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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 甲醇轎車麥弗遜獨(dú)立懸架設(shè)計(jì) 及三維建模 2019 年 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 摘 要 汽車懸架是汽車中作為行駛系統(tǒng)中不可缺少的一部分，主要用于安裝支撐 車輪，吸收因路面顛簸帶來的沖擊，減震保證車輛行駛順暢等作用。而獨(dú)立懸 架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承擔(dān)著懸架中除垂向力之外的所有作用力和力矩，并且決定了懸 架跳動時車輪的運(yùn)動軌跡和車輪定位角的變化。 本次課題是對甲醇轎車的麥弗遜獨(dú)立懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)及三維建模和分析。首 先通過已知的汽車相關(guān)參數(shù)，確定懸架的結(jié)構(gòu)方案及整車中行駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形 式、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式等。然后對獨(dú)立懸架中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、穩(wěn)定桿、拉桿等主要 零件尺寸計(jì)算，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。接下來是根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對汽車前麥弗遜 獨(dú)立懸架進(jìn)行圖紙繪制/運(yùn)用三維軟件對懸架系統(tǒng)進(jìn)行三維建模。最后完成設(shè)計(jì) 說明書準(zhǔn)備答辯。 關(guān)鍵詞：麥弗遜獨(dú)立懸架；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；穩(wěn)定桿；強(qiáng)度校核； 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 ABSTRACT As an indispensable part of the driving system, vehicle suspension is mainly used to install supporting wheels, absorb the impact caused by road bumps, and ensure the smooth running of vehicles. The guiding mechanism of the independent suspension bears all the forces and moments except the vertical forces in the suspension, and determines the change of wheel trajectory and wheel alignment angle when the suspension runs out. This topic is about the design and three-dimensional modeling and analysis of McPherson independent suspension of methanol car. Firstly, the suspension structure scheme, the structure form of the driving system and the steering system are determined by the known vehicle parameters. Then the dimensions of the main parts such as the guide mechanism, the stabilizer rod and the tie rod in the independent suspension are calculated and the strength is checked. Next, according to the design results, the drawings of the front McPherson independent suspension are drawn/the suspension system is modeled by three-dimensional software. Finally, the design instructions are completed and the defense is prepared. Key words: Mcpherson independent suspension; shock absorber; driving system; 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 目 錄 摘 要 .2 ABSTRACT .3 第 1 章 緒 論 .6 1.1 機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展 .6 1.2 課題研究背景及意義 .7 1.2.1 研究背景 .7 1.2.2 研究意義 .8 1.3 懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 .12 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .13 1.3.3 懸架的設(shè)計(jì)水平 .14 1.4 懸架系統(tǒng)的自然振動頻率 .14 1.5 懸架的結(jié)構(gòu)與組成 .16 1.5 懸架的分類 .16 1.5.1 獨(dú)立懸架 .16 1.5.2 非獨(dú)立懸架 .24 1.5.3 半獨(dú)立懸架 .27 1.5.4 主動懸架和半主動懸架 .29 1.6 懸架機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .33 1.7 主要設(shè)計(jì)思路及方法 .34 1.7.1 研究方法 .34 1.7.2 研究技術(shù)路線 .34 1.8.懸架的功用 .35 第 2 章 懸架系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的確定 .36 2.1 懸架的參數(shù)確定 .37 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 2.2 懸架的彈性工作特性確定 .37 2.2.1 懸架頻率的選擇 .37 2.2.2 懸架的工作行程 .37 2.2.3 懸架剛度計(jì)算 .38 2.3.4 懸架彈性特性 .39 第 3 章 懸架主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析 .39 3.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置參數(shù) .39 3.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的受力分析 .42 3.3 軸線布置方式的選擇 .44 3.4 橫臂長度的確定 .45 3.4 螺旋彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .45 3.4.1 螺旋彈簧的剛度計(jì)算 .46 3.4.2 彈簧端部形狀 .46 3.5 導(dǎo)向彈簧的受力分析 .47 3.6 減振器的設(shè)計(jì)與分析 .49 3.7 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì) .58 3.7.1 橫向穩(wěn)定桿的作用 .58 3.7.2 橫向穩(wěn)定桿參數(shù)的選擇 .59 第四章 三維建模設(shè)計(jì) .59 4.1 三維設(shè)計(jì)簡介 .59 4.2 參數(shù)化建模 .60 結(jié) 論 .61 參考文獻(xiàn) .64 致 謝 .65 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 第 1 章 緒 論 1.1 機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展 機(jī)械制造也的設(shè)計(jì)水平與制造這水平，預(yù)示著一個國家的科學(xué)技術(shù)水平， 其直接影響著國家的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平。 