可移动机械臂的底盘和悬挂设计

可移动机械臂的底盘和悬挂设计

摘要

机器人的发展技术随着科技的日新月异变得越来越多样化，从原本最普通

的抓拿动作要求到完成一套复杂的工作流程。而人们对于机器人的需求也变得

更加的独特与多变。于是，针对各种各样的环境需求，陆续出现了足式机器

人、轮式机器人、帚式机器人等等各种各样的机器人样式。而轮式机器人因为

可以适应更多路面情况得到了更多的发展。

轮式机器人之所以可以比其它样式的机器人有更多的发展机会，主要是归

功于轮式机器人的稳定性。于是，我开展了一个有关于轮式移动机器人的底盘

和悬挂系统的毕业设计。这个毕业设计的目的主要是为了设计了一-种可应用于

任何不平的路面或山路进行工作的四轮式移动机器人底盘，并且我也打算在底

盘上设计一个悬挂系统，为了适应不平路况同时降低给车体带来的振动，保持

机械臂的稳定性。

为了增强底盘的承载能力，我也打算在联轴器上设计一个联轴器底座，主

要是为了当机械臂抓取的东西过重时，联轴器不会因为过重而导致变形，并且

也要选好电机类型，为车辆提供一个足够的动力。

本课题的研究意义是为了加深对机械结构的了解，同时拓展一些课外知

识，对一些新知识的进行自我学习探索，也通过对软件的不断使用，让自身对

于软件的操作更加之熟悉。

关键词：四轮式移动机器人；底盘和悬挂设计；联轴器底座

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thetechnologyofrobotbecomes

moreandmorediversified,fromthemostcommongraspingactionrequirementstothe

completionofacomplexworkflow.Andpeople'sdemandforrobotshasbecomemore

uniqueandchangeable.Therefore,foravarietyofenvironmentalrequirements,there

arcfootrobots,wheeledrobots,beltrobotsandothertypesofrobots.Thewheeledrobot

hasdevelopedmorebecauseitcanadapttomoreroadconditions.

Thereasonwhywheeledrobotshavemoredevelopmentopportunitiesthanother

typesofrobotsismainlyduetothestabilityofwheeledrobots.SoIstartedagraduation

projectaboutchassisandsuspensionsystemofwheeledmobilerobot.Thepurposeof

thisgraduationprojectistodesignafour-wheelmobilerobotchassiswhichcanbe

appliedtoanyunevenroadormountainroad,andIalsointendtodesignasuspension

systemonthechassis,inordertoadapttounevenroadconditionsandreducethe

vibrationbroughttothecarbody,andmaintainthestabilityofthemechanicalarm.

Inordertoenhancethebearingcapacityofthechassis,Ialsoplantodesigna

couplingbaseonthecoupling,mainlytopreventthecouplingfromdeformingdueto

excessiveweightwhenthethinggrabbedbythemechanicalarmistooheavy,andalso

toselectthemotortypetoprovideasufficientpowerforthevehicle.

Theresearchsignificanceofthistopicistodeepentheunderstandingofmechanical

structure,expandsomeextra-curricularknowledge,self-studyandexplorationofsome

newknowledge,andmakeoneselfmorefamiliarwiththeoperationofsoftwarethrough

thecontinuoususeofsoftware.

Keywords:fourwheeledmobilerobot,chassisandsuspensiondesign,Coupling

base

II

目录

摘要..............................................................I

Abstract..............................................................................................................................II

