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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1、FSAE概述
1.1.1、背景
Formula SAE 賽事由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（the Society of Automotive Engineers 簡(jiǎn)稱SAE）主辦。SAE 是一個(gè)擁有超過60000 名會(huì)員的世界性的工程協(xié)會(huì)，致力與海、陸、空各類交通工具的發(fā)展進(jìn)步。Formula SAE 是一項(xiàng)面對(duì)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)學(xué)生會(huì)員組隊(duì)參與的國(guó)際賽事，于1980 年在美國(guó)舉辦了第一屆賽事。比賽的目的是設(shè)計(jì)、制造一輛小型的高性能賽車。目前美國(guó)、歐洲和澳大利亞每年都會(huì)定期舉辦該項(xiàng)賽事。比賽由三個(gè)主要部分組成：工程設(shè)計(jì)、成本以及靜態(tài)評(píng)比；多項(xiàng)單獨(dú)的性能試驗(yàn)；高性能耐久性測(cè)試。
Formula SAE 發(fā)展的初衷是想創(chuàng)立一個(gè)小型的道路賽車比賽，而現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)擁有大約20 競(jìng)賽因素的大型比賽，參與者包括賽車和車隊(duì)。Formula SAE 向年輕的工程師們提供了一個(gè)參與有意義的綜合項(xiàng)目的機(jī)會(huì)。由參與的學(xué)生負(fù)責(zé)管理整個(gè)項(xiàng)目，包括時(shí)間節(jié)點(diǎn)的安排，做預(yù)算以及成本控制、設(shè)計(jì)、采購(gòu)設(shè)備、材料、部件以及制造和測(cè)試。Formula SAE 為在傳統(tǒng)教室學(xué)習(xí)中的學(xué)生提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的工程經(jīng)歷。Formula SAE 隊(duì)員在這個(gè)過程中將會(huì)經(jīng)受考驗(yàn)，面對(duì)挑戰(zhàn)，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。出于此項(xiàng)比賽的宗旨，參賽學(xué)生們是被一個(gè)假象的制造公司雇傭，讓他們制造一輛原型車，用于量產(chǎn)前的各項(xiàng)評(píng)估。目標(biāo)市場(chǎng)就是那些會(huì)在周末去參加高速穿障比賽（Autocross）的非專業(yè)車手。因此，這些賽車在加速、制動(dòng)、和操控性方面要有非常好的表現(xiàn)。它們要造價(jià)低廉、便于維修并且足夠可靠。另外，這些賽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)因?yàn)橐恍└郊右蛩兀热缑烙^、舒適性和零件的兼容性而得到提升。制造公司日產(chǎn)能力要達(dá)到4 輛，并且原型車的造價(jià)要低于25,000 美元。對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)在于要在一定的時(shí)間和一定的資金限制下，設(shè)計(jì)和制造出最能滿足這些目的的原型車。每一項(xiàng)設(shè)計(jì)將會(huì)與其他的設(shè)計(jì)一起參與比較和評(píng)估從而決出最佳整車。
1.1.2、發(fā)展和現(xiàn)狀
從世界范圍來(lái)看，當(dāng)今有三個(gè)地區(qū)有Formula SAE 的學(xué)生競(jìng)賽，即美國(guó)、歐洲、澳洲。
70 年代中期，幾個(gè)美國(guó)大學(xué)開始主辦當(dāng)?shù)氐膶W(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽車。SAE MiniBaja 的名稱沿襲了著名的墨西哥Baja 1000 汽車比賽。第一屆SAE Mini Baja 比賽于1976 年舉辦，并且迅速成為一個(gè)地區(qū)性的年度比賽。比賽由三個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)組成，即一天的靜態(tài)比賽——設(shè)計(jì)、成本、陳述——接著一天是各自的性能競(jìng)賽項(xiàng)目。Mini Baja 比賽重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了地盤的設(shè)計(jì)，因?yàn)槊總€(gè)隊(duì)伍都使用一個(gè)8 匹馬力的引擎，這一點(diǎn)無(wú)法改變。在過去的20 多年里，SAE Mini Baja 的成功超乎了每個(gè)人的預(yù)期。
