式中:fcq一一前悬架的静挠度，单位：此时我们可以根据公式（3-2）与公式（3-3）之间的悬架弹簧刚度，静挠度，偏频三者的关系推导得出公式（3-4）得到静挠度与偏频的关系式fcq=则f则悬架动挠度：fd=（0.5—0.7）QUOTEfcfc取fd=0.5QUOTEfcfc=0.5×173.6＝86.8mm计算值符合表3.3的数据范围，同时满足了，为了得到良好的平顺性对于一般轿车而言，悬架总工作行程（静扰度与动扰度之和）应当不小于160mm。而fc+fd=173.6+86.8=2.3.3刚度计算对公式（3-2）进行推导得到新公式（3-5）即可计算得出Cq=(2弹簧设计1.轮荷、弹簧力、弹簧刚度的计算F式中:Fq一一前悬架的设计轮荷，单位：N。（2）车轮到弹簧的力及位移传动比车轮与路面接触点和零件连接点间的传递比既表明行程不同也表明作用在该二处的力的大小不同。弹簧的刚度Ks与悬架刚度Kx可由传递比建立联系；利用位移传递比ix便可计算出螺旋弹簧的刚度KsKs=Fw其中分数N.Ks当球头支撑B由减震器向车轮移动t值时，根据文献，悬架的行程传递比及力的传递比为ix=1/cos(δ-α)=1.005(4-4)iy=cos(代入数值可得ix=1.005iy=1.022所以，位移传递比iyix为1.027（3）弹簧在最大压缩力作用下得变形量由于比亚迪宋PLUS的前悬架选定的偏频f=1.2Hz.可得汽车悬架的线刚度Cx=4可得到弹簧的刚度CCsF3.2弹簧设计3.2.1弹簧钢丝直径的计算弹簧直径d（mm）0.2～0.40.5～11.1～2.22.5～67～1618～427～145～125～104～104～84～8表3.1常用旋绕比取值范围选择弹簧旋绕比旋绕比（弹簧指数）影响着弹簧的加工工艺，当旋绕比过小时将给弹簧的制作带来困难。一般的选择范围是C=4-8这里初选旋绕比C=8.但是旋绕比作为簧圈平均直径与弹簧钢丝直径的比值，可以通过表3.5来取值。匾时考虑到剪力与簧圈曲率会对螺旋弹簧造成影响，故需要通过式(3-10)计算得到校正系数，即:K=4∙C同时轴向载荷会在钢丝中产生扭转应力，从而会对螺旋弹簧造成影响，可通过式(3-9)计算螺旋弹簧在轴向力作用下的扭转应力，即:τ式中:D一一簧圈平均直径，单位：mm;d一一弹簧钢丝直径，单位：mm;C一一旋绕比;K一一校正系数;τc一一弹簧的扭转应力，单位：N/Fs一一弹簧力N该公式变形可得d=8∙F式中:[τc]一一许用静扭转应力，采用碳钢材料时，常取500N/mm此时我们即可通过公式（3-11）得出弹簧钢丝直径实际值dd=根据旋绕比和弹簧钢丝直径实际值，将其带入公式（3-12）即可计算得簧圈平均直径。D式中:D一一弹簧钢丝直径实际值，单位：mm（4)弹簧静挠度的计算可根据式(3-13)结合弹簧力与弹簧刚度，计算螺旋弹簧的静挠度f（5)弹簧圈数的计算然后可以结合弹簧刚度的变形公式(3-14)计算弹簧的工作圈数，即:ns=G式中:nsG一一切变模量，N/mm,查阅文献可知：碳素弹簧钢丝(GB/T4357)切变模量为79×103N/mm,为了保证车辆的稳定安全性所以弹簧总圈数通常要比工作圈数多1.5～2圈所以本次设计的弹簧总圈数取12圈。即n=12（7)动挠度的计算当螺旋弹簧在最大压力作用下，相邻簧圈的间隙一般始终保持在0.5～1.5mm。本次设计中取0.5。因此我们可以用式(3-15)来判断动挠度的数值，f式中:fds一一螺旋弹簧动挠度，单位：（7)最大弹簧力的计算根据静挠度与动挠度的数值，可通过式(3-16)计算最大弹簧力Fsmax=(8)扭转应力的计算和校核根据式（3-17）计算最大弹簧力作用下的扭转应力，即:τm=8∙式中:Zm一一最大弹簧力作用下的扭转应力，;然后通过式(3-18)校核螺旋弹簧所需承受的最大应力，即:τm<【τ式中:【τm】一一最大许用扭转应力，采用碳素材料时，常取800为保障安全性，本次设计取【因为756.84<800成立所以本次设计3.3减震器的设计3.3.1减震器作用及类型减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。汽车悬架系统中广泛采用液力式减震器。其作用原理是，当车架与车桥作往复相对运动时，减震器中的活塞在缸筒内业作往复运动，于是减震器壳体内的油液反复地从一个內腔通过另一些狭小的孔隙流入另一个內腔。此时，孔与油液见的摩擦力及液体分子内摩擦便行程对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转换为热能，被油液所吸收，然后散到大气中。减振器大体上可以分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。故名思义，摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很易受油、水等的影响，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、易调整等优点，但现代汽车上已不再采用这类减振器。