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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 課題的研究目的和意義
汽車懸架系統(tǒng)對(duì)整車行駛動(dòng)力學(xué)（如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等）有舉足輕重的影響，是汽車總布置設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)校核的重要內(nèi)容之一，由于汽車懸架系統(tǒng)是比較復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，這些就給運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析帶來(lái)較大困難。人們采用不同的途徑或手段對(duì)其進(jìn)行分析研究，包括試驗(yàn)、簡(jiǎn)化成理想約束條件下的機(jī)構(gòu)分析。過(guò)去多用簡(jiǎn)化條件下的圖解法和分析計(jì)算法對(duì)汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析計(jì)算，用多自由度的質(zhì)量—阻尼剛體數(shù)學(xué)模型對(duì)汽車行駛狀況進(jìn)行仿真。所得的結(jié)果誤差較大，并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，虛擬技術(shù)已經(jīng)成為世界汽車開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的應(yīng)用潮流。上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬開(kāi)發(fā)技術(shù)的應(yīng)用在世界范圍內(nèi)得到大力推廣，這是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)仿真分析、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）及虛擬制造、計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)及虛擬實(shí)驗(yàn)等先進(jìn)技術(shù)的全新的汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)技術(shù)體系和流程。特別二十世紀(jì)八十年代以來(lái)這種情況得到了改變，而多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的成熟，使汽車動(dòng)力學(xué)的建模與仿真產(chǎn)生了巨大飛躍，特別是ADAMS軟件的成功應(yīng)用使虛擬樣機(jī)技術(shù)脫穎而出?；贏DAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)，可把懸架視為是由多個(gè)相互連接、彼此能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真比以往通常用兒個(gè)自由度的質(zhì)量一阻尼剛體（振動(dòng)）數(shù)學(xué)模型計(jì)算描述更加真實(shí)反映懸架特性及其對(duì)汽車行駛動(dòng)力學(xué)影響。
在傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、試制過(guò)程中必須邊試驗(yàn)邊改進(jìn)，從設(shè)計(jì)到試制、試驗(yàn)、定型，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本較高，周期長(zhǎng)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，結(jié)合虛擬設(shè)計(jì)和虛擬試驗(yàn)，可以大大簡(jiǎn)化懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品[1]。
本課題研究的目的和意義就在于對(duì)麥弗遜式懸架進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)及基于ADAMS的優(yōu)化分析，在試制前的階段進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)仿真，并且提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的意見(jiàn)，在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，完善設(shè)計(jì)方案，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。
1.2 汽車懸架技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
m 1— 簧下質(zhì)量 m 2—車身質(zhì)量 k1、k2—隔振彈簧 c—阻尼器 u—?jiǎng)幼髌鳌—輪胎
圖1.1 三種懸架的模型圖
完美是人類永恒的追求。在馬車出現(xiàn)的時(shí)候, 為了乘坐更舒適, 人類就開(kāi)始對(duì)馬車的懸架（葉片彈簧）進(jìn)行孜孜不倦的探索。在1776年，馬車用的葉片彈簧取得了專利, 并且一直使用到20世紀(jì)30年代葉片彈簧才逐漸被螺旋彈簧代替[2]。
汽車誕生后,隨著對(duì)懸架技術(shù)研究的深入，相繼出現(xiàn)了扭桿彈簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性件，1934年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)由螺旋彈簧組成的被動(dòng)懸架。 被動(dòng)懸架的模型如圖1.1（a） 所示，被動(dòng)懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定, 在行駛過(guò)程中路況保持不變，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減振的效果較差。為了克服這種缺陷，采用了非線性剛度彈簧和車身高度調(diào)節(jié)的方法，該方法雖然有一定成效，但無(wú)法根除被動(dòng)懸架的弊端。被動(dòng)懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、夏利、賽歐等車，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。被動(dòng)懸架是傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機(jī)振動(dòng)理論，它只能保證在特定的路況下達(dá)到較好效果，但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，成本相對(duì)低廉且不需額外能量，因而應(yīng)用最為廣泛，在我國(guó)現(xiàn)階段，仍然有較高的研究?jī)r(jià)值。
1、被動(dòng)懸架性能的研究主要集中在三個(gè)方面
（1）通過(guò)對(duì)汽車進(jìn)行受力分析后，建立數(shù)學(xué)模型，然后再用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或有限元法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)；
（2）研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運(yùn)行狀態(tài)；
（3）研究導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩(wěn)定性有大的提高。
被動(dòng)懸架在一定的時(shí)間內(nèi)仍將是應(yīng)用最廣泛的懸架系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以繼續(xù)提升懸架性能。
半主動(dòng)懸架的研究工作開(kāi)始于1973年，由D.A.Crosby 和D.C. Karnopp 首先提出，模型如1.1（b）。半主動(dòng)懸架以改變懸架的阻尼為主，一般較少考慮改變懸架的剛度。工作原理是根據(jù)彈簧上質(zhì)量相對(duì)車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者剛度，半主動(dòng)懸架產(chǎn)生力的方式與被動(dòng)懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，這和主動(dòng)懸架極為相似，有級(jí)式半主動(dòng)懸架是將阻尼分成幾級(jí)， 阻尼級(jí)由駕駛員根據(jù)“路感”選擇或由傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇，無(wú)級(jí)式半主動(dòng)懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對(duì)懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作時(shí)不需要消耗車輛的動(dòng)力，而且可取得與主動(dòng)懸架相近的性能，具有很好的發(fā)展前景[3] 。