在SAE Mini Baja 的成功獲得各界認(rèn)同的同時(shí)，SAE 聯(lián)合美國(guó)三大汽車公司開始推廣一項(xiàng)技術(shù)水平更高的工程類學(xué)生競(jìng)賽，這就是Formula SAE。Formula SAE 相比SAE Mini Baja 有著許多進(jìn)步和發(fā)展，引擎的限制也已經(jīng)大大放寬，允許參賽車隊(duì)使用610cc 以下的發(fā)動(dòng)機(jī)，這極大地提升了賽車的性能表現(xiàn)。在發(fā)達(dá)國(guó)家，很多高校已經(jīng)從事Formula SAE 超過20 年時(shí)間，擁有大量資金和試驗(yàn)基礎(chǔ)的情況下，他們的作品已經(jīng)基本達(dá)到了專業(yè)水平，最高時(shí)速可達(dá)到甚至超過200km/h，0 到100km/h 加速時(shí)間一般都在4.5s 以內(nèi)。
從原先在SAE Mini Baja 比賽中的8hp 發(fā)動(dòng)機(jī)到現(xiàn)今Formula SAE 中已經(jīng)超過100hp 的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)ormula SAE 在多方面都取得了驚人的成績(jī)，并且該項(xiàng)比賽一直保持了發(fā)展的態(tài)勢(shì)。
1.1.3、國(guó)內(nèi)情況
中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（簡(jiǎn)稱“中國(guó)FSAE”）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。
2010年第一屆中國(guó)FSAE由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)、中國(guó)二十所大學(xué)汽車院系、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的汽車傳媒集團(tuán)——易車（BITAUTO）聯(lián)合發(fā)起舉辦。中國(guó)FSAE秉持“中國(guó)創(chuàng)造擎動(dòng)未來(lái)”的遠(yuǎn)大理想，立足于中國(guó)汽車工程教育和汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，吸收借鑒其他國(guó)家FSAE賽事的成功經(jīng)驗(yàn)，打造一個(gè)新型的培養(yǎng)中國(guó)未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和工程師的交流盛會(huì)，并成為與國(guó)際青年汽車工程師交流的平臺(tái)。中國(guó)FSAE致力于為國(guó)內(nèi)優(yōu)秀汽車人才的培養(yǎng)和選拔搭建公共平臺(tái)，通過全方位考核，提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營(yíng)銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力，全面提升汽車專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，為中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行長(zhǎng)期的人才積蓄，促進(jìn)中國(guó)汽車工業(yè)從“制造大國(guó)”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略方向邁進(jìn)。
中國(guó)FSAE是一項(xiàng)非盈利的社會(huì)公益性事業(yè)，利在當(dāng)代，功在未來(lái)。項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展結(jié)合優(yōu)秀高等院校資源、整車和零部件制造商資源，獲得了政府部門和社會(huì)各界的大力支持以及品牌企業(yè)的資助。社會(huì)各界對(duì)項(xiàng)目投入的人力支持和資金贊助全部用于賽事組織、賽事推廣和為參賽學(xué)生設(shè)立賽事獎(jiǎng)金。
1.2、研究的內(nèi)容和方法
分析雙橫臂獨(dú)立式懸架的結(jié)構(gòu)和懸架設(shè)計(jì)要求，在懸架設(shè)計(jì)中，根據(jù)整車的布置要求以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定懸架的整體空間數(shù)據(jù)和性能參數(shù)，在ADAMS軟件平臺(tái)上建立雙橫臂獨(dú)立懸架的簡(jiǎn)化物理模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過分析車輪垂直跳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)與車輪前束角的變化等關(guān)系獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，建立虛擬雙橫臂獨(dú)立選件模型，并運(yùn)用Pro/E建立懸架三維物理模型。
其具體路線如框圖1.1所示。
調(diào)研，資料收集
各零件尺寸的計(jì)算
懸架結(jié)構(gòu)形式選擇
ADAMS建模、優(yōu)化
不合格
合格
Pro/E建模
完成CAD圖
圖1.1設(shè)計(jì)路線圖
第2章 獨(dú)立雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)分析