液力减振器首次出现于1901年，其两种主要的结构型式分别为摇臂式和筒式。与筒式液力减减振器振器相比，摇臂式减振器的活塞行程要短得多，因此其工作油压可高达75-30MPa，而筒式只有2.5-5MPa。筒式减振器的质量仅为摆臂式的约1/2，并且制造方便，工作寿命长，因而现代汽车几乎都采用筒式减振器。筒式减振器最常用的三种结构型式包括:双筒式、单筒充气式和双筒充气式。3.3.2双筒式液力减振器双筒式液力减振器双筒式液力减振器的工作原理如图4-4所示。其中A为工作腔，C为补偿腔，两腔之间通过阀系连通，当汽车车轮上下跳动时，带动活塞1在工作腔A中上下移动，迫使减振器液流过相应阀体上的阻尼孔，将动能转变为热能耗散掉。车轮向上跳动即悬架压缩时，活塞1向下运动，油液通过阀Ⅱ进入工作腔上腔，但是由于活塞杆9占据了一部分体积，必须有部分油液流经阀Ⅳ进入补偿腔C;当车轮向下跳动即悬架伸张时，活塞1向上运动，工作腔A中的压力升高，油液经阀Ⅰ流入下腔，提供大部分伸张阻尼力，还有一部分油液经过活塞杆与导向座间的缝隙由回流孔6进人补偿腔，同样由于活塞杆所占据的体积，当活塞向上运动时，必定有部分油液经阀Ⅲ流入工作腔下腔。减振器工作过程中产生的热量靠贮油缸筒3散发。减振器的工作温度可高达120摄氏度，有时甚至可达200摄氏度。为了提供温度升高后油液膨胀的空间，减振器的油液不能加得太满，但一般在补偿腔中油液高度应达到缸筒长度的一半，以防止低温或减振器倾斜的情况下，在极限伸张位置时空气经油封7进入补偿腔甚至经阀Ⅲ吸入工作腔，造成油液乳化，影响减振器的工作性能。图4-4双筒式减振器工作原理图1-活塞；2-工作缸筒；3-贮油缸筒；4-底阀座；5-导向座；6-回流孔活塞杆；7-油封；8-防尘罩9-活塞杆振器特性曲线的形状取决于阀系的具体结构和各阀开启力的选择。一般而言，当油液流经某一给定的通道时，其压力损失由两部分构成。其一为粘性沿程阻力损失，对一般的湍流而言，其数值近似地正比于流速。其二为进入和离开通道时的动能损失，其数值也与流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影响。由于油液粘性随温度的变化远比密度随温度的变化显著，因而在设计阀系时若能尽量利用前述的第二种压力损失，则其特性将不易受油液粘性变化的影响，也即不易受油液温度变化的影响。不论是哪种情形，其阻力都大致与速度的平方成正比。通常情况下，当减振器活塞相对于缸筒的运动速度达到0.lm/s时阀就开始打开，完全打开则需要运动速度达到数米每秒。减震器特征曲线有三种典型，第一种为斜率递增型的，第二种为等斜率的(线性的)，第三种为斜率递减型的。其中第一种在小速度时，阻尼力较小，有利于保证平坦路面上的平顺性，第三种则在相当宽的振动速度范围内都可提供足够的阻尼力，有利于提高车轮的接地能力和汽车的行驶性能。根据汽车的型式、道路条件和使用要求，可以选择恰当的阻尼力特性。3.3.3其他减震器的优缺点与前述的双筒式减振器相比，单筒充气式减振器具有以下优点:①工作缸筒n直接暴露在空气中，冷却效果好;②在缸筒外径相同的前提下，可采用大直径活塞，活塞面积可增大将近一倍，从而降低工作油压;③在充气压力作用下，油液不会乳化，保证了小振幅高频振动时的减振效果;④由于浮动活塞将油、气隔开，因而减振器的布置与安装方向可以不受限制。其缺点在于:①为保证气体密封，要求制造精度高;②成本高;③轴向尺寸相对较大;④由于气体压力的作用，活塞杆上大约承受190-250N的推出力，当工作温度为100℃时，这一值会高达450N，因此若与双筒式减振器换装，则最好同时换装不同高度的弹簧。双筒充气式减振器的优点有:①在小振幅时阀的响应也比较敏感;②改善了坏路上的阻尼特性;③提高了行驶平顺性;④气压损失时，仍可发挥减振功。3.4经济性指标分析当我们讨论前悬架的经济性指标分析时，实际上是在探讨悬架系统对车辆整体经济性能的影响。在本次的设计中，通过改进了以下几个方面以提高整体的经济性。首先是提高了悬架系统的可靠性和耐久性,以此降低了零件更换、定期保养等方面的频率，减少了维修次数及维修成本；其次是该悬架系统的操控性和稳定性更好，可以减少一部分不必要的燃油消耗，提高燃油效率；还有降低了材料的成本，使用了低成本但是同样性能可靠的材料，以此降低制造成本；最后因为在本次设计中所使用为新型材料，可以降低环境影响并提高可持续性。3.5减震器参数设计3.5.1相对阻尼系数相对阻尼系数ψ的物理意义是：减震器的阻尼作用在与不同刚度C和不同簧上质量ms阻尼系数表达式为ψ=式中:δ一一悬架的阻尼系数;ψ一一相对阻尼系数。 通常情况下，将压缩行程的相对阻尼系数ψc取小些，伸张行程时的相对阻尼系数ψ0取得大些，两者之间保持ψc在减振器设计过程中，应根据不同悬架结构形式或车型来优先确定减振器相对阻尼系数，主要分为三种情况:1.对于弹性元件不存在内摩擦的悬架来说，取ψ=0.25～0.35，