2、半主動(dòng)懸架的研究集中在執(zhí)行策略的研究和執(zhí)行器的研究?jī)蓚€(gè)方面
阻尼可調(diào)減振器主要有兩種，一種是通過(guò)改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼，一種是通過(guò)改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻尼，節(jié)流孔的大小一般通過(guò)電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無(wú)級(jí)的調(diào)節(jié)。這種方法成本較高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過(guò)改變減振液的粘性來(lái)改變阻尼系數(shù)， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)噪音和沖擊等特點(diǎn)，因此是目前發(fā)展的主要方向。在國(guó)外，改變減振液粘性的方法主要有電流變液體和磁流變液體兩種。北京理工大學(xué)的章一鳴教授進(jìn)行了阻尼可調(diào)節(jié)半主動(dòng)懸架的研究，林野進(jìn)行了懸架自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制決策研究，哈工大的陳卓如教授對(duì)車輛的自適應(yīng)控制方面進(jìn)行了研究，執(zhí)行策略的研究是通過(guò)確定性能指標(biāo)，然后進(jìn)行控制器的設(shè)定。目前,模糊控制在這方面應(yīng)用較多[3]。
隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動(dòng)懸架的缺陷逐漸成為提高汽車性能的瓶頸，為此人們開(kāi)發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動(dòng)懸架。主動(dòng)懸架的概念是1954年美國(guó)通用汽車公司在懸架設(shè)計(jì)中率先提出的，主動(dòng)懸架的模型如圖1.1（c）所示。它是在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，使汽車懸架在任何路面上保持最佳的運(yùn)行狀態(tài)。控制裝置通常由測(cè)量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等組成。20世紀(jì)80年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠家競(jìng)相研制開(kāi)發(fā)這種懸架，豐田、洛特斯、沃爾沃、奔馳等在汽車上進(jìn)行了較為成功的試驗(yàn)。1982年，瑞典的Volvo公司在Volvo740轎車上安裝了Lotus全主動(dòng)懸架；三菱汽車公司也生產(chǎn)了能調(diào)節(jié)車身高度和改變阻尼的全主動(dòng)懸架系統(tǒng)；日產(chǎn)汽車公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)了液壓全主動(dòng)懸架系統(tǒng)。裝置主動(dòng)懸架的汽車，即使在不良路面高速行駛時(shí)，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)車身保持水平，特點(diǎn)是乘坐非常舒服，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高,成本昂貴，可靠性存在問(wèn)題[3]。
3、主動(dòng)懸架研究也集中在可靠性和執(zhí)行器兩個(gè)方面
由于主動(dòng)懸架采用了大量的傳感器、單片機(jī)、輸出輸入電路和各種接口，元器件的增加降低了懸架的可靠性，所以加大元件的集成程度,是一個(gè)不可逾越的階段。執(zhí)行器的研究主要是用電動(dòng)器件代替液壓器件，氣動(dòng)力系統(tǒng)中的直線伺服電機(jī)和永磁直流直線伺服電機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，今后將會(huì)取代液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計(jì)自校正控制器，可望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動(dòng)懸架，使主動(dòng)懸架由理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)的每次跨越，都和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)制造技術(shù)、運(yùn)動(dòng)仿真等為懸架的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的保障，懸架的發(fā)展也給相關(guān)學(xué)科提出更高的理論要求，使人類的認(rèn)識(shí)邁向新的、更高的境界。
我國(guó)對(duì)半主動(dòng)和主動(dòng)懸架的研究方面起步較晚，與國(guó)外的差距大。同時(shí)由于半主動(dòng)和主動(dòng)懸架技術(shù)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等原因，我國(guó)的絕大部分汽車采用被動(dòng)懸架。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，半主動(dòng)懸架在20世紀(jì)80年代后期趨于成熟,福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果，主動(dòng)懸架雖然提出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車，未見(jiàn)國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報(bào)道，只有北京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等少數(shù)幾個(gè)單位對(duì)主動(dòng)懸架展開(kāi)研究[4]。
1.3 設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容和方法
本設(shè)計(jì)結(jié)合懸架設(shè)計(jì)的知識(shí)，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)行了麥弗遜式懸架的虛擬設(shè)計(jì)及優(yōu)化，減少了開(kāi)發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。在懸架設(shè)計(jì)中，基于ADAMS平臺(tái)參數(shù)化的特性生成懸架的仿真模型，依據(jù)仿真結(jié)果提出改進(jìn)方案并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選定比較合適的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)和懸架性能參數(shù)，對(duì)懸架零件進(jìn)行選取和模型建立最后完成懸架的裝配。
具體內(nèi)容包括：
（1）分析麥弗遜式懸架的結(jié)構(gòu)和懸架設(shè)計(jì)要求，對(duì)減振器、彈簧的基本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用空間機(jī)構(gòu)知識(shí)進(jìn)行分析。
（2）使用ADAMS軟件的View模塊，對(duì)麥弗遜懸架進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立麥弗遜式懸架的空間機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析；對(duì)完成的麥弗遜式懸架模型進(jìn)行參數(shù)化處理，實(shí)現(xiàn)懸架模型的參數(shù)化，把所用到的設(shè)計(jì)變量和虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)應(yīng)起來(lái)，分析懸架優(yōu)化的目標(biāo)參量及其測(cè)量表達(dá)式；
