轎車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)【麥弗遜懸架】
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開 題 報(bào) 告
題 目 轎車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析
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5
1. 目的、意義
舒適性是轎車最重要的使用性能之一。舒適性與車身的固有振動(dòng)特性有關(guān)，而車身的固有振動(dòng)特性又與懸架的特性相關(guān)。所以，汽車懸架是保證乘坐舒適性的重要部件。同時(shí)，汽車懸架作為車架(或車身)與車軸(或車輪)之間作連接的傳力機(jī)件，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術(shù)規(guī)格表，作為衡量轎車質(zhì)量的指標(biāo)之一。懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對(duì)汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響?？梢姂壹芟到y(tǒng)在現(xiàn)代汽車上是重要的總成之一。
2. 研究現(xiàn)狀
汽車車架（或車身）若直接安裝于車橋（或車輪）上，由于道路不平，由于地面沖擊使貨物和人會(huì)感到十分不舒服，這是因?yàn)闆]有懸架裝置的原因。汽車懸架是車架（或車身）與車軸（或車輪）之間的彈性聯(lián)結(jié)裝置的統(tǒng)稱。它的作用是彈性地連接車橋和車架（或車身），緩和行駛中車輛受到的沖擊力。保證貨物完好和人員舒適；衰減由于彈性系統(tǒng)引進(jìn)的振動(dòng)，使汽車行駛中保持穩(wěn)定的姿勢(shì)，改善操縱穩(wěn)定性；同時(shí)懸架系統(tǒng)承擔(dān)著傳遞垂直反力，縱向反力（牽引力和制動(dòng)力）和側(cè)向反力以及這些力所造成的力矩作用到車架（或車身）上，以保證汽車行駛平順；并且當(dāng)車輪相對(duì)車架跳動(dòng)時(shí)，特別在轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪運(yùn)動(dòng)軌跡要符合一定的要求。根據(jù)汽車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不同懸架種類又可分為獨(dú)立懸架，非獨(dú)立懸架。非獨(dú)立懸架其特點(diǎn)是兩側(cè)車輪安裝于整體式車橋上，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊力時(shí)會(huì)直接影響到另一側(cè)車輪上，當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)定位參數(shù)變化小。
非獨(dú)立懸架由于非簧載質(zhì)量比較大，高速行駛時(shí)懸架受到?jīng)_擊載荷比較大，平順性較差。非獨(dú)立懸架在轎車上應(yīng)用較為廣泛的有鋼板彈簧懸架和扭力梁式懸架。
鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，工作可靠。目前廣泛應(yīng)用于貨車和大客車上，有些轎車后懸架也有采用的。鋼板彈簧懸架一般由若干片長(zhǎng)度不等、曲率半徑不同、厚度相等或不等的彈簧鋼片疊合在一起，形成一根類似等強(qiáng)度的彈性梁；鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)上主要由鋼板彈簧、中心螺栓、彈簧夾、卷耳以及套管等組成。鋼板彈簧能夠?qū)④嚇蚺c車身聯(lián)系起來(lái)，鋼板彈簧各彈簧片之間存在相對(duì)相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，能夠?qū)④囕喪艿經(jīng)_擊力傳遞到車架上，從而起到緩沖傳力以及減振的功效；除了減振作用外，鋼板彈簧還起到了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，控制車輪相對(duì)車身按規(guī)定軌跡行駛，從而保證良好的操作性以及穩(wěn)定性。
一、 選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀
扭力梁式后懸架常見于在發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)(FF)的車型。其外觀與作動(dòng)方式類似于拖曳臂式，只是在連接左右輪的下支架中間以一根粗大的梁連接，而梁的兩側(cè)拖曳臂用于為前后方向定位，整個(gè)懸架系統(tǒng)以拖曳臂的前端與車身連結(jié)，在梁的上方有用來(lái)做為橫向定位的連桿，看起來(lái)就像H型。在車身傾斜時(shí)因扭力梁車軸的扭曲，使車輪的傾角會(huì)有變化。由于扭力梁式后懸架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，容易維修且占用車底空間較小，可降低車底盤的高度，從而車內(nèi)空間得以增加。
獨(dú)立懸架是兩側(cè)車輪分別獨(dú)立地與車架（或車身）彈性地連接，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊，其運(yùn)動(dòng)不直接影響到另一側(cè)車輪，獨(dú)立懸架所采用的車橋是斷開式的。這樣使得發(fā)動(dòng)機(jī)可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結(jié)構(gòu)緊湊。獨(dú)立懸架允許前輪有大的跳動(dòng)空間，有利于轉(zhuǎn)向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時(shí)獨(dú)立懸架非簧載質(zhì)量小，可提高汽車車輪的附著性。獨(dú)立懸架目前有麥弗遜式獨(dú)立懸架、雙橫臂式獨(dú)立懸架、雙叉臂式獨(dú)立懸架、多連桿式獨(dú)立懸架等等，它們都有著各自不同的優(yōu)勢(shì)，在汽車上發(fā)揮著重要的作用。
麥弗遜式懸掛是當(dāng)今世界用的最廣泛的轎車前懸掛之一。麥弗遜式懸掛由螺旋彈簧、減振器、三角形下擺臂組成，絕大部分車型還會(huì)加上橫向穩(wěn)定桿。主要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是螺旋彈簧套在減振器上組成，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。麥弗遜式懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所以它輕量、響應(yīng)速度快。并且在一個(gè)下?lián)u臂和支柱的幾何結(jié)構(gòu)下能自動(dòng)調(diào)整車輪外傾角，讓其能在過彎時(shí)自適應(yīng)路面，讓輪胎的接地面積最大化。
多連桿懸掛能實(shí)現(xiàn)主銷后傾角的最佳位置，大幅度減少來(lái)自路面的前后方向力，從而改善加速和制動(dòng)時(shí)的平順性和舒適性，同時(shí)也保證了直線行駛的穩(wěn)定性，因?yàn)橛陕菪龔椈衫旎驂嚎s導(dǎo)致的車輪橫向偏移量很小，不易造成非直線行駛多連桿懸掛在收縮時(shí)能自動(dòng)調(diào)整外傾角，前束角以及使后輪獲得一定的轉(zhuǎn)向角度。多連桿懸掛結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，材料成本、研發(fā)實(shí)驗(yàn)成本以及制造成本遠(yuǎn)高于其它類型的的懸掛、而且其占用空間大，中小型車出于成本和空間考慮極少使用這種懸掛。但多連桿式懸掛舒適性能是所有懸掛中最好的，操控性能也和雙叉臂式懸掛難分伯仲，高檔轎車由于空間充裕、且注重舒適性能何操控穩(wěn)定性，所以大多使用多連桿懸。
鑒于本設(shè)計(jì)車型特點(diǎn)，綜合懸架的各自特性以及成本等方面，將汽車的前懸設(shè)計(jì)為麥弗遜懸架，后懸設(shè)計(jì)為扭力梁式懸架
二、研究方案及預(yù)期結(jié)果。
（一） 設(shè)計(jì)方案或論文主要研究?jī)?nèi)容
本課題的名稱是轎車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析。
主要研究的內(nèi)容是
1）.進(jìn)行前后懸架的底盤布置；
2）.懸架結(jié)構(gòu)型式分析和主要參數(shù)的確定；
3）.用AutoCAD完成懸架裝配圖及主要零件圖。
（二）主要解決的問題、理論、方法、技術(shù)路線
本課題主要解決解決汽車零部件企業(yè)轎車懸架產(chǎn)品開發(fā)過程中設(shè)計(jì)與產(chǎn)品建模及性能優(yōu)化等問題；通過汽車構(gòu)造，汽車?yán)碚?，汽車設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行前后懸架的底盤布置、懸架結(jié)構(gòu)型式分析和主要參數(shù)的確定，并用AutoCAD完成懸架裝配圖及主要零件圖。最終通過UG等計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行部分零件機(jī)構(gòu)的三維建模，仿真分析。
