《汽车多连杆悬架系统的优化设计14000字（论文）》

汽车多连杆悬架系统的优化设计摘要从汽车开始出现到如今，汽车有关性能发展的越来越好。汽车悬架系统即是汽车综合指标的一部分，为了提高汽车的综合性能，本次设计是基于某乘用车的后悬架系统——多连杆悬架，进行分析与优化设计。通过查找相关书籍和文献，在设计中序言部分介绍了悬架系统的作用，之后分别介绍悬架系统国内外现状、研究目和研究意义。接着，对不同独立悬架的特点进行简单的介绍，如今，汽车制造技术越来越发达，所带来的好处是制造费用变低，不管是贵的汽车还是便宜的都能用上多连杆悬架系统，汽车的各个性能都得到相应的提高，该悬架系统被越来越多的汽车厂家喜欢。最后，设计中以多连杆后悬架系统为目标，进行车型的选用，利用该车型悬架系统主要性能进行参数设计、选用和计算、校核。采用三维软件对悬架进行建模，随着进行受力分析及优化。基于汽车多连杆悬架的选型，相关数据计算以及分析，该车型多连杆后悬架经过参数的设计，汽车的平顺性和舒适性等性能得到了改良。关键词:多连杆，后悬架，优化目录摘要 I前言 6第一章绪论 71.1悬架系统概述 71.2国内外发展及现状 81.3课题研究的目的及意义 91.3.1课题研究内容 10第二章悬架的概述 112.1汽车悬架的类型 112.2.1非独立悬架 112.2.2独立悬架 112.2本次设计车型后悬架结构型式的确定 14第三章确定悬架主要参数以及计算 153.1应用车型重要参数确定 153.2悬架偏频的选择 153.3悬架静挠度的计算 163.4悬架动挠度的计算 173.5悬架刚度的计算 18第四章弹性元件的设计与计算 204.1对弹性元件结构进行选择 204.2弹簧几何参数的计算 204.2.1弹簧所受的压力 204.2.2位移传递比及弹簧的刚度计算 214.2.3弹簧的最大变形量和后悬架的刚度计算 214.2.4满载时弹簧钢丝的几何参数 224.3弹簧的校核 244.3.1弹簧的刚度校核计算 244.3.2弹簧表面的剪切应力校核 24第五章导向机构设计 255.1导向机构设计要求 25第六章多连杆悬架的受力分析 266.1车轮上仅受到垂直力Fv作用 266.2车轮仅受到侧向力FL的作用 306.3车轮上仅受制动力FB作用 316.4车轮上仅受驱动力FA作用 32第七章多连杆独立悬架的三维分析 337.1solidworks简介 337.2多连杆后悬架的三维图 33结论 34参考文献 36前言如今，人们已经从以前落后的工业经过不断努力而渐渐变得更好，其中汽车制造行业也是不断取得进步。所以，人们关注的不仅是汽车的驱动特性，而是加大了在舒适性和稳定性等方面的要求，而汽车悬架在车辆行驶的平顺性、操纵性和乘坐舒适性等方面的作用是巨大的。目前许多汽车安装的都是独立悬架，是因为独立悬架的车轮与地面有较好的接触性能与操纵稳定性、舒适性等方面，很多都优于非独立悬架，所以许多类型的汽车都使用的是它。在独立悬架当中使用量最多的是麦弗逊式悬架系统和拖拽式悬架系统，因为其成本相对较低。恰恰相反，多连杆式独立悬架系统由于制造成本相对较高而很少被使用，后来，由于国内外汽车制造能力越来越好，汽车零件的制造成本相对之前减少了很多，多连杆式独立悬架系统将会被汽车厂商大量的使用。在汽车研究当中悬架是及其重要的部分，但是想找到关于悬架的资料还是有点困难的，在期刊和论文中可能会找到，但是如果想从专著当中去寻找资料还是比较难找的，因为关于悬架的专著并不是很多。不管是在图书馆，还是其他地方查找，可查找的书籍都屈指可数。第一章绪论1.1悬架系统概述悬架是由车身、车架和轮胎组成，它可以使地上的冲击通过轮胎传到车架或者车身上的一种装置。其装置的构成要素有减振器、弹性元件、导向机构等部件[1]。在坑坑洼洼的路面中，汽车会受到来自地面上的振动，随后汽车会接收到这些振动，它们在行使过程中通过导向机构进行传递。这时，悬架系统可以发挥自身作用来降低不平路面所带来的冲击力从而使汽车振动性变低，舒适性变得更好。