近幾年，隨著改革開放的大力發(fā)展，國家不斷的發(fā)展自主產(chǎn)業(yè)，提高我國 機(jī)械行業(yè)的水平，大力支持制造產(chǎn)業(yè)化的構(gòu)建?，F(xiàn)今為止，我們已經(jīng)逐漸從制 造產(chǎn)業(yè)大國轉(zhuǎn)化成制造產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國。最近，國家電影總局剛剛上映一部厲害了， 我的國的電影，其中很形象的描述了中國在近五年的制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。 從航海、航天。陸地三個方面進(jìn)行概括，如建筑行業(yè)、到輪船、船舶行業(yè)，從 飛機(jī)制造業(yè)，到高鐵的上千個零部件的裝配，還有歷經(jīng) 6 年高鐵上電子元件自 主的研發(fā)，無一不彰顯著我國制造、技術(shù)大幅度的躍進(jìn)。如同習(xí)主席說的，我 們不在是世界制造業(yè)大國，而是制造業(yè)強(qiáng)國。天舟一號與天舟二號的完美對接， 實(shí)現(xiàn)了中國空間補(bǔ)給的首次勝利，也宣告著，中國有可能成為世界上首個建立 太空空間站的國家。從中不僅體現(xiàn)了我國科技水平的提高，機(jī)械制造行業(yè)的制 造水平提高，同時也體現(xiàn)了我國工人技術(shù)裝配能力的提高。全球最大規(guī)模，技 術(shù)最先進(jìn)的全自動碼頭即生孩洋山四期自動化碼頭的建立，意味著智能化、自 動化的機(jī)械設(shè)備誕生，讓我們也看到了制造、機(jī)械行業(yè)的遠(yuǎn)景目標(biāo)，將奔著智 能化發(fā)展。 現(xiàn)在，隨著國家政策的逐步推進(jìn)，人民的生活水平不斷提高，物質(zhì)享受與 精神享受的同步發(fā)展，將機(jī)械制造行業(yè)中的技術(shù)、工藝、設(shè)備、原材料、人員 等都在不斷的優(yōu)化、改善和提高。以滿足現(xiàn)在以及將來人們的要求。通過技術(shù) 的引進(jìn)，消化吸收以及工藝的不斷創(chuàng)新，全面質(zhì)量的不斷把控，將制造行業(yè)的 水平提升到很大的一個層次。一些先進(jìn)的技術(shù)在生產(chǎn)、制造中得到了很廣泛的 應(yīng)用，能夠很多應(yīng)用在批量生產(chǎn)中。但是我們同歐美地區(qū)發(fā)達(dá)國家相比，還是 存在著很大的差距。例如：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備，其發(fā)達(dá)國家工藝覆蓋率可以達(dá)到 80%，而我們國家僅僅達(dá)到 30%左右；發(fā)達(dá)國家自動化設(shè)備的使用率很高，而 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 我們的企業(yè)往往會因?yàn)楦鞣N因素所有的是比較落后的設(shè)備。而這些原因往往體 現(xiàn)在我們國家技術(shù)人員的開發(fā)以及創(chuàng)新能力上比較薄弱，有些技術(shù)我們只能依 靠從國外進(jìn)口，在其基礎(chǔ)殺那個優(yōu)化或者改進(jìn)。還有一種原因是缺乏將研究成 果應(yīng)用在大批量企業(yè)中，且缺少其管理機(jī)制。 未來，機(jī)械行業(yè)與制造行業(yè)將逐步向智能化、集成化發(fā)展。其不僅釋放了 人的雙手，大大提高生產(chǎn)效率，保證零部件的質(zhì)量，且能提前預(yù)警與預(yù)防各種 事故的發(fā)生。智能機(jī)器人，全自動汽車生產(chǎn)鏈、無人駕駛汽車的開發(fā)已經(jīng)逐步 趨于成型。在以后智能化將逐步走向各行各業(yè)，將成為工業(yè) 4.0 的主體。 1.2 課題研究背景及意義 1.2.1 研究背景 懸架是現(xiàn)代汽車上重要組成部分之一，它把車架與車軸，或者車身與車輪 連接起來，是傳遞車身與輪胎之間力與力矩的連接裝置，并且，懸架可以減緩 沖擊，衰減系統(tǒng)的振動，從而保證了良好的平順性；在路面不平的時候擁有理 想的運(yùn)動特性，從而保證了汽車的操縱穩(wěn)定性和較高的行駛能力。懸架包括彈 性元件、導(dǎo)向裝置、減振器和橫向穩(wěn)定器等，如圖 1-1 所示。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 圖 1-1 中級轎車懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.2.2 研究意義 懸架的主要功能是傳遞作用在車輪和車身之間的所有力和力矩，并減小汽 車駛過不平路面時所產(chǎn)生的沖擊，衰減承載系統(tǒng)的振動，并且保證了汽車的行 駛平順性，保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運(yùn)動特性，保證汽車的 操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。平順性是現(xiàn)代高速、高效率汽車的一 個主要性能，汽車平順性直接影響到人和車輛。汽車平順性的好壞直接影響到 乘員的舒適性、工作效能和身體健康。因此懸架設(shè)計(jì)關(guān)系到汽車使用性能的好 壞，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。本論文基于凱美瑞轎車，并且結(jié)合實(shí)際 生產(chǎn)，通過對懸架中重要的零部件進(jìn)行計(jì)算校核，設(shè)計(jì)整個懸架系統(tǒng)，對整車 運(yùn)動學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，對實(shí)際生產(chǎn)有著重要的意義。 一百多年來汽車懸架從結(jié)構(gòu)型式到作用原理一直在不斷地演進(jìn)，但從結(jié)構(gòu) 功能而言，它都是由彈性元件、減振裝置和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。在有些情況 下，某一零部件兼起兩種或三種作用，比如鋼板彈簧兼起彈性元件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 的作用，麥克弗遜懸架 (McPherson strut suspension，或稱滑柱擺臂式獨(dú)立懸架) 中的減振器柱兼起減振器及部分導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，有些主動懸架中的作動器則 具有彈性元件、減振器和部分導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的功能。 根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，汽車懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩大類。 非獨(dú)立懸架的鮮明特色是左、右車輪之間由一剛性梁或非斷開式車橋聯(lián)接，當(dāng) 單邊車輪駛過凸起時，會直接影響另一側(cè)車輪。獨(dú)立懸架中沒有這樣的剛性梁， 左右車輪各自“獨(dú)立”地與車架或車身相連或構(gòu)成斷開式車橋，按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又 可細(xì)分為橫臂式、縱臂式、斜臂式等等，各種懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將在以下章節(jié)中 進(jìn)一步討論。 除上述非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架外，還有一種近似半獨(dú)立懸架，它與近似半 剛性的非斷開式后支持橋相匹配。當(dāng)左右車輪跳動幅度不一致時，后支持橋中 呈 V 形斷面并與左右縱臂固結(jié)在一起的橫梁受扭，由于其具有一定的扭轉(zhuǎn)彈性， 故此種懸架既不同于非獨(dú)立懸架，也與獨(dú)立懸架有別。該彈性橫梁還兼起橫向 穩(wěn)定桿的作用。 按照彈性元件的種類，汽車懸架又可以分為鋼板彈簧懸架、螺旋彈簧懸架、 扭桿彈簧懸架、空氣懸架以及油氣懸架等。 按照作用原理，可以分為被動懸架、主動懸架和介于二者之間的半主動懸 架。 本課題來源于凱美瑞轎車的后懸架，按其上下橫臂的長短可分為等長雙橫 臂和不等長雙橫臂兩種。等長雙橫臂懸架在其車輪做上下跳動時，可保持主銷 傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會使輪胎磨損嚴(yán)重，多為不等長雙擺臂懸 架代替，后一種懸架在其車輪上下跳動時候只需要適當(dāng)?shù)倪x擇上下橫臂的長度 并合理布置，即可使輪距及車輪定位參數(shù)的變化限定在一定的范圍之內(nèi)，這種 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 不大的輪距的改變，不應(yīng)引起車輪沿路面的滑移，而為輪胎的彈性變形所補(bǔ)償， 因此其保持了汽車良好的行使平順性，雙橫臂懸架的突出優(yōu)點(diǎn)在于其設(shè)計(jì)的靈 活性，可以通過合理選擇空間桿系的鉸接點(diǎn)的位置及導(dǎo)向臂的長度，使得懸架 具有合適的運(yùn)動特性，并且形成恰當(dāng)?shù)膫?cè)傾中心和縱傾中心。 