技術(shù)路線
查閱相關(guān)資料了解設(shè)計(jì)對(duì)象
確定轎車的初始參數(shù)
懸架力學(xué)模型及參數(shù)計(jì)算
懸架結(jié)構(gòu)選擇
彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
減振器的設(shè)計(jì)計(jì)算
懸架二維圖繪制
三維建模及裝配
懸架運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析
完成設(shè)計(jì)及書寫說(shuō)明書
（三）論文框架
懸架結(jié)構(gòu)形式分析及選擇
懸架主要參數(shù)的確定
彈性元件的選擇；
懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
減振器的設(shè)計(jì)
懸架其他結(jié)構(gòu)元件設(shè)計(jì)；
三維建模及仿真分析
4. 預(yù)期結(jié)果
繪制工程圖紙4張（裝配圖2張A0~A1，零件圖2張A2）
三維建模仿真1份
編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明1份
三、研究進(jìn)度
第1周—第4周：畢業(yè)實(shí)習(xí),收集資料,撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告。
第5周：撰寫開題報(bào)告，進(jìn)行開題答辯。
第6周：確定懸架結(jié)構(gòu)形式分析及選擇和懸架主要參數(shù)
第7周：彈性元件的設(shè)計(jì)
第8周—第9周：懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
第10周：減震器的設(shè)計(jì)及其它元件的設(shè)計(jì)
第11周—第13周：繪制零件圖與裝配圖并進(jìn)行建模與仿真
第14周：撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書
第15周：整理設(shè)計(jì)資料，打印輸出，提交設(shè)計(jì)資料。
第16周：準(zhǔn)備答辯，論文評(píng)閱。
四、主要參考文獻(xiàn)
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[9]王文.麥弗遜式前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及優(yōu)化研究[D].華南理工大學(xué).2013
[10]時(shí)培成.麥弗遜式獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)分析[P].機(jī)械傳動(dòng).2008
五、指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽字：
中文題目：轎車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析
外文題目： DESIGHN AND SIMYLATION ANALYSIS OF CAR SUSPENSION SYSTEM
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 57 頁(yè)（其中：外文文獻(xiàn)及譯文17頁(yè)） 圖紙共4張
完成日期 2018年6月14日 答辯日期 2018年6月20日
摘要
懸架系統(tǒng)是汽車中十分重要的系統(tǒng)之一，尤其在轎車這一類注重舒適性的汽車，駕駛感與乘坐舒適感，直接影響了客戶對(duì)于汽車整體的滿意度，在汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)的過程中也越來(lái)越重視懸架系統(tǒng)的調(diào)教，可見轎車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就尤為重要了。
本文介紹了懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，針對(duì)小型轎車進(jìn)行懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析，包括通過對(duì)比各類懸架的特性以及轎車自身性能和成本要求對(duì)前、后懸架類型的選??；為滿足設(shè)計(jì)要求對(duì)懸架靜撓度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，彈性元件的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)以及受力分析的校核，減震器類型的選擇和相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)懸架機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，通過懸架的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真以及主要零件的有限元分析。
關(guān)鍵詞：懸架；彈簧；減振器；建模；有限元分析
Abstract
Suspension system is one of the most important systems in automobiles, especially in the car this kind of attention to comfort of the car, driving sense and ride comfort, directly affect the customer satisfaction of the overall car, in the design and development of the car also more and more attention to the suspension system, visible car suspension system design is particularly important.
This paper introduced the design requirements of suspension system, the design and simulation of suspension system for small car are carried out in this paper, including the selection of the pre and rear suspension types by comparing the characteristics of various types of suspension and the requirements of the car's own performance and cost, in order to meet the design requirements, the static deflection parameters of the suspension are optimized, The geometrical parameter design of elastic element, the checking of force analysis, the selection of shock absorber type and the design of correlative parameters, and the three-dimensional modeling of suspension mechanism by using computer software, the motion simulation and the finite element analysis of main parts are carried out through the motion mode of suspension.
Keywords: suspension; spring; shock absorber; modeling; finite element analysis
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目錄
1 前言 1
2 懸架結(jié)構(gòu)形式分析 2
2.1 獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架 2
2.1.1 非獨(dú)立懸架的類型及特點(diǎn) 3
2.1.2 獨(dú)立懸架的類型及特點(diǎn) 4
2.2 前、后懸架方案選擇 7
3 懸架主要參數(shù)的確定 8
3.1 總質(zhì)量、軸荷分配的確定 8
3.2懸架靜撓度 8
3.3 懸架的動(dòng)撓度 9
3.4 前懸架主銷內(nèi)傾角與后傾角 9
3.4.1 主銷后傾角 11
4 彈性元件的設(shè)計(jì) 11
4.1 彈簧剛度的計(jì)算 11
4. 2 彈簧的受力及變形 11
4. 3 彈簧幾何參數(shù)的計(jì)算 12
4.3.1 彈簧的材料許用應(yīng)力 12
4.3.2 選擇彈簧旋繞比 12
4.3.3 計(jì)算鋼絲的直徑d 12
4.3.4 彈簧的幾何尺寸 13
4.4 彈簧校核 14
4.4.1 彈簧剛度校核 14
4.4.2 彈簧強(qiáng)度校核 14
5 減振器的設(shè)計(jì) 16
