五菱之光的麦弗逊悬架的设计与分析

）式中，为减振器内缸筒直径；为减振器活塞杆直径与缸筒直径的比值，一般，取带入（2-12）得mm2.5前悬架横向稳定杆的设计通过降低悬架垂直刚度和加装横向稳定杆，来减缓汽车固有的振动频率，从而提高行驶稳定性。通过文献查阅，本文中麦弗逊悬架横向稳定杆直径取值为20mm[11]。2.6本章小结本章是这篇设计论文的重点章节，在选择总体悬架布置后对前悬架螺旋弹簧，减振器，前悬架横向稳定杆给出了详细的理论设计过程，得到了其设计尺寸，为之后三维制图提供了依据。第三章前悬架的三维制图3.1悬架零部件的三维设计及整体装配首先根据计算的零件尺寸画出草图，然后通过凸台，凹槽，旋转体等操作得到基本尺寸，弹簧应用创成式曲面设计画出螺旋线，然后添加肋板即可。然后进行导角等修饰工作。在得到零件后，进行装配设计，依次将零件进行约束，然后镜像另一个车轮方向的悬架，得到装配图。由设计数据依次绘制前后悬架的零件图，其中关键零部件下三角摆臂如图3-1所示，前悬架转向节、弹簧、整体搭配如图3-1～4所示。图3-1下三角摆臂零件图图3-2前悬架转向节零件图图3-3前悬架弹簧零件图图3-4麦弗逊悬架装配图3.2本章小结本章对上一章节的悬架设计参数进行CATIA三维零部件计和整体装配，为后续麦弗逊悬架建模及ADAMS做准备工作。第四章麦弗逊前悬架的ADAMS分析及优化4.1车轮定位参数综述转向桥的作用是在车辆行驶的过程中，如果发生受到外力作用而导致车轮偏移，能够在外力消失瞬间摆正车轮回到原来的位置，从而保证行驶安全。只其中就涉及到前后轮外倾角和前后轮前束等参数的测定[12]。4.1.1主销后倾角汽车车轮由内向后与地面垂直线产生的夹角，称为主销后倾角。如图4-1所示图4-1主销后倾示意图[13]对于处于直线运动状态下的汽车，受到不同于行驶方向的外力作用是很容易产生方向上的偏移，而主销后倾角的存在能使车轮获得回转的作用力。因为主销特殊的位置，在正常行驶过程中，可以理解为是主销在带动车轮的前进；而当外力的突然介入，车轮方向改变，主销方向不变，这时的主销的力就从动力转化为阻力。如果外力介入是突然且短暂的，那么车轮很快就会在主销的作用力下回正，这也就是车轮回正的原理。在一定程度内的后倾角，能够减小外界因素对于汽车行驶过程中的干扰，提高汽车行驶的稳定性，保证行车的安全。但如果超出一定范围，则会导致阻力过大，影响汽车的正常行驶，例如汽车转向等操作。在行车过程中，主销后倾角的大小并非一成不变的，其大小需要视汽车的具体情况而定，一般处于0°～10°这个范围之间，前置前驱动车的主销后倾角为0°～3°，前置后驱动车的主销后倾角为3°～10°。当处于无阻力转向时，主销后倾角大小不宜超过3°。主销后倾角的调节不仅能改善汽车在横向方面的行驶，对于纵向的稳定性也有一定的影响。当下消费者对于不同汽车性能个性化的追求，使得汽车款式规格众多，并且为了迎合市场需要许多汽车设计通过降低悬架的刚度，来达到提高乘坐的舒适度的目的，这样导致的结果就是车身上下颠簸情况严重。这就需要通过主销后倾角来调节，当车身上跳情况严重时，主销后倾角会增大，从而缓解颠簸，提高汽车的制动稳定性。4.1.2主销内倾角主销内倾角是主销向汽车横向垂直平面内部倾斜的角度。主销内倾角的常见大小为8°～13°，实际操作是通过在短时间内使得汽车的重心向后方偏移，促使前半部分轻微抬起，在重力作用下使得车轮回正，这一点的作用与主销后倾角相同。两者不同点在于是否与行车速度有关，主销后倾与速度有关一般在高速状态中使用；主销内倾与速度无关，在低速状态下使用。4.1.3前轮外倾角汽车车轮中心平面与地面互不垂直，顶端向内或外方向倾斜称为车轮外倾角。正外倾角倾斜向两侧；负外倾角倾斜向内。正外倾角使得车轮着地点向内适当偏移，提供一个外倾推力，减小汽车转向时需要的力，并改善了汽车在行驶过程中方向的稳定性[14]。对于长期处于满载运输的货运车，车轮磨损情况严重，在行驶过程中容易出现车桥变形、车轮内倾的情况，继而形成恶性循环，导致车辆运输工作中发生爆胎、车轮飞出等事故的可能性增加。车轮外倾角的出现和应用良好的解决了这一问题，在车辆出现上跳的情况时，车轮外倾角变为负值，伴随着下落过程逐渐增大，变为正值，极大的提高了车辆行驶的安全性。