如前所述，汽車懸架和懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成了一個振動系統(tǒng)，該振 動系統(tǒng)的特性很大程度上決定了汽車的行駛平順性，并進(jìn)一步影響到汽車的行 駛車速、燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。該振動系統(tǒng)也決定了汽車承載系和行駛系 許多零部件的動載，并進(jìn)而影響到這些零件的使用壽命。此外，懸架對整車操 縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設(shè)計(jì)懸架時必須考慮以下 幾個方面的要求： A、通過合理設(shè)計(jì)懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平 順性，具有較低的振動頻率、較小的振動加速度值和合適的減振性能，并能避 免在懸架的壓縮伸張行程極限點(diǎn)發(fā)生硬沖擊，同時還要保證輪胎具有足夠的接 地能力； B、合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠 傳遞，保證車輪跳動時車輪定位參數(shù)的變化不會過大，并且能滿足汽車具有良 好的操縱穩(wěn)定性要求； C、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運(yùn)動干涉，否則 可能引起轉(zhuǎn)向輪擺振； D、側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車轉(zhuǎn)向時具有抗側(cè)傾能力，汽車制動 和加速時能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動和加速時的車身縱傾(即所謂 “點(diǎn)頭”和“后仰”)； E、懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)量要盡量小； 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 F、便于布置，在轎車設(shè)計(jì)中特別要考慮給發(fā)動機(jī)及行李箱留出足夠的空間； G、所有零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命； H、制造成本低； I、便于維修、保養(yǎng)。 懸架設(shè)計(jì)可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個階段，有 時還要反復(fù)交叉進(jìn)行。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總 成的布置，因而一般要與總布置共同協(xié)商確定。 1.3 懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 汽車能夠?qū)崿F(xiàn)在道路上行駛，主要使靠可以支撐車輪，吸收地面?zhèn)鬟f的振 動的汽車懸架實(shí)現(xiàn)的，但是如何降低動力的損失，還有減少燃油的消耗，提高 人們乘坐的舒適度這是進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時必須要考慮的問題，同時對于購車的人 來說，這也是他們選擇汽車的主要性能指標(biāo)。隨著社會的發(fā)展，近幾年以來人 民大眾經(jīng)濟(jì)都好起來，對汽車的舒適性方面和動力性方面等要求非常高。 21 世紀(jì)以來，微電子技術(shù)的發(fā)展及機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在人們生活 當(dāng)中隨處可見，汽車行業(yè)的發(fā)展，主要是向著多元化和工業(yè)化的方向發(fā)展，其 中汽車懸架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在汽車中具有非常重要的位置。目前汽車對車速和燃 油量的要求方面很高，所以汽車懸架的使用對性能將會有十分重要的影響。 目前，我國自主汽車的行業(yè)發(fā)展已到達(dá)一定的階段，針對主要性能零部件 已完成了自主研發(fā)及批量生產(chǎn)。而且隨著近些年汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)主 要汽車零部件也競爭激烈。針對汽車懸架就是其中很重要的一部分，因?yàn)槠?懸架關(guān)系著整車的性能及運(yùn)動安全性。 在國外，一方面汽車行駛的路況越來越好，平均車速逐漸提高，另一方面 節(jié)約能源，減少對環(huán)境的污染意識使得發(fā)動機(jī)正向著大轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速的方向發(fā) 展。國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，引領(lǐng)國產(chǎn)汽車邁向一個新的起點(diǎn)，人們生活的提高 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 對于性能的要求越來越高。為適應(yīng)以上情況，提高人們乘坐的舒適性就必須針 對汽車懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因而目前在國外貨車上廣泛的采用的是麥弗遜獨(dú)立 懸架，麥弗遜獨(dú)立懸架具有成本低，質(zhì)量輕，維修保養(yǎng)簡單，噪音小，溫升低 和整車油耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用，在本設(shè)計(jì)中也主要對汽車麥弗遜獨(dú)立 懸架行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與模型的建立。 汽車懸架系統(tǒng)的主要功用是支撐車身的重量,并且使汽車穩(wěn)定有效的進(jìn)行轉(zhuǎn) 向操縱控制,同時有效的分離路面波動對車身的影響。不同的需要導(dǎo)致設(shè)計(jì)的要 求不同,半自動懸架由從動彈簧和需要克服不同路面狀況和汽車運(yùn)行條件的阻尼 離的自動減振器組成。由于主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜而傳統(tǒng)的消極式懸架無法滿足不 同路面狀況和汽車運(yùn)行狀況的要求。因此,半自動懸架是目前最常用的懸架系統(tǒng)。 半自動懸架系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是帶有液壓減振使車身在低動力情況下振動降低。目前, 許多控制系統(tǒng)是為半自動懸架系統(tǒng)而開發(fā)的。從 Karnoopp 的 Skyhook 方法開始。 這個方法主要是使緩沖器承受一定的力的作用,而這個力是與汽車全速時懸架上 的質(zhì)量成一定比例的。許多調(diào)查都是用一維模型,它可以推導(dǎo)出模糊的控制點(diǎn)和 控制運(yùn)算法則。如 LQG 和活躍控制。由于汽車懸架固有非線性特性,導(dǎo)致這種控 制方法不能充分發(fā)揮半自動懸架的功用。為充分利用懸架系統(tǒng)的非線性功用。 如模糊邏輯控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊神經(jīng)控制等智能化控制方法近來都已被 科研人員用于非線性懸架系統(tǒng)控制。 由于主動式空氣懸架彈簧價格較貴，為降低成本，有的企業(yè)部分車型前橋 使用鋼板彈簧，后橋使用空氣懸架彈簧。由此可知懸架正充分關(guān)注這方面的變 化，提高綜合開發(fā)能力，以適應(yīng)市場的需求和變化，新型懸架的誕生迫在眉睫。 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 國外汽車懸架運(yùn)動學(xué)的研究起步較早，幾乎是隨著獨(dú)立懸架的誕生就開始 了。汽車懸架彈性運(yùn)動學(xué)的研究，在上世紀(jì) 80 年代興起。Duym 用一種代數(shù)形 式的經(jīng)驗(yàn)公式來描述雙橫臂式獨(dú)立懸架系統(tǒng)的非線性特性，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié) 果基本吻合 3。Kuti 以有限元為工具，建立了一種客車懸架系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 模型 4。這些研究表明，建立雙橫臂式獨(dú)立懸架系統(tǒng)的簡單而又比較準(zhǔn)確的非 線性數(shù)學(xué)模型，并將其用于乘坐動力學(xué)的非線性研究具有重要意義。