5.1雙筒式減振器 16
5.2 單筒式減振器 17
5.3減振器參數(shù)的設(shè)計(jì) 18
5.3.1相對(duì)阻尼系數(shù)ψ 18
5.3.2減振器阻尼系數(shù)的確定 19
5.3.3減振器最大卸荷力F0的確定 20
5.3.4減振器工作缸直徑D的確定 20
6.前懸架的UG建模 23
6.1 麥弗遜獨(dú)立懸架零部件設(shè)計(jì) 23
6.1.1 麥弗遜懸架橫擺臂的三維建模 23
6.1.2麥弗遜懸架螺旋彈簧的三維建模 24
6.1.3其他元件的三維建模 25
6.2麥弗遜獨(dú)立懸架的裝配 27
6.2.1橫擺臂的裝配 28
6.2.2 減振器的裝配 29
6.2.3 整體裝配 29
7 轎車前懸架的運(yùn)動(dòng)仿真 30
8.對(duì)麥弗遜懸架中的減振器支座進(jìn)行有限元分析 34
9.經(jīng)濟(jì)性分析 37
10.結(jié)論 38
致謝 39
1.緒論
在當(dāng)下，家用轎車普及越來(lái)越廣泛，人們?cè)谧⒅匦阅艿耐瑫r(shí)，舒適性也受到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。研究發(fā)現(xiàn)，車身自身固有振動(dòng)特性決定了其舒適性，而懸架的特性又能夠決定車身自身固有振動(dòng)特性。所以，要想提高汽車乘坐的舒適性，還要從設(shè)計(jì)懸架入手。同時(shí)，汽車懸架承擔(dān)著車架(或車身)與車軸(或車輪)之間各種力及力矩的傳遞，它是汽車中確保汽車能夠安全行駛的重要的一部分。所以，能夠直觀反映汽車質(zhì)量的汽車懸架在填寫技術(shù)規(guī)格是尤其重要的部件之一。要想獲得良好的汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性選擇合理的懸架結(jié)構(gòu)形式以及性能參數(shù)就變得十分重要?？梢姂壹芟到y(tǒng)在現(xiàn)代汽車上是重要的總成之一。
在汽車還沒有設(shè)計(jì)懸架的汽車發(fā)展早期，車輪是直接與車架剛性連接的，當(dāng)行駛路況變得惡劣時(shí)，人會(huì)因?yàn)閺能囕喩现苯觽鞯杰嚰艿臎_擊力而感到十分的難受，駕駛感和乘坐舒適感也會(huì)受到大大的影響，同時(shí)車內(nèi)裝載的貨物也會(huì)因?yàn)榫薮蟮臎_擊力而損壞。汽車懸架是一種彈性聯(lián)結(jié)裝置，它將車身與車輪彈性地連接起來(lái)。它的作用是把車橋和車架（或車身）大剛性連接改變成為彈性連接，從而降低汽車車身在行駛中所受到的沖擊力，保證駕駛員及乘客有著良好的舒適感，同時(shí)也保證貨物完好，不被損壞；懸架中的減振器能夠衰減由于車輪沖擊而引發(fā)彈性系統(tǒng)的振動(dòng)，保證了汽車在行駛中能夠有著穩(wěn)定的行駛狀態(tài)，改善操縱穩(wěn)定性；同時(shí)轎車行駛中受到來(lái)自地面的各個(gè)方向的反力以及這些力所作用到車架上而產(chǎn)生的力矩都由轎車懸架系統(tǒng)承擔(dān)并傳遞，保證汽車行駛平順。
因而，對(duì)汽車懸架的設(shè)計(jì)有如下要求：
（1）保證汽車有著良好的平順性
（2）具有合適的振動(dòng)衰減能力。
（3）保證汽車良好的操縱穩(wěn)定性
（4）保證車身在汽車在加速或減速時(shí)的行駛穩(wěn)定性，降低車身縱傾，并保證汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)車身的傾角維持在合適的范圍。
（5）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小。
（6）穩(wěn)定傳遞車身與車輪之間的力和力矩。
（7）減輕零件質(zhì)量，保證足夠的強(qiáng)度和壽命。
2 懸架結(jié)構(gòu)形式分析
2.1 獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架
非獨(dú)立懸架的特點(diǎn)是：左右兩側(cè)車輪安裝在整體式車橋上，車橋再同車身彈性連接，這就導(dǎo)致當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊力時(shí)，沖擊力會(huì)通過整體的車橋傳遞到另一側(cè)車輪上，會(huì)對(duì)未受到?jīng)_擊一側(cè)的車輪造成影響。由于兩側(cè)車輪通過整體式車橋連接，車輪在行駛時(shí)由于跳動(dòng)造成的定位參數(shù)變化比較少。非獨(dú)立懸架由于它的物理特性氣非簧載質(zhì)量很大，高速行駛時(shí)懸掛要承擔(dān)的沖擊載荷相對(duì)很大，導(dǎo)致其平順性變差。但由于非獨(dú)立懸掛的構(gòu)造不復(fù)雜，方便批量生產(chǎn)，減小修理負(fù)擔(dān)，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，尤其因?yàn)槠涑杀镜土谏逃密嚰俺擞密嚨暮髴覓焐蠎?yīng)用非常廣泛。非獨(dú)立懸架主要有鋼板彈簧懸架和扭力梁懸架。
獨(dú)立懸架的特點(diǎn)是：兩側(cè)車輪通過橫擺臂分別與車架鉸接，在行駛過程中，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊，由于其左右的獨(dú)立性，單側(cè)車輪的運(yùn)動(dòng)形態(tài)不會(huì)對(duì)另一側(cè)車輪造成影響。并且由于獨(dú)立懸架所采用的車橋是非整體式的，這樣大大增加了車下的空間，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠裝配在較低的位置，從而降低汽車的重心，讓整體結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。獨(dú)立懸架的特性使得前輪位置有較為寬闊的空間，有利于轉(zhuǎn)向，也為安裝更軟的彈性元件提升平順性創(chuàng)造條件。同時(shí)其非簧載質(zhì)量比較小，能夠提高轎車車輪與地面的附著性。目前汽車上的獨(dú)立懸架麥弗遜式、雙橫臂式、雙叉臂式、多連桿式獨(dú)立懸架等很多種類，它們都有著各自不同的優(yōu)勢(shì)，在汽車上發(fā)揮著重要的作用。
圖2-1獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架
Fig.2-1 Independent suspension and non independent suspension
2.1.1 非獨(dú)立懸架的類型及特點(diǎn)
非獨(dú)立懸架主要有鋼板彈簧懸架和扭力梁懸架。
鋼板彈簧懸架構(gòu)造不復(fù)雜，生產(chǎn)費(fèi)用低，運(yùn)行穩(wěn)定。在貨運(yùn)汽車和客車等商用車上有著很高的應(yīng)用綠率，也有應(yīng)用于某些價(jià)格較低的轎車后懸架。鋼板彈簧懸架是通過很多片長(zhǎng)度不一樣、屈率半徑不一樣、厚度有差別或者無(wú)差別的剛片按照一定的空間位置摞起來(lái)，做成一組各部分強(qiáng)度大致相同的梁；車橋與車身通過鋼板彈簧連接，在承受載荷時(shí)鋼板彈簧中彈簧片相互錯(cuò)動(dòng)發(fā)生摩擦，能夠?qū)?dòng)能轉(zhuǎn)化為人熱能從而降低從車輪傳遞的沖擊力，提升車內(nèi)人員的乘坐舒適度，另外，鋼板彈簧還有導(dǎo)向作用，控制車輪相對(duì)車身按規(guī)定軌跡行駛，從而保證良好的操作性以及穩(wěn)定性。
圖2-2 鋼板彈簧懸架
Fig.2-2 leaf spring suspension
扭力梁式懸架一般用在發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)的車型。它的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)類型和拖曳臂式懸架的大致相同，相對(duì)于拖曳臂式懸架，其在兩車輪的下部用較粗的梁連接，而梁的兩側(cè)拖曳臂用于為前后方向定位，懸架系統(tǒng)通過拖曳臂的前部和車身連接。當(dāng)車身發(fā)生偏斜時(shí)，由于扭力梁車軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，車輪的傾角也會(huì)發(fā)生改動(dòng)。由于扭力梁式后懸架的構(gòu)造不復(fù)再，生產(chǎn)容易，修復(fù)也相對(duì)簡(jiǎn)單，汽車下部占用的空間不大，能夠減小汽車底盤的高度，獲得更大的車內(nèi)空間，提升乘車人員的舒適度。
圖2-3 扭力梁式非獨(dú)立懸架
Fig.2-3 torsion beam style non independent suspension
2.1.2 獨(dú)立懸架的類型及特點(diǎn)
麥弗遜式懸掛是一種較為常見的獨(dú)立懸架。經(jīng)過多年的發(fā)展它也日漸成熟，成本也降低很多，故在很多轎車前懸架上都被采用，麥弗遜式懸架主要是通過螺旋彈簧、減振器、橫擺臂組成，很多車上還安裝橫向穩(wěn)定桿來(lái)提高穩(wěn)定性。它的結(jié)構(gòu)通常是將減振器裝在螺旋彈簧內(nèi)，彈簧通過減震器上的底座支撐在車身上，減振器能夠限定彈簧的徑向位移，使之只能在軸線上的運(yùn)動(dòng)，也能夠通過減振器的行程大小，來(lái)調(diào)試懸掛的剛度。麥弗遜式懸掛構(gòu)造不復(fù)雜所以它輕量、響應(yīng)速度快。并且在一個(gè)橫擺臂以及支柱的空間設(shè)計(jì)下能夠隨著運(yùn)動(dòng)變量的調(diào)整車輪外傾角，使它能夠在何種工作環(huán)境下保證汽車輪胎與地面最大的接觸面積。