第一章绪论.....................................................1

1.1机器人概述及研究意义....................................1

1.1.1双器人概述........................................1

1.1.2机器人的研究意义..................................2

1.2国内外的发展概况........................................2

1.2.1国外的发展及研究现状..............................2

1.2.2国内研究现状.....................................3

1.3设计的内容和思路........................................3

1.4本章小结................................................4

第2章机器人全向移动底盘总体设计方案..........................4

2.1底盘的功能要求..........................................4

2.2底盘指标要求............................................4

2.3总体方案设计............................................5

2.3.1材料的选择.......................................5

2.3.2底盘框架的设计..................................5

2.3.3机器人轮子的选择.................................6

2.3.4电机的选择.......................................7

2.3.5联轴器的设计.....................................9

2.3.6联轴器底座的设计...............................10

2.4本章小结...............................................11

第3章悬挂系统的设计.........................................11

3.1悬挂系统的介绍........................................11

3.2悬挂系统的选定........................................11

3.3悬挂系统筒式减振器的分类..............................14

3.4悬挂系统减振器的选择..................................14

3.5减振器弹簧的计算......................................15

3.6减振器的计算..........................................16

3.6.1相对阻尼系数巾..................................17

3.6.2减振器阻尼系数5的确定..........................18

3.6.3最大卸荷力F0的确定..............................19

3.6.4筒式减振器工作缸直径D的确定....................19

3.7本章小结..............................................20

第四章作品展示................................................21

结论..........................................................23

参考文献.......................................................24

致谢..........................................................25

IV

第一章绪论

第一章绪论

1.1机器人概述及研究意义

1.1.1机器人概述

机器人是一种可以通过编程语言对其行为动作进行编辑或者通过人类行其

的遥控完成一系类动作的机械装置。机器人被研发出来的主要目的就是为了帮

助人们完成一些高危险性、高复杂度、不断重复的工作，同时节省更多的工作

时间和达到更大效益的工具。随着社会的不断发展，人们对机器人的认识和了

解不断加深，并且在市机器人的定义上也达到了统一，即认为机器人是一种可

编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的

任务而具有可改变和可编程运作的专门系统。

自从科技高速发展以后，人类对未知世界的探索也就越来越广阔，机器人

也就从生产应用向着探索未知领域方向发展。于是就出现了各式各样的机器，

