《車輛工程畢業(yè)設計論文麥弗遜前懸架參數匹配與運動仿真【三維】》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《車輛工程畢業(yè)設計論文麥弗遜前懸架參數匹配與運動仿真【三維】（79頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
1、 摘 要現在的人們對汽車的要求越來越高，在獲得良好的動力性和經濟性的同時，還要求具有良好的操縱穩(wěn)定性。汽車的操縱穩(wěn)定性是影響汽車行駛安全性的重要性能之一，因此，如何研究和評價汽車的操縱穩(wěn)定性，以獲得良好的汽車主動安全性能一直是關于汽車研究的一個重要課題。全套圖紙，加153893706本文首先對某車型麥弗遜前懸架的結構以及懸架的設計要求進行了分析.然后在ADAMS/View模塊中麥弗遜式懸架建模的方法，分析了參數化懸架模型的方法，并對模型進行了參數化,進行了懸架運動學仿真分析。分析了懸架各性能參數（主銷內傾角、主銷后傾角、車輪外傾角、車輪前束角和前輪側向滑移量）在車輪跳動過程中的變化趨勢，并指出
2、需要改進的地方。研究多個設計變量的變化對樣機性能的影響，并總結規(guī)律，提出優(yōu)化設計的方案。再次進行仿真，對比分析了優(yōu)化前后的仿真結果，并評價了優(yōu)化方案。優(yōu)化后懸架的性能明顯提高，驗證了優(yōu)化方案的可行性。本文研究的目的和意義為在試制前的階段進行設計和試驗仿真，并且提出改進意見。在產品制造出之前，就可以發(fā)現并更正設計缺陷，完善設計方案，縮短開發(fā)周期，提高設計質量和效率。本文的初步研究具有一定的實踐和應用價值。關鍵詞：麥弗遜懸架; ADAMS/View; 建模; 運動仿真 ABSTRACTNowadays，along with the popularization of the vehicle，the
3、 requirement for the vehicle becomes higher and higherThe favorable handling stability performance is required as well as the favorable power performance and economical performanceThe handling stability of a vehicle is one of the important characters that have effect on the active safety performance
4、 of vehicle，therefore，it is always an important subject that how the handling stability performance is researched and evaluated to gain a favorable active safety performanceFirstly ,I have a detailed analysis for Macpherson suspension structureFollowing, The paper introduced how to build a model for
5、 the half of the suspension ADAMSView，discussed the performance of the front wheel alignment parameters such as the kingpin inclination ,caster ,camber ,the toe angle and sideways displacement in a front wheel vehicle positioningThe model was a virtual front suspension test platform，and analyzed the
6、 change trend of the suspension performance parameters in the process of flopping the wheelThe impacts of its changes in the trend of design variables are also analyzedmake all optimized design of the program，with the comparative analysis to verify the feasibility of the optimization program before
7、and after the optimization，the suspensions key data was generated，the virtual design was finishedThe purpose and significance of the article lies in establishing a vehicle Macpherson suspension of the virtual design platform for virtual simulation test，pioneering a more scientific approach for the d
8、esign and development of Macpherson suspension，combining the automobile design theory，resolving problems in the field of kinematics and dynamics，improving the quality of designThis research will also contribute to enhance the ability to independently develop products for Chinas automobile industryth