圖2-4 麥弗遜式非獨(dú)立懸架
Fig.2-4 Mcpherson type non independent suspension
多連桿懸掛因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能也被各種類型汽車所選用，它可以通過連桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主銷后傾角的達(dá)到最佳位置，減少?gòu)能囕唫鬟f的前后方向上所受的力，從而提升汽車行駛中的平順性和舒適性，也提升了直線行駛時(shí)候的穩(wěn)定性。和其它懸架相比，多連桿懸掛構(gòu)造原理比較復(fù)雜，用材成本、研究和試驗(yàn)成本以及生產(chǎn)成本比其他懸架都要高得多，同時(shí)由于多連桿的空間結(jié)構(gòu)其占據(jù)的空間很大，所以并不適用于中小型車以及價(jià)格低廉的車。不過多連桿式懸掛由于其優(yōu)異的特性在舒適性及操控性能上大大領(lǐng)先其他懸架，故在空間寬闊、且比較在意舒適性能和操作穩(wěn)定性的高檔轎車很多都選用多連桿懸架。
圖2-5 多連桿式獨(dú)立懸架
Fig.2-5 Multi link independent suspension
雙球節(jié)彈簧減振支柱前橋，是寶馬汽車部分車型所選用的一種獨(dú)立懸架，根據(jù)名字可以看出，同麥弗遜懸架不同，它有兩個(gè)擺臂兩個(gè)球節(jié)和汽車的剎車盤進(jìn)行球鉸接，相對(duì)于麥弗遜懸架的單球節(jié)橫擺臂的球鉸接，其主銷偏移距會(huì)變得更小，這是因?yàn)殡p球節(jié)的空間結(jié)構(gòu)能夠創(chuàng)造出一個(gè)主銷點(diǎn)，目的是為了大大減小主銷偏移距，從而提高汽車延直線行駛的穩(wěn)定性，同時(shí)在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪轉(zhuǎn)向的精確度也會(huì)有所提升。還有就是，懸架中的橫擺臂設(shè)計(jì)的數(shù)量越多，尺寸越長(zhǎng)，懸架在設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的時(shí)候就會(huì)有更大的更彈性的選擇范圍，汽車在工作過程中我們能夠設(shè)定的各種適應(yīng)工作變化的能力就越強(qiáng)。也就是說(shuō)麥弗遜懸架這樣的單球節(jié)調(diào)整參數(shù)的選擇性就越小，橫向的結(jié)構(gòu)較小，增加了側(cè)傾的幾率，而雙球節(jié)的懸架能夠憑借其有著更大的橫向空間的兩個(gè)橫擺臂更好地適應(yīng)車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)而要克服的橫向力，并且能夠讓兩側(cè)車輪更適應(yīng)各種條件的路面，能夠更好地降低側(cè)傾風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)因?yàn)樗佣痰闹麂N偏移距，在行駛和汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性有著優(yōu)秀的表現(xiàn)。這些優(yōu)勢(shì)使得該懸架能夠在看重駕駛感的汽車上有著重大的意義。
圖2-6寶馬雙球節(jié)彈簧減振支柱前橋
Fig.2-6 BMW double ball spring damper pillar front bridge
2.2 前、后懸架方案選擇
目前，前后懸架布置方式有：前懸架及后懸架都設(shè)計(jì)為獨(dú)立懸架，前懸架設(shè)計(jì)為獨(dú)立懸架，后懸架設(shè)計(jì)為非獨(dú)立懸架；前懸架后懸架都設(shè)計(jì)為非獨(dú)立懸架。
考慮到本車型的相關(guān)特點(diǎn)以及成本費(fèi)用等多種情況，汽車的前后懸架分別選用麥弗遜式和扭力梁式懸架
3 懸架主要參數(shù)的確定
3.1 總質(zhì)量、軸荷分配的確定
汽車的總質(zhì)量ma是指：
裝備完整，且按照要求裝滿乘員和運(yùn)輸貨物時(shí)的整車質(zhì)量。
乘用車的總質(zhì)量ma 是由整車整備質(zhì)量m0 、司機(jī)質(zhì)量、乘客總質(zhì)量以及乘客所帶貨物質(zhì)量構(gòu)成。其中，乘客和司機(jī)每人質(zhì)量按照65kg計(jì)算，所以可得到如下公式：
ma=m0+65n+ɑn (3-1)
其中，n是包含司機(jī)在內(nèi)的所有乘車人數(shù)；ɑ是行李系數(shù)，n取5，按照要求，本設(shè)計(jì)的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)排量是1.8L，所以乘用車行李系數(shù)ɑ取10。帶入（3-1）得
ma=1675Kg。
汽車的軸荷分配是指：
汽車在空載或滿載時(shí)，各車軸對(duì)支撐平面的垂直負(fù)荷。
發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)的乘用車滿載時(shí)的軸荷分配為前軸47%~60%，后軸40%~53%。這里取前軸55%，后軸45%，即前軸922Kg,后軸753Kg。
3.2懸架靜撓度
影響汽車行駛平順懸架靜撓度f(wàn)c是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷FW與此時(shí)懸架剛度c之比，即fc=FW/c。
性的主要參數(shù)是汽車的前懸架和后懸架同它們的簧載質(zhì)量所構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。由于現(xiàn)當(dāng)今汽車質(zhì)量分配系數(shù)ε大致為1，故汽車前軸后軸對(duì)應(yīng)車架所承受的振動(dòng)沒有關(guān)聯(lián)。所以，汽車前、后部分的車身的固有頻率和(亦稱偏頻)可用下式表示
n=12πcm (3-2)
式中，c1、c2是前、后懸架的剛度(N／cm)；、為前、后懸架的簧載質(zhì)量(kg)。
當(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時(shí)，前、后懸架的靜撓度可用下式表示
fc=mgc （3-3）
式中，g為重力加速度(g＝981cm／)。
通過公式能夠得到：車身振動(dòng)的偏頻n和汽車懸架的靜撓度有著密切的關(guān)系。所以，若想要獲得比較合適的平順性，一定要確定合適的靜撓度。
為了防止汽車在行駛過程中產(chǎn)生很大的縱向角度的振動(dòng)，汽車的前懸架靜撓度應(yīng)該略低于后懸架，并且兩個(gè)值應(yīng)該向接近。
根據(jù)汽車的類型可以看出，不一樣的汽車應(yīng)該有不一樣的平順性指標(biāo)。其中轎車對(duì)于平順性的要求就非常重要。其具體標(biāo)準(zhǔn)是：
對(duì)平常的轎車在高負(fù)載的時(shí)候，前懸架偏頻應(yīng)該取1.00～1.45Hz之間，后懸架就應(yīng)該取1.17～1.58Hz之間。理論上來(lái)說(shuō)轎車越高級(jí)，要求懸架的偏頻就越低。就一些高檔的轎車來(lái)說(shuō)，高負(fù)荷的時(shí)候，前懸架偏頻應(yīng)該取0.80～1.15Hz之間，后懸架就應(yīng)該取0.98～1.30Hz之間。
取=1.35Hz，=1.5Hz，得
fc1=136.33mm,fc2=110.45mm
取fc1=136mm，fc2=110mm。
3.3 懸架的動(dòng)撓度
懸架的動(dòng)撓度f(wàn)d是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形(通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1／2或2／3)時(shí)，車輪中心相對(duì)車架(或車身)的垂直位移。
為了使汽車行駛在路況不好的條件懸架不碰到緩沖塊，設(shè)計(jì)懸架時(shí)應(yīng)該選取比較大的動(dòng)撓度。對(duì)于轎車來(lái)說(shuō)，fd取7～9cm。在本設(shè)計(jì)中取前后懸架的動(dòng)撓度均為80mm。
根據(jù)前面的汽車總質(zhì)量的計(jì)算及軸荷分配情況可以計(jì)算前懸架單側(cè)設(shè)計(jì)簧載質(zhì)量為415kg,懸架的偏頻選取1.35Hz；
后懸架單側(cè)設(shè)計(jì)簧載質(zhì)量為339kg,懸架的偏頻選取1.5Hz；
為了滿足空載時(shí)的偏頻要求，代入公式（3-2）得；
=29.83N/mm，=30.08N/mm。
3.4 前懸架主銷內(nèi)傾角與后傾角
主銷的工作原理:現(xiàn)代汽車的主銷不一定是一個(gè)真實(shí)存在的 “銷”,在不同的懸架中系統(tǒng)主銷存在的形態(tài)也不同?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)就是汽車前軸的負(fù)荷經(jīng)由某一位置傳遞到車輪,且車輪還繞著這一位置旋轉(zhuǎn),當(dāng)同時(shí)滿足這兩個(gè)條件的位置就是主。
3.4.1 主銷后傾角
主銷軸線在縱向平面內(nèi)與通過前輪中心垂線的夾角叫主銷后傾角.