如：无人飞机、宇宙探测器、海底探测器、音乐编排器、服务机器人等等。相

对于以前只进行制造生产的工业机器人而言，这些应用于探索事业的机器人，

其工作的环境更加的复杂和充满了未知性。因此，人们对于机器人的智能化要

求就越来高，不仅希望机器人可以独立行走，同时还希望机器人可以通过现有

知识去发现新的知识，也就是思考能力。所以，智能化技术的发展在往后的发

展中必定占有很大一块的比例。

现如今，机器人不仅仅是高新技术的典型体现，同时也是衡量一个国家科

技发展的水平高度。正是因为生产机器人的大量使用，把生产效率大大的提

高，所以人们对机器人各个方面的技术也就有了更高的要求。就视现在的机器

人能力而言，不但可以进行简单的看、听、说、写，而且也具备了一定的自我

学习能力。可以想象，在未来的机器人，必定会有更加强大的功能，并且在结

构上也更加的精细，同时也会像人类一样学会独立思考。

1

1.1.2机器人的研究意义

经过这一次的毕业设计，不但可以让学生走机器人的行业和机器人的结构

技术等方面有了更加进一步的了解与认识，也可以提高学生在综合应用机械设

计、机械原理、机械制造设计、悬挂系统的应用等综合能力上的运用与加强记

忆，而且也提高了对设计实用性的思考能力。同时也培养了学生学会独自去面

对问题，解决问题的能力，为今后的生活和工作发展打下了牢固的基础。

1.2国内外的发展概况

1.2.1国外的发展及研究现状

机器人最重要的标志就是可移动。距离现如今，移动机器人的发展历史在

不知不觉中已经走过儿十年了。早在I960年左右的时候，一些科技高度发展的

国家就开始对智能移动机器人进行了研究。刚开始发展的机器人，主要以地面

移动机器人为主，最具备代表性的机器人有美国斯坦福研究所研究的Shakey,

法国Hilare研究计划研制的Hilare机器人，Moravec等研制的StanfordCart

等

在1980年以后，在一些强大国家的支持之下，许多高等大学纷纷对自主地

面机器人展开了研究；某些国家还制定了机器人智能系统计划，计划研究的重

点就是机器人可以自主在地面进行勘察工作，但最后的结果是，进行这一计划

研究的人员还是耒能完全处理移动机器人所需要的大量信息量，也就没有达到

了预想的要求。但是这个计划就像一颗星火，点燃起了许多国家对地面移动机

器人的研究实验。

在1990年初，世界出现了智能轮椅，这标记着地面移动机器人向实用型的

发展又迈进了一大步。然后随着时间的推移，世界人口老龄化的问题越来越突

出，于是为了给老年人和残障人士提供便捷的代步工具，大部分经济发达的国

家纷纷投入了对智能轮椅的研究当中。就这样，智能轮椅就出现了诸多功能，

如：地图记忆、自动行走、与用户联系等等。也由于每个国家的实验室的研究

目标与方向都小同大异，所以也就导致了每种轮椅所具备的功能也就不一样。

到90年代以后，移动机器人在实用性、智能化方面得到了更大的发展，智

能移动机器人的新技术不断的喷涌而出，如Navlab系列系统、Vamors-P和

Caravclle系统、ASV-2系统等；其中NavLab系列在诸多的智能系统之中脱颖

2

第一章绪论

而出，成为了智能车辆的发展大方向。而在这一系列之中，最具备代表性的就

是NavLab-5系统了，该智能车自主驾驶的平均时速可达88.5km/h。

1.2.2国内研究现状

在1985年期间，我国才刚开始对移动机器人进行研究。同世界其他科技大

国相比，我国在移动机器人的起步方面就比较晚了。然后在国家的一系类的计

划安排下，我国名列前茅的大学都开始了对智能机器人这一方面的研究工作。

在艰苦奋斗、勇于拼搏的精神下，我国在室外移动机器人技术上取得了重大突

破。例如智能移动机器人THMR-V研制成功，这顼技术涉及到地图的全局规划

技术、传感器信息的规划技术、路径规划的仿真技术、传感器信息融合技术及

智能移动机器人的设计和实现等五个方面的关键技术。不但为我国在科学界上

增加了强大的力量，同时也为移动机器人技术作出了重大贡献。

AGV自动引导车是属于轮式移动机器人的一种，它因为装备有自动引导装

置，所以可以照着人类安排的路线进行行驶，保证了车辆和人员的安全性。在

1976年后，我国出现了第一台AGV自动引导车。此后诸多研究院纷纷投入到

AGV的研究当中，于是就产生了各种类别的AGV自动引导车投入到不同的小批

量生产当中。

我国的人工技能技术随着研究的逐渐深入和了解，于是就开始逐步发展到

对服务型机器人的研究当中。我国第一台智能服务机器人就是在这样的大背景

之下被研发出来。丁是在这之后，不断的出现了各种类型的服务型机器人，如

更加先进的AGV系列自主车、移动机构实验平台、Frontier-ITM自主移动机器

人等等。

虽然我国的智能机器人不断地在蓬勃发展，但是我们还是要清醒的认识到

我国的机器人行业还是处于起步阶段，还是需要我们不断地向拥有先进的机器

人技术的国家学习他们的有关于机器人的理论知设。然后为我国的科学发展贡

献自身的一份力量。

L3设计的内容和思路

本次毕业设计的主要目的是设计出一个能够在各种不平路面行驶的全向移

动的机器人底盘和悬挂系统，要求底盘的结构简单合理、轻盈，能够载重

lOOKg,悬挂系统能够起到很好的减震效果，避免车体的大幅度偏移与及振动，

车架尺寸为700mmX700mniX90nini,能够实现全向移动，最大行驶速度为0.