9、e research of this article has high theory meaning and practical valueKey Words：Macpherson Suspension; ADAMS/ View; Modeling; Motion Simulation目 錄摘 要Abstract第1章 緒 論11.1 選題的目的11.2 選題的意義11.3 懸架技術研究現狀21.4 研究內容和方法31.5 預期結果4第2章 麥弗遜式獨立懸架結構分析52.1 懸架的組成與分類52.1.1 懸架的組成52.1.2 懸架的分類62.2 本章小結11第3章 麥弗遜式獨立懸架設計123
10、.1 懸架機構形式確定123.2 主要依據參數的確定143.3 懸架的彈性特性和工作行程153.4 螺旋彈簧的設計163.4.1 螺旋彈簧的剛度163.5 減震器結構類型的選擇193.6 減震器參數設計233.7 橫向穩(wěn)定桿設計253.7.1 橫向穩(wěn)定桿的作用253.7.2 穩(wěn)定桿接頭形式選擇263.7.3 穩(wěn)定桿直徑計算263.7.4 穩(wěn)定桿校核283.8 輪胎尺寸283.9 半軸初步計算283.10 本章小結29第4章 基于ADAMS/View的懸架優(yōu)化分析304.1 虛擬樣機技術簡介304.2 虛擬樣機技術的實現ADAMS軟件介紹304.3 麥弗遜懸架簡化模型314.4 在ADAMS/V
11、iew中創(chuàng)建懸架模型324.5 測試懸架模型364.6 懸架參數化464.6.1 創(chuàng)建設計變量474.6.2 設計點參數化484.6.3 實體參數化524.7 優(yōu)化前懸架模型534.7.1方法534.7.2優(yōu)化模型554.7.3 優(yōu)化方案574.7.4 優(yōu)化結果594.7.5 優(yōu)化結果的評價624.8 本章小結62第5章 麥弗遜前懸架三維實體建模635.1 懸架各零件建模635.1.1 車輪的創(chuàng)建635.1.2 螺旋彈簧的創(chuàng)建645.1.3 制動盤的創(chuàng)建655.1.4 轉向節(jié)的創(chuàng)建655.1.5 下橫臂的創(chuàng)建655.1.6 減震器的創(chuàng)建665.1.7 其他零部件的創(chuàng)建665.2懸架的裝配675
12、.2.1 組件裝配概述675.2.2 裝配懸架組件的過程675.3 本章小結69結 論70參考文獻71致 謝73附錄A74附錄B79 第1章 緒 論1.1 選題的目的由于懸架系統(tǒng)在汽車行駛中占有重要地位和發(fā)揮關鍵作用，懸架的研究越來越受到廣泛的重視。在傳統(tǒng)設計和研究方法的基礎上，也出現了許多先進的方法和技術，比如CAD/CAE技術、有限元分析、模擬仿真、虛擬設計、優(yōu)化設計等等。所以懸架系統(tǒng)的研究設計具有廣闊的前景。在實際當中，如果懸架結構設計不當，將會大大影響汽車產品的使用性能，出現轉向沉重、車輪擺振、輪胎偏磨嚴重、輪胎使用壽命縮短等現象。本課題研究的目的就在于運用CAD/CAE技術對車輛麥弗
13、遜式前懸架的虛擬設計。在試制前的階段進行懸架結構布置和建模仿真，獲得分析車輪垂直跳動、轉動與車輪前束角的變化等關系，總結規(guī)律。獲得相關數據，在產品制造出之前，就可以發(fā)現并更正設計缺陷，通過對模型某項或是多項性能指標進行優(yōu)化，通過調節(jié)相應的參數來滿足設計要求,從而為汽車懸架的設計提供一種新的可行性方案,為生產實踐提供必要的理論支持。1.2 選題的意義懸架是車輛行駛系的重要的組成部分。其主要任務是彈性連接車輪與車架，傳遞二者之間的力和力矩，并緩和沖擊、衰減振動。性能優(yōu)良的懸架系統(tǒng)對改善車輛的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、減輕車輛自重、改善輪胎的磨損狀況以及減少對公路的破壞具有重要意義。傳統(tǒng)的懸架設計一般
14、采用經驗設計法、數學推導法以及幾何作圖等方法, 在懸架系統(tǒng)設計、試驗、試制整個過程中必須邊試驗、邊改進，從設計到試制、試驗、定型，產品開發(fā)成本較高，雖然可以滿足設計要求, 但精度和效率不高。所以，傳統(tǒng)的方法已經很難滿足日益加速的設計需求, 為縮短開發(fā)周期, 降低開發(fā)成本, 有必要采用新的設計方法。運用虛擬樣機技術，結合虛擬設計和虛擬試驗，可以大大簡化懸架系統(tǒng)設計開發(fā)過程，大幅度縮短產品開發(fā)周期，大量減少產品開發(fā)費用和成本，提高產品質量和產品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)設計產品。有利于企業(yè)搶占市場和發(fā)展先機，提高經濟效益和社會效益。1.3 懸架技術研究現狀懸架的運動學、動力學仿真分析在汽車懸架系統(tǒng)的設計
15、和開發(fā)中占有重要的地位。懸架系統(tǒng)在發(fā)揮車輛操縱穩(wěn)定性方面至關重要。由于汽車操縱穩(wěn)定性研究的復雜性和危險性，往往要進行計算機仿真，隨著計算機軟硬件的飛速發(fā)展，許多新的概念被提了出來，如虛擬現實技術(Virtual Reality Technology)，虛擬試驗技術(Virtual Experiment Technology)，虛擬仿真技術(Virtual Simulation Technology)，和虛擬原型實驗仿真技術(Virtual Prototyping Experiment Simulation Technology)等等，這為車輛計算機仿真技術描繪了美好的前景。虛擬試驗技術是一種先
