畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 X X 班 級 B 機制 096 學(xué) 號 XX10101631 指導(dǎo)教師 X X X 完成日期 20XX 年 6 月 5 日 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2013汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析摘 要：隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的行駛平順性，操縱穩(wěn)定性以及乘坐舒適性和安全性的要求越來越高。汽車行駛平順性反映了人們的乘坐舒適性，而舒適性則與懸架密切相關(guān)。因此，懸架系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計具有很大的實際意義。本次設(shè)計主要研究的是麥弗遜懸架系統(tǒng)的硬件選擇設(shè)計，計算出懸架的剛度、靜撓度和動撓度及選擇出彈簧的各部分尺寸，并且通過阻尼系數(shù)和最大卸荷力確定了減振器的主要尺寸，最后進行了橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計以及 CATIA 三維建模及運動仿真分析。關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；三維建模；運動仿真；仿真分析鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2013Design and Kinematics Analysis of Macpherson Suspension of AutomobileAbstract: With the development of automobile industry technology, automobile riding comfort, handling stability and ride comfort and safety requirements are getting higher and higher. Car ride reflects people's comfort; comfort is closely related to the suspension. As a result, the suspension system development and design has great practical significance. This design mainly is the research of the Macpherson suspension system hardware design, calculate the stiffness of the suspension dynamic deflection and static deflection and choose the parts dimensions of the spring, and damping coefficient and maximum unloading force to determine the main dimensions of the shock absorber, finally this paper gives the design of the horizontal stabilizer bar and CATIA 3D modeling and motion simulation analysis. Key words: Macpherson suspension; Architectural design; Three-dimensional modeling; Motion simulation; The simulation analysis鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2013目 錄1 緒論 11.1 汽車懸架的功用 11.2 懸架的組成 11.2.1 彈性元件 11.2.2 減振器 21.2.3 導(dǎo)向機構(gòu) 21.2.4 橫向穩(wěn)定器 31.3 懸架的分類 31.3.1 非獨立懸架 31.3.2 獨立懸架 31.3.3 麥弗遜式懸架 41.4 懸架的國內(nèi)外發(fā)展情況 62 懸架的分析設(shè)計 82.1 懸架總體參數(shù)計算 82.2 懸架的空間幾何參數(shù) 82.3 懸架的彈性特性和工作行程 82.3.1 懸架彈性特性 82.3.2 懸架的工作行程 92.3.3 懸架頻率的選擇 .103 懸架主要零件的設(shè)計 .113.1 螺旋彈簧的設(shè)計 .113.1.1 螺旋彈簧參數(shù)的計算 .113.1.2 螺旋彈簧的剛度 .113.1.3 計算彈簧鋼絲直徑（滿載時） .113.1.4 彈簧的校核 .123.1.5 小結(jié) .123.2 減震器的設(shè)計 .133.2.1 減振器結(jié)構(gòu)類型的選擇 .133.2.2 減振器的比較 .133.2.3 減振器的特性 .143.2.4 減振器阻尼系數(shù) δ 的確定 153.2.5 減震器最大卸荷力 0F的確定 .15鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20133.2.6 減震器工作缸直徑 D 的確定 .163.2.7 貯油筒直徑 C的確定 .163.3 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計 .163.3.1 橫向穩(wěn)定桿的作用 .163.3.2 橫向穩(wěn)定桿的參數(shù) .174 懸架導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計 .184.1 側(cè)傾中心的高度 .184.2 側(cè)傾軸線 .184.3 側(cè)傾角剛度 .184.4 側(cè)傾角剛度的計算 .194.5 導(dǎo)向機構(gòu)受力分析 .195 CATIA 懸架模型的建立 .215.1 CATIA 軟件簡介 .215.2 CATIA 模型建立原理 .215.3 螺旋彈簧的創(chuàng)建 .225.4 轉(zhuǎn)向節(jié)的創(chuàng)建 .225.5 橫擺臂的創(chuàng)建 .235.6 懸架總體創(chuàng)建 .246 CATIA 的運動仿真 .256.1 仿真之前的準(zhǔn)備 .256.2 仿真設(shè)置 .257 CATIA 的仿真分析 .277.1 導(dǎo)入仿真 .277.2 車輪定位參數(shù) .277.2.1 主銷后傾角 .277.2.2 主銷內(nèi)傾角 .287.2.3 前輪外傾角 .287.2.4 前輪前束角 .297.3 仿真特性參數(shù)的輸出 .307.4 結(jié)論 .318 結(jié)論 .32參考文獻 .33致 謝 .34鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 201311 緒論1.1 汽車懸架的功用作為汽車的車架（或承載式車身）與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，懸架的功用是傳遞作用在車輪和車架之間的力及其力矩，緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并迅速衰減由此引起的震動，以保證汽車能平順地行駛。懸架系統(tǒng)在汽車上所起到的這幾個功用是緊密相連的。要想迅速的衰減振動、沖擊，乘坐舒服，就應(yīng)該降低懸架剛度。但這樣，又會降低整車的操縱穩(wěn)定性。必須找到一個平衡點，即保證操縱穩(wěn)定性的優(yōu)良，又能具備較好的平順性。懸架是汽車中的一個重要總成，它把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來，關(guān)系到汽車的多種使用性能。懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。1.2 懸架的組成21 世紀(jì)往后推出的汽車，其懸架盡管有不同的結(jié)構(gòu)形式，但一般都由彈性元件、減振器、和導(dǎo)向機構(gòu)(縱、橫向推力桿)等三部分組成等，如圖 1-1 所示。圖 1-1 懸架的組成1.2.1 彈性元件功能：支撐垂直載，緩和和抑止不平路面引起的振動和沖擊。彈性元件主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、氣彈簧和橡膠彈簧等。原理：用具有彈性較高材料制成的零件，在車輪受到大的沖擊時，動能轉(zhuǎn)汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析2化為彈性勢能儲存起來，在車輪下跳或回復(fù)原行駛狀態(tài)時釋放出來。1.2.2 減振器功能：減振器是產(chǎn)生阻尼力的主要元件，其作用是迅速衰減汽車的振動，改善汽車的行駛平順性，增強車輪和地面的附著力。另外，減振器能夠降低車身部分的動載荷，延長汽車的使用壽命。目前在汽車上廣泛使用的減振器主要是筒式液壓減振器，其結(jié)構(gòu)可分為雙筒式，單筒充氣式和雙筒充氣式三種。工作原理：在車輪上下跳過程中，減振器活塞在工作腔內(nèi)往復(fù)運動，使減振器液體通過活塞上的節(jié)流孔，由于液體有一定的粘性和液體通過節(jié)流孔時與孔壁間產(chǎn)生摩擦，使動能轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)到空氣中，從而達到衰減振動功能。圖 1-2 雙筒式液壓減振器1.2.3 導(dǎo)向機構(gòu)通常導(dǎo)向機構(gòu)由控制擺臂式桿件組成，有單桿式和連桿式的。由于鋼板彈簧作為彈性元件時，它本身同時具有導(dǎo)向作用，可不再另設(shè)導(dǎo)向裝置。用于使上述部件定位，并控制車輪的橫向和縱向運動。導(dǎo)向機構(gòu)的作用是傳遞力和力矩，同時兼起導(dǎo)向作用。其在汽車的行駛過程當(dāng)中，能夠控制車輪的運動軌跡。由此可見，上述這三個組成部分分別起緩沖、減振和導(dǎo)向的作用，然而三者共同的任務(wù)是傳力。對前輪導(dǎo)向機構(gòu)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；鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20133（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)彎行駛時，應(yīng)使車身側(cè)傾角小。在 0.4g 側(cè)向加速度作用下，車身側(cè)傾角≤6-7 度。并使車輪與車身的傾斜同向，以增強不足轉(zhuǎn)向效應(yīng)。（4）制動時，應(yīng)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。1.2.4 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(chǎn)生過大側(cè)傾。其原理是當(dāng)一側(cè)車輪相對車身位移比另外一側(cè)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(cè)車輪遇障礙物時，限制該側(cè)車輪跳動幅度。在多數(shù)轎車和客車上，為了防止車身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架上加設(shè)有橫向穩(wěn)定器，目的是為了限制彈簧的最大變形并防止彈簧直接撞擊車架。此外，在貨車上輔設(shè)有緩沖塊。在一些轎車上也設(shè)有緩沖塊，以限制懸架的最大變形。不過，懸架只要具備上述功能,在結(jié)構(gòu)上并非一定要設(shè)置這些單獨的裝置不可。1.3 懸架的分類汽車懸架可分為兩大類：非獨立懸架和獨立懸架。1.3.1 非獨立懸架非獨立懸架的車輪裝在一根整體車軸的兩端，當(dāng)一邊車輪跳動時，影響另一側(cè)車輪也作相應(yīng)的跳動，使整個車身振動或傾斜。