（3）對(duì)所建立的模型進(jìn)行懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真試驗(yàn)，研究考慮每個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)樣機(jī)性能的影響，進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比討論優(yōu)化前后的仿真結(jié)果，最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；
（4）利用Pro/E軟件對(duì)優(yōu)化完的懸架進(jìn)行模型的建立。
第2章 麥弗遜懸架的概述
2.1 懸架的作用和組成分類
汽車懸架是汽車重要的組成部分，它是連接車輪與車架的彈性傳力裝置，不僅承受作用在車輪和車體之間的力，還可以吸收與緩和汽車在不平的路面上行駛時(shí)，所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，從而提高乘坐的舒適性，延長(zhǎng)機(jī)件的壽命。懸架由彈性元件，導(dǎo)向裝置與減振器等三種元件和機(jī)構(gòu)組成[5]。
2.1.1 懸架的分類
1、非獨(dú)立式懸架
兩側(cè)車輪安裝于一根整體式車橋上，車橋通過(guò)懸掛與車架相連。這種懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳力可靠，但是兩輪受沖擊振動(dòng)時(shí)互相影響。當(dāng)汽車行駛在左右傾斜的凸凹面上時(shí)，非獨(dú)立懸架車輛的車體發(fā)生明顯的傾斜，而且由于非懸掛質(zhì)量較重，懸架的緩沖性能較差，行駛時(shí)汽車振動(dòng)、沖擊較大，該懸掛一般多用于載重汽車、普通客車和一些其他車輛上。
圖2.1 四種基本類型的獨(dú)立懸架示意圖
2、獨(dú)立式懸架
汽車的每個(gè)車輪單獨(dú)通過(guò)一套懸掛安裝于車身或者車橋上，車橋采用斷開(kāi)式，中間一段固定于車架或車身上；此種懸掛兩邊車輪受沖擊時(shí)互不影響，而且由于非懸掛質(zhì)量較輕，緩沖與減振能力很強(qiáng)，乘坐舒適，各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于非獨(dú)立式懸掛，但該懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還會(huì)使驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變得復(fù)雜起來(lái)。采用此種懸掛的轎車、客車以及載人車輛，可明顯提高乘坐的舒適性，并且在高速行駛時(shí)提高汽車的行駛穩(wěn)定性。而越野車輛、軍用車輛和礦山車輛，在壞路或無(wú)路的情況下，可保證全部車輪與地面的接觸，提高汽車的行駛穩(wěn)定性和附著性，發(fā)揮汽車的行駛速度。
獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)分有橫臂式如圖2.1（a）、縱臂式如圖2.1（b）、燭式如圖2.1（c）、麥弗遜式如圖2.1（d）等多種，其中燭式和麥弗遜式形狀相似，兩者都是將螺旋彈簧與減振器組合在一起，但因結(jié)構(gòu)不同又有重大區(qū)別。
燭式采用車輪沿主銷軸方向移動(dòng)的懸架形式，形狀似燭形南而得名。特點(diǎn)是主銷位置和前輪定位角不隨車輪的上下跳動(dòng)而變化，有利于汽車的操縱性和穩(wěn)定性。麥弗遜式是絞結(jié)式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)。特點(diǎn)是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動(dòng)而變化，這點(diǎn)與燭式懸架正好相反。這種懸架構(gòu)造簡(jiǎn)單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。所以，目前轎車使用最多的獨(dú)立懸架是麥弗遜式懸架[6]。
2.1.2 懸架的組成
現(xiàn)代汽車的懸架盡管各有不同的結(jié)構(gòu)型式，但一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在輕型汽車中，也是連接車架（或車身）與車橋（或車輪）的結(jié)構(gòu)，除了傳遞作用力外，還能夠使車架（或車身）隨車輪按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。轎車上來(lái)講，彈性元件多采用螺旋彈簧，它只承受垂直載荷，緩和不平路面對(duì)車體的沖擊，具有占用空間小，質(zhì)量小，無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，但是沒(méi)有減振作用。減振器在車架（或車身）與車橋（或車輪）之間作彈性聯(lián)系，起到承受沖擊的作用。采用減振器是為了吸收振動(dòng)，使汽車車身振動(dòng)迅速衰弱（振幅迅速減?。?，使車身達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。減振器指液力減振器，是為了加速衰減車身的振動(dòng)，它是懸架機(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)械件。傳力裝置是指車架的上下擺臂等叉形剛架、轉(zhuǎn)向節(jié)等元件，用來(lái)傳遞縱向力，側(cè)向力及力矩，并保證車輪相對(duì)于車架（或車身）有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
1、彈性元件的種類
（1）鋼板彈簧
由多片不等長(zhǎng)和不等曲率的鋼板又疊合而成。安裝好后兩端自然向上彎曲。鋼板彈簧除具有緩沖作用外，還有一定的減振作用，縱向布置時(shí)還具有導(dǎo)向傳力的作用，非獨(dú)立懸掛大多采用鋼板彈簧做彈性元件，可省去導(dǎo)向裝置和減振器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
（2）螺旋彈簧
只具備緩沖作用，多用于轎車獨(dú)立懸掛裝置。由于沒(méi)有減振和傳力的功能，還必須設(shè)有專門的減振器和導(dǎo)向裝置。
（3）油氣彈簧
以氣體作為彈性介質(zhì)，液體作為傳力介質(zhì)，它不但具有良好的緩沖能力，還具有減振作用，同時(shí)還可調(diào)節(jié)車架的高度，適用于重型車輛和大客車使用。
（4）扭桿彈簧
將用彈簧桿做成的扭桿一端固定于車架，另一端通過(guò)擺臂與車輪相連，利用車輪跳動(dòng)時(shí)的扭轉(zhuǎn)變形起到緩沖作用，適用于獨(dú)立懸掛使用。
2、減振器
多采用筒式減振器，利用油液在小孔內(nèi)的節(jié)流作用來(lái)消耗振動(dòng)能量。減振器的上端與車身或者車架相連，下端與車橋相連。多數(shù)為壓縮和伸張行程都起作用的雙作用減振器。本設(shè)計(jì)也采用雙筒式雙向作用減振器。
減振器是懸架的阻尼元件。它可將車輪與車身相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵夯蚰Σ帘砻娴臒崮懿⑸l(fā)出去，從而迅速衰減振動(dòng)。現(xiàn)代轎車的懸架都有減振器，當(dāng)轎車在不平坦的道路上行駛，車身會(huì)發(fā)生振動(dòng)，減振器能迅速衰減車身的振動(dòng)，利用本身的油液流動(dòng)的阻力來(lái)滄海橫流振動(dòng)的能量。當(dāng)車架與車軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的油液會(huì)通過(guò)一些窄小的孔、縫等通道反復(fù)地從一個(gè)腔室流向另一個(gè)腔室，這時(shí)孔壁與油液間的摩擦形成了對(duì)車身振動(dòng)的阻力，這種阻力工程上稱為阻尼力。阻尼力會(huì)將車身的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，并被油液和殼體所吸收。人們?yōu)榱烁玫貙?shí)現(xiàn)轎車的行駛平穩(wěn)性和安全性，將阻尼系數(shù)不固定在某一數(shù)值上，而是能隨轎車運(yùn)行的狀態(tài)而變化，使懸架性能總是處在最優(yōu)的狀態(tài)附近。因此，有些轎車的減振器是可調(diào)式的，將阻尼分兩級(jí)或三級(jí)，根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇所需要的阻尼級(jí)。
3、導(dǎo)向裝置
獨(dú)立懸架上的彈性元件，大多吸能傳遞垂直載荷而不能傳遞縱向力和橫向力，必須另設(shè)導(dǎo)向裝置，如上、下擺臂和縱向、橫向穩(wěn)定器等。汽車懸架的彈性元件有鋼板彈簧，螺旋彈簧等輕型汽車的懸架一般很軟，它可以提高汽車的平順性，為減少傾斜并提高剛性，通常設(shè)置橫向穩(wěn)定桿。導(dǎo)向裝置可控制車輪相對(duì)車身按設(shè)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并在車輪與車架之間傳遞力和力矩[7]。
2.2 麥弗遜懸架的特點(diǎn)
麥弗遜式懸架（Macpherson Suspension）是獨(dú)立懸架的一種，于1947年當(dāng)時(shí)任職福特汽車公司的麥弗遜（Earl 5. MacPherson）發(fā)明。麥弗遜式懸架首先于1950年在福特汽車公司的車型上采用，從此以后，麥弗遜式懸架以其節(jié)約空間和成本較低成為最為流行的汽車獨(dú)立懸架系統(tǒng)之一。