16、進的以高性能計算機系統(tǒng)為支撐平臺的計算機仿真技術，是近年來隨著計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、并行技術、傳感器技術等一系列技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的。按傳統(tǒng)的方法對新車的操縱穩(wěn)定特性進行研究時，需要經過設計、試驗，試驗總結出來的問題反饋到設計。設計通過計算、更改后，再試驗，這種完全依靠樣車試制后對汽車進行試驗達到調整汽車性能的做法已經不能滿足開發(fā)速度和開發(fā)質量的要求，所以有必要在設計中采用虛擬試驗技術對汽車的性能進行預測，以在實際樣車試制之前就對其性能進行預測，并提出改進意見，達到提高設計質量和加快設計速度的目的，這對于提高我國汽車設計的總體水平也有著重要的意義。上世紀末興起
17、的數字化虛擬樣機技術是縮短車輛研發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產品設計和制造質量的重要途徑。隨著虛擬產品開發(fā)、虛擬制造技術的逐漸成熟，計算機仿真技術得到了廣泛應用，而系統(tǒng)動力學仿真就是數字化虛擬樣機技術的核心和關鍵技術。就汽車而言，車輛動力學性能、駕駛操縱穩(wěn)定性能、平順性能均為汽車的根本特性，在實際的研發(fā)生產過程中對這些性能的研究、測試就必不可少。為了降低產品開發(fā)風險，在樣車制造出之前，利用數字化樣機對這些上述性能進行計算機仿真，并且優(yōu)化其參數就顯得十分必要了。在概念設計和方案論證中，利用虛擬樣機技術，設計人員可以把自己的經驗與想象結合在計算機內的虛擬樣機里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當用虛擬樣機
18、來代替物理樣機驗證設計時，不但可以縮短開發(fā)周期，而且設計質量和效率也能得到提高。對操縱穩(wěn)定性的研究常常采用試驗方法和仿真分析方法進行。仿真分析是在計算機上建立簡化到一定程度的模型，輸入各種操縱控制信號，計算出系統(tǒng)的時域響應和頻域響應，以此來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。因為仿真分析花費時間短，可以在計算機上重復進行，對各種設計方案進行快速優(yōu)化并對比，并且可實現實車試驗條件下不能進行的嚴酷工況分析，因此廣泛地被人們采用。幾乎所有汽車生產設計廠家都采用仿真分析的方法來分析汽車的某些性能。美國MDI(Mechanical Dynamics Inc)開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真軟件ADAMS（Automatic
19、 Dynamic Analysis of Mechanical System）正是應這些要求而誕生的。特別是專門應用于汽車動力學分析的ADAMSCar專用模塊，極大地方便了汽車設計人員的設計工作。ADAMS是目前世界范圍內使用最廣泛的虛擬樣機仿真軟件，應用它可以方便地建立參數化的實體模型，并進行仿真分析。1.4 研究內容和方法應用機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件對本課題研究的主要內容包括以下幾個方面：1 分析車型的結構特點并獲取懸架建模所需要的參數；2 利用機械系統(tǒng)動力學仿真軟件ADAMS建立前懸架模型，就其特性參數進行仿真分析，并就結構參數進行優(yōu)化。分析麥弗遜式懸架的結構和懸架設計要求，在懸架設計
20、中，根據整車的布置要求以及經驗數據，確定懸架的整體空間數據和性能參數，運用PRO/E建立三維物理模型，并在ADAMS軟件平臺上建立麥弗遜懸架的簡化物理模型，進行運動學仿真分析，通過分析車輪垂直跳動、轉動與車輪前束角的變化等關系獲得相關數據，優(yōu)化相關參數，建立虛擬麥弗遜懸架模型。其具體路線如框圖1.1所示。圖1.1設計路線圖1.5 預期結果按照任務和進度要求，應該實現這些預期和相應結果：首先在完成必要的設計計算后，利用ADAMS平臺，建立簡化的麥弗遜前懸架模型，并進行運動學仿真，獲得相應的性能曲線。然后將模型參數化，創(chuàng)建若干設計變量，進行優(yōu)化分析，找出影響懸架性能的主要因素，為進一步改進設計提供
21、理論基礎。設計完成后應提交的文件和圖表：（1）1.5萬字的設計說明書一份，包括設計計算部分內容、懸架建模和仿真分析過程，重點是分析過程；（2）零件圖一套（包括PRO/E零件圖），基于優(yōu)化完成后確定的結構參數在三維建模軟件，建立懸架總成的裝配圖、零件圖；（3）基于虛擬軟件ADAMS/View 的仿真分析，給出具體的實現過程。第2章 麥弗遜式獨立懸架結構分析2.1 懸架的組成與分類2.1.1 懸架的組成現代汽車，特別是乘用車的懸架，形式、種類會因不同的公司和設計單位，而有不同形式。但是，懸架系統(tǒng)一般由彈性元件、減震器、緩沖塊、橫向穩(wěn)定器等幾部分組成等。它們分別起到緩沖、減振 、力的傳遞、限位和控制
22、車輛側傾角度的作用。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 圖2.1 汽車懸架組成示意圖彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式，現代轎車懸架多采用螺旋彈簧，個別高級轎車則使用空氣彈簧。螺旋彈簧只承受垂直載荷，緩和及抑制不平路面對車體的沖擊，具有占用空間小，質量小，無需潤滑等優(yōu)點，但由于本身沒有摩擦而沒有減振作用。減震器是為了加速衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動，減震器有筒式減震器，阻力可調式新式減震器，充氣式減震器。它是懸架機構中最精密和復雜的機械件。導向機構用來傳遞車輪與車身間的力和力矩，同時保持車輪按一定運動軌跡相對車身跳動，通常導向機構由控制擺臂式桿