3

1.4本章小结

这一章主要简述了有关机器人的国内外主要情况，经过内容分析了解到，我

国在机器人技术的发展领域上仅仅处于起步状态，在未来还有许多的发展空间需

要我们每一代年轻人的智慧去填补。虽然我们在机器人的高端领域上暂时落后于

国外，但是我相信只要经过不断的努力发展，我们终会有一天超越所有的国家,

站在科技发展的最顶端。

第2章机器人全向移动底盘总体设计方案

2.1底盘的功能要求

底盘结构尽量简单合理、可行，在行驯！时的车轮可以顺利转动，不会触碰

到底盘的边框，并且有足够的空间让车轮进行转弯的动作。当车轮遭遇路面不

平的情况时，电机、两周期、车轮都可以进行同一运动，不然当车轮轴承不在

同一线轴的时候，车轮的抬起可能会把联轴器弄断。同时，需要在底盘上装载

一个联轴器的底座，底座必须联通车轮与电机。这样可以使得底盘在遭受更大

的重量时，联轴器不会因为重量过重而导致变形。底盘上也必须有位置安装悬

挂系统，可以缓解路面不平带来的振动，使得车辆在操控时可以更加的平稳，

搭载的东西也不会因为剧烈的晃动而遗失。底盘的期望承载重量起碍有90kg以

上，并且底盘可以进行全方位的运动。

2.2底盘指标要求

机器人的底盘设计指标要求有，自身的重量要有8kg以上，同时底盘能够

载重的重量有100kg。初始设计底盘尺寸为700x700x90mm,能够使得机械臂可

以完全伸直并且进行360c的转动。车辆的机动能力有，车辆的转速起码要达

到0.2m/s,并且车辆可以进行三百六十度的转向能力。

4

第2章机器人全向移动底盘总体设计方案

2.3总体方案设计

2.3.1材料的选择

底盘的整体构架材料为铝合金，因为铝合金材料质量轻盈且柔软，可以大

大减轻底盘的重量。铝合金的强度高，可以承受更大的重量而不变形，适合底

盘放置更多的东西；耐蚀性能好，因为铝合金在接触空气时表面会形成一层致

密的氧化膜，这层膜能防止腐蚀，所以底盘框架可以适应山间的潮湿环境而不

被腐蚀，底盘的寿命更为长久；铝合金的加工性能也很好，易于底盘的加工搭

建，就算部分损坏，也可轻易修复；铝合金也易于再生，在废弃处理时无公

害，有利于环保，符合可持续发展战略。

2.3.2底盘框架的设计

这个四轮全向轮式机器人的底盘设计，我采用了铝管镂空同时加上三角形作

为底盘加固进行设计，整体长度为700x700mm,如图1所示。这样的设计一方面

可以减轻底盘的整体重量，另一方面三角形的设计可以加固底盘，让底盘在经受

到碰撞时而不易产生变形，底盘的中心云台为机械臂的搭载云台，四个脚架处放

置麦克纳姆轮，用一个框架把麦克纳姆轮套在里面，并且轮子两边留出一定量的

空隙，避免轮子在转动时碰到框架。框架的一端月较链连接底盘，另一端直接搭

放在底盘的边上。这样设计的目的在于：当麦克纳姆轮行走在不平的道路时，轮

子可以通过钱链向上抬，这样也就可以达到一定的减震作用。同时在搭放在底盘

边上的一端安放两个底座，用于连接减震器，减震器的另一端安放在底盘同侧边

上的一端。这样，当轮子受到颠簸的时候，轮子和框架同时会往上抬，压缩了减

震器，起到了减震的效果。因为每一个轮子都有一个独立的悬挂系统，所以，当

一个轮子受到起伏时，其它的轮子都不会受到影响，这样也保证了底盘的稳定性,

让车体可以在颠簸的路面上行驶。

同时在麦克纳姆轮框架上安装电机，用联轴器连接电机与齿轮，这样设计的

目的在于可以让电机与麦克纳姆轮一起升降，不会妨碍到轮子的转动。并且在麦

克纳姆轮框架的电机的对面一端安装一个轴承座，用连轴器连接麦克纳姆轮与轴

承座。这样就可以让连轴器不易变形，加强了底盘的承载能力。

5

图1底盘框架

2.3.3机器人轮子的选择

作为遥控机器人赛车的轮子有很多种样式，如标准轮、万向轮、小脚轮、

麦克纳姆轮、正交轮等等。经过我对儿种常用轮子对比后，我决定选择麦克纳

姆轮作为我的底盘车轮，因为它能够易于控制各个方向而不至于打滑，而且麦

克纳姆轮在经过一代又一代的改良后，已经发展的十分成熟，下面是麦克纳姆

轮运动原理的简单介绍。

麦克纳姆轮形状酷似一个斜齿轮，一个个能独立转动的鼓形辐子构成了轮

齿。之所以使用这样的辑子作为轮齿，是因为幌子轴线与轮架的轴线的特殊结

构使得轮体具备了三个自由度：绕轮轴的转动和沿幌子轴线垂线方向的平动和

绕辑子与地面接触点的转动。这样，驱动轮就会同时拥有两个方向的运动特

性，一个为主动驱动方向，另一个为轮子侧方向。也正是因为轮胎是由许多的

小滚筒组成，并且滚筒可以自由转动，所以当电机驱动车轮旋转时，车轮会以

普通轮子的方式垂直于驱动轴的方向运动，但因为滚筒可以自由转动，所以车

轮周围的辐子会以自身的轴线来进行自由旋转。图2所示为麦克纳姆轮的3维

图，图3所示为麦克纳姆轮的剖面图

6

第2章机器人全向移动底盘总体设计方案

图2图3

图4为三百六十度运动的车架的运动组合情况，触地轻子的轴线方向用轮

中的小斜线来表示。每一个轮子都会由一台直属于这个轮子的电机来驱动，通

过四个轮子的运动情况组合，就可以使得机器人在平面上三百六十度转动。机

器人底座的四个轮子的受力分析如图5所示。其中，七为轮子滚动时小辐子受

到轴向的摩擦力；片为小根子做从动滚动时收到的滚动摩擦力；3为各轮转动的

角速度。

*年

图4

2.3.4电机的选择

为了使得机器人可以在斜坡、高低不平的场地上进行加速和转弯，因此我参

照机甲大师比赛用车电机，选用了M3508减速电机，如图5所示

7

IL

J5.