总的来说悬架装置在汽车当中所占的分量是非常大的，其悬架装置的构成要素有减振器、弹性元件、导向机构等部件。看起来组成悬架系统的零件不是很复杂，但恰恰相反，其复杂方面是因为悬架系统在和汽车进行匹配的时候要从车辆的舒适度和操控稳定性两个方面综合起来看。对这两个性能分析时是分开进行的，这样能更好的加强舒适度和操控稳定性两个性能。从以下分析就可以看出，比如我们可以加大弹簧的柔软性，因为弹簧可以让汽车在行驶时受到的冲击起到缓冲作用。这会让舒适性得到提高。而从整车另一个性能来看，加大弹簧柔软性时，由于弹性元件的压缩性能会对汽车产生不好的影响，这些影响包括:在转弯时可能会产生严重的侧倾现象，还有在加速或者减速时会使车身的俯仰程度过大等性能。悬架系统的作用有以下几点:①可以将汽车轮胎中的力进行运输；②可以缓冲因路面不平而带来的振动，同时能迅速减少来自缓冲载荷所带来的振动，使车辆行驶的更加的平稳[2]。悬架系统与汽车的多项综合性能相关联，并且相互影响，为了使这些性能更大的体现出来，使车主体验更加，悬架装置要满足以下的性能指标的。首先，悬架要达到乘客乘坐的舒适性这一要求。对于小桥车来说，车辆行驶所导致的振动加速度应该要比国标的最大值要低一点；然后应该降低轮胎动载量和跳动量。最后要减小汽车速度变化时的俯仰大小以及降低轮胎的跳动量。更重要的是，悬架系统自身的强度和硬度一定要高，这样在悬架才能更稳定的工作，这样会延长悬架的应用时间。因为悬架的类型是很多的，所以不同车型所匹配的悬架系统也会不一样，但是悬架结构的组成是不变的。而且这些构件都有着各自的功能，这些构件可以减少来自不平路面所带来的冲击，也会使汽车车架以及各种零件得到更好的保护，减振器的作用是可以减小弹性元件受到冲击时所带来的振动，而且如果汽车长时间行使，会降低乘车人员的体验感受，会让他们疲劳感加大。同时，汽车行驶的稳定性也会受到振幅的影响，我们可以通过减振器来减弱这些不良的影响。悬架系统的导向机构在导向方面发挥了很大的作用，它可以使轮胎车辆在行使过程中沿着一定的轨迹行使，增加汽车的行使稳定性。辅助弹性与元件中的横向稳定器被用来预防拐弯时会发生侧倾的情况被大范围的运用在很多不同类型的车身上。悬架质量、非悬架与悬架自身的质量共同构成了汽车悬架的振动系统。人们乘坐汽车是否舒服与振动系统息息相关，它不单单是使人们坐车会感到不适，还会使汽车行使速度变差和磨损汽车的零件。该系统还会加大汽车轴承、运行系统等不同零件的动载荷，从而降低这些零件的使用时间。1.2国内外发展及现状如今，汽车制造技术越来越强、控制理论也在不断更新，汽车悬架技术也是紧跟其后，对于悬架方面的设计研究更是不断朝前发展。主动悬架和半主动悬架是利用振动控制的，而这些决定了悬架系统是朝着哪个方向发展的[3]。在1950年的时候，Er-spiel.labrosse给出了主动悬架的概念，后来Thompson在主动悬架系统的基础上，把全状态反馈加了进来[11]，整合这两种性能之后应用到汽车当中，汽车的多项性能得到了改良。1980年，多种汽车公司都使用上了汽车主动悬架系统[4]，该类型悬架的出现，汽车的很多性能都比之前好了很多。凡事都有两面性，主动悬架系统耗能量较高、其结构也是非常的复杂，所以该悬架的发展并不是很顺利。在1970年之后，悬架系统由主动悬架慢慢发展为半主动悬架。半主动悬架结构不是很复杂、其能量的消耗也是比较低，但其悬架性能比主动悬架的好太多，这也是他快速发展的主要原因，购买该悬架的厂家更是络绎不绝[5]。在1900年到1999年，发展较为成熟的就是半悬架系统，它最大的缺点在于材料的应用与选择。针对这个缺点，人们研发出了一种能主动检测到路面的概况，并且会跟着路面情况对阻尼进行调节[6]。不同类型的汽车都可以采用该悬架系统。悬架理论在不断加强的过程中，同时也增加了与控制理论之间的联系。