23、件組成。種類有單桿式或多連桿式的。鋼板彈簧作為彈性元件時，可不另設導向機構，它本身兼起導向作用。有些轎車和客車上，為防止車身在轉向等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架系統(tǒng)中加設橫向穩(wěn)定桿，目的是提高橫向剛度，使汽車具有不足轉向特性，改善汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性?，F代汽車懸架的發(fā)展十分快，不斷出現，嶄新的懸架裝置。按控制形式不同分為被動式懸架和主動式懸架。目前多數汽車上都采用被動懸架，也就是說汽車姿態(tài)（狀態(tài)）只能被動地取決于路面及行駛狀況和汽車的彈性元件，導向機構以及減振器這些機械零件。2.1.2 懸架的分類發(fā)展至今，汽車的懸架從大的方面來看，主要可以分為兩類：獨立式懸架和非獨立式懸架。另外還
24、形成了一種介于獨立和非獨立的中間形式，稱為半獨立式懸架。1、獨立懸架獨立懸架是兩側車輪分別獨立地與車架彈性地連接，當一側車輪受沖擊，其運動不直接影響到另一側車輪，獨立懸架所采用的車橋是斷開式的。這樣使得發(fā)動機可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結構緊湊。獨立懸架允許前輪有大的跳動空間，有利于轉向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時獨立懸架非簧載質量小，可提高汽車車輪的附著性。如圖2.2所示。 (a)雙橫臂式；(b)縱臂式；(c)燭式；(d)麥弗遜式圖2.2 常見的獨立懸架類型獨立懸架的類型及特點：獨立懸架的車軸分成兩段（如圖2.3），每只車輪用螺旋彈簧獨立地，彈性地連接安裝在車架下面，
25、當一側車輪受沖擊，其運動不直接影響到另一側車輪，獨立懸架所采用的車橋是斷開式的。 圖2.3獨立懸架運動特點現在，前懸架基本上都采用獨立懸架系統(tǒng)，最常見的有雙橫臂式和滑柱擺臂式（又稱麥弗遜式）。（1）雙橫臂式獨立懸架工作原理：由上短下長兩根橫臂連接車輪與車身，通過選擇比例合適的長度，可使車輪和主銷的角度及輪距變化不大。這種獨立懸架被廣泛應用在轎車前輪上。雙橫臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2個V形擺臂以一定的距離，分別安裝在車輪上，另一端安裝在車架上。如圖2.4、2.5所示。圖2.4 雙橫臂式獨立前懸架1，6-下擺臂及上擺臂；2,5-球頭銷；3-半軸等速萬向節(jié)；4-立柱；7，8-緩沖塊
26、圖2.5無主銷前轉向驅動橋的雙橫臂懸架雙橫臂式獨立懸架根據上下橫臂的長度相等于不相等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其車輪作上、下跳動時，可以保持主銷傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會使輪胎磨損嚴重，故已很少使用，多為不等長雙橫臂式懸架所取代。不等長雙橫臂懸架在其車輪上、下跳動時，只要適當地選擇上、下橫臂的長度并合理布置，即可使車輪定位參數的變化量限定在允許的范圍內。這種不大的輪距改變，不應引起車輪沿路面的側滑，而為輪胎的彈性變形所補償。因此不等長雙橫臂式獨立懸架能保證汽車有良好的行駛穩(wěn)定行，已為中、高級轎車的前懸架所廣泛采用。雙橫臂懸架的特點。優(yōu)點：結構比較復雜，但經
27、久耐用，同時減振器的負荷小，壽命長?？梢猿休d較大負荷，多用于輕型小型貨車的前橋；缺點：因為有兩個擺臂，所以占用的空間比較大。所以，乘用車的前懸架一般不用此種結構形式。（2）麥弗遜式獨立懸架（滑柱連桿式） 圖2.6 麥弗遜式獨立前懸架麥弗遜式獨立懸架是以其發(fā)明者美國通用汽車公司工程師麥弗遜( Earle S MacPherson)先生命名的, 也稱麥氏懸架-30年代, 通用的雪佛蘭分部想設計一種質量小于900kg、軸距小于2740的小型汽車, 設計的關鍵是懸架總設計師麥弗遜創(chuàng)造性地將活塞桿兼做轉向主銷, 車輪沿主銷軸線跳動, 前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性同雙橫臂式獨立懸架比, 它沒有上橫
28、臂, 因而增大了兩輪間的內部空間, 給發(fā)動機和其他部件的布置帶來了方便。麥弗遜式獨立懸架在轎車上應用最為廣泛, 在輕型汽車也有應用, 例如豐田的特銳小型四驅車、日產的X輕型越野車和陸虎的發(fā)現者輕型越野車等，北京現代ix35尊貴版的前懸架也是麥弗遜式的。在中型汽車上, 僅見于國外的一些輪式裝甲車輛, 例如美國的斯特萊克、瑞士的皮蘭哈和意大利的美洲獅等, 但已呈逐漸增多的趨勢。其工作原理：這種懸架將減震器作為引導車輪跳動的滑柱，螺旋彈簧與其裝于一體。由于其主銷軸線位置在減震器與車身連接鉸鏈中心和下擺臂與轉向節(jié)連接鉸鏈中心的連線上，車輪上下運動時，主銷軸線的角度會有變化。因此前輪定位參數和輪距也都會
29、相應改變，且變化量可能很大。以上問題可通過調整桿系設計布置合理得到解決。典型的結構如圖2.7和圖2.8。圖2.7 麥弗遜懸架結構1-減振器外筒;2-活塞桿;3-彈簧支座;4-橫向穩(wěn)定桿支架;5-橫向穩(wěn)定桿拉桿;6-副車架;7-橫向穩(wěn)定桿;8-發(fā)動機支座;9-彈簧上支座;10-隔離座;11-輔助彈簧;12-防塵罩;13-U形夾;14-軸承;15-定位螺栓1-橫向擺臂;2-球形支承;3-減振器外筒;4-彈簧;5-上支承軸承;6-反跳緩沖彈簧圖2.8 麥弗遜懸架的另一種結構圖麥弗遜獨立懸架的特點：麥弗遜式是鉸接式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉向主銷，轉向節(jié)可以繞著它轉動。特點是主銷軸線和