根據(jù)對(duì)日本在1987年到2000年之間生產(chǎn)的轎車的統(tǒng)計(jì)，轎車中前懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)型式都是以麥弗遜式為主，雙橫臂式獨(dú)立懸架次之。1987年末、1994年末、2000年末采用麥弗遜式懸架作為前懸架的車型所占比例分別為：69.6%，61.6%，69.3%，麥弗遜式懸架在三個(gè)統(tǒng)計(jì)年度均占第一位；采用麥弗遜式懸架作為后懸架的車型所占比例分別為：24.8%，27.8%， 12.4%，其中麥弗遜式懸架在1987年末占第二位，在1994年末占第一位，在2000年末占第四位。在全球范圍內(nèi)，前懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)型式比較單一，發(fā)展趨勢(shì)較為明朗，都是麥弗遜式（滑柱連桿式）占主導(dǎo)地位，這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于從微型轎車到高級(jí)轎車的所有轎車中，且不分驅(qū)動(dòng)橋或非驅(qū)動(dòng)軸均適用[7]。
麥弗遜式懸架是一種單橫臂式獨(dú)立懸架，它將減振器作為懸架桿系的一部分加以利用，并將兼作轉(zhuǎn)向主銷用的滑柱和擺臂組裝在一起，主要用于中型以下的轎車上，也用于運(yùn)動(dòng)型汽車的后軸，此時(shí)稱為查普曼（Chapman）式懸架。與雙橫臂式懸架相比，麥弗遜式懸架用汽車翼子板上的鉸鏈點(diǎn)代替了上橫臂，減振器的活塞桿頭和螺旋彈簧支承在這里。麥弗遜式懸架將所有承擔(dān)彈性元件功能和車輪導(dǎo)向功能的零件組合在一個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，這些零件包括：支撐螺旋彈簧下端的托盤、輔助彈簧和壓縮行程限位塊、與連桿連接的擺軸式橫向穩(wěn)定桿和車輪轉(zhuǎn)向節(jié)。
與雙橫臂式懸架相比，麥弗遜式懸架的側(cè)擺中心高，車體側(cè)擺時(shí)側(cè)擺中心的變化比較小，車輪作上下振動(dòng)時(shí)車輪外傾角、主銷后傾角和輪距的變化小。各個(gè)支撐點(diǎn)相互之間的距離較遠(yuǎn)，從而因制造誤差而引起的車輪外傾角和主銷后傾角的變化也較小，因此不需要特別的調(diào)整機(jī)構(gòu)。同時(shí)，由于路面沖擊分散得很廣以及能夠把懸架裝在車輪附近，所以懸架彈簧剛度小而有利于車體構(gòu)造，占用空間小。但是，由于減振器兼作轉(zhuǎn)向部件，所以它的滑動(dòng)部分容易松動(dòng)，轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪的外傾角變化也比較大。轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大一些，車體不是整體構(gòu)造時(shí)難于使用。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，麥弗遜懸掛的主要結(jié)構(gòu)即是由螺旋彈簧加減振器組成，減振器可以避免螺旋彈簧受力時(shí)向前、后、左、右偏移的現(xiàn)象，限制彈簧只能作上下方向的振動(dòng)，并可以用減振器的行程長(zhǎng)短及松緊，來(lái)設(shè)定懸掛的軟硬及性能。麥弗遜式懸架系統(tǒng)與其它懸架系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，占用空間少，性能優(yōu)越等特點(diǎn)。該懸架還具有較為合理的運(yùn)動(dòng)特性，能夠保證整車性能要求。因此麥弗遜式懸架在轎車和微型汽車上有著廣泛的應(yīng)用[8]。
輕型轎車中的麥弗遜式懸架是典型的空間機(jī)構(gòu)。如圖2.2是某微型汽車的麥弗遜式前懸架機(jī)構(gòu)。
1—橫擺臂 2—車輪 3—轉(zhuǎn)向節(jié) 4—減振器 5—車身 6—彈簧
圖2.2 麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)圖
筒式減振器4的上端用螺栓和橡膠墊圈與車身5連接，減振器鋼筒下端固定在轉(zhuǎn)向節(jié)3上，而轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)球鉸鏈與橫擺臂1連接。車輪所受的側(cè)向力通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)大部分由橫擺臂承受，其余部分由減振器承受。因此，這種結(jié)構(gòu)形式較其余懸架在一定的程度上減少了滑動(dòng)摩擦。螺旋彈簧6套在筒式減振器的外面。主銷的軸線通過(guò)上下鉸鏈中心。當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，因減振器的下支點(diǎn)隨橫擺臂擺動(dòng)，故主銷軸線的角度是變化的，這說(shuō)明車輪是沿著擺動(dòng)的主銷軸線而運(yùn)動(dòng)。因此，這種懸架在變形時(shí)，使得主銷的定位角和輪距都有些變化。然而如果適當(dāng)調(diào)整桿系的結(jié)構(gòu)的布置，可以使車輪的這些定位參數(shù)變化極小[9]。
2.3 麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)分析
圖2.3 麥弗遜懸架機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
以下用空間機(jī)構(gòu)知識(shí)分析麥弗遜懸架機(jī)構(gòu)。由于麥弗遜懸架是各個(gè)零件組成的，在懸架機(jī)構(gòu)分析中采用空間機(jī)構(gòu)分析。機(jī)構(gòu)都是由構(gòu)件組成的。構(gòu)件不同于零件，前者是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的概念，而后者是機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)和機(jī)械制造理論的概念。一個(gè)構(gòu)件可以是一個(gè)零件，也可以是由幾個(gè)甚至很多零件組成。在機(jī)構(gòu)學(xué)中一般認(rèn)為構(gòu)件是剛性，彈性和彈性體不視為構(gòu)件，這與多體運(yùn)動(dòng)學(xué)中把它們視為是不同的。構(gòu)件和構(gòu)件是由運(yùn)動(dòng)副連接成運(yùn)動(dòng)鏈。運(yùn)動(dòng)副是構(gòu)件的一種活動(dòng)連接，它即限制所連接的兩個(gè)構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（即提供一定的約束），又保留了構(gòu)件間的一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所保留的獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)目為運(yùn)動(dòng)副的自由度。運(yùn)動(dòng)副按照其接觸情況分為高副和低副。高副所連接的兩個(gè)構(gòu)件成點(diǎn)接觸或線接觸，在接觸區(qū)域副元素的幾何輪廓是重合的。如圖2.3所示，表示汽車前懸架機(jī)構(gòu)圖。
車架與橫擺臂是轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；橫擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)總成（包括減震器筒體）是球副連接；減震器桿與轉(zhuǎn)向節(jié)總成（包括減震器筒體）是圓柱副；減震器桿車架是球副連接；麥弗遜式懸架是閉式空間機(jī)構(gòu)，機(jī)架就是車身，沒(méi)有原動(dòng)件，只是行駛過(guò)程中，由于車輪的上下跳動(dòng)，帶動(dòng)麥弗遜式懸架機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié)和橫擺臂被動(dòng)地運(yùn)動(dòng)[10]。
2.4 本章小結(jié)
本章介紹了汽車懸架的重要作用和組成元件以及懸架的分類，介紹了麥弗遜式懸架的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，并對(duì)麥弗遜式懸架的結(jié)構(gòu)加以分析。
第3章 懸架設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 懸架特性參數(shù)
懸架設(shè)計(jì)的主要目的之一是確保汽車有良好的行駛平順性。汽車行駛時(shí)振動(dòng)越劇烈，則平順性越差。大量的研究及實(shí)踐結(jié)果表明，對(duì)平順性影響最為顯著的懸架特性參數(shù)分別是：懸架的彈性特性、阻尼特性以及非簧載質(zhì)量[11]。
3.1.1 阻尼特性
懸架受到的垂直外力與由此所引起的車輪中心相對(duì)于車身位移（即懸架的變形）的關(guān)系，稱為懸架的彈性特性。為了減少振動(dòng)頻率和車身高度的變化，本設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)采用鋼度可變的非線性彈性特性懸架，即懸架變形與所受垂直力之間不成固定的比例變化。