悬架理论所涉及到的范围是非常广的，它与自动控制理论相互配合[7]，而且会跟着现代控制理论不断得到优化，更重要的是还应用到了模糊以及神经网络控制等最优化当中的控制理论知识。在悬架理论当中，其比例积分和微分控制系统占据重要地位，PID控制就是利用到了比例积分和微分，用其来计算出系统误差量从而更好地对系统做出相应调节[8]。悬架系统有着复杂的结构构成，这时必须要用到模糊控制。模糊控制是通过模糊数学演变得到[9]，模糊控制多使用在存在变量较多的悬架系统当中。近年来，人们对主动悬架作动器做出了大量研究，研发出较多的新型产品，例如有反作用式作动器、压电陶瓷等。如今电力系统中的伺服电机发展的很快，现在使用最多的是永磁直流直线伺服电机，很少看到液压作动器的影子了，因为电磁能量储存器、自校正控制器以及参数估计等原理的出现，所以耗能少且具有多种性能的电磁储能自适应主动悬架将会被设计出来[10]。考虑到在实用中需要很高的经济效益，必须设计出一类能进行有效控制、能耗低、成本价格低廉的汽车悬架系统。为此，设计合适的悬架系统电控技术将考虑到其非线性的这种特性，逐渐改进汽车悬架系统的振动性能。1.3课题研究的目的及意义当前，越来越多的企业都比较注重悬架的研究和调校，目的是能提高悬架的相关性能，保证乘车人员更好的驾乘体验。考虑到悬架对汽车性能的影响尤其重要，因此本次以本田雅阁2021款雅阁260TURBO豪华∙星空限量版汽车为研究对象，对其后悬架进行深入的研究及改良设计。根据专业以及老师的要求，要着重培养下面的能力:查阅文献，文献阅读以及翻译的能力；将所学的基础和专业知识运用到现实生活中来；具备查阅并使用相关机械设计手册的技术能力；分析和设计制图两方面得到加强，加强在计算机上利用软件制图的能力；使自己能够独立完成设计说明书或论文。1.3.1课题研究内容汽车使用多连杆悬架，其操纵性和稳定性会变好，而且会增加乘车人员乘车的舒适感，多连杆悬架系统是根据其构件与构件或与链接点之间的相互制约而研发出来的，汽车行驶方向都是通过悬架来调节的，所产生的自由度是比较大的。所以大多数汽车都会优先选择多连杆悬架系统。如果想要提高汽车的操纵性和稳定性，在多连杆悬架系统进行受力分析加以改良是极其重要的一件事。在汽车行驶过程中最缺少不了平顺性指标这一关键环节，汽车行使的平稳性，就表示着汽车运行时的振动程度将会越低。平顺性会对汽车性能造成不利影响，平顺性不但影响驾车体验,还会影响汽车的运行性能,对汽车的寿命有很大影响。它也被认为是衡量一辆汽车的经济性以及货物配送效率的一个重要指标。从外在因素来分析对乘坐舒适性的影响有两个原因:1.坑坑洼洼的道路，这是了汽车产生振动的来源；2.构成汽车各个零件本身的原因，比如有惯性参阻尼等。在对汽车振动产生的原因做出分析之后，绘制出多连杆悬架系统模型，利用相关知识对悬架动静挠度进行计算、以及对汽车受到路上的不同冲击力进行分析，对汽车平顺性进行检测。这样既能提高汽车性能，也可以大大减少了设计优化所需要的时间，具有深远意义。课题研究的主要内容:1.调查分析研究国内外汽车后悬架系统的技术发展现状、未来市场发展趋势、当前和未来市场等；2.对汽车悬架选出较合理的多连杆悬架进行设计；3.对悬架重要参数进行分析以及计算；4.通过受力分析并且加以优化；5.对较重要的零件进行计算和检验；6.利用制图软件分别画出三维和二维图形。第二章悬架的概述2.1汽车悬架的类型2.2.1非独立悬架非独立悬架其结构是非常独具特色的，即由一体式的车体连接左右两边轮胎，轮胎经由弹性元件与桥架一同连接在车身或车架下方[11]。非独立悬架的优势有:1.汽车左右车轮弹跳时会对对方产生影响，轮胎倾斜角度的变化不是很大，轮胎磨损量较小。2.车轮角度在车架及车身变动时改变较小，使汽车操纵稳定性好。3.构成简易，制造所耗费材料成本低，维修非常方便。4.空间占用比较小，车底板高度较低。但由于其左右轮在跳动时会相互牵动，会使汽车舒适性较低，目前来说乘用车已基本不选用，多用在载货车上。