图5

虽然这款电机的尺寸不大，但是动力十足，同时电机本身的自我保护机制

也为机器人的运作提供了安全。电机与减速器的完美配合就组成了这么一台

M3508电机，能够很好的控制住机器人的速度。电能与电调构成了这电机的动

力系统，可广泛应用于机器人移动平台动力、驱动模块等机构。

在室温25℃环境下测得，M3508电机动力系统的最大功率高达220W,最大

扭矩5N*m；最大持续功率150W,持续扭矩2.8N*m,有感FOC控制不论转速

高低都能提供稳定的扭矩，让机器人快速响应的同时保持平稳的动力。同时电

机内置多种传感器，自动感应高温、断线等异常状况并及时报警，快速定位故

障，使用更安全。在同等级24V直流减速电机下，M3508减速电机的输出功率

和输出转速如图6所示

图6

M3508直流减速电机的具体参数见表2

表2M3508电机参数

额定电压24V重置365g

空载转速482rpm外径42mm

持续最大扭2.8Nm总长度98.4mm

矩

2.8NmF最469rpm输LJ轴直径10mm

大转速

输出轴D型带螺纹孔

8

第2章机器人全向移动底盘总体设计方案

2.3.5联轴器的设计

为了增加底盘的可承载能力，我设计了两个联轴器，一个作为连接电机与车

轮，另一个作为连接车轮与联轴器底座。

连接电机与车轮的联轴器的尺寸总长为27mm,有一个高为5mm的直径为60min

的圆柱体，在这个圆柱体的中心再建立一个高为22mm,直径为24mm的圆柱体.。

在大圆柱的底下的中心处挖•个直径为5mm的通孔，然后在四周圆周整列6个直

径为5.5mm的通孔，用作定位作用。然后在小圆柱顶部挖一个直径为5.5的不规

则圆形，深度为22nlm,再在小圆柱高度的中心处挖一个直径为2.5mm的通孔。

联轴器的形状如图7所示

图7电机联轴器

连接车轮与底座联轴器的尺寸总长为41nun,是一个阶梯型的联轴器。底下

最大的圆柱直径为24mm,高10mm,在圆柱中心处挖一个直径为8mm的圆孔,孔

深lOnun,再在距离通孔2.25mm处，围绕通孔导4个直径为2.5mm的异型孔，作

为固定作用。在最大圆柱的上面的中心处建立一个直径为12丽，高为10mm的圆

柱体，再在此圆柱体的中心处建立一个直径为10mm,高为21mm的圆柱体。然后

在距离此圆柱体顶面的12mm处切除处一个深为0.2mm,高为1mm的圆形凹槽。

最后再此圆柱体的上面往下，距离圆心为6mm的地方处切出一个长为6nim,深为

10mm的凹槽，用以连接底座定位作用。整体形象如图8所以。

图8底座联轴器

9

2.3.6联轴器底座的设计

联轴器底座的设计目的是为了可以让机架底座在承受更多的重量的时候，联

轴器不会因为承载过重而导致变形。联轴器底座的尺寸为50x50x10mm,是一个

小长方体，再在两条高边上倒出一个半径为15nmi的圆角，在距离倒圆角的边有

25mm的中心处，拉伸切除出一个直径为20nmi的通孔，然后在另一正方形的面上

拉伸切除出•个直径为26mm,深度8nlm的不通孔，位置与直径为20mm的通孔同

轴心。这个直径为26nui的不通孔是为了放置轴承。在距离为2.5mm的直径26nmi

的不通孔处倒出四个直径为2.5mm的异形孔，深度6mm。在不倒圆角的面上，倒

出距离中心线为15mm,直径为4.2mm,深度为12.4mm的异形孔。如图9所示。

图9联轴器底座