非獨立懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、強度高、保養(yǎng)容易、行車中前輪定位變化小的優(yōu)點，但由于其舒適性及操縱穩(wěn)定性都較差，在現(xiàn)代轎車中基本上已不再使用，多用在貨車和大客車上，如圖 1-3 所示。圖 1-3 非獨立懸架1.3.2 獨立懸架獨立懸架系統(tǒng)是每一側(cè)的車輪都是單獨地通過彈性懸架系統(tǒng)懸架在車架或車身下面，當(dāng)一邊車輪發(fā)生跳動時，另一邊車輪不受波及。其優(yōu)點是：質(zhì)量輕，汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析4減少了車身受到的沖擊，并提高了車輪的地面附著力；可用剛度小的較軟彈簧，改善汽車的舒適性；可以使發(fā)動機位置降低，汽車重心也得到降低，從而提高汽車的行駛穩(wěn)定性；左右車輪單獨跳動，互不相干，能減小車身的傾斜和震動。不過，獨立懸架系統(tǒng)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承載力小、成本高、維修不便的缺點，同時因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會侵占一些車內(nèi)乘坐空間。目前,現(xiàn)代轎車前后懸架大都采用了獨立懸架，并已成為一種發(fā)展趨勢，如圖 1-4 所示。圖 1-4 獨立懸架獨立懸架按結(jié)構(gòu)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。其中燭式和麥克弗遜式形狀相似，兩者都是將螺旋彈簧與減振器組合在一起，但因結(jié)構(gòu)不同又有重大區(qū)別。燭式采用車輪沿主銷軸方向移動的懸架形式，形狀似燭形而得名。特點是主銷位置和前輪定位角不隨車輪的上下跳動而變化，有利于汽車的操縱性和穩(wěn)定性。麥克弗遜式是絞結(jié)式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞著它轉(zhuǎn)動。特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，這點與燭式懸架正好相反。這種懸架構(gòu)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。所以，目前轎車使用最多的獨立懸架是麥弗遜式懸架。1.3.3 麥弗遜式懸架麥弗遜（Macpherson ）是美國伊利諾斯州人，1891 年生。大學(xué)畢業(yè)后他曾在歐洲搞了多年的航空發(fā)動機，并于 1924 年加入了通用汽車公司的工程中心。30 年代，通用的雪佛蘭分部想設(shè)計一種真正的小型汽車，總設(shè)計師就是麥弗遜。他對設(shè)計小型轎車非常感興趣，目標(biāo)是將這種四座轎車的質(zhì)量控制在 0.9 噸以內(nèi)，軸距控制在 2.74 米以內(nèi)，設(shè)計的關(guān)鍵是懸架。麥弗遜一改當(dāng)時盛行的板簧與扭桿彈簧的前懸架方式，創(chuàng)造性地將減振器和螺旋彈簧組合在一起，裝在前軸上。實踐證明這種懸架形式的構(gòu)造簡單，占用空間小，而且操縱性很好。后來，麥弗遜跳槽到福特，1950 年福特在英國的子公司生產(chǎn)的兩款車，是世界上首次使用麥弗遜懸架的商品車。麥弗遜懸架由于構(gòu)造簡單，性能優(yōu)越的緣故，被行家譽為經(jīng)典的設(shè)計，如圖 1-5 所示。組成：麥弗遜式懸架由螺旋彈簧、減震器、下擺臂組成，絕大部分車型還會加上橫向穩(wěn)定桿。主要結(jié)構(gòu)：減振器上端與車架鉸鏈聯(lián)結(jié)，下端與轉(zhuǎn)向節(jié)聯(lián)結(jié)，螺旋彈簧套在減振器之外，下擺臂內(nèi)段與車架鉸鏈聯(lián)結(jié)，外端與轉(zhuǎn)向節(jié)聯(lián)鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20135結(jié)，減震器起導(dǎo)向作用，可以避免螺旋彈簧受力時向前、后、左、右偏移的現(xiàn)象，下擺臂可以承受來自車輪的側(cè)向沖擊和縱向沖擊載荷。工作原理：這種懸架將減振器作為引導(dǎo)車輪跳動的滑柱，螺旋彈簧與其裝于一體。它將雙橫臂上臂去掉并以橡膠做支承，允許滑柱上端作少許角位移。內(nèi)側(cè)空間大，有利于發(fā)動機布置，并降低車子的重心。車輪上下運動時，主銷軸線的角度會有變化，這是因為減振器下端支點隨橫擺臂擺動。優(yōu)點：技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度快，占用空間少，便于裝車及整車布局，多用于中低檔乘用車的前橋。缺點：由于結(jié)構(gòu)過于簡單，剛度小，穩(wěn)定性較差，轉(zhuǎn)彎側(cè)傾明顯，必須加裝橫向穩(wěn)定器，加強剛度。適用車型：中小型轎車、中低端 SUV 前懸架。圖 1-5 麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)圖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-定位螺栓汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析6圖 1-6 麥弗遜懸架的另一種結(jié)構(gòu)圖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1.4 懸架的國內(nèi)外發(fā)展情況科技進步是人類永恒的追求。在馬車出現(xiàn)的時候，為了乘坐更舒適，人類就開始對馬車的懸架—葉片彈簧進行孜孜不倦的探索。在 1776 年，馬車用的葉片彈簧取得了專利，并且一直使用到 20 世紀(jì) 30 年代，葉片彈簧才逐漸被螺旋彈簧代替。汽車誕生后，隨著對懸架研究的深入，相繼出現(xiàn)了扭桿彈簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性件。1934 年世界上出現(xiàn)了第一個由螺旋彈簧組成的被動懸架。