30、前輪定位角隨車輪的上下跳動而變，這種懸架構造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性，結構緊湊，車輪跳動時前輪定位參數變化小，有良好的操縱穩(wěn)定性，加上由于取消了上橫臂，給發(fā)動機及轉向系統(tǒng)的布置帶來方便，并降低車輛的重心。技術成熟，結構緊湊，響應速度快。雖然麥弗遜式懸架并不是技術含量最高的懸架結構（結構過于簡單，剛度小，穩(wěn)定性較差，轉彎側傾明顯，因此應增加橫向穩(wěn)定器，以增強橫向剛度），但它是一種經久耐用的獨立懸架，具有很強的道路適應能力。所以，目前轎車使用最多的獨立懸架是麥弗遜式懸架。2、非獨立式懸架非獨立懸架如圖2.9所示。其特點是兩側車輪安裝于一整體式車橋上，當一側車輪受沖擊力時
31、會直接影響到另一側車輪上，當車輪上下跳動時定位參數變化小。若采用鋼板彈簧作彈性元件，它可兼起導向作用，使結構大為簡化，降低成本。目前廣泛應用于貨車和大客車上，有些轎車后懸架也有采用的。非獨立懸架由于非簧載質量比較大，高速行駛時懸架受到沖擊載荷比較大，平順性較差。圖2.9 非獨立式懸架結構示意圖2.2 本章小結本章對懸架的基本組成和分類做了一個全面的介紹，結合具體結構組成，說明懸架系統(tǒng)在汽車行駛時發(fā)揮著必不可少的關鍵作用。對兩種典型的獨立式懸架的特點進行了闡述，對它們的總體布置形式做了初步的說明。第3章 麥弗遜式獨立懸架設計3.1 懸架機構形式確定1、懸架具體結構形式的選擇為適應不同車型和不同類
32、型車橋的需要，懸架有不同的結構型式，主要有獨立懸架與非獨立懸架。獨立懸架與非獨立懸架各自的特點在上一章中已經作了介紹，本章不再累述。所選車型為乘用車。對乘坐舒適性要求較高，故選擇獨立懸架。麥弗遜式獨立懸架是獨立懸架中的一種，是一種減震器作滑動支柱并與下控制臂鉸接組成的一種懸架形式,與其它懸架系統(tǒng)相比,結構簡單、性能好、布置緊湊,占用空間少。因此對布置空間要求高的發(fā)動機前置前驅動轎車的前懸架幾乎全部采用了麥弗遜式懸架。此次設計的懸架為發(fā)動機前置前輪驅動的北京現代ix35尊貴版車型，由于只知其前懸形式為麥弗遜式獨立懸架和整車基本參數。故設計時參考同類車型，根據所學知識，初步計算確定懸架的結構參數，
33、是為進一步的分析研究的基礎。2、彈性元件彈性元件是懸架的最主要部件，因為懸架最根本的作用是減緩地面不平度對車身造成的沖擊，即將短暫的大加速度沖擊化解為相對緩慢的小加速度沖擊。使人不會造成傷害及不舒服的感覺；對貨物可減少其被破壞的可能性。彈性元件主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧等常用類型。除了板彈簧自身有減振作用外，配備其它種類彈性元件的懸架必須配備減振元件，使已經發(fā)生振動的汽車盡快靜止。鋼板彈簧是汽車最早使用的彈性元件，由于存在諸多設計不足之處，現在逐步被其它種類彈性元件所取代。如前所述，由螺旋彈簧具有占用空間小，質量小，無需潤滑等優(yōu)點，而被大多數乘用車選用。故本設計選擇螺旋彈簧。
34、3、減震元件減震元件主要起減振作用。為加速車架和車身振動的衰減，以改善汽車的行駛平順性，在大多數汽車的懸架系統(tǒng)內都裝有減震器。減震器和彈性元件是并聯安裝的，如圖3.1所示。汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力減震器。液力減震器的作用原理是當車架與車橋作往復相對運動時，而減震器中的活塞在缸筒內也作往復運動，則減震器殼體內的油液便反復地從一個內腔通過一些窄小的孔隙流入另一內腔。此時，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內摩擦便形成對振動的阻尼力，使車身和車架的振動能量轉化為熱能，而被油液和減震器殼體所吸收，然后散到大氣中。本文選擇雙筒式液力減震器（后有詳述）。圖3.1 含減震器的懸架簡圖1.車身2.減震器3.彈性原
35、件4.車橋4、傳力構件及導向機構車輪相對于車架和車身跳動時，車輪（特別是轉向輪）的運動軌跡應符合一定的要求，否則對汽車某些行駛性能（特別是操縱穩(wěn)定性）有不利的影響。因此，懸架中某些傳力構件同時還承擔著使車輪按一定軌跡相對于車架和車身跳動的任務，因而這些傳力構件還起導向作用，故稱導向機構。對前輪導向機構的要求（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，前輪定位參數要有合理的變化特性，車輪不應產生縱向加速度；（3）汽車轉彎行駛時，應使車身側傾角小。在0.4g側向加速度作用下，車身側傾角6-7度。并使車輪與車身的傾斜同向，以增強不足轉向
36、效應。（4）制動時，應使車身有抗”前俯”作用；加速時，有抗“后仰”作用。（5）具有足夠的疲勞強度和壽命，可靠地傳遞除垂直力以外的各種力和力矩。5、橫向穩(wěn)定器在多數的轎車和客車上，為防止車身在轉向行駛等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架中還設有輔助彈性元件橫向穩(wěn)定器。橫向穩(wěn)定器實際是一根近似U型的桿件，兩個端頭與車輪剛性連接，用來防止車身產生過大側傾。其原理是當一側車輪相對車身位移比另外一側位移大時，穩(wěn)定桿承受扭矩，由其自身剛性限制這種傾斜，特別是前輪，可有效防止因一側車輪遇障礙物時，限制該側車輪跳動幅度。3.2 主要依據參數的確定本次設計主要是根據2010款北京現代ix35尊貴版6檔手自一體型前