2.1、懸架組成和分類
懸架是現(xiàn)代汽車上重要總成之一，他把車架（或車身）與車軸（或車輪）彈性的連接起來(lái)。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪很車架（或車身）之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架（或車身）的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車的行駛平順行；保證車輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特征，保證汽車的操作穩(wěn)定性，是汽車獲得高速行駛能力。懸架主要由彈性元件，導(dǎo)向裝置與減振器等元件組成。
2.1.1、懸架組成
現(xiàn)代汽車的懸架盡管各有不同的結(jié)構(gòu)型式，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。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在輕型汽車中，也是連接車架（或車身）與車橋（或車輪）的結(jié)構(gòu)，除了傳遞作用力外，還能夠使車架（或車身）隨車輪按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。轎車上來(lái)講，彈性元件多采用螺旋彈簧，它只承受垂直載荷，緩和不平路面對(duì)車體的沖擊，具有占用空間小，質(zhì)量小，無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，但是沒有減振作用。減振器在車架（或車身）與車橋（或車輪）之間作彈性聯(lián)系，起到承受沖擊的作用。采用減振器是為了吸收振動(dòng)，使汽車車身振動(dòng)迅速衰弱（振幅迅速減小），使車身達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。減振器指液力減振器，是為了加速衰減車身的振動(dòng)，它是懸架機(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)械件。傳力裝置是指車架的上下擺臂等叉形剛架、轉(zhuǎn)向節(jié)等元件，用來(lái)傳遞縱向力，側(cè)向力及力矩，并保證車輪相對(duì)于車架（或車身）有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
2.1.2、懸架的分類
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
（1）非獨(dú)立懸架
非獨(dú)立懸架的左右車輪裝在一根整體的剛性軸或非斷開式驅(qū)動(dòng)橋的橋殼上，
非獨(dú)立懸架的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維修方便，經(jīng)濟(jì)性好；工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；車輪跳動(dòng)時(shí)，車距、前束不變，因而輪胎磨損?。晦D(zhuǎn)向是，車身側(cè)傾后輪的外傾角不變，傳遞側(cè)向力的能力不降低；側(cè)傾中心位置較低，有利于減小轉(zhuǎn)向是車身的側(cè)傾角。缺點(diǎn)：由于車橋與車輪一起跳動(dòng)，因而需要較大的空間，影響發(fā)動(dòng)機(jī)或行李箱的布置；用于驅(qū)動(dòng)橋時(shí)，會(huì)使得非懸掛質(zhì)量較大，不利于汽車的行駛平順性及輪胎的接地性能；當(dāng)兩側(cè)車輪跳動(dòng)高度不一致時(shí)，這跟車橋會(huì)傾斜，是左右車輪直接相互影響；在不平路面直線行駛時(shí)，由于左右車輪跳動(dòng)不一致而導(dǎo)致的軸轉(zhuǎn)向會(huì)降低直線行駛的穩(wěn)定性；由于驅(qū)動(dòng)橋時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋的輸入轉(zhuǎn)矩會(huì)引起左右車輪負(fù)荷轉(zhuǎn)移。非獨(dú)立懸架廣泛應(yīng)用于載貨汽車以及大客車的前后懸架，一些全輪驅(qū)動(dòng)的多用途也采用非獨(dú)立懸架作為前后懸架。
（2）獨(dú)立懸架
汽車的每個(gè)車輪單獨(dú)通過一套懸掛安裝于車身或者車橋上，車橋采用斷開式，中間一段固定于車架或車身上；此種懸掛兩邊車輪受沖擊時(shí)互不影響，而且由于非懸掛質(zhì)量較輕，緩沖與減震能力很強(qiáng)，乘坐舒適，各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于非獨(dú)立式懸掛，但該懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還會(huì)使驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變得復(fù)雜起來(lái)。采用此種懸掛的轎車、客車以及載人車輛，可明顯提高乘坐的舒適性，并且在高速行駛時(shí)提高汽車的行駛穩(wěn)定性。而越野車輛、軍用車輛和礦山車輛，在壞路或無(wú)路的情況下，可保證全部車輪與地面的接觸，提高汽車的行駛穩(wěn)定性和附著性，發(fā)揮汽車的行駛速度。