特別是近 幾年來，摒棄了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，比較流行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法多是基于空間機(jī)構(gòu)運(yùn) 動學(xué)原理及多剛體動力學(xué)理論，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，獲得了理想的設(shè)計(jì)結(jié)果， 并有效地提高了工作效率 5。雙橫臂式獨(dú)立懸架的設(shè)計(jì)、制造已比較成熟，而 且成本低，工作可靠，是當(dāng)今世界汽車工業(yè)中懸架的主導(dǎo)產(chǎn)品。近年來，研究 多連桿懸架運(yùn)動特性的方法不斷涌現(xiàn)，D.M.A. Lee 等人推導(dǎo)出轉(zhuǎn)向節(jié)的速度方 程，并應(yīng)用逐步線性化方法來求解位置問題，Mohamed 和 Attia 應(yīng)用剛性連桿 和轉(zhuǎn)向節(jié)之間的約束方程獲得懸架的運(yùn)動特性，Knapzyk 和 Dzierzec 提出的拆 桿法以及 Lee Unkoo 等人的位移矩陣法等 6。 德國 Prof.J.Reimell(耶爾森賴姆帕爾)著的汽車底盤技術(shù)對各種懸架運(yùn) 動學(xué)及彈性運(yùn)動學(xué)作了詳細(xì)的分析，對車輪定位參數(shù)做了準(zhǔn)確的定義，分析了 他們的作用及其對操縱穩(wěn)定性的影響。在懸架運(yùn)動學(xué)分析中，描述了彈簧變形 過程中車輪定位值的變化過程；在彈性運(yùn)動學(xué)分析中，描述了彈簧各部件及交 接處具有彈性，由輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位值的變化，并且 給出了一些典型車型的車輪定位參數(shù)的變化曲線，這些變化曲線都是實(shí)測得到 的，可以用來進(jìn)行操縱穩(wěn)定性的評價 7。德國人阿達(dá)姆措莫托所著的汽車行 駛性能 、德國學(xué)者 Wolfgang Matschinsky 編寫的車輛懸架以及日本學(xué)者安 部正人所著的汽車的運(yùn)動與操縱等著作中都對汽車懸架運(yùn)動學(xué)特性做了深 入的討論分析 8。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 獨(dú)立懸架系統(tǒng)的研究在國內(nèi)也有較長的歷史。近幾年來，北京理工大學(xué)， 浙江大學(xué)等高校正在開展此方面的研究，并發(fā)表了一些論文。對于獨(dú)立懸架系 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 統(tǒng)的研究，主要是應(yīng)用線性理論研究汽車乘坐動力學(xué) 9。目前，獨(dú)立懸架產(chǎn)品 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。但從總體上來看，國內(nèi)對于獨(dú)立懸架系統(tǒng)的研究相對較少， 產(chǎn)品主要是仿造國外，自主開發(fā)能力差，并且缺少具有自主版權(quán)的專用軟件。 在獨(dú)立懸架系統(tǒng)的研究中，國內(nèi)基于線性理論的建模與仿真仍處于主導(dǎo)地位， 而基于非線性理論的非數(shù)學(xué)建模與分析也已經(jīng)引起重視，并有了一定的研究成 果 10。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，懸架研究方法不斷涌現(xiàn)，對于雙橫臂式懸架、 麥弗遜式懸架等的運(yùn)動學(xué)分析做過大量工作，而對于多連桿懸架系統(tǒng)，清華大 學(xué)呂振華等利用機(jī)械原理中的拆桿法，對五連桿懸架進(jìn)行了運(yùn)動分析和受力分 析，并應(yīng)用一種迭代算法分析了考慮橡膠襯套彈性的懸架運(yùn)動特性，討論了襯 套彈性對車輛性能的影響，清華大學(xué)宋健等和同濟(jì)大學(xué)祁宏鐘等分別采用瞬時 軸線法和近似數(shù)值方法確定多連桿懸架的主銷軸線，該方法簡單可靠，對多連 桿運(yùn)動學(xué)理論分析打下基礎(chǔ) 11。 上世紀(jì) 80 年代起，多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論和方法已經(jīng)較廣泛應(yīng)用于汽車 技術(shù)領(lǐng)域，一些優(yōu)秀的多體動力學(xué)分析的商業(yè)化軟件(如 MSC.ADAMS 等)使得 汽車懸架系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析技術(shù)日臻成熟和完善。吉林大學(xué)楊樹凱在其發(fā)表的 多連桿懸架與雙橫臂懸架運(yùn)動學(xué)和彈性運(yùn)動學(xué)特性分析中，利用 ADAMS/CAR 軟件對兩種懸架系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)特性仿真對比分析 12。 1.3.3 懸架的設(shè)計(jì)水平 汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)主要是為了提高汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛 平順性。汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也相應(yīng)地分為兩大部分：一是對汽 車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性；另一是對汽車操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生主要影響的 懸架特性。 長期以來，國內(nèi)汽車行業(yè)，特別是轎車、微型車行業(yè)基本上依靠國外技術(shù) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 生存。雖有眾多專家、學(xué)者、業(yè)內(nèi)人士不斷強(qiáng)調(diào)培育本土設(shè)計(jì)開發(fā)能力的重要 性，但在缺乏競爭力的環(huán)境下，相關(guān)企業(yè)往往出于短期利益考慮，不愿在此方 面進(jìn)行大規(guī)模投入，致使這項(xiàng)工作難以真正落實(shí)到位。因此，迄今為出，國內(nèi) 汽車行業(yè)對包括懸架系統(tǒng)在內(nèi)的汽車底盤系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)機(jī)理，仍然知之 甚少，重復(fù)引進(jìn)到處可見與浪費(fèi)驚人，而且也往往受制于人。 1.4 懸架系統(tǒng)的自然振動頻率 由懸架剛度和懸架彈簧支承的質(zhì)量(簧載質(zhì)量)所決定的車身固有頻率(亦稱 振動系統(tǒng)的自由振動頻率)，是影響汽車行駛平順性的懸架重要性能指標(biāo)之一。 人體所習(xí)慣的垂直振動頻率是步行時身體上下運(yùn)動的頻率，約為1-1.6Hz。車身 固有頻率應(yīng)當(dāng)盡可能地處于或接近這頻率范圍。根據(jù)力學(xué)分析，如果將汽車 看成個在彈性懸架上作單自由度振動的質(zhì)量，則懸架系統(tǒng)的固有頻率 2為 n= = (2-1)21MKfg 式中，g為重力加速度；f為懸架垂直變形(撓度)；M為懸架簧裁質(zhì)量；K (KMg/f)為懸架剛度(不定等于彈性元件的剛度)，是指車輪中心相對于車架 和車身向上移動的單位距離(即使懸架產(chǎn)生單位垂直壓縮變形)所需要加于懸架 上的垂直載荷。 由上式可見： A、在懸架所受垂直載荷一定時，懸架剛度越小，則汽車固有頻率越低。但 懸架剛度越小，在定載荷下懸架垂直變形就越大，即車輪上下跳動所需要的 空間越大。這對于簧載質(zhì)量大的貨車，在結(jié)構(gòu)上是難以保證的，故實(shí)際上貨車 的車身固有頻率往往偏高，而大大超過了上述理想的頻率范圍。 B、當(dāng)懸架剛度定時，簧載質(zhì)量越大，則懸架垂直變形越大，而固有頻率 越低，故空車行駛時的車身固有頻率要比滿載行駛時的高?；奢d質(zhì)量變化范圍 越大，則頻率變化范圍也越大。 為了使簧載質(zhì)量從相當(dāng)于汽車空載到滿載的范圍內(nèi)變化時，車身固有頻率 保持不變成變化很小，就需要將懸架剛度做成可變的，即空車時懸架剛度小。 而載荷增加時，懸架剛度隨之增加。 有些彈性元件本身的剛度就是可變的，如氣體彈簧；有些懸架所用的彈性 元件的剛度雖然是不變的，但是安裝在懸架中之后，可使整個懸架具有可變的 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 剛度，例如扭桿彈簧懸架。 懸架一般安裝在汽車的底部，其是汽車設(shè)計(jì)過程中不可缺少的一部分，同 時也是整車 NVH 的關(guān)鍵。