汽車懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一。因此，固有頻率（Hz）可用式（3.1）表示。
（3.1）
式中：
——重力加速度，g=9810mm/s2；
——懸架鋼度，N/mm；
——懸架簧載重力，N。
由于本車單輪簧載質(zhì)量kg，則N。
一般乘用車的固有頻率在1~1.45Hz之間，本設(shè)計(jì)取Hz，由式（3.1）得懸架的鋼度為
N/mm
由于懸架靜撓度，因此式（3.1）又可表達(dá)為
（3.2）
式中的單位為mm。
當(dāng)時(shí)
mm
為了避免汽車行駛過(guò)程中頻繁撞擊車架，應(yīng)當(dāng)有足夠的動(dòng)撓度，一般乘用車的動(dòng)撓度范圍為（70~90mm）。
3.1.2 阻尼特性
當(dāng)汽車懸架僅有彈性元件而無(wú)摩擦或減振裝置時(shí)，汽車簧載質(zhì)量的振動(dòng)將會(huì)延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，因此，懸架中一定要有減振的阻尼力。對(duì)于選定的懸架剛度，只有恰當(dāng)?shù)倪x擇阻尼力才能充分發(fā)揮懸架的緩沖減振作用。當(dāng)汽車在不平的路面上行駛時(shí)或當(dāng)車輪受到?jīng)_擊負(fù)荷時(shí)，為了衰減車身的自由振動(dòng)和抑制車身、車輪的共振，以減小車身的垂直加速度和車輪的振幅，懸架系統(tǒng)應(yīng)具有合適的阻尼。
雖然在懸架中存在干摩擦能衰減振動(dòng)，但阻尼力不穩(wěn)定，不易控制，而且干摩擦的存在又使懸架在承受路面沖擊時(shí)，將部分沖擊傳給車身，損壞了行駛平順性。故目前多數(shù)汽車的懸架系統(tǒng)中盡量減少干摩擦而裝液力減振器，促使振動(dòng)迅速衰減以提高汽車行駛平順性。
3.1.3 非簧載質(zhì)量
根據(jù)是否由懸架彈簧支撐，汽車的總質(zhì)量可以分為簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量?jī)刹糠?。非簧載質(zhì)量即為非懸掛質(zhì)量，例如車輪和轉(zhuǎn)向節(jié)的質(zhì)量，此外，還應(yīng)包括車輪和車身或車橋之間各連接件質(zhì)量的一半，比如導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的擺臂、彈簧（固定在車架上的扭桿彈簧除外）、減振器、橫向推力桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿等。為了獲得良好的平順性，非簧載質(zhì)量應(yīng)該盡量小。一般而一言，對(duì)于轎車的非驅(qū)動(dòng)橋，其非簧載質(zhì)量約為（50~90）kg之間，采用獨(dú)立懸架時(shí)約為下限，采用非獨(dú)立懸架時(shí)約為上限，采用復(fù)合縱臂式后支持橋懸架時(shí)約為中間值。轎車的驅(qū)動(dòng)橋，獨(dú)立懸架的非簧載質(zhì)量約為（60~100）kg，而非獨(dú)立懸架由于帶有主減速器、差速器和剛體橋殼，非簧載質(zhì)量可達(dá)（100~140）kg。
3.2 螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
螺旋彈簧作為彈性元件，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便及有高的比能容量，因此在現(xiàn)代輕型以下汽車的懸架中應(yīng)用相當(dāng)普遍，特別是在轎車中，由于要求良好的乘用舒適性和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在大擺動(dòng)量下仍具有保持車輪定位角的能力，本設(shè)計(jì)中小型觀光旅游車選用螺旋彈簧作為其彈性元件。
3.2.1 螺旋彈簧計(jì)算公式
（1）應(yīng)力公式
（3.3）
式中：
——彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力，MPa；
——彈簧載荷，N；
——彈簧中徑，mm；
——鋼絲直徑，mm；
——應(yīng)力修正系數(shù)
（3.4）
式中：為彈簧指數(shù)。
（2）彈簧鋼度公式（或撓度公式）
（3.5）
（3.6）
式中：
——彈簧鋼度，N/mm；
——彈簧工作圈數(shù)；
——彈簧撓度，mm。
對(duì)彈簧鋼、硬 鋼絲、琴鋼絲、油回火鋼絲等材料，不管其鋼絲直徑粗細(xì)，原則上都取剪切彈性模數(shù)G=83000MPa。
（3）固有頻率公式
（3.7）
式中：
——懸掛質(zhì)量的固有頻率，Hz；
——重力加速度，9800mm/s2。
（4）阻尼公式（臨界阻尼系數(shù)公式）
（3.8）
式中：Ccr臨界阻尼系數(shù),是決定減振器阻尼力的基礎(chǔ)。
對(duì)應(yīng)力公式來(lái)說(shuō)，在應(yīng)力計(jì)算中有四個(gè)變量，其中包含應(yīng)力修正系數(shù)K、彈簧鋼絲直徑的三次方計(jì)算等。計(jì)算起來(lái)很麻煩，而且當(dāng)計(jì)算結(jié)果應(yīng)力過(guò)大時(shí)還要改變d、D值，反復(fù)多次才能算好。而實(shí)際上是先決定許用應(yīng)力，在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)尋求d、D值。對(duì)彈簧鋼度的計(jì)算也是如此。但是，在這些計(jì)算公式中，預(yù)先決定許用應(yīng)力、彈簧鋼度，然后定出d、D值中的一個(gè)，再求出另一個(gè)是相當(dāng)費(fèi)事的。
由公式（3.3）變形得
（3.9）
故應(yīng)力計(jì)算公式變形為：
（3.10）
式中：
K——應(yīng)力修正系數(shù)，；
A——彈簧鋼絲截面積,（mm2）；
S——由彈簧指數(shù)C決定的值。
S=2KC （3.11）
（3.12）
將C作為待求的量，改變上式得彈簧指數(shù)計(jì)算公式
（3.13）
由公式（3.5）變形得
（3.14）
設(shè)為每一圈彈簧的鋼度，則
（3.15）
取G=83000Mpa，則
（3.16）
3.2.2 螺旋彈簧的計(jì)算
由于彈簧需要承受的沖擊載荷較大，因此需要彈簧有較高的強(qiáng)度。在此選取60Si2Mn為懸架彈簧材料。
滿載靜平衡時(shí)彈簧載荷P=1637N，從汽車平順性考慮取固有頻率=1.35Hz。
初選彈簧鋼絲直徑d=8mm，查表得許用拉應(yīng)力Mpa，則許用切應(yīng)力Mpa。
當(dāng)懸架彈簧經(jīng)噴丸處理時(shí)，最大載荷剪切應(yīng)力應(yīng)控制在Mpa以下。作用在彈簧上的負(fù)荷倍數(shù)n一般取1.5左右。由于采用橡膠緩沖塊等故可防止過(guò)載，靜載荷時(shí)把應(yīng)力控制在600 Mpa以下為好。（即當(dāng)載荷倍數(shù)n=1.5時(shí)，使最大載荷時(shí)的應(yīng)力不超過(guò)Mpa，同時(shí)為以后改進(jìn)設(shè)計(jì)留有增加的重量的余地）。在此選取靜載荷時(shí)應(yīng)力Mpa。
由d=8mm可算出鋼絲截面積
mm2
由式（3.12）解得
將S帶入式（3.13）得
由式C=D/d得mm
把C、d帶入式（3.15）得
N/mm
根據(jù)式（3.7）求得彈簧鋼度和靜撓度
N/mm
mm
根據(jù)式（3.15）求得彈簧的有效圈數(shù)
壓并高度mm。
為了保證彈簧有足夠大的動(dòng)撓度，取載荷指數(shù)為1.5，即彈簧最大工作載荷
F2=1.51637=2455.5N
最大行程mm。
動(dòng)撓度mm，在允許范圍內(nèi)。
彈簧的自由高度可由彈簧壓并高度和最大行程決定，即。
但為了避免全壓縮，使自由高度高出一段距離更安全，取5mm。
因此彈簧自由高度
mm。
對(duì)彈簧鋼絲直徑進(jìn)行校核，因?yàn)閺椈芍笖?shù)C=7.5，則曲度系數(shù)
小于原設(shè)定的值，取d=8mm。
長(zhǎng)徑比，不失穩(wěn)（合格）。
3.3 減振器的計(jì)算
（1）相對(duì)阻尼系數(shù)
在選擇時(shí)應(yīng)考慮到的取值較大，能使系統(tǒng)振動(dòng)迅速衰減，但會(huì)使較大的不平路面的沖擊力傳到車身；選得過(guò)小，振動(dòng)衰減過(guò)慢，不利于行駛平順性。對(duì)于內(nèi)無(wú)摩擦彈性元件（螺旋彈簧）懸架，取。
（2）主要尺寸參數(shù)的選擇
工作缸筒常由低炭無(wú)縫鋼管支撐，其壁厚一般取mm。單筒式減振器為防止外物撞擊而產(chǎn)生變形，應(yīng)取2mm。貯油筒直徑，壁厚取2mm，材料選取20鋼，活塞桿直徑d一般?。?.40~0.55）D，工作缸筒長(zhǎng)度的長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為減振器工作行程的2~3倍，為筒式減振器工作直徑。
為了能以最少產(chǎn)品型號(hào)滿足各類汽車的需要，我國(guó)己制訂了汽車筒式減振器標(biāo)準(zhǔn)，由專業(yè)廠進(jìn)行系列化生產(chǎn)。筒式減振器以工作缸直徑制定系列，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定了工作缸徑的系列為：20、30、40、50、65、80（mm）。