主銷后傾角的作用是能夠增大汽車在直線行駛時(shí)候的穩(wěn)定性，有助于車輪回正。當(dāng)主銷內(nèi)傾角變大時(shí)，汽車的直線行駛能力就越好，但與此同時(shí)，汽車在轉(zhuǎn)向的時(shí)候要克服的阻力就會(huì)變得比較大，轉(zhuǎn)向就越沉重。一般來(lái)說(shuō)，主銷后傾角不應(yīng)該大于3°。
主銷后傾角取3°。
3.4.2 主銷內(nèi)傾角
主銷在前軸或懸架上安裝時(shí),上斷略微向內(nèi)傾斜一個(gè)角度,這個(gè)角度叫主銷內(nèi)傾角。
主銷內(nèi)傾角的作用：幫助車輪自動(dòng)回正;使轉(zhuǎn)向輕便。
主銷內(nèi)傾角的確定：在過去，汽車的主銷內(nèi)傾角一般取6°～8°之間,現(xiàn)代汽車的主銷內(nèi)傾角一般取10°30′～12°30′左右。本設(shè)計(jì)的懸架取11°。
4 彈性元件的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)前懸架采用麥弗遜懸架，后懸架采用扭力梁懸架，故前后彈性元件均采用螺旋彈簧。
4.1 彈簧剛度的計(jì)算
在前懸架，麥弗遜懸架中由于存在懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的關(guān)系，懸架剛度C與彈簧剛度是不相等的，其區(qū)別在于懸架剛度C是指車輪處單位撓度所需的力；而彈簧剛度僅指彈簧本身單位撓度所需的力。
圖4-1 懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)
Fig.4-1 Suspension guide mechanism parameters
選定下擺臂長(zhǎng)：GF=400mm；車身高度h=703；半輪距：B=775mm 。
可知懸架剛度與彈簧剛度的關(guān)系如下：
C= (aCosδ/bCosβ)Cs （4-1）
式中： C—懸架剛度；Cs—彈簧剛度。
已知a = 1713.96mm b = 1800.97mm δ= 4°β= 14°
Cs = C1/ (aCosδ/bCosβ) = 30.75N/mm
后懸架彈簧剛度等于懸架剛度Cs’ = C2 = 30.08N/mm
4. 2 彈簧的受力及變形
前懸架彈簧所受的最大力
取動(dòng)載荷系數(shù)k=1.7 則前懸架彈簧彈簧所受的最大力F2 為
F2= k×m×g = 1.7×415×9.8 = 6913.9N
進(jìn)而可得到前懸架彈簧在最大壓縮力F2作用下的變形量λ
λ= F2/ Cs = 224mm (4-2)
后懸架彈簧所受的最大力
取動(dòng)載荷系數(shù)k=1.7 則后懸架彈簧所受的最大力F2'為
F2'= k×m×g = 1.7×336×9.8 = 5597.8N
進(jìn)而可得到后懸架彈簧彈簧在最大壓縮力F2作用下的變形量λ’
λ‘ = F’2/ cs ‘ = 186mm
所以，彈簧所受最大彈簧力和相應(yīng)的最大變形為：
F2 = 6913.9N λ = 224mm
F2‘ = 5597.8N λ’ = 186mm
4. 3 彈簧幾何參數(shù)的計(jì)算
根據(jù)以求得的彈簧所受的最大力和相應(yīng)的變形進(jìn)行彈簧的設(shè)計(jì)
4.3.1 彈簧的材料許用應(yīng)力
根據(jù)其工作條件已經(jīng)選擇彈簧材料60Si2MnA。材料的表4-1所示。
表4-1 60Si2MnA性能參數(shù)
Tablet.4-160Si2MnA performance parameters
參數(shù)
數(shù)值
許用剪應(yīng)力[τ]
剪切彈性模量G
590MPa
80000MPa
拉壓彈性模量E
200000MPa
4.3.2 選擇彈簧旋繞比
旋繞比對(duì)彈簧加工有很大的影響著，如果旋繞比設(shè)計(jì)的過小，只會(huì)增加彈簧的生產(chǎn)難度。通常，彈簧的旋繞比選擇C=4-8 在本設(shè)計(jì)中前后懸架彈簧均初選旋繞比C=8.
4.3.3 計(jì)算鋼絲的直徑d
曲率系數(shù)（補(bǔ)償系數(shù)）
K = 4C-14C-4+0.615C = 1.18 (4-3)
選 d=18 mm
d≥1.6√KF2Cτ = 16.8mm (4-4)
選 d’=16 mm
d' ≥1.6KF2'Cτ = 15.1mm
4.3.4 彈簧的幾何尺寸
（1）彈簧中徑D2
D2 = C×d=8×18 = 144 mm (4-5)
D2’ = C×d’=8×16 = 128mm
選擇 D2 = 145mm
D2’ = 130mm
（2）彈簧圈數(shù)z的選擇
z=Gdλ8F2C3 = 11.3 (4-6)
z’=Gd'λ'8F2'C3 = 10.3
選擇z = 11.5圈
z’ = 10.5圈
前后懸架彈簧的端部結(jié)構(gòu)均選擇并緊，不磨平
兩端均選0.75的支承圈，則彈簧總?cè)?shù)為
z1 = z + 2×0.75 = 13圈
z1’ = z’ + 2×0.75 = 12圈
（3）節(jié)距p
P = d + λ/z + δ1 = 39.27mm (4-7)
p’ = d’ + λ’/z’ +δ1’ = 35.31mm
（4）自由高度H0
H0 = pz + 1.5d = 478.61mm (4-8)
H0 = p’z’ + 1.5d’ = 394.76mm
選 H0 = 480 mm
H0’ = 400 mm
(5)螺旋角 ɑ
ɑ = tan-1 pπD2 = 5° （4-9）
ɑ’ = tan-1 p'πD2'=5°
（6）外徑D、內(nèi)徑D1
D = D2 + d = 163 mm (4-10)
D’ = D2’ + d’ = 144mm
D1 =D2- d = 127mm (4-11)
D1’ = D2’ - d’ = 112mm
4.4 彈簧校核
4.4.1 彈簧剛度校核
彈簧剛度的計(jì)算公式為：
Cs = Gd48D23z （4-12）
代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得彈簧剛度Cs為：
Cs = Gd48D23z= 29.94N/mm
Cs ‘ = Gd'48D2'3z'= 28.41N/mm
所以彈簧選擇符合剛度要求。
4.4.2 彈簧強(qiáng)度校核
彈簧強(qiáng)度計(jì)算公式為
τ =8KF2Cπd2= 513.22MPa≤τ
τ’ =8KF2'Cπd'2= 525.91MPa≤τ
計(jì)算結(jié)果的處理
表4-2 螺旋彈簧的參數(shù)
Tablet.4-2 The parameters of the spiral spring
參數(shù)
鋼絲直徑d/mm
彈簧中徑
D2/mm
彈簧圈數(shù)
z/圈
節(jié)距
p/mm
自由高度
H0/%
螺旋角
ɑ/°
外徑
D/mm
前懸架彈簧
18
145
11.5
39.27
480
5
163
后懸架彈簧
16
130
10.5
35.31
400
5
144
5 減振器的設(shè)計(jì)
在車輛中, 減震器可以降低汽車在顛簸地面上行駛的狀態(tài), 從而改善了乘坐的舒適性和載貨的安全性。雖然減震器的目的是限制過度懸浮運(yùn)動(dòng), 但在汽車懸架中其主要目的是為了抑制彈簧振蕩。這是因?yàn)槠噾壹芡ǔＪ褂寐菪龔椈桑鴱椈芍荒軌騼?chǔ)存能量，并不能消耗或吸收能量。這時(shí)就需要通過減震器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓油液通過活塞反復(fù)的從一個(gè)腔流向另一個(gè)腔，使油液不斷摩擦產(chǎn)生熱量，并將熱量消散在空氣中達(dá)到消耗懸架振動(dòng)而產(chǎn)生的能量。
在轎車懸架系統(tǒng)中通常使用的是液力的減振器，減震器也分為單向作用和雙向作用兩種，即只在減振器在伸張時(shí)起作用和伸張、壓縮均起作用，目前轎車懸架中主要用雙作用筒式減振器。
下面主要分析介紹兩種減振器，即雙筒式減振器和單筒式減振器。
5.1雙筒式減振器
雙筒式減振器指的是傳統(tǒng)的雙作用筒式減振器，其工作原理如圖5.1所示。其中為3是工作缸筒，6是儲(chǔ)油缸筒，兩缸筒之間通過4個(gè)不同功用的閥相連。