其主要功用如下： (1) 支撐車輪，用于傳遞車輪的力矩。 (2）為保證汽車良好的平順性，需要吸收不平路面所引起的振動和沖擊。 (3）為整車的 NVH 降低提供保障。 (4）保證乘車人員的舒適性。 綜述所述正確的選擇懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)，是影響汽車行駛平順性、 操縱穩(wěn)定性和舒適性的直接因素。因此本設(shè)計(jì)中對轎車的麥弗遜獨(dú)立懸架進(jìn)行 設(shè)計(jì)。 1.5 懸架的結(jié)構(gòu)與組成 不同的懸架有不同的結(jié)構(gòu)形式，但是不同的懸架總體必不可少的結(jié)構(gòu)有懸 架由彈性元件、減振器、緩沖塊、橫向穩(wěn)定器等主要的幾部分組成等，具體結(jié) 構(gòu)如圖 1-1 所示。 圖 1-1 汽車懸架組成示意圖 1-彈性元件 2-縱向推力桿 3-減震器 4-橫向穩(wěn)定器 5-橫向推力桿 彈性元件根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧等 幾種形式，空氣彈簧主要用于高級轎車上，由于其成本較高。而目前大多數(shù)轎 車使用的是螺旋彈簧。螺旋彈簧具有占用空間小，質(zhì)量小，無需潤滑的優(yōu)點(diǎn)， 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 因此被廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)也采用螺旋彈簧。 減振器是起到了減震作用，本設(shè)計(jì)中采用筒狀減震器。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展懸架的結(jié)構(gòu)形式也是在飛速的發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn) 也將汽車的舒適性提高了一個等級。這對于懸架的要求也越來越高。 1.5 懸架的分類 1.5.1 獨(dú)立懸架 獨(dú)立懸架系統(tǒng)是每一側(cè)的車輪都是單獨(dú)地通過彈性懸架系統(tǒng)懸架在車架或車身 下面的。 優(yōu)點(diǎn)： 1. 質(zhì)量輕，減少了車身受到的沖擊，并提高了車輪的地面附著力； 2. 可用剛度小的較軟彈簧，改善汽車的舒適性； 3. 可以使發(fā)動機(jī)位置降低，汽車重心也得到降低，從而提高汽車的行駛穩(wěn)定 性； 4. 左右車輪單獨(dú)跳動，互不相干，能減小車身的傾斜和震動。 缺點(diǎn)： 1. 獨(dú)立懸架系統(tǒng)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜維修不便的缺點(diǎn) 2. 成本高 3. 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，會侵占一些車內(nèi)乘坐空間。 現(xiàn)代轎車大都是采用獨(dú)立式懸架系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)形式的不同，獨(dú)立懸架系統(tǒng)又 可分為橫臂式、縱臂式、多連桿式、燭式以及麥弗遜式懸架系統(tǒng)等。 1,、單橫臂式 橫臂式懸架指車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動的獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，一般和斷開式 車橋配合使用。按橫臂數(shù)量又可分為單橫臂式懸架和雙橫臂式懸架。 單橫臂式具有結(jié)構(gòu)簡單，側(cè)傾中心高，有較強(qiáng)的抗側(cè)傾能力的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn) 是輪距變化大，輪胎磨損加劇。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 2、雙橫臂式 按上下橫臂是否等長又可分為等長雙橫臂式和不等長雙橫臂式。 等長雙橫臂式懸架在車輪上下跳動時，能保持主銷傾角不變，但輪距變化大， 造成輪胎磨損嚴(yán)重。 不等長雙橫臂的橫向剛度大，只要適當(dāng)選擇、優(yōu)化上下橫臂的長度，并通過合 理的布置、就可以使輪距及前輪定位參數(shù)變化均在可接受的限定范圍內(nèi)，保證 汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性。雙橫臂的上下臂不能起到縱向?qū)蜃饔?，還需要 另加拉桿導(dǎo)向。 這種結(jié)構(gòu)較雙叉臂更簡單的雙橫臂懸掛性能介于麥弗遜懸掛和雙叉臂懸掛之間， 擁有不錯的運(yùn)動性能。 3、雙叉臂式 用 A 字或者 V 字形結(jié)構(gòu)替代雙橫臂式的單臂。 優(yōu)點(diǎn)：橫向剛度大有較好的方向穩(wěn)定性、抗側(cè)傾性能優(yōu)異、抓地性能好、路感 清晰； 缺點(diǎn)：制造成本高、懸架定位參數(shù)設(shè)定復(fù)雜。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較其他形式懸架 要緩慢，橫向安裝空間大。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 4、單縱臂式 縱臂式懸架是指車輪在汽車縱向平面內(nèi)擺動的懸架，根據(jù)縱臂的數(shù)量，縱 臂式懸架可分為單縱臂式和雙縱臂式兩種。 單縱臂式懸架當(dāng)車輪跳動時，縱臂以套管的軸線為中心擺動，使扭桿彈簧 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，以緩和不平路面產(chǎn)生的沖擊，因?yàn)檐囕喩舷逻\(yùn)動時，主銷后傾 角會產(chǎn)生很大變化。 5、雙縱臂式 雙縱臂式懸架是有兩個縱臂，而且其兩個縱臂長度一般做成相等，形成平 行四連桿機(jī)構(gòu)。這樣可使車輪上下運(yùn)動時，主銷后傾角不變，因而這種型式的 懸架可以用作轉(zhuǎn)向懸架。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 6、多連桿懸架 連桿式懸架是由多根桿件組合起來控制車輪的位置變化的懸架。適當(dāng)?shù)剡x擇擺 臂軸線與汽車縱軸線所成的夾角，可不同程度地獲得橫臂式與縱臂式懸架的優(yōu) 點(diǎn)，能滿足不同的使用性能要求，舒適性能和操控性能較好。 主要優(yōu)點(diǎn)是：車輪跳動時輪距和前束的變化很小，不管汽車是在驅(qū)動、制動狀 態(tài)都可以按司機(jī)的意圖進(jìn)行平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向。多連桿式懸架舒適性能是所有懸架中 最好的，操控性能也和雙叉臂式懸架難分伯仲，高檔轎車由于空間充裕、且注 重舒適性能和操控穩(wěn)定性，所以大多使用多連桿懸，可以說多連桿懸架是高檔 轎車的絕佳搭檔。 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對復(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。 多連桿獨(dú)立懸架，可分為多連桿前懸架和多連桿后懸架系統(tǒng)。其中前懸架一般 為3連桿或4連桿式獨(dú)立懸架；后懸架則一般為4連桿或5連桿式后懸架系統(tǒng)，其 中5連桿式后懸架應(yīng)用較為廣泛。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 7、燭式懸架 燭式懸架的主銷通過上、下支承板固定在車架上，轉(zhuǎn)向節(jié)小巧。彈簧裝在 主銷上，車輪沿著剛性地固定在車架上的主銷軸線上下移動，車輪上傳的力由 主銷承受并傳遞至車架，不用裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 燭式懸架的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)懸架變形時，主銷的定位角不會發(fā)生變化，僅是輪 距、軸距稍有變化，因此特別有利于汽車的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定和行駛穩(wěn)定。 但燭式懸架有一個大缺點(diǎn)：就是汽車行駛時的側(cè)向力會全部由套在主銷套 筒的主銷承受，致使套筒與主銷間的摩擦阻力加大，磨損也較嚴(yán)重。 8、麥弗遜懸架 麥弗遜式懸架由螺旋彈簧、減震器、A 字形下擺臂組成，絕大部分車型還 會加上橫向穩(wěn)定桿。麥弗遜式獨(dú)立懸架的物理結(jié)構(gòu)為支柱式減震器兼作主銷， 承受來自于車身抖動和地面沖擊的上下預(yù)應(yīng)力，轉(zhuǎn)向節(jié)（也可說車輪，因?yàn)檗D(zhuǎn) 向節(jié)作用于車輪）則沿著主銷轉(zhuǎn)動；此外，其主銷可擺動，特點(diǎn)是主銷位置和 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，且前輪定位變化小，擁有良好的行駛穩(wěn) 定性。 