所計(jì)算得到的工作缸徑，要在系列尺寸中找出相近的缸徑作為最后確定尺寸。
（3）減振器阻尼系數(shù)
（3.17）
式中：
——懸架剛度，N/m；
——簧載質(zhì)量，kg。
式中kg，N/m，。
KN/ms-1
為滿足減振器阻尼特性，伸張行程相對(duì)阻尼系數(shù)與壓縮行程相對(duì)阻尼系數(shù)之間的關(guān)系應(yīng)滿足式（3.16）和（3.17）的要求
（3.18）
（3.19）
解式（3.18）和（3.19）得， ，滿足式（3.17）中要求，則
減振器壓縮行程阻尼系數(shù)：KN/ms-1
減振器伸張行程阻尼系數(shù)：KN/ms-1
（4）卸荷速度
為減少傳到車身上的沖擊力，當(dāng)減振器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減振器應(yīng)打開(kāi)卸荷閥。打開(kāi)卸荷閥瞬時(shí)的減振器活塞速度稱為卸荷速度。
一般為0.15~0.3m/s在此取0.2m/s
（5）筒式減振器工作直徑的確定
（3.20）
mm
取標(biāo)準(zhǔn)值D=20mm。
式中：
——缸內(nèi)最大容許壓力，??；
——為最大卸荷力（伸張過(guò)程），；
——為伸張阻力系數(shù)，KN/ms-1；
——為缸筒直徑與連桿直徑之比，取。
（6）筒式減振器外形尺寸的確定
選取減振器基長(zhǎng)mm，工作行程mm；
工作缸長(zhǎng)度mm；
減振器貯油筒直徑mm；
選取活塞桿直徑mm；
減振器最大長(zhǎng)度mm；
減振器最小長(zhǎng)度mm。
3.4 懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
圖3.1麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.4.1 懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)空間位置的分析
麥弗遜式懸架由橫擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器和車身構(gòu)成機(jī)構(gòu)組成部分。如圖3.1為麥弗遜式左1/2懸架的結(jié)構(gòu)示意圖,其中BD為主銷中心線，MN為下擺臂旋轉(zhuǎn)軸線，DE為減振器中心線，P點(diǎn)為拉臂球頭中心，F(xiàn)為車輪的中心，Q點(diǎn)為主銷的中心線與車輪軸線的在后視圖上的交點(diǎn)，O點(diǎn)為MN連線的中點(diǎn)，G為車輪的著地點(diǎn)，G＇為主銷中心線與地面的交點(diǎn)。坐標(biāo)系X_Y_Z為靜坐標(biāo)系，為了方便后續(xù)的計(jì)算，取坐標(biāo)系的原點(diǎn)在懸架對(duì)稱中心平面（即YZ平面）上，并且XY平面過(guò)O點(diǎn)，XZ平面為地面。Z軸指向汽車的尾部，Y軸垂直向上，X軸由右手定，拇指指向Z軸，食指指向Y軸，則中指指向的則是X軸。
1、前輪定位參數(shù)的計(jì)算
在麥弗遜式懸架模型中，主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪外傾角、前輪前束角可以由以下的坐標(biāo)參數(shù)表示。
主銷內(nèi)傾角為主銷中心線BD與YZ平面的夾角。
（3.21）
主銷后傾角為主銷中心線BD與XY平面的夾角。
（3.22）
前輪外傾角主要由轉(zhuǎn)向節(jié)EF的零件設(shè)計(jì)來(lái)保證，為EF和XZ平面的夾角。
（3.23）
前輪前束角在機(jī)構(gòu)里面表示為EF和XY平面的夾角。
（3.24）
2、B、O、D點(diǎn)的坐標(biāo)
O、D、S點(diǎn)坐標(biāo)在懸架運(yùn)動(dòng)中保持相對(duì)不變，可由總布置要求來(lái)確定其取值范圍。
B點(diǎn)初始位置坐標(biāo)（即懸架平衡位置時(shí)的坐標(biāo)）關(guān)系著主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角，B點(diǎn)坐標(biāo)、O點(diǎn)坐標(biāo)、下擺臂BO的空間位置、D點(diǎn)坐標(biāo)、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角是相關(guān)聯(lián)的。在選取初始值的同時(shí)，根據(jù)底盤布置的要求，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以下幾個(gè)量： 、、和B點(diǎn)的坐標(biāo)，來(lái)控制懸架的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。B點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過(guò)BO的空間位置來(lái)控制，BO的空間位置由BO的長(zhǎng)度、下擺臂的水平夾角（與XZ平面的夾角）和下擺臂橫向平面的夾角（與XY平面的夾角）來(lái)確定。
由于O點(diǎn)在XY平面上，則O點(diǎn)的坐標(biāo)為。
由空間幾何運(yùn)算，容易計(jì)算出B點(diǎn)的坐標(biāo)為：
（3.25）
再根據(jù)式（3.15）和（3.16）反求出：
（3.26）
B、O、D點(diǎn)的坐標(biāo)就是通過(guò)上面提供的6個(gè)變量來(lái)表示的。
3、E、F、G點(diǎn)的坐標(biāo)
由于要保證前輪輪距，則有；G點(diǎn)在地面，則有。
FG的長(zhǎng)度（車輪半徑）為，由于前輪外傾，則有
（3.27）
所以F、G點(diǎn)的坐標(biāo)表示為：
（3.28）
（3.29）
其中為未知量。
在平衡位置時(shí)，設(shè)計(jì)減振器中心線DE平行于XY平面，DE與YZ平面的夾角為，則有：
（3.30）
其中為未知量。
將E、F的坐標(biāo)代入到式（3.28）和（3.30）中，2個(gè)方程兩個(gè)未知量，求解和，得到方程：
（3.31）
其中
解方程得：
（3.32）
（3.33）
在此加入一個(gè)控制變量。
4、、點(diǎn)的坐標(biāo)
、點(diǎn)雖然不參與前輪定位參數(shù)的形成，但是在車輪跳動(dòng)過(guò)程中也影響到了前輪定位參數(shù)的變化，在、點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算中，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證一定的范圍取值，在本設(shè)計(jì)中不作另外討論，只列出控制變量，在程序中配合經(jīng)驗(yàn)選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。
為了方便計(jì)算，取點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)以及桿的空間位置作為控制參數(shù)，即：、、、轉(zhuǎn)向拉桿PS的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向拉桿的水平夾角（與XZ平面的夾角）和轉(zhuǎn)向拉桿橫向平面的夾角（與XY平面的夾角）。
根據(jù)空間運(yùn)算關(guān)系，容易得出：
（3.47）
（3.48）
3.5 懸架結(jié)構(gòu)元件的選取
１、下擺臂
為了減少車身縱向力作用，下擺臂選取叉形臂，為了盡量減小非簧載質(zhì)量，臂體采用鋁合金鑄造，為了減小作用在車身上固定支點(diǎn)處的力，擺臂支點(diǎn)間距離選取應(yīng)盡量大，在此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取支點(diǎn)間距為200mm，擺臂厚取20mm。
２、接頭
根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，接頭有軸銷式接頭和球銷式接頭兩種。根據(jù)懸架各元件間的運(yùn)動(dòng)形式和傳力特點(diǎn)，并能夠完成空間運(yùn)動(dòng)，取下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接處接頭為球銷式接頭，下擺臂與車架連接處接頭為軸銷式球頭。接頭處連接方式采用螺紋連接。
３、轉(zhuǎn)向拉桿
雖然轉(zhuǎn)向拉桿不參與前輪定位參數(shù)的形成，但是在車輪跳動(dòng)過(guò)程中也影響到了前輪定位參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)向拉桿的具體參數(shù)需配合轉(zhuǎn)向系進(jìn)行選取，在此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取轉(zhuǎn)向拉桿直徑為10mm。
4、轉(zhuǎn)向拉桿
該車采用13寸寬輪胎，直徑：13英寸（330.2mm），胎寬：165mm。
3.6 本章小結(jié)