联轴器底座安放在麦克纳姆轮框架上，靠近车架的外侧，在不通孔上安装一

个轴承，用联轴器连接底座与麦克纳姆轮，如图10所示。

图10联轴器组装图示

10

第3章悬挂系统的设计

2.4本章小结

这一章主要讲述了有关于我的车辆底盘设计，从整体的车辆框架构想，再到

车辆的框架设计，考虑到了很多因素，如底盘的主要功能，车轮的安放，车轮的

选择，电机的选择，怎样优化底盘设计，让底盘可以承载更多的重量。在这一章

中，我通过多种渠道查阅许多的资料，也从网络上参考了许多的车辆机器人底盘

的设计，不但巩固了自己所学习到的有关于机械方面的知识，而且学会到了很多

新知识，也提高了自己的独立思考和多方面查阅能力。同时，在对于设计机器人

底盘上也有了一些自己的心得体会，也增长了许多的见识。

第3章悬挂系统的设计

3.1悬挂系统的介绍

从1776年开始，在马车的行驶中就已经用到叶片弹簧来达到减震效果，到

了1930年后，螺旋弹簧就逐渐替代了叶片弹簧。随着时代的发展，弹簧出现了

多种类型，如扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性件。跟随着弹簧

的进步，悬挂系统也出现了许多种类，如：非独立悬挂、横臂式悬挂、多连杆式

悬挂、麦弗逊式悬挂等等。

车辆的悬挂系统是指可以将车架和车轮连成一个整体的结构，当车辆因为路

面不平而遭受冲击力时，悬挂系统就会化解掉这大部分的冲击力，而使得车身不

会受到太大的波动起伏，保持车身的稳定性，同时也避免了车辆因为振动过大而

发生事故。因此，悬挂系统不但决定了车辆的平稳性，同时也保证了车辆的安全

性，是现在汽车很重要的部件之一。

3.2悬挂系统的选定

在悬挂系统的不断改善发展中，悬挂系统出现各种的样式，但是经过大浪淘

沙后，只剩下两种类型的悬挂系统还至今使用，分别为非独立悬挂系统和独立悬

挂系统。所谓的非独立悬挂系统就是把车轮的两段用一根车轴连接起来。所以,

当有一端的车轮开始受到颠簸时，另一侧的车轮也会跟着受到影响，使得整个车

身都会上下振动或者倾斜。这种悬挂系统的优点是：

(1)组成简单

11

（2）需要的花费低

（3）强度很高

（4）前轮在行车中的定位变化很小

非独立悬挂系统如图11所示

图11非独立悬挂系统

这种非独立悬挂设计是由于悬挂系统在刚开始发展时出现的悬挂系统样式,

随着科技的不断创新发展，人们对于车辆的舒适性有了更加高的要求，但是这种

独立悬挂的舒适性和操作稳定性都较差。人们为了追求更好的舒适性和稳定性,

于是就出现了独立悬挂系统。所谓的独立悬挂系统简单来说就是每个车轮都会由

一个减振器来负责吸收掉该车轮受到的冲击力。这样，当一边的车轮产生颠簸时,

其它的车轮不会因此而受到影响，所以每个车轮都可以实现独立的运动操作，汽

车的舒服感和操作的平稳感也就被大大的提高了。

独立悬挂具有许多优点，如下：

（1）有轻盈的质量。

（2）车身遭遇冲击时会被大大的减低。

（3）增大了车轮对地面的抓地力。

（4）弹簧不一定要使用刚度大的，也可以选择使用刚度小的软弹簧。

（5）汽车的舒适性和稳定性被大大的提高

（6）不但降低了发动机的位置，而且也可以把汽车的重心下调。

（7）左右的车轮都可以独立摆动，互不干扰，小车身的倾斜和震动会被大

大的降低。

虽然独立悬挂具备非独立悬挂的多种优点，但是独立悬挂也有一些缺点，如:

独立悬挂系统有着比非独立悬挂复杂很多的结构系统、成本高昂、维修不方便等

等。独立悬挂系统乂可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬挂

系统等等。

多连杆前悬挂和后悬挂组成了一个多连杆悬珪系统。其中三连杆或四连杆一

般作为前悬挂；五连杆则作为后悬挂系统，也是应用最多的后悬挂，不过有时也

12

第3章悬挂系统的设计

会后悬挂出现四连杆的情况。以在结构上最为常见的五连杆式后悬挂为例，其五

根连杆分别为：主控制臂、前置定位臂、后置定位臂、上臂和下臂。这些连杆臂

会对每个方向产生冲击力。例如：当车辆左转时，前后置定位臂就会发挥作用，

因为它们会约束后轮的前束角，使得车身的位移不会因为过大而失去了稳定性,

使得车辆的位移在可以控制；相反，后轮的倾斜角会因为前约束角被控制，则会

造成车辆的稳定性降低。这时候上下臂就会开始发挥作用，一方面是车轮有了更

好的定位功能，另一方面则把悬架的安全性和韧性大大提升了。多连杆式悬挂在

优缺点方面也十分的明显。它的优点是

(1)可以拥有一定的舒适性

(2)因为连杆较多，所以车轮和地面可以尽可能保持垂直，大大降低了车

身的倾斜，最大维持了轮胎的贴地性。

但多连杆悬挂成也是连杆多，败也是连杆多，正是因为多连杆结构，所

以造成了结构十分的复杂，所需要的零件也多，在成本和组装上的耗费也就

更高，并且为了要达到非独立悬架的耐用度，耍始终维持连杆的不变型和不

移位，所以在材料使用和结构上也很讲究。多连杆式悬挂如图12所示。

图12多连杆式悬挂

麦弗逊悬挂系统相较于其它的独立悬挂系统而言，它的结构较为简单实用，

而且成本也比较实惠，并且在舒适性上也没有比其它独立悬挂系统差很多。一根

弹簧、一个减振器，一个特殊的三角结构就构成了我们的麦弗逊悬挂系统了。麦

弗逊悬挂系统的弹簧就是跟减振器连在一起的，节省了复杂的结构和空间。因此,

当车辆出现颠簸时，弹簧就会在减振器上做上下方向的振动，并且可以通过调节

减振器的行程和松紧来决定车辆悬挂的性能高低。虽然说麦弗逊悬挂的结构含量

在所有的悬挂类型里面比较简单，但是它对于车辆的舒适性，还是让人可以去接

受的。因为麦弗逊悬挂系统的直筒式没有办法抵消掉车轮两边遭受的力量，所以

在刹车的这一方面的能力会比较差，在急转弯的时候更加的明显。麦弗逊悬挂系

统如图13所示。

13

图13麦弗逊悬挂系统

因此，在参考了诸多类型的独立悬挂的优劣性能比较之后，我决定采用麦弗

逊悬挂作为我的悬挂系统样式参考，以此建立我的悬挂系统。因为麦弗逊悬架系

统无论是在结构上、功能上、成本上，都是较于简单优越的，十分符合我的底盘

悬挂设计理念，所以我决定用麦弗逊悬挂系统作为参考。

3.3悬挂系统筒式减振器的分类

内部冲有液体的液力式减震器在悬挂中是被使用的次数不少的减震器。车辆

在遭受不明路况的颠簸时，减振器的油液就会在流动，于是就在阻尼孔中产生了

两种摩擦力，这就是所谓的振动阻力了。由于振益所引起的热能会经过与周围环

境的扩散方式进行热量的降低，达到了减弱振动的目的。根据能量在压缩或者伸

展中的消耗，我们把减振器分为单向减振器和双向减振器。

根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。筒式减振器又分为单筒

式、双筒式和充气筒式三种。双筒式减振器具备工作性能稳定、十摩擦阻力小、

噪声低、总长度短等优点。

减振器设计的最重要的目的就是为了保证车辆在行驶过程中的稳定性。

3.4悬挂系统减振器的选择

筒式减振器分为HH型、HG型、GH型、CG型，如图14所示。

14

第3章悬挂系统的设计

图14示筒式减振器的各种类型

我选用了HH型，其形状如图15所示。筒式减振器的分别由主体、弹簧、盖

帽三个部分组成。

图15设计的筒式减振器

3.5减振器弹簧的计算

减振器的弹簧我选择使用的材料为碳素弹簧钢丝I类，因为此类弹簧的强度

高，韧性好，适用于制作小弹簧，并且I类弹簧的受变载作用次数在106以上。

经过查表可知碳素弹簧钢丝的许用切应力T为780MPa。弹簧的最小工作载荷Pi=

ON,最大的工作载荷&=600N。弹簧的指数CF,弹簧的螺旋升角y取值为5。，

弹簧的支撑圈为2圈，弹簧的总圈数nl=16圈。

根据弹簧强度公式

d=1.6(3-1)

式中，K为曲度系数，F为载荷，C为弹簧指数，T为弹簧的许用扭转应力

计算得出弹簧直径d=3.5mm

根据公式

D=D2+d(3-3)

15

(3-4)

Dr=D2-d

(3-5)

D2=Cd

可以分别计算出弹簧中径。2=14mm,内径Di=10.5mm,外径D=17.5mmo

弹簧的有效圈数n：

n=nl-2=16-2=14(3-6)

弹簧的节距p(nrni)：

p=0.28D2=0.28戈10.5a3(3-7)

弹簧的自由高度年(mm)：

H0=np+1.5d=14x3+1.5%3.5工47(3-8)

弹簧的工作高度儿(mm)：

Hn=H0-An=30-18=12(3-9)

弹簧压缩高径比b：

匕=也=八3(3-10)

。214

弹簧展开长度L(iwn)：

.TTDOHI3.14X10.5X16LCC

L=------=--------------------《529(3-11)