4.1.4前轮前束角车轮中心平面与地面和汽车纵向中心平面三者之间所呈夹角，称为车轮前束角。车轮前束角都能够提高汽车行驶过程中的稳定性，并且前束角是因外倾角而存的。车轮前束的主要作用有两点：一是消除因为车轮外倾带来的不利影响；二是补偿车轮后束。第一，在一般情况下，汽车在行驶途中因为自身重力的作用，导致前轮车胎内外侧的线速度不同，而为了避免对行驶产生影响，车轮内、外侧分别产生滑转和滑移。再加上由于车轮本身地面之间巨大的摩擦力，导致车轮发生变形扭曲磨损，车身也会受到较大的外倾力影响行驶。车轮前束角的应用，就是为了解决外倾角所产生的一系列问题。前束角能够在车轮外倾角给车轮带来偏扭危害之前，给车轮一个反方向的侧向力，使车轮发生反向偏转，从而从根本上减少车胎磨损的次数，延长其使用寿命。第二，目前仍有部分汽车带有后束，后束会影响汽车在直线行驶时的稳定性。受到外力的作用影响，汽车容易出现一个后轮正常前进，另一个处于后束状态，即两轮的行驶阻力发生了改变，导致车身被动转向。而车轮前束的存在则可以完全避免这种情况，车轮不会因为道路不良等因素改变直行方向，确保了汽车直线行驶的稳定性。车轮前束的主要作用有两点：一是消除因为车轮外倾带来的不利影响；二是补偿车轮后束。第一，在一般情况下，汽车在行驶途中因为自身重力的作用，导致前轮车胎内外侧的线速度不同，而为了避免对行驶产生影响，车轮内、外侧分别产生滑转和滑移。再加上由于车轮本身地面之间巨大的摩擦力，导致车轮发生变形扭曲磨损，车身也会受到较大的外倾力影响行驶。车轮前束角的应用，就是为了解决外倾角所产生的一系列问题。前束角能够在车轮外倾角给车轮带来偏扭危害之前，给车轮一个反方向的侧向力，使车轮发生反向偏转，从而从根本上减少车胎磨损的次数，延长其使用寿命。4.1.5车轮定位参数对整车性能影响车轮定位参数是绝对汽车大部分性能好坏的根本因素。如果出现车轮定位不正常的现象，例如车轮回正出现故障、转向沉重等，容易驾驶难度增大，降低驾驶者行驶过程中的体验感，从而导致疲劳驾驶，车胎磨损严重等不良后果。车轮定位参数之间是相互制约，保持着一定平衡的，并且悬梁的影响因素也是如此[15]。所以，对于车轮定位参数并不能像模板一样统一套用在每种类型的汽车上，而是要根据不同的车辆情况具体分析。通过对具体车型和车身结构进行精确了解计算，做到由上至下，逐层破解，确保各个车轮定位参数符合设计和应用要求。4.2麦弗逊前悬架的ADAMS建模4.2.1ADAMS/CAR模块简介ADAMS/Car是由MDI公司与Audi、BMW等多家公司一起开发的软件，以线上高速动画的形式为使用者提供模拟实验和假设，减少对于线下材料的依赖，丰富了工程师进行设计和操作的途径，也节约了实验时间。软件包中，虚拟样机材料仿真度高，零件系统齐全，相比于线下实地实验，工程师可以更快速的进行模拟运行且场地自由不受限制，减少不必要的成本开销。对于工程师而言，即使是初次使用ADAMS/Car也不需要任何培训指导，操作平台简洁明了，完全按照汽车工程师的使用和操作习惯进行界面设计，可以直接开始操作，其中包括悬架设计模块和整车动力学模块两大组成部分。ADAMS/Car软件是在基于多体动力学的基础上建立的，工程师可以轻松模拟现在平时中车辆常有的问题和故障，在软件中进行对解决方案的模拟演练，判断可行性。同时通过分析模型对车辆状态进行实时评估，分析其性能高低。车辆子系统的装载，在该软件中也能得到实现，工程师可以选择软件自带的子系统，方便快捷，也可以根据模式编辑器进行设定，满足使用者个性化的需求，兼容性强。4.2.2模型关键硬点三维坐标的确定本文坐标系采用的是ISO坐标系来建立ADAMS运动学模型，其中模型中各点的空间位置和参数是关键。以汽车右侧为X轴，垂直与地面向上的方向为Y轴，汽车行驶的正前方的相反方向为Z轴。在进行Car模型建立时，只需要考虑左侧悬架的参数设定，因为悬架的左右对称性。建模参数的确定是通过三维软件CATIA模型测量而得如图4-2所示，虽然不够精确但是可以达到本科毕业设计锻炼的目的。图4-2悬架关键硬点坐标值4.2.3麦弗逊仿真模型的建立将相关参数建立悬架子系统和仿真平台输入中ADAMS/Car里现成的模板中，建立出前悬架模型系统。