(a)非独立悬架结构简图 (b)独立悬架结构简图图2.1悬架的结构形式简图2.2.2独立悬架汽车的独立悬架系统的两侧轮胎由弹性元件与车身相连[12]。最大的好处在于:较轻的重量，车身、车架所受的振动比较低，轮胎更贴合于地面；使用弹性元件应尽量采用弹性的刚度小一点，使用软性弹簧就可以达到这个目的，这时人们乘车会感到舒服一点；为了车身重心处较低的位置，该发动机也是与地面贴合的状态，汽车在行驶当中更加稳定。车身两边的轮胎在弹跳时是相互独立的，这样可以避免行驶在凹凸道路上受到振动。凡事有利有弊，其加工费用较高，构件组成较多，不利于维修[11]。因为独立悬架优点大于不好的地方而被轿车大量使用，独立悬架的种类有以下几种:(1)横臂式悬架系统横臂式悬架是说车轮的跳动是在横向范围内的，因为其横臂数目的差异被划分为单纵臂式和双纵臂式两种形式。单横臂式悬架其结构不是很复杂，有着较高的倾侧中心，汽车发生倾斜时其抵御倾作用非常强。而不好的地方在于这种结构在高速行使时极易发生甩尾，而且车轮频繁跳动的同时会增加轮距的距离而使轮胎的磨损变大，目前应用的不多。臂式的结构形式有A字形和V字形两种，如图2.2所示。由于双臂式的长度可能长短不一，所以双臂式有长度相等和长度不相等双横臂两种形式。使用双横臂式可使轮胎在竖直方向上得主销倾角得到增加，但是可能会带来和单横臂一样不好的影响，轮胎间距变化较大，因此使用的范围也较小，当前不等长式横臂式的使用量是最多的。针对不等长式，只要使横臂的长度和布置符合加工要求，并加以优化，就可以使汽车各个参数的跳动范围控制在合适的范围内，从而使汽车行使稳定性变得更好而被使用的范围也越来越广。(1)A字型 (2)V字型图2.2双横臂式悬架系统(2)多连杆式独立悬架系统多连杆式独立悬架其轮胎的运行状态是根据连杆数来进行调节的一种悬架系统。从图2.3可以看出，其轮胎的跳动范围从不会超过汽车的纵轴线之外的地方。纵臂式和横臂式当中所具有的优良性能，多连杆独立悬架都有。根据其与轴线夹角的之间的变化，更能显示出上面两种悬架较好的性能，这样能更好的提高汽车的性能，多连杆式独立悬架在各个连杆的配合之下，不仅能给乘车人员带来比较乘坐舒适性，在遇到路面颠簸时，路面与和车辆之间的垂直度的足够的，更好的改善汽车的侧倾大小，进而使轮胎与地面处于更加贴合的状态图2.3多连杆式独立悬架系统(3)纵臂式悬架系统纵臂式独立和横臂式独立悬架没有多大的差别，只是轮胎的摆动范围不同，横臂式是横向的，纵臂式是在纵向的。从图2.4可以看出，纵臂式也有有双纵臂式和单纵臂式两种类型，单纵臂式会致使轮胎的主销后倾角变大，这种就不适合安装在需要控制方向方面的汽车，双纵臂式悬架就能很好地解决这个问题，无论轮胎的弹跳性多大，其主销后倾角是没有变化的。而且双纵臂式的摆臂长度是不分长短的，控制车轮转向的汽车可以采用这一种悬架。所以在使用该悬架时要看是否符合哪种类型的汽车。图2.4纵臂式独立悬架系统(4)麦弗逊式悬架系统如图2.5，从机构运动的变化角度来看，麦弗逊式悬架系统是对双横臂式悬架加以改造的一种悬架系统。它的结构相比其他悬架来说的小得多的，因为麦弗逊是将悬架零件设计成一种形式，所以结构较为简单，放在汽车里可以节约很大的空间，可以减少制造费用，便于其他构件的设置。所以麦弗逊比较适合安装在比较便宜的汽车上。缺点为它所占有的自由度不是很高，很多性能都会大大减少，而且因为其减振器所放的位置与轮胎离得太近，不利于增减其他东西，要在雨雪天气加入防滑装置是非常困难的。图2.5麦弗逊式悬架系统2.2本次设计车型后悬架结构型式的确定后悬架的结构形式多种多样[13]，但是大多数汽车都会优先选择多连杆或者双横臂作为汽车的后悬架。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，能使用在需要控制的车辆转向的汽车类型上，能使汽车在行驶当中更加的平稳以及更方便操纵。