本章對(duì)懸架特性參數(shù)和減振器以及彈簧的基本參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)空間關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)的進(jìn)行分析。
第4章 基于ADAMS/View麥弗遜懸架建模
機(jī)械也稱機(jī)械系統(tǒng)，它是由可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剛體通過(guò)運(yùn)動(dòng)副或約束聯(lián)接形成的多剛體系統(tǒng)。汽車就是一種典型的機(jī)械系統(tǒng)，在汽車機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析中，前懸架占有重要的地位。本章將應(yīng)用ADAMS軟件，建立計(jì)算汽車前懸架模型。
當(dāng)建立麥弗遜懸架的模型前，為了建模和分析的方便，需要作以下幾個(gè)假設(shè)：
（1）各運(yùn)動(dòng)副均為剛性連接，且內(nèi)部間隙和摩擦力忽略不計(jì)；
（2）擺臂軸和懸架端與車身連接處球銷的橡膠襯套是剛性的；
（3）轉(zhuǎn)向拉桿與中間拉桿的球連接用球鉸表示,取消拉桿繞它的縱向軸的旋轉(zhuǎn)；
（4）輪胎為剛性的；
（5）懸架上下緩和塊可簡(jiǎn)化為線性彈簧和阻尼；
（6）僅研究懸架特性時(shí)，車身相對(duì)地面假設(shè)不動(dòng)；
（7）為模擬地面不平引起的激勵(lì)，假想一構(gòu)件，它與輪胎直接接觸，與地面之間通過(guò)移動(dòng)副相連，可垂直地上下運(yùn)動(dòng)[12]。
4.1 仿真軟件ADAMS的介紹
4.1.1 ADAMS的簡(jiǎn)介
機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS是世界上應(yīng)用廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。它是有美國(guó)學(xué)者蔡斯等人利用多剛體動(dòng)力學(xué)理論，選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性參考系中的三個(gè)直角坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角為廣義坐標(biāo)編制的計(jì)算程序。ADAMS軟件應(yīng)用了解決剛性積分問(wèn)題的方法，并采用稀疏矩陣技術(shù)提高了計(jì)算效率。
用戶利用ADAMS軟件可以建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。目前ADAMS軟件在汽車和航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的幾何模型。該模型可以是在ADAMS軟件中直接建造的簡(jiǎn)化幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的造型逼真的幾何模型；然后，在幾何模型上施加力和力矩及運(yùn)動(dòng)激勵(lì)；最后執(zhí)行一組與實(shí)際狀況十分接近的運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試，得到實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真。
ADAMS軟件采用模擬樣機(jī)技術(shù)，將多體動(dòng)力學(xué)的建模方法與大位移及非線性分析求解功能相結(jié)合。
機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和部件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，用堆積木式方法建立三維機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型并通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的仿真分析和比較來(lái)研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的設(shè)計(jì)方案。ADAMS仿真可用于估計(jì)機(jī)械系統(tǒng)性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的載荷輸入。ADAMS的核心仿真軟件包有交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver。還有建模用集成用、顯示用、擴(kuò)展模塊。
ADAMS軟件包括3個(gè)最基本的解題程序模塊：ADAMS/View（基本環(huán)境）、ADAMS/Slover（求解器）和ADAMS/Postprocessor（后處理）。另外還有一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用的附加程序模塊，例如：ADAMS/Car（轎車模塊）、ADAMS/Rail（機(jī)車模塊）、ADAMS/Driver（駕駛員模塊）、ADAMS/Tire（輪胎模塊）、ADAMS/Linear（線性模塊）、ADAMS/Flex（柔性模塊）、 ADAMS/Control（控制模塊）、 ADAMS/FEA （有限元模塊）、 ADAMS/Hydraulics（液壓模塊）、 ADAMS/Exchange（接口模塊）、 Mechanism/Fro（與Pro/Engineer的接口模塊）、ADAMS/Animation（高速動(dòng)畫模塊）等。下面介紹一下ADAMS軟件的基本模塊。
ADAMS/View（基本環(huán)境）是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它提供豐富的零件幾何圖形庫(kù)、約束庫(kù)和力庫(kù)，將便捷的圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建立模型、仿真計(jì)算、動(dòng)畫顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、曲線圖處理、仿真結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。
ADAMS/Slover（求解器）是ADAMS軟件的仿真“發(fā)動(dòng)機(jī)”，它自動(dòng)形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果。ADAMS/Slover有各種建立模型和求解選項(xiàng)，以便于精確有效地解決各種工程問(wèn)題。
ADAMS/Postprocessor（后處理）是ADAMS軟件仿真結(jié)果的后處理，ADAMS/Postprocessor模塊主要有兩個(gè)功能：仿真結(jié)果回放功能和分析曲線繪制功能。通過(guò)仿真結(jié)果的后處理，可以完成以下主要工作：
（1）可以通過(guò)多種方式驗(yàn)證仿真結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析；
（2）可以繪制各種仿真分析曲線并進(jìn)行一些曲線的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算；
（3）可以通過(guò)圖形和數(shù)據(jù)曲線比較不同條件下的分析結(jié)果；
（4）可以進(jìn)行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯等等；
（5）對(duì)進(jìn)一步調(diào)試樣機(jī)提供指南；
ADAMS/Controls（控制模塊）可以通過(guò)簡(jiǎn)單的繼電器、邏輯與非門、阻尼線圈等建立簡(jiǎn)單的控制機(jī)構(gòu)，或者利用在通用控制系統(tǒng)軟件中建立的控制系統(tǒng)框圖，建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型。
ADAMS/Linear（系統(tǒng)模態(tài)分析模塊）可以在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)將系統(tǒng)的非線性的運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行線性化處理，以便快速計(jì)算系統(tǒng)的固有頻率、特征向量和狀態(tài)空間矩陣，更快更全面地了解系統(tǒng)的固有特性。
ADAMS/Flex（柔性分析模塊）提供ADAMS軟件與有限元分析軟件之間雙向數(shù)據(jù)交換接口。利用它與ANSYS、 MSC/NASTRAN 、ABAQUS、 I-DEAS等軟件的接口，可以方便地考慮零部件的彈性特性，建立多體動(dòng)力學(xué)模型，以提高系統(tǒng)的仿真精度。