被動懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗或優(yōu)化設(shè)計的方法確定，在行駛過程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減振的效果較差。為了克服這種缺陷，采用了非線性剛度彈簧和車身高度調(diào)節(jié)的方法，雖然有一定成效，但無法根除被動懸架的弊端。被動懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、夏利、賽歐等車，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架等。半主動懸架的研究工作開始于 1973 年，由 D.A.Crosby 和 D.C.Karnopp 首先提出。半主動懸架以改變懸架的阻尼為主，一般較少考慮改變懸架的剛度。工作原理是：根據(jù)簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者剛度。半主動懸架產(chǎn)生力的方式與被動懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運行狀態(tài)調(diào)整，這和主動懸架極為相似。有級式半主動懸架是將阻尼分成幾級，阻尼級由駕駛員根據(jù)“路感”選擇鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20137或由傳感器信號自動選擇；無級式半主動懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由小到大進行無級調(diào)節(jié)。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)較簡單，工作時不需要消耗車輛的動力，而且可取得與主動懸架相近的性能，具有廣闊的發(fā)展空間。隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動懸架的缺陷逐漸成為提高汽車性能的瓶頸，為此人們開發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動懸架。主動懸架的概念是 1954 年美國通用汽車公司在懸架設(shè)計中率先提出的。它在被動懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，使汽車的懸架在任何路面上保持佳的運行狀態(tài)。控制裝置通常由測量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等組成。20 世紀(jì) 80 年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠家競相研制開發(fā)這種懸架。奔馳、沃爾沃、洛特斯、豐田等在汽車上進行了較為成功的試驗。裝備主動懸架的汽車，在不良路面高速行駛時，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動時車身保持水平。其特點是乘坐非常舒服，但不同程度存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、成本昂貴、可靠性問題。由于種種原因，我國的汽車絕大部分采用被動懸架。在半主動和主動懸架的研究方面起步晚，與國外的差距大。在西方發(fā)達國家，半主動懸架在 20 世紀(jì)80 年代后期趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果。主動懸架雖然提出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進入 20 世紀(jì) 90 年代，仍僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車。未見國內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報道，只有北京理工大學(xué)和同濟大學(xué)等少數(shù)幾個研究機構(gòu)對主動懸架展開研究。由于汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，具有安全、智能和清潔的綠色智能懸架將是今后汽車懸架發(fā)展的趨勢。汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析82 懸架的分析設(shè)計2.1 懸架總體參數(shù)計算懸架設(shè)計可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細(xì)設(shè)計兩個階段，有時還要反復(fù)交叉進行。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。懸架的主要參數(shù)是影響懸架及整車性能的重要指標(biāo)，對懸架靜擾度、動擾度、彈性特性、主副簧的分配以及懸架側(cè)傾角剛度在車輪的分配的等參數(shù)進行分析，總結(jié)車輛運動特性要求下的懸架設(shè)計規(guī)則，為確定汽車懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的設(shè)計和初始值提供了依據(jù)，進而合理的匹配確定其主要性能參數(shù)指標(biāo)。2.2 懸架的空間幾何參數(shù)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下圖 2-1 所示。圖 2-1 麥弗遜式懸架的受力圖根據(jù)車輪尺寸，確定 G 點離地高度為 156mm，根據(jù)車身高度確定 C 大致高度為 680mm，O 點距車輪中心平面 100mm，減震器安裝角度 12°。2.3 懸架的彈性特性和工作行程2.3.1 懸架彈性特性由于懸架的彈性特性材料及載荷等因素影響，不是固定的值，懸架受到的垂直外力 F 與由此引起的車輪中心相對于車身位移 f（即懸架的變形）的關(guān)系鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 20139曲線，稱為懸架的彈性特性。