接下来谈谈双横臂悬架的好处:它的悬架结构比较丰富，在此基础上加大设计和优化力度会让汽车的行使更加平顺，而且其运动特性是符合标准的。参照本次设计车型为本田雅阁2021款雅阁260TURBO豪华∙星空限量版，本田雅阁是属于中级轿车，其最大作用就是载人，所以设计的目的更多是使汽车行驶更加平稳，需要有比较好的导向性，其悬架强度要大，这样可以减小路上所带来的冲击，乘坐性更佳，这种车型所使用的悬架有多连杆和麦弗逊悬架系统，比较之后本次选用四连杆后悬架作为本次车型的后悬架。第三章确定悬架主要参数以及计算3.1应用车型重要参数确定这次设计采用的是本田雅阁2021款雅阁260TURBO豪华∙星空限量版，本车该车型所需要设计参数如表4.1所示。表3.1选用车型主要参数车身长/宽/高4893/1862/1449前轮距(mm)1600后轮距(mm)1610轴距(mm)2830装备质量(kg)1495前轮胎规格225/50/R173.2悬架偏频的选择从实践和理论研究两个方面可以看出，汽车所产生的固有频率，是导致汽车行使稳定性差的主要原因[1]。而且根据汽车类型的不同对于平顺性指标不尽相同。比如，乘坐舒适性是乘用车非常看中重的一个功能，平顺性对于乘用车来说是非常重要的。客车里载人量最大，安全和稳定这两个性能是重中之重，在平顺性方面的需求可能就小于其他车辆，而货车的作用就是用来运输货物的，对于平顺性需求程度比较小。我国对偏频有要求，汽车发动机引擎排量数值低于在1.6L的话，前悬架n1应用范围在1.03~1.45Hz,后悬架n2达到在1.19~1.59Hz这个范围，按道理来说，乘用型车辆的n在一定区间内随着排量的增多，n会跟着变低，要求车辆满载时其前悬架n在1.02~1.44Hz，后悬架n2在1.18~1.58Hz。对于运输货物的车辆来说，其悬架n为:前悬架n1为1.51~2.04Hz，后悬架n2本次设计车型为中级轿车，对n的要求还是很高的，为了改善乘坐的舒适性，对于本田雅阁汽车的前、后悬架的n分别要求在1.02~1.44Hz、1.18~1.58Hz之间。对于本设计所采用的n为:n1=1.2Hz，n3.3悬架静挠度的计算当汽车处在静止状态当中，且此时的车辆满载荷，作用在悬架上的载荷悬架系统的Fw比上悬架的刚度C称为动挠度，用公式表示为F固有频率(也叫做偏频)，该参数对车辆进行悬架构件设计中产生比较大的影响，对汽车行使过程中的平顺性起着很大的作用。汽车的前、后悬架的n:n1、nn1=12πcn2=12πc2公式中的参数含义分别: C1——其刚度是汽车前悬架的刚度值C2——其刚度是汽车后悬架的刚度值m1——其质量是汽车前悬架的质量m2——其质量是汽车前悬架的质量在汽车悬架刚度是常数C时，而且所使用的悬架弹性特性处在线性状态时，其静挠度公式分别为:fc1=m1gcfc2=m2gc其中，g为重力加速度(g=9.8/s2)将fc1、ffc1=4.98fc1fc2=4.98fc2从式(3-5)、(3-6)可得: fc1=(fc2=(5n2)然后根据公式(3-7)和公式(3-8)可获得，无论是在哪种情况下，悬架的静挠度fc1、fc2和悬架的偏频n1想要让汽车行驶比较平顺，就要对静挠度做出比较合理的选择，大多数对静挠度进行选用是后悬架的静挠度fc2小于前悬架的静挠度fc1。许多数据表明:当汽车行驶时同时满足速度较快、路面凹凸不平两个条件时，n1n2<1时的车身纵向角振动要小于选取前、后悬架n为n1=1.2Hz，n2=1.3Hz。代入公式(3-7)和(3-8)中，得fc1=17.36，fc2=14.79cm3.4悬架动挠度的计算悬架动挠度取值较合理的话，可以减少汽车在行使过程中碰撞限位块的次数。悬架系统的动挠度为:汽车这时的载荷必须是满载荷而且静止状态作为起点，其悬架系统变化到极限的状态下，用车身作为参照物时轮胎的位置变化大小。