當(dāng)汽車車輪由于顛簸使得減振器被壓縮時(shí)，使得活塞桿2帶動(dòng)活塞4在工作缸內(nèi)向下移動(dòng)，使得活塞下部的空間變小，油液的壓力升高，活塞上的流通閥10被打開，油液流到活塞上部空間，由于活塞上部活塞桿占一部分空間，所以就會(huì)一部分油液會(huì)推開壓縮閥7,流回儲(chǔ)油缸筒6，在壓縮行程中油液流過這些閥的阻尼孔，就會(huì)將振動(dòng)的的能量轉(zhuǎn)化為熱量而耗散。
當(dāng)汽車車輪由于顛簸使得減振器被拉開時(shí)，使得活塞桿2帶動(dòng)活塞4在工作缸內(nèi)向上移動(dòng)，使得活塞上部的空間變小，油液的壓力升高，流通閥10關(guān)閉，上部空間的高壓油液推開伸張閥5，使油液流到活塞下部空間，由于活塞上部活塞桿占一部分空間，使得流下來(lái)的油液不足以填充活塞下部空間，這時(shí)補(bǔ)償閥9打開，油液又從儲(chǔ)油缸筒6流進(jìn)工作缸筒3，在伸張行程中油液流過這些閥的阻尼孔，也會(huì)將振動(dòng)的的能量轉(zhuǎn)化為熱量而耗散。
減振器壓縮和伸張的過程中產(chǎn)生的熱量通過儲(chǔ)油缸筒散發(fā)到空氣中。由于減振器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，為了防止油液高溫密度變小，體積變大，儲(chǔ)油缸筒中的油液不能太滿；同時(shí)由于減振器一般傾斜安裝，為防止油液高度過低，空氣進(jìn)入工作缸使油
液乳化，油液高度要超過儲(chǔ)油缸筒高度的二分之一
1-上吊環(huán)；2-活塞桿；3-工作缸筒；4-活塞；5-伸張閥；6-儲(chǔ)油缸筒；7-壓縮閥；8-下吊環(huán)；9-補(bǔ)償閥；10-流通閥；11-導(dǎo)向座；12-防塵罩；13-油封
圖5-1雙筒式減振器工作原理圖
Fig.5-1 Working principle Diagram of double cylinder shock Absorber
5.2 單筒式減振器
單筒式減振器指的是沒有儲(chǔ)油缸筒的減振器，它的工作原理如圖5-2所示。它的結(jié)構(gòu)分為充滿高壓氣體的補(bǔ)償腔室1和充入有也得工作腔室，兩個(gè)腔室通過一個(gè)O型密封圈完全分開，并由一個(gè)浮動(dòng)活塞連接，當(dāng)轎車行駛在顛簸路面上時(shí)，活塞桿6帶動(dòng)工作活塞上下移動(dòng)，而工作活塞中裝有能夠隨著活塞移動(dòng)速度增大減小而不斷改變橫截面積兩個(gè)閥體，分別是壓縮閥4和伸張閥8，這時(shí)通過油液不斷地從阻尼孔流入流出，將懸架振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能消散到大氣中，起到減振的作用。由于浮動(dòng)活塞下高壓氣室的原因，可以補(bǔ)償油液在從工作活塞上部通過壓縮閥進(jìn)入工作活塞下部，或從工作活塞下部通過進(jìn)入工作活塞上部，由于活塞桿所占空間的容積差。
圖5-2 單筒式減震器
Fig.5-2 Single cylinder shock absorber
和雙作用筒式減振器相比，單筒式減振器有很多優(yōu)勢(shì):
（1）工作缸筒直接和空氣相接處中，有著良好的冷卻效果;
（2）在工作缸筒外徑相同時(shí)，工作活塞的直徑可以選的更大，工作活塞面積可以增大，從而降低工作油壓;
（3）在高壓氣體的作用下，油液不會(huì)發(fā)生乳化，保證了小振幅高頻振動(dòng)時(shí)的減振效果;
（4）由于浮動(dòng)活塞將油、氣隔開，因而減振器的布置與安裝方向可以不受限制。
但單筒式減振器的劣勢(shì)也在于以下幾點(diǎn):
（1）高壓氣體需要絕對(duì)密封，要求制造精度高;
生產(chǎn)成本高;
（2）軸向尺寸相對(duì)較大;
（3）在高壓氣體壓力的作用下，活塞桿上將承受更大的推力，需要高度跟大的彈簧
考慮到本設(shè)計(jì)車型的性能需求及成本要求，設(shè)計(jì)的先后懸架減振器均采用雙作用筒式減振器。
5.3減振器參數(shù)的設(shè)計(jì)
5.3.1相對(duì)阻尼系數(shù)ψ
相對(duì)阻尼系數(shù)ψ的物理意義是：
減振器的阻尼作用在與不同剛度C和不同簧載質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。
相對(duì)阻尼系數(shù)的值大，振動(dòng)就會(huì)衰減的越快，但此時(shí)車身受到來(lái)自地面的沖擊力就越大；相對(duì)阻尼系數(shù)的值小則反之。在一般情況下，壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻 尼系數(shù)ψY要取得應(yīng)該盡量小一些，而在伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)ψs應(yīng)該取得相對(duì)大些，兩者之間保持ψY =（0.25-0.50）ψX的關(guān)系。
設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該先選取ψY與ψs的平均值ψ。在設(shè)計(jì)螺旋彈簧或扭桿彈簧，取ψ=0.25-0.35；再設(shè)計(jì)鋼板彈簧懸架時(shí)，ψ值取的應(yīng)該稍低一些，這里取ψ= 0.3
為防止懸架與車身接觸，取ψY = 0.5ψs
則有： 計(jì)算得：ψs = 0.4，ψY= 0.8
5.3.2減振器阻尼系數(shù)的確定
減振器阻尼系數(shù)δ = 2ψ√cms。因懸架系統(tǒng)固有頻率ω =√cms，所以理論上δ = 2ψmsω。實(shí)際上，應(yīng)根據(jù)減振器的布置特點(diǎn)確定減振器的阻尼系數(shù)。
轎車前懸架按照下圖的安裝形式，則它的阻尼系數(shù)為：
δ = 2ψms ω/cos2ɑ （5-1）
圖5-3 減振器的布置
Fig.5-3 Arrangement of shock absorbers
根據(jù)公式，可得出：
代入數(shù)據(jù)得：
前懸架系統(tǒng)固有頻率 = 8.5Hz
后懸架系統(tǒng)固有頻率’ = 9.4Hz
在轎車滿載時(shí)，轎車前懸架簧載質(zhì)量ms = 415kg，把數(shù)據(jù)放在公式中可以得出前懸架減振器的阻尼系數(shù)為：
δ = 2ψms ω/cos2ɑ = 2×0.3×415×8.5/cos214°= 2185.43N?s/m
轎車后懸架是扭力梁式非獨(dú)立懸架減振器垂直安裝，則它的阻尼系數(shù)δ為：
δ = 2ψms ω （5-2）
在轎車滿載時(shí)，其后懸架單側(cè)簧載質(zhì)量ms’ = 440Kg,將數(shù)據(jù)代入公式得到阻尼系數(shù)δ’為：
δ ‘= 2ψms ω =2×0.3×339×9.4 = 1911.96 N?s/m
5.3.3減振器最大卸荷力F0的確定
為了降低從地面?zhèn)鞯杰嚿砩系臎_擊力，為了降低沖擊力，需要在減振器振動(dòng)速度滿足某一條件時(shí)，減振器打開卸荷閥。這個(gè)時(shí)候的活塞速度把它叫做卸荷速度Vx，按照上圖安裝的形式的時(shí)候公式為：
Vx = Aωcosɑ (5-3)
式中，Vx是卸荷速度，一般選取0.15~0.3m/s，A為車身的振幅，選取40mm；ω為懸架振動(dòng)固有頻率。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得卸荷速度為：
Vx = Aωcosɑ = 0.04×8.5×cos214° = 0.32 m/s
轎車的后懸架是扭力梁式獨(dú)立懸架，ɑ=0°，所以后懸架減振器的卸荷速度為：
Vx’ = Aω = 0.04×9.4 = 0.37 m/s
由伸張行程最大卸荷力公式可得：F0=cδVx可以計(jì)算最大卸荷力。式中，c是沖擊載荷系數(shù)，取c=1.7；代入數(shù)據(jù)可得最大卸荷力F0為：
前懸架減振器的最大卸荷力：
F0 = 1.7×2185.43×0.32 = 1188.87N
后懸架減振器的最大卸荷力：
F0’ = 1.7×1911.96×0.37 = 1202.62N
5.3.4減振器工作缸直徑D的確定