其切線的斜率是懸架的剛度。當(dāng)懸架變形 f 與所受垂直外力 F 之間不成固定的比例變化時，懸架特性如圖所示。此時，懸架剛度是變化的，其特點是在滿載位臵附近，剛度小且曲線變化平緩，因而平順性良好；距離滿載較遠的兩端，曲線變陡，剛度增大。圖 2-3 懸架彈性特性曲線1-緩沖塊復(fù)原點 2-復(fù)原行程緩沖塊脫離支架 3-主彈簧彈性特性曲線 4-復(fù)原行程 5-壓縮行程 6-緩沖塊壓縮期懸架彈性特性曲線 7-緩沖塊壓縮時開始接觸彈性支架 8-額定載荷2.3.2 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。（1）懸架的靜撓度懸架的靜撓度 fc 是指汽車滿載靜止時由于載荷而造成的懸架變形量，有虎克定律可知，靜撓度 fc 等于載荷 Fw 與此時懸架剛度 c 之比，及 fc=Fw/c。懸架的靜撓度 fc 直接影響車身振動的偏頻 n，欲保證汽車具有良好的行駛平順性，必須正確選取懸架的靜撓度。當(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時，前后懸架的靜撓度可表示為fc1=m1g/c (式 2-1)fc2=m2g/c2 (式 2-2)汽車前、后部分的車身的固有頻率 n1 和 n2（亦偏頻）可用下式表示?/mc? (式 2-3)汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析10?2/2mcn? (式 2-4)c1、c 2 為前、后懸架的剛度， m1、m 2 為前、后懸架的簧上質(zhì)量。 fc1/5(式 2-5)22?(式 2-6)（2）懸架的動撓度 fd懸架的動撓度 fd 是指從滿載經(jīng)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妻子有高度的 1/2 或 2/3）時，車輪中心相對車架（或車身）的垂直位移。懸架動撓度： df=（0.5-0.7） cf要求懸架應(yīng)由足夠大的動撓度，以防止在壞路面上行駛時經(jīng)常碰到緩沖塊。對乘用車 fd 取 70～90mm；對客車 fd 取 50～80mm；對貨車 fd 取 60～90mm。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。2.3.3 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) ε=0.8-1.2，因而可以近似地認(rèn)為 ε=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立的。并用偏頻 n1，n 2 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 n1 約為 1-1.3Hz（60-80 次/min), n2 約為 1.17-1.5Hz(70-90 次/min),非常接近人體步行時的自然頻率。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2013113 懸架主要零件的設(shè)計3.1 螺旋彈簧的設(shè)計3.1.1 螺旋彈簧參數(shù)的計算由于存在懸架導(dǎo)向機構(gòu)的關(guān)系，懸架剛度 K 與彈簧剛度 KS 是不相等的，其區(qū)別在于懸架剛度 K 是指車輪處單位撓度所需的力；而彈簧剛度 KS 僅指彈簧本身單位撓度所需的力。3.1.2 螺旋彈簧的剛度圖 3-1 螺旋彈簧的剛度選定下擺臂長：EH=360mm；半輪距：B=720mm ；減震器布置角度：β=12°，高度 550mm?？芍獞壹軇偠扰c彈簧剛度的關(guān)系如下：由圖 3-1 可知：C=(uCosδ/PCosβ)Cs ，式中 C-懸架剛度，Cs -彈簧剛度已知 u=1800.05mm，p=2100.01mm ，δ=2°，β=12°。得：9.518.07/cos/(180.cos2)/(10cos2)S NmUP?????????。3.1.3 計算彈簧鋼絲直徑（滿載時）iDGdCmS348?? 48GCism??(式 3-1)式中：i 為彈簧有效工作圈數(shù)，先取 6；G 為彈簧材料的剪切彈性模量，取4109.7?Mpa；mD為彈簧中徑，取 100mm；代入計算得：d=10.99mm；確定鋼絲直徑 d=10mm，彈簧外徑 D=110mm，彈簧有效工作圈數(shù) n=6。汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析123.1.4 彈簧的校核（1）彈簧剛度的計算公式為： iDGdCmS348?(式 3-2)代入數(shù)據(jù)計算可得彈簧剛度 S為： 6.181089.7434 ???iDGdCmSN/mm所以彈簧選擇符合剛度要求。（2）彈簧表面剪切應(yīng)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(yīng)力為：2'3'8dPCKDm???(式 3-3)式中 C-彈簧指數(shù)（旋繞比） ， / (式 3-4)'K-曲度系數(shù)，為考慮簧圈曲率對強度影響的系數(shù)，CK615.04' ???(式 3-4)P-彈簧軸向載荷，已知 mD=110mm，d=10mm，可以算出彈簧指數(shù) C 和曲度系數(shù) 'K： d/?=110/10=11 13.6504165.041' ???????CKP= 732cos3??N則彈簧表面的剪切應(yīng)力： ??865.90104.788 232'3' ????dPCKDm??Mpa[τ]=0.63[σ]=0.63×1000Mpa，因為 τ[τ]，所以彈簧滿足要求。3.1.5 小結(jié)鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 201313綜上可以最終選定彈簧的參數(shù)為：彈簧鋼絲直徑 d=10mm，彈簧外徑D=110mm，彈簧有效工作圈數(shù) n=6。3.2 減震器的設(shè)計3.2.1 減振器結(jié)構(gòu)類型的選擇減振器大體上可以分為兩大類，即摩擦式減振器和液力減振器。