模型如图4-3所示。图4-3麦弗逊悬架的ADAMS仿真模型4.3麦弗逊悬架的仿真分析在对悬架的结构设计进行分析中找到问题所在，再针对性的进行解决，从而达到优化设计的目标。对于麦弗逊悬架系统，选择采用仿真分析方法，在ADAMS软件中建立仿真模型，模拟悬架系统进行左右双向平行跳动实验，根据在这一过程中采集到的车轮定位参数变化的数值作出随汽车轮跳的运动特性曲线，将参数变化以最直观的图表形式呈现，为后续分析悬架结构中存在的问题做准备。4.3.1激励的添加在ADAMS/CAR中，应用SuspensionAnalysis中的ParallelWheelTravel模式添加激励特性，取上下平行轮跳为-50mm~+50mm，步数设定为15步，激励添加页面如图4-4所示。随后将仿真后的文件导入ADAMS/Postprocessor界面中进行曲线分析。图4-4ADAMS添加激励特性图4.3.2ADAMS/Postprocessor曲线分析的建立进入ADAMS/Postprocessor界面，如图4-5所示，将仿真后的文件导入该界面进行曲线分析。图4-5ADAMS/Postprocessor模块界面图4.3.3主销后倾角随轮跳的变化曲线及分析选中Casterangle，得到如图4-6所示的主销后倾角随轮跳变化曲线。图4-6主销后倾角随轮跳变化曲线由图4-6可知，主销后倾角可根据汽车上下跳动的幅度分为两个变化范围：0mm～50mm，主销后倾角逐渐增大；0mm～-50mm主销后倾角呈减小趋势，两个范围内数值都为正值。主销后倾角变化量为，由于该角一般不大于，所以不利于汽车的行驶平顺性，需要对模型进行优化。4.3.4主销内倾角随轮跳的变化曲线及分析选中Kinpinincinationangle，得到如图4-7所示的主销内倾角随轮跳的变化曲线。图4-7主销内倾角随轮跳变化曲线由图4-7可知，麦弗逊悬架模型在进行50mm上下跳动的过程中，其车轮参数之一主销内倾角变化趋势理想，所以对其的优化设计侧重于初始值的设定。4.3.5前轮前束随轮跳的变化曲线及分析图4-8前轮前束随轮跳变化曲线由图4-8可知，将车轮上下跳动过程分为三个部分：0mm～50mm，前轮负前束角变化呈现增大趋势，处于下落过程；-50mm～50mm，车轮前束角无需优化，已趋近理想状态；0mm～100mm，车轮前束角变化趋势于外倾角相匹配。速率较大，保证轮胎的平顺性。前轮前束变化为，变化量为，变化范围很小，不需要优化。4.3.6前轮外倾角随轮跳的变化曲线及分析选中Camberangle，得到的前轮外倾角随轮跳变化曲线如图4-9所示。图4-9前轮外倾角随轮跳变化曲线由图4-9可知，在车轮进行50mm上下跳动过程中，车轮外倾角的变化范围处于-1.5～0，处于理想状态范围内，该参数不需要优化。[16-17]。4.4麦弗逊悬架的优化4.4.1麦弗逊悬架问题分析上一小节中对于麦弗逊悬架系统的设计还处于初步阶段，较为粗糙。但也得出了一个初步的结论，在众多车轮参数中车轮前束和轮距两者变化最突出，这给本节确定了具体的解决研究方向：使用ADAMS中的参数分析模块，筛选排查出对于目标函数影响较大的变量参数，进行针对优化设计，对比优化前后轮距变化量和车轮参数运动特性的改变，分析优化设计的可行性。4.4.2悬架仿真优化方案对于麦弗逊的主销内倾角、主销后倾角，影响最大的点为下三角摆臂和转向节的球铰接点，定义此关键硬点点为F点，通过优化F点的三维坐标值来优化车轮定位参数。4.4.3F点对主销内倾角的影响F点的X轴坐标直接影响主销内倾角的大小，由于设计的主销内倾角过大，则可以通过使F点向内移动来减小主销内倾角的大小，这样F点的Y坐标将沿正方向移动，一次去F点Y坐标为-668mm，-650mm，-630mm，-610mm得到的主销内倾角曲线图4-10所示；[18-20]图4-10主销内倾角随F点Y坐标变化曲线由图4-10得知，取优化后Y轴坐标值为-360mm可以保证悬架对主销内倾角的要求，此时内倾角初始值为，变化范围为。