弗遜懸架的構(gòu)造其實(shí)非常簡單，而這種簡單帶來的最大好處就是其質(zhì)量很 輕，并且體積很小，對于很多前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動的車輛來說，車頭部分的大 部分空間都要用來布置橫置的發(fā)動機(jī)以及變速箱，留給懸架的空間并不大，因 此麥弗遜懸架體積小質(zhì)量輕的優(yōu)勢就會表現(xiàn)的非常明顯。 而結(jié)構(gòu)簡單也是麥弗遜懸架最大的軟肋。與雙叉臂以及多連桿懸架相比， 由于減震器和螺旋彈簧都是對車輛上下的晃動起到支撐和緩沖，因此對于側(cè)向 的力量沒有提供足夠的支撐力度。這樣就使得車輛在轉(zhuǎn)向的時候車身有比較明 顯的側(cè)傾，并且在剎車的時候有比較明顯的點(diǎn)頭現(xiàn)象。很多采用麥弗遜懸架的 小型車為了控制成本，也只能將這樣的缺陷保留。雖然通過增加防傾桿能減小 車輛側(cè)傾，但是卻不能根治這種情況。 1.5.2 非獨(dú)立懸架 非獨(dú)立懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)車輪由一根整體式車架相連，車輪連同 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 車橋一起通過彈性懸架系統(tǒng)懸架在車架或車身的下面。非獨(dú)立懸架系統(tǒng)具有結(jié) 構(gòu)簡單、成本低、強(qiáng)度高、保養(yǎng)容易、行車中前輪定位變化小的優(yōu)點(diǎn)，但由于 其舒適性及操縱穩(wěn)定性都相對較差，在現(xiàn)代轎車中只有成本控制比較嚴(yán)格的車 型才會使用，更多的用于貨車和大客車上。 優(yōu)點(diǎn)： 1.左右輪在彈跳時會相互牽連，輪胎角度的變化量小使輪胎的磨耗小。 2.在車身高度降低時還不容易改變車輪的角度，使操控的感覺保持一致。 3.構(gòu)造簡單，制造成本低，容易維修。 4.占用的空間較小，可降低車底板的高度。 缺點(diǎn)： 1.左右輪在彈跳時，會相互牽連，而降低乘坐的舒適性及操控的安定性。 2.因構(gòu)造簡單使設(shè)計(jì)的自由度小，操控的安定性較差。 1、鋼板彈簧懸架 鋼板彈簧懸架承載能力大，并且可兼做導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)極為簡單，一 般和整體橋配合使用。 2、扭桿彈簧懸架 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 扭桿彈簧(通常簡稱為扭桿)是用其自身扭轉(zhuǎn)彈性抵抗扭曲力的彈簧鋼桿。扭桿 的一端固定在車架或車身其他構(gòu)件上，另一端連在受到扭力載荷的部件上。 扭 桿彈簧也用于制造穩(wěn)定桿。優(yōu)點(diǎn)是：與其他彈簧相比，真單位重量的能量吸收 率較高，所以可減輕懸架的重量，還能簡化懸架系統(tǒng)的配置， ；缺點(diǎn)是不能控制 振蕩，所以要配合減震器使用。 3、空氣彈簧懸架 其優(yōu)點(diǎn)是固有振動頻率低，可保持車高一定；高頻絕緣性較好；由于氣體 的可壓縮性，容易獲得非線性彈簧特性； 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 1.5.3 半獨(dú)立懸架 拖曳臂式懸架我們姑且稱之為半獨(dú)立懸架，從懸架的大分類來看，所有的 懸架可以被分成兩大類，即：獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架。但是在但縱臂扭轉(zhuǎn)梁懸 架上，這兩個分類變得有些模糊。從懸架結(jié)構(gòu)來看屬于不折不扣的非獨(dú)立懸架， 因?yàn)樽笥铱v向搖臂被一跟粗大的扭轉(zhuǎn)梁焊接在一起，但是從懸架性能來看，這 種懸架實(shí)現(xiàn)的是具有更高穩(wěn)定性的全拖式獨(dú)立懸架的性能。 典型的拖曳臂式后懸架 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 加裝了防傾桿拖曳臂式懸架 大眾甲殼蟲采用拖曳臂式后懸架 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 拖曳臂式懸架本身具有非獨(dú)立懸架的存在的缺點(diǎn)但同時也兼有獨(dú)立懸架的 優(yōu)點(diǎn)，拖曳臂式懸架的最大優(yōu)點(diǎn)是左右兩輪的空間較大，而且車身的外傾角沒 有變化，避震器不發(fā)生彎曲應(yīng)力，所以摩擦小。拖曳臂式懸架的舒適性和操控 性均有限，當(dāng)其剎車時除了車頭較重會往下沉外，拖曳臂懸架的后輪也會往下 沉平衡車身，無法提供精準(zhǔn)的幾何控制。 不同廠家對這種懸架的稱謂不同：如：縱臂扭轉(zhuǎn)梁獨(dú)立懸架，縱臂扭轉(zhuǎn)梁 非獨(dú)立懸架，H 型縱向擺臂懸架等等。歸根結(jié)底他們都是同一種懸架結(jié)構(gòu) 拖曳臂式懸架，只是調(diào)教稍有不同。 1.5.4 主動懸架和半主動懸架 懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼特性能根據(jù)汽車的行駛條件（車輛的運(yùn)動狀態(tài)和路 面狀況等）進(jìn)行動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使懸架系統(tǒng)始終處于最佳減振狀態(tài)，稱為主 動懸架。 分類 主動懸架系統(tǒng)按其是否包含動力源可分為全主動懸架（有源主動懸架）和半主 動懸架（無源主動懸架）系統(tǒng)兩大類。 全主動懸架就是根據(jù)汽車的運(yùn)動和路面狀況，適時地調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻 尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 半主動懸架 半主動懸架不考慮改變懸架的剛度，而只考慮改變懸架的阻尼，因此它是由無 動力源且只有可控的阻尼元件組成。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，工作時幾乎不 消耗車輛動力，而且還能獲得與全主動懸架相近的性能，故有較好的應(yīng)用前景。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 32 半主動懸架按阻尼級又可分成有級式和無級式兩種。 有級式半主動懸架 它是將懸架系統(tǒng)中的阻尼分成兩級、三級或更多級，可由駕駛員選擇或根據(jù)傳 感器信號自動進(jìn)行選擇所需要的阻尼級。 無級式半主動懸架 它是根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對懸架系統(tǒng)的阻尼在幾毫秒 內(nèi)由最小變到最大進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 33 被動可變阻尼懸架系統(tǒng) 它可以根據(jù)路況來調(diào)整懸掛的軟硬，以達(dá)到最佳的舒適型及操控性：在正常行 駛并且減震器脈沖較低時，阻尼力自動降低，從而顯著提高乘坐的穩(wěn)定性，而 且不影響操控安全性。當(dāng)減震器脈沖更大時，例如在高速轉(zhuǎn)彎或躲避障礙時， 系統(tǒng)設(shè)置為最大阻尼力，從而有效地保持車輛的穩(wěn)定性。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 敏捷操控系統(tǒng)是一項(xiàng)純粹的液壓機(jī)械技術(shù)，不需要復(fù)雜的傳感器或電子系 統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)主要基于減震器連桿中的一個旁通管，以及在單獨(dú)油腔中運(yùn)動的 一個控制活塞。在減震器脈沖較低時，控制活塞迫使減震器油通過旁通管，在 減震閥產(chǎn)生非常小的阻尼力， “更柔和的”減震器特性造就了奔馳的乘坐穩(wěn)定性。 如果減震器受到更高的脈沖時，控制活塞移向其端部，這時減震器油不再 流過旁通管。此時系統(tǒng)能夠提供最大的減震效果。 1.6 懸架機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 獨(dú)立懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承擔(dān)著懸架中除垂直力之外的所有作用力和力矩，并 決定了懸架跳動時車輪的運(yùn)動軌跡和車輪定位角的變化，因此，懸架的設(shè)計(jì)要 求有： 1）形成強(qiáng)檔的側(cè)傾中心和側(cè)傾軸線。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 2）形成恰當(dāng)?shù)目v傾中心。 