37、懸架來進行的，具體車型參數配置如表3.1。表中前后輪距數據為參考同類車型確定。表3.1 北京現代ix35尊貴版整體尺寸數據表車身長/寬/高4420 /1820/1690軸距2640前輪距1570后輪距1570整車整備質量1521最小離地間隙170發(fā)動機形式/排量2.4D0HC 16v IIdualCWT 2359ml輪胎規(guī)格225/60懸架系統(tǒng)前：麥弗遜獨立前懸架 后：多連桿獨立后懸架最大總質量18211、懸架的空間幾何參數在確定零件尺寸之前，需要先大體確定懸架的空間幾何參數。麥弗遜式懸架的受力圖如圖3.2所示。根據車輪尺寸，確定G點離地高度為230，根據車身高度確定D大致高度為850，O點距
38、車輪中心平面120，減震器安裝角度10.7。 圖3.2 懸架空間受力示意圖3.3 懸架的彈性特性和工作行程1、懸架頻率的選擇對于大多數汽車而言，其懸掛質量分配系數=0.81.2，因而可以近似地認為=1.0，即前后橋上方車身部分的集中質量的垂直振動是相互獨立的，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。一般對于鋼制彈簧的轎車， 約為11.3Hz（6080次/min）， 約為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、懸架的工作行程汽車的前后偏頻的計算公式如下： （3.1） （3.2）其中g為重力加速度其值取g=9.8 ,
39、、為前后懸架剛度，、為前后懸架的簧載質量。對于一般采用鋼制彈簧的轎車約為、為，0.850.95。粗取 ，。 在0.850.95范圍內符合要求。 （3.3） （3.4）則懸架動撓度：=（0.50.7）取=0.5=0.5173.686.8懸架的動撓度是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結構允許的最大變形，一般對于乘用車取7090、客車5080、貨車6090。為了得到良好的平順性，因當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（靜撓度與動撓度之和）應當不小于160。而=173.6+86.8=260.4160 符合要求。3、懸架剛度計算已知：已知整車裝
40、備質量：m =1521kg，取簧上質量為1060kg；取簧下質量為60kg，則由軸荷分配范圍表3.2可知：空載前軸單輪軸荷取60%：=456.3kg滿載前軸單輪軸荷取50%：表3.2 各類汽車的軸荷分配范圍車型空載滿載前軸后軸前軸后軸轎車前置發(fā)動機前輪驅動（FF）56%66%34%44%47%60%40%53%前置發(fā)動機后輪驅動（FR）50%55%45%50%45%50%50%55%后置發(fā)動機后輪驅動（RR）42%50%50%58%40%45%55%60%貨車4*2后輪單胎50%59%41%50%32%40%60%68%4*2后輪雙胎，長頭、短頭車44%49%51%56%27%30%70%73
41、%4*2后輪雙胎，平頭車49%54%46%51%32%35%65%68%6*4后輪雙胎31%37%63%69%19%24%76%81%客車前置發(fā)動機前輪驅動前置發(fā)動機后輪驅動后置發(fā)動機后輪驅動懸架剛度：= 。 3.4 螺旋彈簧的設計3.4.1 螺旋彈簧的剛度1、螺旋彈簧類型的選擇螺旋彈簧形式選擇為兩端碾細并并緊如圖3.1（b）圖所示，彈簧的材料為有淬火回火硅錳合金彈簧鋼絲。其試驗載荷，。圖3.3 彈簧兩端結構圖由于存在懸架導向機構的關系，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。例如麥弗遜獨立懸架的懸架剛度C的計算方
42、法：如下圖所示。 圖3.4 懸架幾何關系示意圖初步選定下擺臂長EH=491.62；半輪距B=785；減震器的布置角度=9.1，高度580?？芍獞壹軇偠扰c彈簧剛度的關系如下：由圖可知：C=(U*Cos/PCos) （3.5）式中C懸架剛度，彈簧剛度已知U=2200 P=2288.8 =4.67 =9.1得31.79 N/ 2、計算彈簧鋼絲直徑d根據下面的公式可以計算： 式中 i彈簧有效工作圈數，先取8; G彈簧材料的剪切彈性模量，取Mpa; 彈簧中徑，取110;代入計算得：d=11.98確定鋼絲直徑d=12，彈簧外徑D=122，彈簧有效工作圈數n=8；3、彈簧校核 （1）彈簧剛度校核 彈簧剛度的
43、計算公式為：代入數據計算可得彈簧剛度為： N/所以彈簧選擇符合剛度要求。4、彈簧表面剪切應力校核彈簧在壓縮時其工作方式與扭桿類似，都是靠材料的剪切變形吸收能量，彈簧鋼絲表面的剪應力為： 式中C彈簧指數（旋繞比），； 曲度系數，為考慮簧圈曲率對強度影響的系數； P彈簧軸向載荷。已知=110，d=12，可以算出彈簧指數C和曲度系數： =110/2=9.16 P=N； 則彈簧表面的剪切應力：Mpa=0.63=0.631569Mpa，因為，所以彈簧滿足要求。綜上可以最終選定彈簧的參數為：彈簧鋼絲直徑d=12，彈簧外徑D=122，彈簧有效工作圈數n=8。3.5 減震器結構類型的選擇減震器的功能是吸收懸架
44、垂直振動的能量，并轉化為熱能耗散掉，使振動迅速衰減。汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力式減震器。其作用原理是，當車架與車橋作往復相對運動時，減震器中的活塞在缸筒內業(yè)作往復運動，于是減震器殼體內的油液反復地從一個內腔通過另一些狹小的孔隙流入另一個內腔。此時，孔與油液見的摩擦力及液體分子內摩擦便行程對振動的阻尼力，使車身和車架的振動能量轉換為熱能，被油液所吸收，然后散到大氣中。減震器大體上可以分為兩大類，即摩擦式減震器和液力減震器。故名思義，摩擦式減振器利用兩個緊壓在一起的盤片之間相對運動時的摩擦力提供阻尼。由于庫侖摩擦力隨相對運動速度的提高而減小，并且很易受油、水等的影響，無法滿足平順性的要求，因此雖然