根據(jù)伸張行程的最大卸荷力F0計(jì)算工作缸直徑D為：
D=4F0π×[p]×(1-λ2) (5-3)
其中，[p]——工作缸最大壓力，在3Mpa~4Mpa,取[p]=3Mpa；
λ——連桿直徑與工作缸直徑比值，λ = 0.4~0.5，取λ = 0.4。
代入計(jì)算得前懸架減振器工作缸直徑D為：
D =4×1188.783.14×3000000×(1-0.42) = 24.21mm
后懸架減振器工作缸直徑D’為：
D’ =4×1202.623.14×3000000×(1-0.42) = 24.36mm
減振器的工作缸直徑D有如下的標(biāo)準(zhǔn)
分別是20mm、30mm、40mm、45mm、50mm、65mm等不同的標(biāo)準(zhǔn)。選取時(shí)工作缸直徑時(shí)應(yīng)該按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)選用，如下表所示。
表4-3 減振器的工作缸選擇
Tablet.4-3 Selection of working cylinder for shock absorber
工作缸直徑
D/mm
基長(zhǎng)
L/mm
貯油直徑DC/mm
活塞行程
S/mm
30
110~120
44~47
230、240、250、260、270、280
40
140~150
54
120、130、140、150、270、280
50
170~180
70~75
120、130、140、150、160、170、180
65
210
210
120、130、140、150、160、170、180、190
所以選擇前后懸架減振器的工作缸直徑D = 30 mm的減振器，對(duì)照上表選擇轎車前后懸架其他長(zhǎng)度均可選取：
活塞行程S = 240 mm，基長(zhǎng)L = 110 mm，則：
Lmin=L + S= 240 + 110 = 350mm（壓縮到底的長(zhǎng)度）
Lmax= Lmin + S = 350 + 230 = 590mm（拉伸到頂?shù)拈L(zhǎng)度）
取貯油缸直徑DC = 45 mm，壁厚取2.6 mm。
6.前懸架的UG建模
6.1 麥弗遜獨(dú)立懸架零部件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中，轎車前懸架采用麥弗遜式獨(dú)立懸架，主要由橫擺臂，減振器，螺旋彈簧和球頭構(gòu)成。
6.1.1 麥弗遜懸架橫擺臂的三維建模
麥弗遜懸架的橫擺臂由擺臂、球頭碗和連接車身的銷孔構(gòu)成。
圖6-1橫擺臂主體
Fig.6-1 Swinging arm body
擺臂的形狀如圖所示，先用草圖工具畫出輪廓，再用拉伸命令得到橫擺臂主體的形狀。
圖6-2 球頭碗
Fig.6-2 Ball head bowl
球頭碗的形狀由于過于復(fù)雜，這里只畫出它的示意圖。首先在橫擺臂的端面建立基準(zhǔn)平面，然后畫出輪廓，用回旋命令得到所需形狀。要注意的是，球頭碗的開口方向?yàn)閆軸的正方向，另外回旋的出來(lái)的體要和擺臂進(jìn)行布爾求和。另一側(cè)和車架相連的銷孔也可用類似方法建模，同時(shí)也要注意開后方向?yàn)閅軸方向。
圖6-3 橫擺臂
Fig.6-3 Yaw arm
6.1.2麥弗遜懸架螺旋彈簧的三維建模
在本設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)彈簧的幾何參數(shù)進(jìn)行了確定，根據(jù)數(shù)據(jù)要求，可以在UG軟件中直接生成，具體方法如下：
圖6-4 設(shè)計(jì)彈簧界面
Fig.6-4 Design of spring interface
在建模環(huán)境中，點(diǎn)擊菜單欄中的GC工具箱，再依次點(diǎn)擊彈簧設(shè)計(jì)、壓縮彈簧設(shè)計(jì)。
圖6-5 設(shè)計(jì)彈簧參數(shù)
Fig.6-5 Design of spring parameters
在對(duì)話框中按要求選擇類型、位置及幾何參數(shù)后點(diǎn)擊完成就可以自動(dòng)生成預(yù)期想得到的彈簧零件圖了。
圖6-6 麥弗遜前懸架彈簧
Fig.6-6 Mcpherson front suspension spring
6.1.3其他元件的三維建模
考慮到懸架要存在一定的主銷后傾角，在設(shè)計(jì)減振器支座時(shí)可通過支座的空間幾何關(guān)系來(lái)確定。
圖6-7 確定基準(zhǔn)平面
Fig.6-7 Determine the reference plane
首先建立新的基準(zhǔn)平面，由于本設(shè)計(jì)的注銷后傾角是3°，故在基準(zhǔn)平面對(duì)話框中選擇類型，成一定角度，參考平面為X-Z平面沿著X轉(zhuǎn)動(dòng)3°，得到基準(zhǔn)平面。
圖6-8減振器支座草圖
Fig.6-8 Sketches of shock absorber support
在基準(zhǔn)平面上創(chuàng)建草圖，畫出基本輪廓，然后用對(duì)稱拉伸出減振器支座的形狀，在與輪轂進(jìn)行布爾求和。繼續(xù)在新建的基準(zhǔn)平面上建立固定減振器縮影螺栓孔的草圖，并通過拉伸與支座布爾求差得到第一個(gè)孔；第二個(gè)孔通過第一個(gè)孔的草圖進(jìn)行定位，由于設(shè)計(jì)的減振器片較為14°，所以兩孔之間的夾角應(yīng)與豎直方向成14°，定位后再用同樣的方法獲得第二個(gè)螺栓孔。
圖6-9 減振器支座
Fig.6-9 Shock absorber support
在設(shè)計(jì)橫擺臂支座時(shí)還要考慮到主銷內(nèi)傾角的幾何關(guān)系，來(lái)確定球頭孔的位置，如圖所示，首先作出減振器的軸線，再根據(jù)減振器的實(shí)際長(zhǎng)度成一定角度地作出主銷軸線，并在與橫擺臂支座相交處畫孔，確定了球頭孔的位置。
6.2麥弗遜獨(dú)立懸架的裝配
麥弗遜懸架的裝配主要包括橫擺臂與球頭銷，減振器工作缸和活塞，減振器與減振器支座，彈簧與彈簧支座之間的裝配。
圖6-10 裝配環(huán)境
Fig.6-10 Assembly environment
裝配是對(duì)已經(jīng)建立好的三維零件模塊進(jìn)行的組合安裝，打開UG后點(diǎn)擊新建，在模型中點(diǎn)擊裝配進(jìn)入裝配環(huán)境。
6.2.1橫擺臂的裝配
圖6-11 填加組件
Fig.6-11 Add components
首先再填加組件對(duì)話框中找到已經(jīng)畫好的輪轂零件圖并通過絕對(duì)原點(diǎn)放置；然后繼續(xù)添加組件，以通過約束的方式將畫好的球頭填加進(jìn)來(lái)，在裝配約束對(duì)話框中選擇接觸約束將球頭中心線和孔的中心線接觸對(duì)齊，再通過距離約束確定球頭的正確位置。
圖6-12 裝配橫擺臂
Fig.6-12 Assembly yaw arm
最后通過填加組件將橫擺臂零件圖通過兩個(gè)球面的接觸裝配到球頭上。
6.2.2減振器的裝配
本設(shè)計(jì)選用的是雙作用筒式減振器，在三維建模中不考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單的畫法。
圖6-13 裝配減振器
Fig.6-13 Assembly damper
首先填加組件，將減振器的工作缸和推桿通過中心線對(duì)其約束，然后根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)用距離約束其相對(duì)位置。
6.2.3整體裝配
按設(shè)計(jì)要求裝配懸架其他結(jié)構(gòu)件。
圖6-14 懸架單側(cè)裝配圖
Fig.6-14 Single side assembly drawing of suspension
7 轎車前懸架的運(yùn)動(dòng)仿真
畫好裝配圖后，可利用UG中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
圖7-1 運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境
Fig.7-1 Motion simulation environment