3）個交接點(diǎn)處受力盡量小，減小橡膠元件的彈性形變，以保證導(dǎo)向精確。 4）保證車輪定位參數(shù)及其隨車輪跳動哦的變化能滿足要求。 5）具有足夠的疲勞強(qiáng)度。 對于前輪獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)的要求是： 1) 懸架上載荷變化時，保證輪距變化不超過4.0mm ，輪距變化大會引起 輪胎早期磨損。 2）懸架上載荷變化時，前輪定位參數(shù)要有合理的變化特性，車輪不應(yīng)產(chǎn)生 縱向加速度。 3）汽車轉(zhuǎn)彎行使時，應(yīng)使車身傾角小。在 0.4g 側(cè)向加速度作用下，車身 側(cè)傾角67，并使車輪與車身的傾斜同向，以增強(qiáng)不足轉(zhuǎn)向效應(yīng)。 4）只用時，應(yīng)使車身有抗前俯作用；加速時，有抗后仰作用。 1.7 主要設(shè)計(jì)思路及方法 1.7.1 研究方法 （1）通過查閱相關(guān)資料，掌握麥弗遜獨(dú)立懸架主要參數(shù)。 （2）充分考慮已有麥弗遜獨(dú)立懸架的優(yōu)缺點(diǎn)來確定麥弗遜獨(dú)立懸架的總體 設(shè)計(jì)方案，對現(xiàn)有裝置的不足進(jìn)行分析。 （3）對設(shè)計(jì)的麥弗遜獨(dú)立懸架進(jìn)行修改和優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出能滿足要求的 麥弗遜獨(dú)立懸架。 1.7.2 研究技術(shù)路線 （1）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關(guān)資料，了解當(dāng)今國內(nèi)外麥弗遜獨(dú)立懸架 的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報告。 （2）根據(jù)產(chǎn)品功能和技術(shù)要求提出多種設(shè)計(jì)方案，對各種方案進(jìn)行綜合評 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 價，從中選擇較好的方案，再對所選擇的方案做進(jìn)一步的修改或優(yōu)化，最終確 定總體設(shè)計(jì)方案。 （3）具體設(shè)計(jì)麥弗遜獨(dú)立懸架的驅(qū)動裝置、工作裝置等。 （4）對所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的重要零件進(jìn)行校核計(jì)算，保證設(shè)計(jì)的合理性 和可行性。 ； （5）繪制零件圖、裝配圖，完成要求的圖紙量； （6）整理各項(xiàng)設(shè)計(jì)資料，撰寫論文。 1.8.懸架的功用 懸架是車身與車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱。它的作用是把路面作 用于車輪上的垂直反力（支撐力） ，縱向反力（牽引力和制動力）和側(cè)向反力以 及這些反力造成的力矩都傳遞到車身上，以保證汽車的正常行駛。汽車懸架系 統(tǒng)的主要功用是支撐車身的重量,并且使汽車穩(wěn)定有效的進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱控制,同 時有效的分離路面波動對車身的影響。不同的需要導(dǎo)致設(shè)計(jì)的要求不同,半自動 懸架由從動彈簧和需要克服不同路面狀況和汽車運(yùn)行條件的阻尼離的自動減振 器組成。由于主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜而傳統(tǒng)的消極式懸架無法滿足不同路面狀況和 汽車運(yùn)行狀況的要求。因此,半自動懸架是目前最常用的懸架系統(tǒng)。半自動懸架 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是帶有液壓減振使車身在低動力情況下振動降低。目前,許多控制系 統(tǒng)是為半自動懸架系統(tǒng)而開發(fā)的。從 Karnoopp 的 Skyhook 方法開始。這個方法 主要是使緩沖器承受一定的力的作用,而這個力是與汽車全速時懸架上的質(zhì)量成 一定比例的。許多調(diào)查都是用一維模型,它可以推導(dǎo)出模糊的控制點(diǎn)和控制運(yùn)算 法則。如 LQG 和活躍控制。由于汽車懸架固有非線性特性,導(dǎo)致這種控制方法不 能充分發(fā)揮半自動懸架的功用。為充分利用懸架系統(tǒng)的非線性功用。如模糊邏 輯控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊神經(jīng)控制等智能化控制方法近來都已被科研人員 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 37 用于非線性懸架系統(tǒng)控制。 汽車懸架盡管有各中不同的結(jié)構(gòu)形式，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。由于汽車行駛的路面不可能絕對平坦，路面作用于車輪 上的垂直反力往往是沖擊性的，特別是在壞路面上告訴行駛時這種沖擊力將達(dá) 到很大的數(shù)值。沖擊力傳到車身時，可能引起汽車機(jī)件的早期損壞；傳給乘員 和貨物時，將使乘員感到極不舒適，貨物也可能受到損傷。為了緩和沖擊，在 汽車行駛系中，除了采用彈性的充氣輪胎之外，將產(chǎn)生振動。持續(xù)的振動易使 乘員感到不舒適和疲勞。故懸架系統(tǒng)還應(yīng)具有減振作用，以使振動速度衰減， 振幅速度減小，為此，在許多形式的懸架系統(tǒng)中都設(shè)有專門的減振器。 車輪相對于車身跳動時，車輪（特別是轉(zhuǎn)向輪）的運(yùn)動軌跡應(yīng)符合一定的要 求，否則就影響汽車的操縱穩(wěn)定性，因此，懸架系統(tǒng)中還應(yīng)該具有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)， 以使車輪按一定的軌跡相對與車身跳動。 以上的三部分分別起緩沖，減振和導(dǎo)向的作用，然而三者共同的任務(wù)則是傳 力。在多數(shù)的轎車和客車上，為了防止車身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過大的橫向傾 斜，在懸架系統(tǒng)中還設(shè)有輔助彈性元件橫向穩(wěn)定器。 懸架系統(tǒng)只要求具備上述各個功能，在結(jié)構(gòu)上并非一定要設(shè)置這些單獨(dú)的裝 置，例如常見的鋼板彈簧，除了作為彈性元件起緩沖作用外，當(dāng)他在汽車上縱 向安置，并且一端與車架做固定鉸鏈連接時，就可擔(dān)負(fù)起決定車輪運(yùn)動軌跡的 任務(wù)，因而就沒有必要再設(shè)置其它導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，此外，一般鋼板彈簧是多片疊成 的，它本身即具有一定的減震能力，因而對減震要求不高時，在采用鋼板彈簧 作為彈性元件的懸架系統(tǒng)中，就可以不裝減震器。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 38 第 2 章 懸架系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的確定 懸架設(shè)計(jì)可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個階段，有 時還要反復(fù)交叉進(jìn)行。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總 成的布置，因而一般要與總布置共同配合確定。此次設(shè)計(jì)是對乘用車麥弗遜前 獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)。 2.1 懸架的參數(shù)確定 在確定零件尺寸之前，需要先確定懸架的空間幾何參數(shù)。麥弗遜式懸架的 受力圖如圖 3-1 所示 圖 2-1 麥弗遜式懸架的受力分析 根據(jù)車輪尺寸，確定 G 點(diǎn)離地高度為 158.3mm，根據(jù)車身高度確定 C 大致 高度為 700mm，O 點(diǎn)距車輪中心平面 110mm，減震器安裝角度 14。 2.2 懸架的彈性工作特性確定 2.2.1 懸架頻率的選擇 對于大多數(shù)汽車而言，其懸掛質(zhì)量分配系數(shù) =0.81.2，因而可以近似 地認(rèn)為 =1，即前后橋上方車身部分的集中質(zhì)量的垂直振動是相互獨(dú)立的，并 用偏頻 ， 表示各自的自由振動頻率，偏頻越小，則汽車的平順性越好。一1n2 般對于鋼制彈簧的轎車， 約為 11.3Hz（6080 次/min）， 約為n 2n 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 39 1.171.5Hz（7090 次/min），非常接近人體步行時的自然頻率。