一般设计中，不同车型的车辆动挠度的距离也会有不一样的要求，对桥车来说，后悬架fd2取值为fd2=10~14cm;对于客车fd2=5~8cmfd2=(0.5~0.7)fc2 取fd2=0.6cm fd2不同路面行使的汽车fd/ffd23.5悬架刚度的计算已知:该选型整车装备质量大小为:m=1495kg,其悬上质量为1395kg;取悬下质量为100kg，满载时总质量为:M=1495+5×70+200=2045kg。本田雅阁2021款雅阁260TURBO豪华∙星空限量版为发动机前置前驱，则轮胎由轴荷分配范围表如下所示:空载后轴单轮轴荷:m满载后轴单轮轴荷:则后悬架的满载的刚度为:C=表3.2不同类型汽车的轴荷所占据比例车型空载满载汽车前轴汽车后轴汽车前轴汽车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%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%第四章弹性元件的设计与计算4.1对弹性元件结构进行选择弹性元件类型较多，螺旋弹簧这种弹性元件深受汽车厂家的追棒，目前轿车都会优选其作为弹性元件[14]，螺旋弹簧优点在于有较高的使用价值、制造简单、减少制造费用，正是因为这些优点，在这次设计当中所采用的弹性元件是螺旋弹簧，以它作为参照车型后悬架的弹性部件。在多种弹性元件中螺旋弹簧当中的使用量是最多的，因为螺旋弹簧质量较轻，占据车身的面积比较小，使用方便。在悬架中，大多数的力和力矩都被导向机构所吸收了，而螺旋弹簧受到的力只有沿轴线这一种力，因为所要承受的载荷不多，所以其弹性特性是很好的。在悬架中使用螺旋弹簧比使用其他弹性元件更容易得到其非线性悬架弹簧特性，也能使汽车的平顺性得到相应的提高。直到今天，更多的汽车都会选择它作为弹性元件[15]。在这次设计，通过观察车型的结构特点，采取60Si2MnA作为弹性元件原材料，与材料有关的特性参数见4.1所示。表4.1弹簧材料特性参数许用切应力[δ]许用剪应力[δ]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后悬架的设计参数是通过前面章节计算得出的结果，经整理之后如表4.2所示。表4.2设计参数后悬架满载荷m后悬架空载荷m后悬架总质量m后悬架设计偏频n1022.5kg598kg102kg1.3Hz4.2.1弹簧所受的压力用以下公式来计算弹簧所受到的压力P=0.5m1g在公式中:P——弹簧受到的压力m1g——重力加速度 9.81m/弹簧所受到的最大的力:Pmax=K×P 式中，k——弹簧动荷系数，K取2.5，得出P4.2.2位移传递比及弹簧的刚度计算以传动比作为媒介建立起与弹簧刚度ks之间的联系:螺旋弹簧的刚度ks可以利用其与传递比Ks=FwFF其中N'VvKs=kxix查表得:ix=1.185，通过前面章节计算得到f=1.3Hz，利用以下公式对线刚度Kxk=4×=32.66(N/mm) (4-5)弹簧的刚度KsKs=kxi4.2.3弹簧的最大变形量和后悬架的刚度计算弹簧的最大变形量与最大压力Pmax和刚度Ks都有关，其与PmaxF=PmaxKs=依据后悬架刚度CsCs=(2πn)2ms 式中:Cmsn——汽车后悬架的偏频，Hz，通过前面章节计算得出后悬架偏频为2Hz，当汽车处在满载状态时时，在第3.5章节得出:mn=1.3Hz汽车满载刚度计算为:C=34075.27N/m (4-9)汽车处在空载状态时，从3.5章节得出:mn=1.3Hz汽车空载刚度计算为:C=19928.62N/m (4-10)对汽车空载与满载时的刚度分别计算时其结果和3.5章节计算的结果相近，所以刚度计算结果是对的。4.2.4满载时弹簧钢丝的几何参数汽车在满载时，可以利用以下公式计算弹簧钢丝的几何参数:Cs=Gd4从(4-11)式可得:d=48∙D23在该公式中:i——其有效工作参数i=6G——其剪切弹性模量数值为8.3×D2应用下列公式计算弹簧螺旋比:C=D2d 在弹簧应用中，弹簧材料、直径相同时，弹簧刚度与螺旋比的大小有关，它的值小，弹簧的刚度和硬度值会跟着变大，不容易卷制成形。