COSY0.996

3.6减振器的计算

当计算完了有关于弹簧的相关尺寸和数据后，我就需要一个相对应的减振器

来配合我的弹簧，使得这个减震系统可以更有效的工作。减振器的选择一般需要

满足几个条件，其一，减振器的工作速度范围必须得合理，不能过高，也不必过

低，在这个根基上也一定要保证到油液的压力在合适的范围内。这样子的话，才

可以稳定减振器的阻力值，而不致使阻力值超过一个范围值，而且也不用去担心

会出现泄漏油液的情况。其二，要有合适的尺寸安排和确保工作行程的充足。在

选择并且计算好弹簧后，减振器的一些大概参数也就可以算出来了，所以在选择

减振器的时候，一定要保证减振器的尺寸不能小于弹簧的工作行程。其三，减振

器在散热方面也必须足够的优秀，不然在高频率的工作环境下，减振器会因为散

热的不优良而造成阻力值的不稳定，严重的情况就会把减振器过早的损坏掉，所

以拥有优秀的散热系统就十分的有必要。其四，在车辆行驶的途中，减振器也必

须要确保到车辆的平稳性和行驶的顺畅性。

16

第3章悬挂系统的设计

3.6.1相对阻尼系数3

减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力F与减振器振动速度v之间有

如下关系

F=8v(3~12)

式中，6为减振器阻尼系数，v为卸荷速度，一般取值范围为0.15~0.3m/s,

取v=0.3m/so

图16所示出减振器的阻力一一速度特性图。该图具有如下特点：有四段近

似直线的线段构成了阻力一速度特性曲线，其中下缩行程的阻力一速度有两段,

剩下的两段为伸张行程的曲线：每一段的斜率都月公式6=产"来计算，这个是

减振器的阻尼系数，所以减振器有四个阻尼系数。只有在特别标明的情况下，减

振器的阻尼系数才有变化，否则减振器的阻尼系数就是指卸荷阀开启前的阻尼系

数。通常压缩行程的阻尼系数饱=尺/坂与伸张行程的阻尼系数2=后/%不等。

图16减振器的特性

a)阻力—位移特性b)阻力—速度特性

汽车悬挂有阻尼以后，弹簧上的质量就会出现一个周期衰减的振动。这时

候就会用相对阻尼系数”的大小来评定振动衰减的快慢速度。相对阻尼系数3的

表达式为

式中，c为悬挂系统垂直刚度；ms为弹簧，的质量。

相对阻尼系数W的物理意义是：减振器不同的阻尼效果的产生，一般会与

不等的簧上质量THs和不同的刚度c有关联。振动的衰减速度会随着0的增大而

迅速提高，同时又可以把很大一部分的路面冲击力传递给车身；p值小则反

之。通常情况下，相而阻尼系数租丫在进行压缩工作时，0y值会取小些，相对阻

尼系数0s就会在进行伸张工作时取值大些。两者之间保持为=(0.25-O.5O)0s

的关系。

17

一般会选择0y与WS的平均值0。在弹性悬架元件没有内摩擦时，取0=

0.25〜0.35；弹性悬架元件有摩擦的话，9值取小些。因为我的设计弹性原件悬

架属于没有内摩擦的类型，所以我选取R值为0.30。

3.6.2减振器阻尼系数5的确定

减振器阻尼系数的公式：

6=2(py/cm(3-14)

因悬架系统固有振动频率3=y/c/msf所以理论上5=2Vmi,3。但是根据减

振器的摆放位置的不同，也就会有不同的阻尼系数了。减振器的摆放如图17所

示。

图17减振器安装位置

当减振器的摆放如图11的第一张图时，减振器阻尼系数6的计算公式如下:

2

2ipmsa)n

8=-―(3-15)

式中，n为双横臂悬架的下臂长；a为减振器在下横臂上的连接点到下横臂

在车身上的较接之间的距离。

当减振器的摆放如图11的第二张图所示时，减振器的阻尼系数6用下面的

公式计算

2

2t/)msa)n

6=-―(3-16)

式子中，a为减振器轴线与铅垂线之间的夹角°

当减振器的摆放如图11的第三张图所示时，减振器的阻尼系数6用下面的

公式计算

23nls3

5c=蒜右(3-17)

经过对三幅减振器的摆放图对比后，再综合我对自身悬持系统的设计，我决

定使用第三张图所示的减振器的摆放方式作为我自身的悬挂系统摆放。因此利用

公式

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第3章悬挂系统的设计

6=型箸(3-18)

cos1a

计算出减振器的阻尼系数6约为13k

3.6.3最大卸荷力Fo的确定

为了降低传递到车身上的冲击力，当减振器的活塞振动速度达到阀值时，减

振器打开卸荷。这时候的活塞速度称为卸荷速度以。当减振器安装如图11-C所

示时，计算公式如下：

vx=Ao),acosa/n(3-19)

式中,以为卸载速度，一般为0.15~0.30m/s,取值以为0.3m/s；A为车身振

幅，取±40mm,3为悬架振动固有频率。

已知伸张行程时的阻尼系数为为131,故我伸张行程的最大卸荷力为

Fo=今以二131x0.3=39.3N