取 n=1.2HZ 2.2.2 懸架的工作行程 懸架的工作行程由靜撓度與動撓度之和組成。 由 n (2-1)cf5 式中： 懸架靜撓度cf 得懸架靜撓度： (2-2) 25nfc mfc6.1732 則懸架動撓度： =（0.50.7）dfcf 取 =0.5 =0.5173.686.8mmfcf 為了得到良好的平順性，因當(dāng)采用較軟的懸架以降低偏頻，但軟的懸架在 一定載荷下其變形量也大，對于一般轎車而言，懸架總工作行程（靜擾度與動 擾度之和）應(yīng)當(dāng)不小于 160mm。 而 =173.6+86.8=260.4mm160mm 符合要求dcf 2.2.3 懸架剛度計(jì)算 已知：已知整車裝備質(zhì)量：m =920kg，取簧上質(zhì)量為 870kg；取簧下質(zhì)量 為 50kg，則由軸荷分配圖知： 空載前軸單輪軸荷取 60%： =261kg2%60871m 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 40 滿載前軸單輪軸荷取 50%： （滿載時車上 5kgm5.292%0)65870(2 名成員，60kg/名）。 懸架剛度： =cWcfFC滿 載 mnN/85.16.7329 2.3.4 懸架彈性特性 懸架受到的垂直外力 F 與由此所引起的車輪中心相對于車身位移廠(即懸架 的變形)的關(guān)系曲線稱為懸架的彈性特性。其切線的斜率是懸架的剛度。 懸架的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。當(dāng)懸架變形廠與 所受垂直外力 F 之間呈固定比例變化時，彈性特性為一直線，稱為線性彈性特 性，此時懸架剛度為常數(shù)。當(dāng)懸架變形 與所受垂直外力 F 之間不呈固定比例f 變化時，懸架剛度是變化的，其特點(diǎn)是在滿載位置附近，剛度小且曲線變化平 緩，因而平順性良好；距滿載較遠(yuǎn)的兩端，曲線變陡，剛度增大。這樣可在有 限的動撓度 范圍內(nèi)，得到比線性懸架更多的動容量。懸架的動容量系指懸架df 從靜載荷的位置起，變形到結(jié)構(gòu)允許的最大變形為止消耗的功。懸架的動容量 越大，對緩沖塊擊穿的可能性越小。 空載與滿載時簧上質(zhì)量變化大的貨車和客車，為了減少振動頻率和車身高 度的變化，應(yīng)當(dāng)選用剛度可變的非線性懸架。轎車簧上質(zhì)量在使用中雖然變化 不大，但為了減少車軸對車架的撞擊，減少轉(zhuǎn)彎行駛時的側(cè)傾與制動時的前俯 角和加速時的后仰角，也應(yīng)當(dāng)采用剛度可變的非線性懸架。 鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的彈性特性可視為線性的，而帶有副簧的鋼板彈簧、 空氣彈簧、油氣彈簧等，均為剛度可變的非線性彈性特性懸架。 第 3 章 懸架主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析 3.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置參數(shù) 1）側(cè)傾中心 麥弗遜式獨(dú)立懸架的側(cè)傾中心由下圖所示方式得出。從懸架與車身的固定 連接點(diǎn) E 作活塞桿運(yùn)動方向的垂直并將下橫臂延長。兩條的交點(diǎn)即為極點(diǎn) P 。 將 P 點(diǎn)與車輪接地點(diǎn) N 的連線交在汽車的軸線上，交點(diǎn) W 即為側(cè)傾中心。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 41 圖 3-1 麥弗遜式獨(dú)立懸架側(cè)傾中心的確定 麥弗遜式獨(dú)立懸架的彈簧減震器軸線 EG 布置得越接近垂直，下橫臂 GD 布置得越接近于水平，則側(cè)傾中心 W 就越接近于地面，從而使得在車輪上跳動 時車輪外傾角的變化不理想 麥弗遜式獨(dú)立懸架的側(cè)傾中心高度為 （3-1）svwrdkpbhtancos2 式中 （3-2）)i(dki 表 3-1 輪胎標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)格 級別 外徑 mm 斷面寬 mm 185/65R14 85H 596mm 189 設(shè)計(jì)當(dāng)滿載時候 選取: d=360mm =152 =6 0 =5 0 （3-3）sr 根據(jù)圖 3-4 可知 = =5 0 (3-4) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 42 因?yàn)閺椈勺杂筛叨?=260mm ，減振器的長度 L=300mm 所以取0H C+o=478mm 因?yàn)檩喬サ臄嗝鎸挾?B=189mm，車寬度 =1673mm，所以：aB = = 742mm （3-5）vb2Ba189673 根據(jù)設(shè)計(jì)要求滿載時： K= =2505.24mm （3-6）)65sin(480o mm （3-7）87.6213si2.p 所以 =84.2mm (3-8)152tan360cos24.50.70wh 滿足在獨(dú)立懸架中，前懸架側(cè)傾中心高度在 0120mm 范圍內(nèi)。 2）側(cè)傾軸線 在獨(dú)立懸架中，汽車前部與后部側(cè)傾中心的連線稱為側(cè)傾軸線，側(cè)傾軸線 應(yīng)大致與地面平行，且盡可能離地高些。平行是為了使得在曲線行駛時前、后 軸上的軸荷變化接近相等，從而保證中型轉(zhuǎn)向特性；而盡可能高則是為了使車 身的側(cè)傾限制在允許范圍內(nèi) 然而，在前懸架的側(cè)傾中心高度收到允許的輪距變化限制，并其盡可能超 過 150mm.此外，在前輪驅(qū)動驅(qū)動的汽車中，由于前橋軸荷大，且為驅(qū)動橋，故 應(yīng)盡可能是前輪輪荷變化小。 3）縱傾中心 麥弗遜式獨(dú)立懸架縱傾中心，可由 E 點(diǎn)座減震器運(yùn)動方向的垂直線。該垂 直線與橫臂軸 D 延長線的交點(diǎn) 即為縱傾中心，如下圖所示：vO 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 43 圖 3-2 麥弗遜式懸架的縱傾中心 4) 抗制動縱傾性 抗制動縱傾性可能使制動過程中汽車車頭的下沉量及車尾的抬高量減小。 只有在前后懸架的縱傾中心位于兩根車橋（軸）之間時，這一性能方可實(shí)現(xiàn) 5) 抗驅(qū)動縱傾性 抗驅(qū)動縱傾性可減小后輪驅(qū)動汽車車尾的下沉量或前輪驅(qū)動汽車車頭的抬 高量。對于獨(dú)立懸架而言，當(dāng)縱傾中心位置高于驅(qū)動橋車輪中心時，這一可能 性方可實(shí)現(xiàn)。 6) 懸架橫臂的定位角 獨(dú)立懸架中的橫臂鉸鏈軸大多空間傾斜布置。 3.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的受力分析 分析如圖的麥弗遜式獨(dú)立懸架受力簡圖可知：作用在導(dǎo)向套上的橫向力 F3，可根據(jù)圖上的布置尺寸求得 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 44 圖 3-3 麥弗遜式獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)受力簡圖 根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)要求以及減震器升級要求，和上面布置要求，確定上面參數(shù)： a=152mm b=357mm c=120mm d=404mm （3-9） （3-10）42.18342.3805.9701 F (3-11)(13cda 式中，F(xiàn) 1 為前輪上的靜載荷 減去前軸簧下質(zhì)量的 1/2 F 所以 =1726.26N (3-12)120)-)(4(205.1833 將彈簧和減震器的軸線相互偏移距離 s=6mm,在考慮到彈簧軸向力 F6 的影響， 則作用到套筒上的力將減小，即 (3-13)cdsFbcaF613)( 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 45 式中， =4183.420.996=4166.69N （3-14）0165cosF =1638.23N （3-15）)1204(69.6.723 增加距離 s ，有助于減小作用到導(dǎo)向套筒上面的橫向力。 3.3 軸線布置方式的選擇 麥弗遜式獨(dú)立懸架的橫臂軸線與主銷后傾角的匹配，影響汽車的縱傾穩(wěn)定 性。O 點(diǎn)為汽車縱向平面內(nèi)懸架相對于車身跳動的運(yùn)動瞬心。當(dāng)搖臂軸的抗前 俯角 等于靜平衡位置的主銷后傾角 時，橫臂軸線正好與主銷軸線垂直， 運(yùn)動瞬心交于無窮遠(yuǎn)處，主銷軸線在懸架跳動時作運(yùn)動。因此, 值保持不變。 當(dāng) 與 的匹配使運(yùn)動瞬心 交于前輪后方時（圖 3-4） ，在懸架壓縮行程， O 角有增大的趨勢 當(dāng) 與 的匹配使運(yùn)動瞬心 交于前輪前方時（圖 3-4） ，在懸架壓縮行程， 角有減小的趨勢。 為了減小汽車制動時的縱傾，一般希望在懸架壓縮行程主銷后傾角 有