45、具有質量小、造價低、易調整等優(yōu)點，但現代汽車上已不再采用這類減震器。液力減震器首次出現于1901年，其兩種主要的結構型式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減震器相比，搖臂式減震器的活塞行程要短得多，因此其工作油壓可高達75-30MPa，而筒式只有2.5-5MPa。筒式減震器的質量僅為擺臂式的約1/2，并且制造方便，工作壽命長，因而現代汽車幾乎都采用筒式減震器。筒式減震器最常用的三種結構型式包括:雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。雙筒式液力減震器雙筒式液力減震器雙筒式液力減震器的工作原理如圖9所示。其中A為工作腔，C為補償腔，兩腔之間通過閥系連通，當汽車車輪上下跳動時，帶動活塞1在工作腔A中上下移動，
46、迫使減震器液流過相應閥體上的阻尼孔，將動能轉變?yōu)闊崮芎纳⒌?。車輪向上跳動即懸架壓縮時，活塞1向下運動，油液通過閥進入工作腔上腔，但是由于活塞桿9占據了一部分體積，必須有部分油液流經閥進入補償腔C;當車輪向下跳動即懸架伸張時，活塞1向上運動，工作腔A中的壓力升高，油液經閥流入下腔，提供大部分伸張阻尼力，還有一部分油液經過活塞桿與導向座間的縫隙由回流孔6進人補償腔，同樣由于活塞桿所占據的體積，當活塞向上運動時，必定有部分油液經閥流入工作腔下腔。減震器工作過程中產生的熱量靠貯油缸筒3散發(fā)。減震器的工作溫度可高達120攝氏度，有時甚至可達200攝氏度。為了提供溫度升高后油液膨脹的空間，減震器的油液不能
47、加得太滿，但一般在補償腔中油液高度應達到缸筒長度的一半，以防止低溫或減震器傾斜的情況下，在極限伸張位置時空氣經油封7進入補償腔甚至經閥吸入工作腔，造成油液乳化，影響減震器的工作性能。圖3.5減震器工作原理圖1-活塞；2-工作缸筒；3-貯油缸筒；4-底閥座；5-導向座；6-回流孔活塞桿；7-油封；8-防塵罩；9-活塞桿減震器的特性可用圖3.6示圖和阻尼力-速度曲線描述。減震器特性曲線的形狀取決于閥系的具體結構和各閥開啟力的選擇。一般而言，當油液流經某一給定的通道時，其壓力損失由兩部分構成。其一為粘性沿程阻力損失，對一般的湍流而言，其數值近似地正比于流速。其二為進入和離開通道時的動能損失，其數值也
48、與流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影響。由于油液粘性隨溫度的變化遠比密度隨溫度的變化顯著，因而在設計閥系時若能盡量利用前述的第二種壓力損失，則其特性將不易受油液粘性變化的影響，也即不易受油液溫度變化的影響。不論是哪種情形，其阻力都大致與速度的平方成正比，如圖3.6圖中曲線A所示為在某一給定的A通道下阻尼力F與液流速度v的關系，若與通道A并聯一個直徑更/大的通道B，則總的特性將如圖中曲線A+B所示。如果B為一個閥門，則當其逐漸打開時，可獲得曲線A與曲線A+B間的過渡特性。恰當選擇A,B的孔徑和閥的逐漸開啟量，可以獲得任何給定的特性曲線。閥打開的過程可用三個階段來描述，第一階段為閥完全
49、關閉，第二階段為閥部分開啟，第三階段為閥完全打開。通常情況下，當減震器活塞相對于缸筒的運動速度達到0. lm/s時閥就開始打開，完全打開則需要運動速度達到數米每秒。圖3.6 速度對減震器特性影響示意圖圖3.7所示三種典型的減震器特性曲線。第一種為斜率遞增型的，第二種為等斜率的(線性的)，第三種為斜率遞減型的。其中第一種在小速度時，阻尼力較小，有利于保證平坦路面上的平順性，第三種則在相當寬的振動速度范圍內都可提供足夠的阻尼力，有利于提高車輪的接地能力和汽車的行駛性能。根據汽車的型式、道路條件和使用要求，可以選擇恰當的阻尼力特性。需要注意的是，在大部分汽車上，減震器不是完全垂直安裝，如圖3.8所示
50、為剛性橋非獨立懸架的情況。 圖3.7典型的減震器特性曲線 圖3.8減震器斜置時計算傳遞比示意圖單筒充氣式液力減震器單筒充氣式減震器的工作原理如圖（13）所示。其中浮動活塞3將油液和氣體分開并且將缸筒內的容積分成工作腔4和補償腔2兩部分。當車輪下落即懸架伸張時，活塞桿8帶動活塞5下移，壓迫油液經過伸張閥10從工作腔下腔流入上腔。此時，補償腔2中的氣體推動活塞3下移以補償活塞桿抽出造成的容積減小;車輪上跳時，活塞5向上運動，油液通過壓縮閥6由上腔流入下腔，同時浮動活塞向上移動以補償活塞桿在油液中的體積變化。與前述的雙筒式減震器相比，單筒充氣式減震器具有以下優(yōu)點:工作缸筒n直接暴露在空氣中，冷卻效果
51、好;在缸筒外徑相同的前提下，可采用大直徑活塞，活塞面積可增大將近一倍，從而降低工作油壓;在充氣壓力作用下，油液不會乳化，保證了小振幅高頻振動時的減震效果;由于浮動活塞將油、氣隔開，因而減振器的布置與安裝方向可以不受限制。其缺點在于:為保證氣體密封，要求制造精度高;成本高;軸向尺寸相對較大;由于氣體壓力的作用，活塞桿上大約承受190-250N的推出力，當工作溫度為100時，這一值會高達450N，因此若與雙筒式減震器換裝，則最好同時換裝不同高度的彈簧。雙筒充氣式減震器的優(yōu)點有:在小振幅時閥的響應也比較敏感;改善了壞路上的阻尼特性;提高了行駛平順性;氣壓損失時，仍可發(fā)揮減振功能;與單筒充氣式減震器相
52、比，占用軸向尺寸小，由于沒有浮動活塞，摩擦也較小。因而本次設計選擇雙筒式減震器。圖3.9雙筒充氣式減震器用于麥克弗遜懸架時的結構圖 1-六方;2-蓋板;3-導向座;4-貯油缸筒;5-補償腔;6-活塞桿;7-彈簧托架;8-限位塊;9-壓縮閥;10-密封環(huán);11-閥片;12-活塞緊固螺母;13-活塞桿小端3.6 減震器參數設計1、阻尼系數相對阻尼系數的物理意義是：減震器的阻尼作用在與不同剛度C和不同簧上質量的懸架系統(tǒng)匹配時，會產生不同的阻尼效果。值大，振動能迅速衰減，同時又能將較大的路面沖擊力傳到車身；值小則反之，通常情況下，將壓縮行程時的相對阻尼系數取小些，伸張行程時的相對阻尼系數取得大些，兩者