與非獨(dú)立懸架相比，獨(dú)立懸架具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）非懸架質(zhì)量小，懸架所受到并傳給車身的沖擊載荷小，有利于提高汽車的行駛平順性及輪胎的接地性能；（2）左右車輪的跳動(dòng)沒有直接的相互影響，可以減少車身的傾斜和振動(dòng)；（3）占用橫向空間小，便于發(fā)動(dòng)機(jī)的布置，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置，從而降低汽車的質(zhì)心位置，有利于提高汽車的行駛穩(wěn)定性；（4）易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向[4]。
獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)分有橫臂式（圖2.1a）、縱臂式（圖2.1b）、燭式（圖2.1c）、麥弗遜式（圖2.1d）等多種，其中橫臂式又可分為單橫臂式和雙橫臂式[4]。
圖2.1 獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)
2.2、獨(dú)立雙橫臂懸架
雙橫臂式獨(dú)立懸架根據(jù)上下橫臂的長(zhǎng)度相等于不相等又可分為等長(zhǎng)雙橫臂式和不等長(zhǎng)雙橫臂式。等長(zhǎng)雙橫臂式懸架在其車輪作上、下跳動(dòng)時(shí)，可以保持主銷傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會(huì)使輪胎磨損嚴(yán)重，故已很少使用，多為不等長(zhǎng)雙橫臂式懸架所取代。不等長(zhǎng)雙橫臂懸架在其車輪上、下跳動(dòng)時(shí)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇上、下橫臂的長(zhǎng)度并合理布置，即可使車輪定位參數(shù)的變化量限定在允許的范圍內(nèi)。這種不大的輪距改變，不應(yīng)引起車輪沿路面的側(cè)滑，而為輪胎的彈性變形所補(bǔ)償。因此不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架能保證汽車有良好的行駛穩(wěn)定行，已為中、高級(jí)轎車的前懸架所廣泛采用。
當(dāng)上下橫臂長(zhǎng)度之比為時(shí)車輪平面傾角應(yīng)不大于。圖2.2為不等長(zhǎng)雙橫臂前獨(dú)立懸架的兩種典型結(jié)構(gòu)圖[4]。
1，6-下擺臂及上擺臂；2,5-球頭銷；3-半軸等速萬(wàn)向節(jié)；4-立柱；7，8-緩沖塊
（a）無(wú)主銷前轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的雙橫臂懸架
1，2-上、下擺臂；3-立柱；4-球頭銷；5-扭桿彈簧；6-橫向穩(wěn)定桿；7-扭桿扭轉(zhuǎn)裝置
（b）無(wú)主銷不等長(zhǎng)雙橫臂前獨(dú)立懸架
圖2.2 懸架圖
雙橫臂懸架的突出優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的靈活性，可以通過合理的選擇空間導(dǎo)向桿系的鉸接點(diǎn)的位置及導(dǎo)向臂的長(zhǎng)度，使得懸架具有合適的運(yùn)動(dòng)特性，并且形成恰當(dāng)?shù)膫?cè)傾中心和縱傾中心。
為了隔離振動(dòng)和噪聲并補(bǔ)償空間導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由于上、下橫臂擺動(dòng)軸線相交帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)干涉，在個(gè)鉸接點(diǎn)處一般采用橡膠支承。顯然，各點(diǎn)處受力越小，則橡膠支承的變形越小，車輪的導(dǎo)向和定位也就越精確。分析表明，為了減小鉸接點(diǎn)處的作用力，應(yīng)盡量增大上、下橫臂間的垂直距離。當(dāng)然，上下橫臂各鉸接點(diǎn)位置的確定還要綜合考慮布置是否方便以及懸架的運(yùn)動(dòng)特性是否合適。
雙橫臂懸架可以采用螺旋彈簧、空氣彈簧、扭桿彈簧或鋼板彈簧作為彈性元件，最為常見的為螺旋彈簧。
雙橫臂懸架一般用作轎車的前、后懸架，輕型載貨汽車的請(qǐng)懸架或要求通過性的越野汽車的前、后懸架上圖為雙橫臂懸架用于非驅(qū)動(dòng)橋前懸架的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)雙橫臂懸架用于前驅(qū)動(dòng)橋的懸架時(shí)，必須在結(jié)構(gòu)給擺動(dòng)半軸留出位置。一種辦法時(shí)將彈簧置于上控制臂上方如圖2.3，這樣做的缺點(diǎn)在于減少了上、下橫臂之間的垂直距離和彈簧的行程，并且振動(dòng)直接傳給車身前端。另一種做法時(shí)采用專門的叉形構(gòu)件為擺動(dòng)半軸留出空間。如圖2.4所示[4]。
圖2.3 將減振器至于上控制臂上懸架圖
圖2.4 帶叉形件的懸架安裝圖
結(jié)合上面所述，本次設(shè)計(jì)初步選擇運(yùn)用于前驅(qū)動(dòng)橋上獨(dú)立雙橫懸架，其結(jié)構(gòu)形式選擇采用專門的叉形構(gòu)件為半軸留出空間。