4.4.4F点对主销后倾角的影响F点的X坐标值直接影响主销后倾角的大小，为了减小主销后倾角的大小，现将F沿X轴的正方向移动，依次取X轴的坐标值为34mm，30mm，38mm，42mm，46mm得到主销后倾角随F点变化的曲线，如图4-11所示；图4-11主销后倾角随F点Y坐标变化曲线由上图得知，取优化后X轴坐标值为42mm，可以保证悬架对主销后倾角的要求，此时后倾角初始值为，变化范围为。4.4.5优化前后F点坐标对比图将优化前、后的两组车轮定位参数随轮跳变化曲线分别导入至同一坐标系中，对优化效果进行直观对比和分析，如图4-12～15所示。图4-12主销后倾角优化前后对比图图4-13主销内倾角优化前后对比图图4-14车轮外倾角优化前后对比图图4-15前轮前束角优化前后对比图主销内倾角和主销后倾角在F点坐标的优化后，变化最为显著，趋近于理想状态。4.5本章小结本章主要通过ADAMS/Insight模块对麦弗逊悬架虚拟模型进行模拟实验，改变F点坐标位置，优化各个车轮参数。对优化前后数据曲线进行对比分析，得出结论，该方法能够有效优化麦弗逊悬架系统，使车轮参数趋向理想值，提高车辆行驶时的稳定性和平顺性。结论本文在掌握悬架系统的基础知识和查阅参考了大量国内外相关研究成果的基础上，结合所学知识计算和设计了汽车的麦弗逊前悬架关键零件和CATIA三维装配，且悬架的建模和运动学仿真放在ADAMS软件进行，对悬架进行了分析与优化，提高了汽车行驶的稳定性。本文主要完成了以下五点工作：1分析计算了悬架的静挠度、动挠度以及悬架的关键零件减震器、弹簧的主要参数，得出CATIA绘图的基本尺寸。2对悬架进行CATIA零部件的设计，将零部件进行约束装配，并且得到麦弗逊悬架关键硬点的三维坐标值。3分析了前悬架的主销后倾角、主销前倾角、前轮前倾角和前轮外束角四个车轮定位参数对于车轮平顺性的影响及其合理的取值范围。4把关键硬点的坐标值，导入ADAMS/CAR模块，生成麦弗逊悬架的运动学仿真模型和平台，把平行轮跳激励输到里面去，形成车轮定位参数随轮跳的变化曲线。5分析车轮定位参数随轮跳的变化曲线，找到悬架的问题，并通过改善关键硬点下三角摆臂和转向节球铰接点F的坐标值，来优化曲线，最终得到优化后的坐标值。因为本人学识尚浅，在本文中还存在许多不足之处，仍然需要继续学习和完善。本文主要是针对汽车的前悬架部分进行模拟仿真和动力学分析，但由于所取模板精度较低、坐标变化范围较小等原因，导致结构的局限性较大。但总体的优化思维方向是正确的，相信随着实验的进一步深入，最终能够解决问题，并得到一个令人满意的结果。致谢本次论文的指导老师是王孝鹏老师，在此我要衷心感谢其对于我全程的指导及帮助。本篇论文容易从头做到尾都非常的不容易。前期花了我大量的时间去搜寻一些期刊、一些别人的研究论文来确定到底是要做哪一方面的研究。在刚学的AMADS这个软件，由于没有中文版本，因此学会操作这个软件的进程大为放缓。中后期的时候，进行ADAMS分析的时候，总是能碰到很多新的没有接触过的知识，真的是非常的不易。在这个过程中，个人对于研究课题、项目的具体步骤都有了很不错的认识。回顾这几个月的辛勤与汗水，总体来说就是对于我们大学四年所学知识的综合运用。论文的研究和设计，需要的不仅仅是基础知识，也要有严谨的思路，更要有开放的思路，才能对问题有整体的把握，才能做到全面的分析。当然，在论文完成之后，我发现很多问题都需要我们去不断改善和完善。对于我的论文能够顺利的完成，除了自身不断的努力，当然更离不开这四年来各位老师的辛勤教诲和知道，正是有了你们，我才能在四年中学到了很多专业知识，懂得了做人的真谛。快要毕业了，在此也做些小小的总结，在生活学习上，很自律很自信。在思想上很严谨很坚持很坦诚。四年对我来说，意义重大。同时也期待着未来能更美好！最后再一次地感谢各位专业老师，感谢你们的教导！参考文献臧杰阎岩,汽车构造[M],北京机械工业出版社2011.9.黄希宾,汽车独立悬架系统动力学仿真与分析[D],山东建筑大学2012.4.JohnC.Dixon.SuspensionGeometryandComputation[M].AntonyRoweLtd.2009.L.C.Ferraro,M.A.FogacaandM.Ururahy.ComfortStudyofaMediumSizedTruckwiththeUseofADA