但若螺旋比值过大，弹簧卷制不紧，这时的弹簧比较软，使用时会产生振动。弹簧丝直径参数与其对应的螺旋数量如表4.3:表4.3弹簧直径所对应螺旋比取值范围弹簧丝直径0.2~0.50.5~1.11.1~2.52.5~77~16>16螺旋比7~145~125~104~94~84~16螺旋比取值范围为4~8，这时选用6作为螺旋比数值，弹簧的直径为13mm，选择的弹簧中径D2弹簧总圈数为:n=i+2=6+2=8 (4-14)(4-14)式中:i——弹簧工作圈数由以下公式计算出弹簧节距PP=D23=78两圈间隙δ通过以下公式计算:δ=P−d=26−13=13mm (4-16)弹簧的自由度由为:H0=PZ1弹簧的螺旋升角:α=tan−1p/(π∙d4.3弹簧的校核4.3.1弹簧的刚度校核计算其弹簧刚度计算公式为:式中i——有效工作参数 6G——剪切弹性模量8.3×D2d——弹簧直径13mm利用公式计算得:C4.3.2弹簧表面的剪切应力校核弹簧在使用时会导致剪切变形的发生，可采用以下公式来表示其表面切应力:τ=8PDmk'式中，C——弹簧的螺旋比，C=k'k'=(4C−1)(4C−4)+0.615P指弹簧所受的压力，P=代入公式得弹簧的剪切应力为:τ=576.86MPa使用以下公式对弹簧许用剪切进行计算τ=0.75δ=0.75×1000=750MPa 因为:τ<[τ]，该弹簧剪切应力比较合理。弹簧设计参数如下表所示。表4.4根据上述确定弹簧最终参数螺旋角C节距t弹簧高度内径D外径D弹簧圈数n6°26mm227.5mm65mm91mm8第五章导向机构设计5.1导向机构设计要求根据导向机构的不同，悬架系统类型繁多，导向机构在悬架中的作用是巨大的，他的作用有以下两点:第一承受较多的力和力矩；第二是汽车行驶过程中，对汽车轮胎起导向作用。尤其对连杆数较多的多连杆悬架作用最大。所以所设计的导向机构应满足以下要求(1)以车身为基准，当汽车轮胎发生变化时，可以使轮胎在合理范围内变化，继而让轮胎磨损量较小；(2)当轮胎产生在竖直方向上的位置变化时，后轮定位参数变化不会超过规定的大小；(3)汽车在弯道行驶过程中，轮胎和悬架在侧倾方向要同步，以降低车辆转向不足所带来的不良影响；(4)车辆发生倾斜时具有适当的倾侧中心，确保刚度指标达到要求;(5)为了减小部件的弹性变形程度，确保导向机构的精度得到提高，所设计的各个铰接点处所受力大小要小一点；(6)设计的导向机构疲劳强度、刚度等必须合理。多连杆导向机构在独立后悬架系统中的使用量非常高，通常有4连杆悬架和5连杆悬架，在轮胎受到多种力与力矩或者需要控制转向的场合经常用到。第六章多连杆悬架的受力分析在汽车行使过程中，通过连接车轮与车身的多连杆机构要吸收和传递来凹凸地面不同的力和力矩，为保证汽车零部件有足够的性能，对悬架零件的各个力作出分析是非常关键的，研究数据表明，垂直力、侧向力等对悬架零件性能的影响非常大。6.1车轮上仅受到垂直力Fv作用(1)悬架控制臂没有冲击限位块的情况图示表示的是车轮上受到垂直力Fv 图6.1力学模型 图6.2力学模型其受力平衡方程Fv−FB,z,v+FB,y,v−FQcosφ1其绕B点转矩平衡方程为FvL1−FQFvL1−FQF==204.5N (6-5)已知FvF==≈644.17N (6-6)由(6-1)，可得F=24×cos7°54×(cosF =644.172+153.38(2)悬架上控制臂碰撞控制臂的情况图6.3力学模型假设Fv0是在上连杆刚碰到限位块时的垂直力，Fs为弹簧力为。则当垂直力Fv持续增大时(FFQ,z,v+FB,z,v=下横臂上受到力的冲击时，其在E点的力矩平衡方程为FsL7=FB,z,v如图所示，FB,z,v和F受到的力与A点的力矩平衡方程为FvL1+LF =≈−4880.59N (6-12)把式(6-12)代入式(6-10),得FsL7=FsL7F =≈13699.19N (6-15)由式(6-9)可得FF =511.25−=−13187.94N (6-16)在水平方向上的受力平衡方程为F ==4051.72N (6-17)上横臂上受到的力对D点的力矩平衡方程为FpL5=FQ图所示出的FQ,z,vF==21741.67N (6-19)首先要进行的是弹簧力Fs的计算。