53、之間保持=（0.25-0.50）的關系。圖3.10減震器的阻力-位移特性與阻力-速度特性設計時，先選取與的平均值。相對無摩擦的彈性元件懸架，取=0.25-0.35；對有內摩擦的彈性元件懸架，值取的小些，為避免懸架碰撞車架，取=0.5。取=0.3，則有：，計算得：=0.4，=0.22.減震器阻尼系數的確定減震器阻尼系數。因懸架系統(tǒng)固有頻率，所以理論上。實際上，應根據減震器的布置特點確定減震器的阻尼系數。選擇下圖3.12的安裝形式，則起阻尼系數為： （3.6）圖3.12減震器安裝布置示意圖根據公式，可得出：滿載時計算前懸剛度N/代入數據得：=7.15HZ，取,按滿載計算有：簧上質量kg，代入數據得
54、減震器的阻尼系數為：3、減震器最大卸荷力的確定為減小傳到車身上的沖擊力，當減震器活塞振動速度達到一定值時，減震器打開卸荷閥。此時的活塞速度稱為卸荷速度，按上圖安裝形式時有：式中，為卸荷速度，一般為0.150.3/s，A為車身振幅，??；為懸架振動固有頻率。代入數據計算得卸荷速度為：符合在0.150.3/s之間范圍要求。根據伸張行程最大卸荷力公式：可以計算最大卸荷力。式中，c是沖擊載荷系數，取c=1.5；代入數據可得最大卸荷力為： 4、減震器工作缸直徑D的確定根據伸張行程的最大卸荷力計算工作缸直徑D為： （3.7）其中，工作缸最大壓力，在3Mpa4Mpa,取=3Mpa； 連桿直徑與工作缸直徑比值，
55、=0.40.5，取=0.4。代入計算得工作缸直徑D為：減震器的工作缸直徑D有20，30，40，45，50，65，等幾種。選取時按照標準選用，按下表選擇。表3.3 減振器系列選用表工作缸直徑D基長L貯油直徑吊環(huán)直徑吊環(huán)直徑寬度B活塞行程S3011 （120）44 （47）2924230、240、250、260、270、2804014 （150）543932120、130、140、150、270、2805017 （180）70 （75）4740120、130、140、150、160、170、180652102106250120、130、140、150、160、170、180、190所以選擇工作缸直
56、徑D=30的減震器，對照上表選擇起長度：活塞行程S=240，基長L=110，則：（壓縮到底的長度）（拉足的長度）取貯油缸直徑=44，壁厚取2。3.7 橫向穩(wěn)定桿設計3.7.1 橫向穩(wěn)定桿的作用橫向穩(wěn)定桿是一根擁有一定剛度的扭桿彈簧，它和左右懸掛的下托臂或減震器滑柱相連。當左右懸掛都處于顛簸路面時，兩邊的懸掛同時上下運動，穩(wěn)定桿不發(fā)生扭轉，當車輛在轉彎時，由于外側懸掛承受的力量較大，車身發(fā)生一定得側傾。此時外側懸掛收縮，內測懸掛舒張，那么橫向穩(wěn)定桿就會發(fā)生扭轉，產生一定的彈力，阻止車輛側傾。從而提高車輛行駛穩(wěn)定性。由于為了提高汽車的行駛平順性，從而降低了汽車的固有頻率，導致懸架的垂直剛度減小，側
57、傾角剛度值很小，結果使汽車轉彎時側傾嚴重，影響了汽車的穩(wěn)定性，為此大多數汽車都裝有橫向穩(wěn)定桿來加大汽車的側傾角剛度。穩(wěn)定桿的安裝因車而異。3.7.2 穩(wěn)定桿接頭形式選擇1、兩端連接處結構形式的選擇圖3.13 接頭剖面圖2、中段與車架連接點處結構形式的選擇穩(wěn)定桿中段與車架連接時需要用橡膠元件來吸收振動如3.14圖所示打剖面線的為橡膠元件。橡膠元件放在一個近似U型元件中有U型元件固定在車架上。圖3.14接頭剖面圖3.7.3 穩(wěn)定桿直徑計算由公式 （3.8）式中為角剛度，為材料彈性模量，取，為穩(wěn)定桿的截面慣性矩, , 為穩(wěn)定桿兩端間的距離其余變量如下圖3.15所示。穩(wěn)定桿材料為60Si2Mn。由此可
58、知當穩(wěn)定桿的結構確定后，懸架的側傾角剛度給定后就可以初步估算處穩(wěn)定桿的直徑。、由于所選參考車型的輪距為1570，所以初步選取, , , （3.9） 懸架側傾角剛度的計算： （為輪距，為線形剛度）一般情況下，圖示穩(wěn)定桿最大應力發(fā)生在圓角截面處的內側（原理與螺旋彈簧內側扭轉應力大于外側類似），其大小與截面處遠角半徑R有關，因為R決定此處的曲度系數。對于穩(wěn)定桿，最大扭轉應力不應超過700MPa。求出最小圓角半徑R后，通常推薦R的取值不小于1.25d。其他位置的應力一般都小于圓角截面處的內側應力。由于現行剛度計算牽涉到獨立懸架具體機構，因此，而此公式只適合小側傾角，而且在分析過程中沒有考慮導向機構系中
59、鉸接點處彈性套的影響。實際轎車的前側傾角剛度為，后側傾角剛度為。取，則圖3.15穩(wěn)定桿結構尺寸圖 （3.10）故取。 3.7.4 穩(wěn)定桿校核穩(wěn)定桿處的半徑取。1、穩(wěn)定桿的扭轉應力 ， 為端點處的作用力，=。 （3.11）2、彎曲應力截面在彎矩的作用下產生的彎曲應力。 （3.12）綜上所述穩(wěn)定桿的強度和剛度都滿足要求。3.8 輪胎尺寸我所選的輪胎規(guī)格為 即輪胎的寬，高寬比為，得出輪胎高，輪輞直徑為英寸換算為 因此車輪直徑為。3.9 半軸初步計算半軸的安裝形式選擇全浮式。 （3.13）式中為負荷轉移系數，取為負著系數取，為車輪滾動半徑，為最大靜載荷 。 為直徑系數一般為取 （3.14）取。3.10 本章小結本章介紹了懸架的基本尺寸的確定，螺旋彈簧的設計，減振器工作缸、貯油缸直徑的確定，導向機構中各參數的確定，導向機構的結構形式的確定，并且確定其基本尺寸。還確定了橫向穩(wěn)定桿兩端接頭的形式和中間支承的結構形式，初步計算了穩(wěn)定桿的直徑和長度。第4章 基于ADAMS/View的懸架優(yōu)化分析4.1 虛擬樣機技術簡介隨著經濟全球化的發(fā)展，
車輛工程畢業(yè)設計論文麥弗遜前懸架參數匹配與運動仿真【三維】