MECHANISM/Pro（Pro/E接口）是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁，二者采用無(wú)縫連接的方式，不需要退出Pro/E應(yīng)用環(huán)境，就可以將裝配的總成根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義機(jī)械系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并進(jìn)行干涉檢查、確定運(yùn)動(dòng)鎖止位置，計(jì)算運(yùn)動(dòng)副的作用力等等。
ADAMS/Car（轎車模塊）是MDI（Mechanical Dynamics Inc.）公司與Audi、 Bmw、 Renault 和Volvo等公司合作開(kāi)發(fā)的整車設(shè)計(jì)模塊，它能夠快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)，其中包括車身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等，可以通過(guò)高速動(dòng)畫直觀地再現(xiàn)在各種試驗(yàn)工況下（如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗(yàn)）整車的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)。
ADAMS/Driver（駕駛員模塊）是在德國(guó)的IPG-Driver基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)而形成的成熟產(chǎn)品，可以確定汽車駕駛員的行為特征，確定各種操作工況（例如：穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、ISO變線試驗(yàn)、側(cè)向風(fēng)試驗(yàn)等），同時(shí)確定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角或傳矩、加速踏板位置、作用在制動(dòng)踏板上的力、離合器位置、變速器檔位等，提高車輛仿真動(dòng)力學(xué)特性，并具有記憶功能。
ADAMS/Rail（鐵道模塊）是由美國(guó)MDI公司、荷蘭鐵道組織（NS）、 Delft工業(yè)大學(xué)以及德國(guó)ARGE CARE公司合作開(kāi)發(fā)的，可以用于研究鐵路機(jī)車、車輛、列車和線路相互作用的動(dòng)力學(xué)分析軟件。利用ADAMS/Rail可以方便快速地建立完整的、參數(shù)化的機(jī)車車輛或列車模型以及各種子系統(tǒng)模型和各種線路模型，并根據(jù)分析目的的不同而定義相應(yīng)的輪/軌接觸模型，可以進(jìn)行機(jī)車車輛穩(wěn)定性臨界速度、曲線通過(guò)性能、脫軌安全性、牽引/制動(dòng)特性、輪軌相互作用力、隨機(jī)響應(yīng)性能和乘坐舒適性指標(biāo)以及縱向列車動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題的研究[13]。
4.1.2 ADAMS軟件的優(yōu)點(diǎn)
ADAMS軟件一方面是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。另一方面，又是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析開(kāi)發(fā)工具，其開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，工程師通過(guò)應(yīng)用ADAMS軟件會(huì)收到明顯效果：
（1）分析時(shí)間由數(shù)月減少為數(shù)天；
（2）降低工程制造和測(cè)試費(fèi)用；
（3）在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，完善設(shè)計(jì)方案；
（4）在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，減少所需的物理樣機(jī)數(shù)量；
（5）進(jìn)行物理樣機(jī)測(cè)試有危險(xiǎn)、費(fèi)時(shí)和成本高，可利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析；
（6）縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。
傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、試制過(guò)程中必須邊試驗(yàn)邊改進(jìn)，從設(shè)計(jì)到試制、試驗(yàn)、定型，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本較高周期長(zhǎng)。運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行仿真分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大簡(jiǎn)化懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品[14]。
圖4.1 單位設(shè)置窗口 圖4.2 工作網(wǎng)格設(shè)置窗口 圖4.3 重力設(shè)置窗口
4.2 在ADAMS/View中創(chuàng)建懸架模型
1、創(chuàng)建新模型
首先啟動(dòng)ADAMS/View。在歡迎對(duì)話框中選擇“Create a new model”，在模型名稱（Model Name）欄中輸入“maifuxunxuanjia”，其它選項(xiàng)欄中選擇系統(tǒng)默認(rèn)的選項(xiàng)，按“OK”。
2、設(shè)置工作環(huán)境
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Units）命令，將模型的長(zhǎng)度單位、質(zhì)量單位、力的單位、時(shí)間單位、角度單位和頻率單位分別設(shè)置為毫米、千克、牛頓、秒、度和赫茲（如圖4.1所示）。
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Working Grid）命令，將網(wǎng)格X方向和Y方向的大小分別設(shè)置為750和800，將網(wǎng)格的間距設(shè)置為50（如圖4.2所示）。
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Gravity）命令，將重力方向設(shè)置為沿Y軸負(fù)方向，大小為-9806.65（如圖4.3所示）。
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Icons）命令，將圖標(biāo)大小設(shè)置為50。
3、創(chuàng)建設(shè)計(jì)點(diǎn)
點(diǎn)擊ADAMS/View中零件庫(kù)的點(diǎn)（Point），選擇“Add to Ground”和“Don’t Attach”，在工作窗口創(chuàng)建如圖4.4所示的八個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。這八個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)是各個(gè)運(yùn)動(dòng)副相連接的位置。
圖4.4 列表編輯器
4、創(chuàng)建懸架的構(gòu)件
利用ADAMS/View中零件庫(kù)的圓柱體（Cylinder）和球體（Sphere）命令，根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置，分別建立汽車懸架的各個(gè)構(gòu)件：下擺臂（Swing_arm），轉(zhuǎn)向節(jié)（Knuckle），主銷（King_pin），轉(zhuǎn)向拉桿（Tie_rod），車輪（Wheel），減振器上筒（King_pin）以及彈簧（Spring）。建模完成后的懸架模型如圖4.5所示。
圖4.5 懸架模型圖
5、創(chuàng)建測(cè)試平臺(tái)
點(diǎn)擊ADAMS/View中零件庫(kù)的點(diǎn)（Point），選擇“Add to Ground”和“Don’t Attach”，在（-594.0159，-40，-155.4536）處建一個(gè)點(diǎn)，并以該點(diǎn)為對(duì)角點(diǎn)建立一個(gè)立方體,構(gòu)成測(cè)試平臺(tái)。
表4.1 懸架模型連接副明細(xì)表
連接副類型
連接副圖標(biāo)
第一構(gòu)件
第二構(gòu)件
連接副位置
旋轉(zhuǎn)副
Revolute Joint
Swing_arm
Ground
O
球副
Spherical Joint
King_pin
Ground
D
球副
Spherical Joint
Tie_rod
Ground
S
球副
Spherical Joint
Swing_arm
Knuckle
B
球副
Spherical Joint
Tie_rod
Knuckle
P
圓柱副
Cylindrical Joint
King_pin
Knuckle
E
固定副
Fixed Joint
Wheel
Knuckle
F
點(diǎn)面約束副
Inplane Joint Primitive