在裝配好零件的界面中點(diǎn)擊開始按鈕，選擇運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境。
圖7-2創(chuàng)建連桿
Fig.7-2 Create a connecting rod
點(diǎn)擊連桿按鈕，創(chuàng)建連桿。將銷軸和減振器推桿及其附件創(chuàng)建成兩個(gè)固定連桿；將橫擺臂創(chuàng)建成為普通連桿；輪轂和支架以及減振器的工作缸之間是剛性連接，故將它們創(chuàng)建一個(gè)連桿。
圖7-3 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副
Fig.7-3 Create a revolving pair
點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)副按鈕，創(chuàng)建各個(gè)零件之間的連接方式，在運(yùn)動(dòng)副對(duì)話框中選擇運(yùn)動(dòng)副的類型，橫擺臂與銷軸之間應(yīng)該建立旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)橫擺臂連桿制定銷孔中心為原點(diǎn)，矢量方向?yàn)榇怪庇阡N孔的方向。
圖7-4 創(chuàng)建球面副
Fig.7-4 create a spherical pair
橫擺臂與球頭之間應(yīng)該建立球面副，選擇球頭作為連桿，將視圖改為靜態(tài)線框，以指定球頭中心為原點(diǎn)，因?yàn)榍蛎娓钡臑槎嘧杂啥?，所以指定箱梁可以自?dòng)判斷。
圖7-5創(chuàng)建滑動(dòng)副
Fig.7-5 Create sliding pair
將減振器的工作缸與推桿之間建立滑動(dòng)副，選擇工作缸為連桿，指定工作缸的缸徑的中心為原點(diǎn)，指定工作缸中心線為指定矢量。
圖7-6新建解算方案
Fig.7-6 New solution scheme
各零件之間的運(yùn)動(dòng)副建立完成后，右鍵導(dǎo)航器中的motion , 建立新的解算方案，選擇時(shí)間為10s ,步數(shù)為500。
圖7-7 求解
Fig.7-7 solve
右鍵新建的solution,進(jìn)行求解得到麥弗遜懸架的運(yùn)動(dòng)仿真。
8.對(duì)麥弗遜懸架中的減振器支座進(jìn)行有限元分析
在懸架中，減振器支座承受了從車身傳來(lái)的大部分載荷，故要對(duì)減振器的支架進(jìn)行有限元分析。
圖8-1 高級(jí)仿真
Fig.8-1 Advanced simulation
打開減振器支架的零件圖，點(diǎn)擊開始按鈕，再進(jìn)入高級(jí)仿真環(huán)境。
圖8-2 新建仿真
Fig.8-2 Newly build simulation
點(diǎn)擊新建FEM和仿真，在彈出的對(duì)話框中其它選項(xiàng)默認(rèn)不變，點(diǎn)擊確定后彈出解算方案對(duì)話框，默認(rèn)選項(xiàng)，最后再點(diǎn)擊確認(rèn)。
圖8-3 建立網(wǎng)格
Fig.8-2 Building a grid
點(diǎn)擊3D四面體網(wǎng)格按鈕，選擇零件，然后選擇單元屬性為“CTETRA(10)”，單元大小暫取5mm，在目標(biāo)收集器創(chuàng)建收集器，然后創(chuàng)建零件的材料為“Steel”,點(diǎn)擊確定，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行四面網(wǎng)格劃分。
圖8-3 填加約束
Fig.8-3 Constrain
網(wǎng)格劃分完成后，先激活網(wǎng)格劃分，在選擇輪轂的內(nèi)接觸面為固定約束。然后選擇減振器支架并在作用面上給出最大載荷，方向?yàn)閆軸方向。
圖8-4應(yīng)力云圖
Fig.8-3 Stress cloud map
點(diǎn)擊求解得到應(yīng)力分析的云圖，結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足要求。
9.經(jīng)濟(jì)性分析
本文設(shè)計(jì)的轎車懸架選擇的是麥弗遜式懸架與扭力梁式懸架的組合方案，前懸架采用的麥弗遜式獨(dú)立懸架由螺旋彈簧、減振器、橫擺臂等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，性能優(yōu)越，且能夠?yàn)槠嚽鞍l(fā)動(dòng)機(jī)艙節(jié)省出巨大的空間，在各個(gè)方面都有著巨大的優(yōu)勢(shì)。扭力梁式懸架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，且在各類懸架中有著非常優(yōu)廉的價(jià)格。
本設(shè)計(jì)的懸架組合方式，完全滿足其性能要求，且運(yùn)行穩(wěn)定，是轎車懸架系統(tǒng)中，不僅在設(shè)計(jì)技術(shù)上，還是材料選擇上，都有著客觀的經(jīng)濟(jì)性。
10．結(jié)論
本設(shè)計(jì)根據(jù)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)轎車的懸架系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析，確定了前后懸架的結(jié)構(gòu)形式，分別是麥弗遜式和扭力梁式；然后對(duì)懸架的靜撓度等主要參數(shù)進(jìn)行了選取和相關(guān)的計(jì)算；在懸架的彈性元件的設(shè)計(jì)中，根據(jù)懸架的需求計(jì)算并確定了螺旋彈簧的鋼絲直徑，彈簧中徑，工作圈數(shù)及自由高度等參數(shù)；針對(duì)減振器選擇了較為穩(wěn)定且成本低的雙作用筒式減振器，并進(jìn)行了幾何參數(shù)的計(jì)算。其次對(duì)麥弗遜懸架進(jìn)行了單側(cè)的三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。最后，對(duì)懸架的主要零件進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度校核正確，成本合理。
致謝
首先我要感謝的是我的畢設(shè)指導(dǎo)老師朱占平老師，在我的整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，朱老師給予我很多的指導(dǎo)意見，提供了理論依據(jù)，使我在設(shè)計(jì)中遇到問題時(shí)，能得到很好的解決方案。在此，感謝朱老師的細(xì)心指導(dǎo)，同時(shí)，也感謝我的實(shí)習(xí)單位，華晨寶馬汽車有限公司，在實(shí)習(xí)中，單位給予我理論與實(shí)踐相結(jié)合的好機(jī)會(huì)，對(duì)我也有著重要的意義。
通過這次畢設(shè)，我覺得自己學(xué)到了很多東西，不僅僅是書本上的知識(shí)，更多的是對(duì)專業(yè)技能的提高，還有對(duì)社會(huì)的適應(yīng)能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)中，通過不斷的摸索和討論我對(duì)UG軟件中三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析的運(yùn)用都有了極大的提高。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在過去的學(xué)習(xí)中，自己對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握并沒有十分的扎實(shí)，所以在以后的工作中更要不斷學(xué)習(xí)，努力提升自己。我相信這對(duì)我以后的工作與生活都有很大的幫助。再次感謝我的指導(dǎo)老師和我的實(shí)習(xí)單位。
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