设悬架的偏频为n,其车轮悬上质量为Mn=12πCMs 式中，虚拟弹簧刚度用C表示为(见图6-15)C= =2×3.14×0.132×1395=929.78N假设悬架在跳动时的动挠度为fd，然后汽车车轮的静载荷用Fvj表示，则当上横臂冲击限位块时，其垂直载荷Fv0= Fv0=511.25可以用(6-6)、(6-7)公式中的Fv0计算FF=≈13496.5N (6-23)F =≈5285.28N (6-24)下横臂在FB,z,v,0FsL7=FF=≈22919N (6-26)要先把弹簧力Fs求解出来，之后再把冲击限位块的力求解出来，冲击限位块的力有F6.2车轮仅受到侧向力FL的作用 图6.4力学模型 图6.5力学模型其力平衡方程为FB,z,L−FqsinFB,y,L−Fq设侧向力为400N,其受到的力在B点的力矩平衡方程为FLL2−FLL2−F=3154cos7°由式(6-27)可得F =31×sin7°54×由式(6-28)可得F =31×cos7°54×F≈409.66N (6-34)6.3车轮上仅受制动力FB作用如图所示，车轮上仅受纵向力FBL9=(L1− 后视图 (b)侧视图图6.6车轮上仅受纵向力FB在B点处建立的力矩平衡方程为FUcosαL在使用车轮制动器时MB=FB(γ−式中，γ是汽车的车轮半径在采用传动轴制动器时，设制动力为3000N,有MF =0−3000×54−3131×cos在水平方向的力平衡方程为FUcosα+FBF=−585.74×cos10°+30003000≈1.16N6.4车轮上仅受驱动力FA作用如图所示，令FA=−FB MB=0 F= = =−3000×54−3154×cosF =146.20×cos10°+3000cos15°如果得出力为负的，则意味着其方向与图6.6中所示相反。第七章多连杆独立悬架的三维分析7.1solidworks简介Solidworks是一种我们常用的三维CAD软件，该软件功能齐全，组件种类多种多样。Solidworks的主要特点有:功能强大、软件创新度较高。这让solidworks变成了被大众广泛接受和采用的三维CAD系统。7.2多连杆后悬架的三维图图7.1多连杆悬架的三维图结论这次的毕业设计是根据任务书的要求，完成多连杆的运动学分析与优化设计，在论文中出现的是介绍本次课题的选题和意义，再就是对悬架系统的国内外近期发展、研究内容做了简要的叙述；另外对独立悬架的基本作用进行一定的认识，对各个悬架的工作原理进行分析，归纳出每个悬架的特点。然后针对悬架给汽车性能所带来的影响做出一定的梳理，再次强调了悬架设计的一些步骤。然后进行的是本次分析和优化的内容，本次设计中我选择了丰田雅阁中级桥车进行优化设计，接下来对悬架的选型进行了确定，对于弹性元件、动静挠度、弹簧刚度等主要参数进行了计算。通过对原有数据的计算以及受力分析，设计出更加完善的多连杆悬架系统。最后在优化完善后，利用绘图软件进行多连杆悬架三维结构和零件图纸的绘制。主要从以下几个部分组成:(1)在设计中充分考虑了悬架和汽车性能之间有很大的关联，确定多连杆悬架参数以及与计算，选择较合适的偏频，完成了悬架动静挠度以及刚度计算。汽车将会行驶的更加平顺；(2)在设计中通过对弹性元件之间的对比，选择螺旋弹簧作为多连杆后悬架的弹性部件，对弹簧刚度以及剪切应力进行计算以及校核。经校核，弹簧的稳定性达到要求；(3)本次设计的多连杆悬架的连杆数量较多，所以强调导向机构设计中导向机构应适应的结构设计指标。通过对多连杆导向机构设计，优化之后汽车轮胎可以合理定位；(4)汽车悬架要受到来自路面不同的力