因此，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，因此雖然具有質(zhì)量小、造價低、易調(diào)整等優(yōu)點，但現(xiàn)代汽車上已不再采用這類減振器。液力減振器首次出現(xiàn)于 1901 年，其兩種主要的結(jié)構(gòu)型式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減減振器振器相比，搖臂式減振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。筒式減振器的質(zhì)量僅為擺臂式的約 1/2，并且制造方便，工作壽命長，因而現(xiàn)代汽車幾乎都采用筒式減振器。筒式減振器最常用的三種結(jié)構(gòu)型式包括:雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。圖 3-2 雙筒式減振器工作原理圖1-活塞；2-工作缸筒；3-貯油缸筒；4-底閥座；5-導(dǎo)向座；6-回流孔活塞桿；7-油封；8-防塵罩；9-活塞桿3.2.2 減振器的比較單筒充氣式減振器的工作原理如圖 3-4 所示。其中浮動活塞 3 將油液和氣體分開并且將缸筒內(nèi)的容積分成工作腔 4 和補償腔 2 兩部分。當(dāng)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(jīng)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。與前述的雙筒式減振器相比，單筒充氣式減振器具有以下優(yōu)點：①工作缸筒 n 直接暴露在空氣中，冷卻效果好；②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；③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振效果；④由于浮動活塞將汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析14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：①為保證氣體密封，要求制造精度高；②成本高；③軸向尺寸相對較大；④由于氣體壓力的作用，活塞桿上大約承受 190-250N 的推出力，當(dāng)工作溫度為 100℃時，這一值會高達 450N，因此若與雙筒式減振器換裝，則最好同時換裝不同高度的彈簧。圖 3-3 單筒式減振器工作原理圖雙筒充氣式減振器的優(yōu)點有：①在小振幅時閥的響應(yīng)也比較敏感；②改善了壞路上的阻尼特性；③提高了行駛平順性；④氣壓損失時，仍可發(fā)揮減振功能；⑤與單筒充氣式減振器相比，占用軸向尺寸小，由于沒有浮動活塞，摩擦也較小。因此本次設(shè)計選擇雙筒式減振器。3.2.3 減振器的特性圖 3-4 減振器性能曲線減振器的特性可用圖 3-3 所示的示功圖和阻尼力-速度曲線描述。減振器特性曲線的形狀取決于閥系的具體結(jié)構(gòu)和各閥開啟力的選擇。一般而言，當(dāng)油液流經(jīng)某一給定的通道時，其壓力損失由兩部分構(gòu)成。其一為粘性沿程阻力損失，對一般的湍流而言，其數(shù)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(shù)值也與流速近似成正比，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(shè)計閥系時若鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 201315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。3.2.4 減振器阻尼系數(shù) δ 的確定減振器中阻力 F 和速度 V 之間的關(guān)系可表示為iF??(式3-5)式中，δ 為減振器阻尼系數(shù)；i 為常數(shù)，常用減振器的 i 值在卸荷閥打開前為 1。F 與 V 成線性關(guān)系稱為線性阻尼特性。在上圖 b 中，可以看出阻力—速度特性由四段近似直線段組成，其中壓縮行程和伸張行程各占兩段；各段特性線的斜率為減振器的阻尼系數(shù)。通常認(rèn)為在卸荷閥打開之前的特性曲線的斜率就是減振器阻尼系數(shù) δ ，壓縮時的阻尼系數(shù)小于伸張時。對于汽車減振器，在同樣的速度 V 下，壓縮時的阻尼力較小，可以提高懸架的緩沖性能。帶線性阻尼減振器的懸架系統(tǒng)作自由衰減振動時，振動衰減速度取決于相對阻尼系數(shù)。圖3-5在懸架中減振器的軸線與垂直線成夾角的情況cm2???(式3-6)式中，c 為懸架剛度； m 為簧載質(zhì)量。?值對行駛平順性有明顯的影響。在選擇減振器阻尼系數(shù)時要考慮到懸架的剛度 c 和簧載質(zhì)量 m。由此可見，減振器的主要性能參數(shù)有兩個：阻尼系數(shù) δ 和相對阻尼系數(shù) ?。mwc???22? (式3-7)式中，ω 為懸架系統(tǒng)的固有頻率， /?。代入數(shù)據(jù)得，δ 為 2110.798N?s∕m。汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析163.2.5 減震器最大卸荷力 0F的確定為減小傳到車身上的沖擊力，當(dāng)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 xV，按上圖安裝形式時有：baAVx/cos???(式 3-8)式中， xV為卸荷速度，代入數(shù)據(jù)，為 o.o26 m/s，符合一般為 0.15~0.3m/s的要求，A 為車身振幅，取 m40?； 為懸架振動固有頻率。最終 0F為778.36N。3.2.6 減震器工作缸直徑 D 的確定根據(jù)伸張行程的最大卸荷力 0F計算工作缸直徑 D 為：????214????P(式 3-9)其中， ??P為工作缸最大壓力，在 3Mpa~4Mpa，取 ??P=4Mpa；?為連桿直徑與工作缸直徑比值 =0.4~0.5，取 ?=0.5。代入數(shù)據(jù)，得 D 為 18.89mm。減震器的工作缸直徑 D 有 20mm、30mm、40mm、 45mm、50mm、65mm等幾種，選取時按照標(biāo)準(zhǔn)選用。 