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(shí)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 ABSTRACTAs 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 2ABSTRACT 3第 1 章 緒 論 .61.1 機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展 .61.2 課題研究背景及意義 .71.2.1 研究背景 .71.2.2 研究意義 .81.3 懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .111.3.1 國外研究現(xiàn)狀 .121.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .131.3.3 懸架的設(shè)計(jì)水平 141.4 懸架系統(tǒng)的自然振動頻率 .141.5 懸架的結(jié)構(gòu)與組成 .161.5 懸架的分類 .161.5.1 獨(dú)立懸架 .161.5.2 非獨(dú)立懸架 241.5.3 半獨(dú)立懸架 271.5.4 主動懸架和半主動懸架 .291.6 懸架機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .331.7 主要設(shè)計(jì)思路及方法 .341.7.1 研究方法 .341.7.2 研究技術(shù)路線 .341.8.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 .362.1 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 .372.2.1 懸架頻率的選擇 .372.2.2 懸架的工作行程 372.2.3 懸架剛度計(jì)算 .382.3.4 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 .393.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置參數(shù) .393.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的受力分析 .423.3 軸線布置方式的選擇 .443.4 橫臂長度的確定 .453.4 螺旋彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .453.4.1 螺旋彈簧的剛度計(jì)算 .463.4.2 彈簧端部形狀 .463.5 導(dǎo)向彈簧的受力分析 .473.6 減振器的設(shè)計(jì)與分析 .493.7 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì) .583.7.1 橫向穩(wěn)定桿的作用 583.7.2 橫向穩(wěn)定桿參數(shù)的選擇 59第四章 三維建模設(shè)計(jì) 594.1 三維設(shè)計(jì)簡介 .594.2 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(gè)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。現(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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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?，F(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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(gè)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(shí)必須考慮以下幾個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)具有抗側(cè)傾能力，汽車制動和加速時(shí)能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動和加速時(shí)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(gè)階段，有時(shí)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(shí)必須要考慮的問題，同時(shí)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)槠噾壹荜P(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(gè)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(shí)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(gè)方法主要是使緩沖器承受一定的力的作用,而這個(gè)力是與汽車全速時(shí)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(jià)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(jià) [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(shí)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(shí)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(gè)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 (K＝Mg/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(shí)，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(shí)，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(shí)的車身固有頻率要比滿載行駛時(shí)的高。簧載質(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(shí)，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(shí)懸架剛度小。而載荷增加時(shí)，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(gè)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(shí)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(gè)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?，F(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(shí)，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(cuò)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(shí)，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(shí)，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(gè)縱臂，而且其兩個(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(gè)大缺點(diǎn)：就是汽車行駛時(shí)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(shí)候車身有比較明顯的側(cè)傾，并且在剎車的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(gè)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?！旱湫偷耐弦繁凼胶髴壹堋划厴I(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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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 ABSTRACTAs 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 2ABSTRACT 3第 1 章 緒 論 .61.1 機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展 .61.2 課題研究背景及意義 .71.2.1 研究背景 .71.2.2 研究意義 .81.3 懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .111.3.1 國外研究現(xiàn)狀 .121.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .131.3.3 懸架的設(shè)計(jì)水平 141.4 懸架系統(tǒng)的自然振動頻率 .141.5 懸架的結(jié)構(gòu)與組成 .161.5 懸架的分類 .161.5.1 獨(dú)立懸架 .161.5.2 非獨(dú)立懸架 241.5.3 半獨(dú)立懸架 271.5.4 主動懸架和半主動懸架 .291.6 懸架機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 .331.7 主要設(shè)計(jì)思路及方法 .341.7.1 研究方法 .341.7.2 研究技術(shù)路線 .341.8.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 .362.1 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 .372.2.1 懸架頻率的選擇 .372.2.2 懸架的工作行程 372.2.3 懸架剛度計(jì)算 .382.3.4 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 .393.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置參數(shù) .393.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的受力分析 .423.3 軸線布置方式的選擇 .443.4 橫臂長度的確定 .453.4 螺旋彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .453.4.1 螺旋彈簧的剛度計(jì)算 .463.4.2 彈簧端部形狀 .463.5 導(dǎo)向彈簧的受力分析 .473.6 減振器的設(shè)計(jì)與分析 .493.7 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì) .583.7.1 橫向穩(wěn)定桿的作用 583.7.2 橫向穩(wěn)定桿參數(shù)的選擇 59第四章 三維建模設(shè)計(jì) 594.1 三維設(shè)計(jì)簡介 .594.2 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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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?，F(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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(gè)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(shí)必須考慮以下幾個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)具有抗側(cè)傾能力，汽車制動和加速時(shí)能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動和加速時(shí)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??；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(gè)階段，有時(shí)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(shí)必須要考慮的問題，同時(shí)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)槠噾壹荜P(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(gè)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(shí)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(gè)方法主要是使緩沖器承受一定的力的作用,而這個(gè)力是與汽車全速時(shí)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(jià)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(jià) [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(shí)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(shí)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(gè)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 (K＝Mg/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(shí)，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(shí)，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(shí)的車身固有頻率要比滿載行駛時(shí)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(shí)，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(shí)懸架剛度小。而載荷增加時(shí)，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(gè)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(shí)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(gè)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(shí)，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)蜃饔茫€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(cuò)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(shí)，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(shí)，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(gè)縱臂，而且其兩個(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(gè)大缺點(diǎn)：就是汽車行駛時(shí)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(shí)候車身有比較明顯的側(cè)傾，并且在剎車的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(gè)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?！旱湫偷耐弦繁凼胶髴壹堋划厴I(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(shí)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(shí)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(shí)地調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。