所以選擇工作缸直徑 D=30mm 的減震器，對照上表選擇起長度：活塞行程S=240mm，基長 L=110mm，則： mSL350124min???（壓縮到底的長度）9inax（拉足的長度）3.2.7 貯油筒直徑 DC的確定一般取 c)5.1~3(?，為 44mm，壁厚通常取 2mm。3.3 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計3.3.1 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(dāng)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(zhuǎn)，當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)彎時，由于外側(cè)懸掛承受的力量較大，車身發(fā)生一定得側(cè)傾。此時外側(cè)懸掛收縮，內(nèi)測懸掛舒張，那么橫向穩(wěn)定桿就會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的彈力，阻止車輛側(cè)傾。從而提高車輛行駛穩(wěn)定性。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2013173.3.2 橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)圖 3-6 橫向穩(wěn)定桿的安裝示意圖具體尺寸選擇如下：桿的直徑 d=16mm，桿長L=1010mm，c=369mm，a=69mm ，b=68mm， 2l=159mm，圓角半徑 R=21mm。汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析184 懸架導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計4.1 側(cè)傾中心的高度側(cè)傾中心的高度對操縱穩(wěn)定性和輪胎磨損都有一定影響。側(cè)傾中心較高，趨近車身質(zhì)心，可以減小轉(zhuǎn)向時的側(cè)傾力臂，從而減小側(cè)傾力矩，使車身側(cè)傾角減小，有利于操縱穩(wěn)定性。但是，較高的側(cè)傾中心必然使車身側(cè)傾時輪距變化較大，趨于加劇輪胎磨損。因此，應(yīng)選擇合適的側(cè)傾中心高度。麥弗遜式獨立懸架側(cè)傾中心的高度 hw 可通過下式計算：rbhsvwdkp????tanco2 (式4-1))si(?? (式4-2)kp (式4-3)4.2 側(cè)傾軸線在獨立懸架中，前后側(cè)傾中心連線稱為側(cè)傾軸線。側(cè)傾軸線應(yīng)大致與地面平行，且盡可能離地面高些。平行是為了使得在曲線行駛時前后軸上的輪荷變化接近相等，從而保證中心轉(zhuǎn)向特性；而盡可能高則是為了使車身的側(cè)傾在允許的范圍內(nèi)。然而，前懸架側(cè)傾中心的高度受到允許輪距變化的限制且?guī)缀醪豢赡艹^ 150mm。此外，在前輪驅(qū)動的車輛中，由于前橋軸荷大，且為驅(qū)動橋，故應(yīng)盡可能使前輪軸荷變化小。因此，獨立懸架（縱臂式懸架除外）的側(cè)傾高度為：前懸架 0～120mm，后懸架 80～150mm。設(shè)計時，應(yīng)首先確定（與輪距變化有關(guān)的）前懸架的側(cè)傾中心高度，然后確定后懸架的側(cè)傾中心高度。當(dāng)后懸架采用獨立懸架時，其側(cè)傾中心高度要稍大些。如果用鋼板彈簧非獨立懸架時，后懸架的側(cè)傾中心高度要取大些。4.3 側(cè)傾角剛度懸架的側(cè)傾角剛度是指發(fā)生單位側(cè)傾角時，懸架給車身的彈性恢復(fù)力矩。汽車總體設(shè)計中要求：側(cè)向加速度為 0.4g 時，商用車車身的側(cè)傾角不超過6°～7°，乘用車不超過 2.5°～4°。乘坐側(cè)傾角剛度過小而側(cè)傾角過大的汽車，乘員缺乏舒適感和安全感；而側(cè)傾角剛度過大，則會減弱駕駛員的路感；如果過大的側(cè)傾角剛度出現(xiàn)在后軸，有增大后軸車輪間負(fù)荷轉(zhuǎn)移、使車輛趨于過多轉(zhuǎn)向的作用。此外，要求汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，在 0.4g 的側(cè)向加速度下，前后輪的側(cè)偏角之差 δ1 .δ 2 應(yīng)當(dāng)在 1°～3° 范圍內(nèi)。而前、后懸架側(cè)傾角剛度的分配會影響前、后輪的側(cè)偏角大小，從而影響轉(zhuǎn)向特性，所以，為了保證汽車的操縱穩(wěn)定鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 201319性，設(shè)計中應(yīng)適當(dāng)分配前、后懸架的側(cè)傾角剛度。對于乘用車，懸架側(cè)傾角剛度的比值一般為 1.4～2.6。側(cè)傾角剛度與懸架的結(jié)構(gòu)形式、布置、尺寸、彈性元件的剛度等有密切關(guān)系。在懸架上安裝橫向穩(wěn)定桿可以有效地增加其側(cè)傾角剛度，橫向穩(wěn)定桿通常裝在前懸架上，也有一些車輛后懸架也裝有橫向穩(wěn)定。4.4 側(cè)傾角剛度的計算當(dāng)車身側(cè)傾時，車輪繞O′轉(zhuǎn)動小角度δ，在彈簧中引起力增量為?bCFst? (式4-4)設(shè)F是地面作用在車輪上的力增量，并且設(shè)δ為虛位移，則虛功方程為)(2Sta (式4-5)adadFMbSS???22.1? (式4-6,4-7)側(cè)傾角剛度為??????CS2.? (式4-8)當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，整車所受側(cè)向慣性力引起使車身產(chǎn)生側(cè)傾角?的側(cè)傾力矩。 可以分解為作用在前、后懸架上的側(cè)傾力矩 1和 2， M21?。由于車身的側(cè)傾角? 一定，所以有 ?21?式中， C1? 和 2分別是前、后懸架的側(cè)傾角剛度。4.5 導(dǎo)向機構(gòu)受力分析分析如圖所示的麥弗遜式獨立懸架受力簡圖可知：作用在導(dǎo)向套上的橫向F3?？捎蓤D中的布置尺寸求得)(13cdbaF???(式 4-9)式中，F(xiàn)3 為前輪上的靜載荷減去前軸簧下質(zhì)量的 1/2。汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析20圖 4-1 麥弗遜式獨立懸架導(dǎo)向機構(gòu)受力簡圖橫向力 F3 越大，則作用在導(dǎo)向套上的摩擦力 F3 的 f 越大(f 為摩擦因數(shù))，這對汽車平順性有不良影響。為了減小摩擦力，在導(dǎo)向套和活塞表面應(yīng)用了減磨材料和特殊工藝。由上式可知，為了減小 F3，要求尺寸 dc?越大越好，或者減小尺寸 a。增大 dc?使懸架占用空間增加，布置上有困難；若采用增加減振器軸線傾斜度的方法，可達到減小 a 的目的，但也存在布置困難的問題。為此，在保持減振器軸線不變的條件下，常將上圖中的 G 點外伸至車輪內(nèi)部，既可以達到縮短尺寸 a 的目的，又可獲得較小的甚至是負(fù)的主銷偏移距，提高制動穩(wěn)定性。移動 G 點后的主銷軸線不再和減振器軸線重合。由上圖 b 可知，將彈簧和減振器的軸線相互偏移距離 s，再考慮到彈簧軸向力 F6 的影響，則作用到導(dǎo)向套上的力將減小，即)()(613cdbcaF???(式 4-10)由上式可知，增大距離 s，有助于減小作用到導(dǎo)向套上的橫向力 F3。為了發(fā)揮彈簧反力，減小橫向力 F3 的作用，有時還將彈簧下端布置得盡量靠近車輪，從而造成彈簧軸線及減振器軸線成一角度，這就是麥弗遜式獨立懸架中，主銷軸線、滑注軸線和彈簧軸線不共線的原因。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 2013215 CATIA 懸架模型的建立5.1 CATIA 軟件簡介CATIA 是法國達索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案。作為 PLM 協(xié)同解決方案的一個重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計他們未來的產(chǎn)品，并支持從項目前階段、具體的設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程。CATIA 是法國 Dassault System 公司旗下的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，Dassault System 成立于 1981 年，CATIA 是英文 Computer Aided Three-Dimensional Interface Application 的縮寫。在 70 年代 Dassault Aviation 成為了第一個用戶，Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企業(yè)，其產(chǎn)品以幻影 2000 和陣風(fēng)戰(zhàn)斗機最為著名。從 1982 年到 1988 年，CATIA 相繼發(fā)布了 1 版本、2 版本、3 版本，并于1993 年發(fā)布了功能強大的 4 版本，現(xiàn)在的 CATIA 軟件分為 V4 版本和 V5 版本兩個系列。V4 版本應(yīng)用于 UNIX 平臺，V5 版本應(yīng)用于 UNIX 和 Windows 兩種平臺。CATIA 如今其在 CAD/CAE/CAM 以及 PDM 領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)地位，已得到世界范圍內(nèi)的承認(rèn)CATIA 在汽車行業(yè)的運用十分廣泛，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。CATIA 在零部件設(shè)計、造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計等方面具有獨特的長處，為各種車輛的設(shè)計和制造提供了端對端的解決方案。CATIA 涉及產(chǎn)品、加工和人三個關(guān)鍵領(lǐng)域。其可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時間。5.2 CATIA 模型建立原理通過采集相關(guān)的車輛原始數(shù)據(jù),如硬點坐標(biāo)數(shù)據(jù)、零件外形尺寸和裝配尺寸等參數(shù),再利用 CATIA 中的設(shè)計模塊設(shè)計出零部件的 3D 數(shù)模，并整合為裝配文件，并導(dǎo)入 DMU 解算器進行模擬和分析，最終形成平臺，在仿真平臺上就可以進行運動軌跡仿真，零件干涉檢查等，如下圖 5-1 所示：汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析22圖 5-1 原理圖5.3 螺旋彈簧的創(chuàng)建螺旋彈簧是一種螺旋線特征模型。螺旋掃描是將截面沿著螺旋軌跡曲線掃描，從而行程螺旋掃描特征的一種造型方法。做個螺旋線（曲線）在螺旋線一端插入草圖（選擇沿軌跡）畫個圓沿引導(dǎo)線掃掠局部修改。圖 5-2 螺旋彈簧5.4 轉(zhuǎn)向節(jié)的創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括主銷孔、輪軸上安裝輪彀軸承的配合面、減振器安裝孔和轉(zhuǎn)向臂等部分，模型的創(chuàng)建不僅要運用拉伸工具和旋轉(zhuǎn)工具，還要運用倒圓角工具進行倒角，以及空的螺紋修的創(chuàng)建。鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 201323圖 5-3 轉(zhuǎn)向節(jié)5.5 橫擺臂的創(chuàng)建創(chuàng)建模型為簡化模型，所以運用拉伸工具和旋轉(zhuǎn)工具進行模型的創(chuàng)建。圖 5-4 橫擺臂汽車麥弗遜懸架設(shè)計及運動學(xué)分析245.6 懸架總體創(chuàng)建運用 CATIA 的組件模塊，通過在各個模型間建立約束，對以上所建模型進行組裝，整體模型如圖。