2.3、本章小結(jié)
本章對(duì)懸架的基本分類做了一個(gè)簡(jiǎn)單闡述，對(duì)獨(dú)立雙橫臂懸架的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，對(duì)獨(dú)立雙橫臂懸架的總體布置形式做了初步的說(shuō)明，給出了驅(qū)動(dòng)橋和非驅(qū)動(dòng)橋雙橫臂懸架的幾種典型的布置形式，并初步選擇完了懸架的類型及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式。
第3章 獨(dú)立雙橫臂懸架設(shè)計(jì)
3.1、設(shè)計(jì)主要依據(jù)參數(shù)
本次設(shè)計(jì)主要是第一屆中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的相關(guān)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的，其具體參數(shù)如表3.1。
表3-1 設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)
名稱
數(shù)值
單位
車長(zhǎng)
2900
mm
車寬
1500
mm
車高
1200
mm
軸距
1680
mm
前輪距
1300
mm
后輪距
1280
mm
離地間隙
40
mm
前后載荷比
46:54
整車整備質(zhì)量
280
Kg
總質(zhì)量
360
Kg
3.1.2、影響平順性的參數(shù)
前后載荷比46:54
汽車的偏頻的計(jì)算公式如下：
（3.1）
其中g(shù)為重力加速度其值取g=9.8 ,、為前懸架剛度，、為前后懸架的簧載質(zhì)量[4]。
由于賽車比較注重速度，對(duì)舒適性要求不要，所以偏頻n=2Hz
（1）靜撓度計(jì)算
（3.2）
（3.3）
（2）動(dòng)撓度計(jì)算
懸架動(dòng)撓度是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形（通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1/2或2/3）時(shí)，車輪中心相對(duì)車架（或車身）的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。取 =70
大賽規(guī)定懸架行程不小于50.8mm，所以與之和應(yīng)不小于50.8。
（3.4）
所以滿足要求。
3.1.3、簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量
該車整車整備質(zhì)量為280，因此最大總質(zhì)量為M=280+80=360。
根據(jù)劉惟信版汽車設(shè)計(jì)（表3.2）可知簧載質(zhì)量占總質(zhì)量的82%，非簧載質(zhì)量占18% [4]。因此簧載質(zhì)量=360╳82%=295.2kg。由于前后懸架載荷比46:54得=135.8kg非簧載質(zhì)量 =360╳18%=64.8kg得到前輪單個(gè)車輪的非簧載質(zhì)量為15。
3.2、螺旋彈簧設(shè)計(jì)
3.2.1、螺旋彈簧類型的選擇
采用了車輛中普遍使用的螺旋彈簧。將彈簧與阻尼元件隱藏在車身中，利用推拉桿和搖臂盤的組合，達(dá)到外置式懸架同樣的效果。真實(shí)比賽中，由于天氣、溫度、賽道形式等因素，需要通過不同的懸架參數(shù)設(shè)定來(lái)確保賽車的表現(xiàn)，通過獨(dú)特的機(jī)構(gòu)，可以方便地改變懸架參數(shù)，達(dá)到比賽需要。
由于賽車高速中受到的沖擊是巨大的，如果彈簧剛度過大，會(huì)導(dǎo)致懸架特性
過硬，在設(shè)計(jì)方案中可以采用較小剛度的彈簧，或者利用搖臂盤的聯(lián)接點(diǎn)比例關(guān)
系來(lái)調(diào)節(jié)彈簧的最大工作載荷。取一個(gè)比較小的彈簧最大工作，最大變形量為50mm。
圖3.1 彈簧結(jié)構(gòu)圖
表3.2 簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量比例關(guān)系
懸架類型
雙橫臂，螺旋彈簧，中央制動(dòng)器
13%
87%
6.7
14.9%
DE Dion橋，螺旋彈簧，中央制動(dòng)器
15%
85%
5.7
17.6%
雙橫臂，螺旋彈簧
18%
82%
4.6
22%
縱臂，螺旋彈簧
18%
82%
4.6
22%
DE Dion橋，螺旋彈簧
20%
80%
4.0
25%
整體剛性橋，導(dǎo)向桿系，螺旋彈簧
22%
78%
3.5
28.2%
整體剛性橋，鋼板彈簧
26%
74%
2.8
35.1%
3.2.2、彈簧的關(guān)計(jì)算
（1）選材料，確定許用應(yīng)力
根據(jù)彈簧所受載荷特性，選用C 級(jí)油淬火回火硅錳彈簧鋼絲（60si2MnA），可知=（0.4-0.47）；與d 有關(guān)，
初選d=8mm，查機(jī)械手冊(cè)得： =1618 ，
=（0.4-0.47） =647.2-760.46，
取
（2）初選旋繞比
表3-3旋繞比的推薦值
d
0.2-0.4
0.5-1
1.5-2.2
2.5-6
7-16
18-50
C
7-4
5-12
5-10
4-9
4-8
4-6
初選C=7
（3）求出曲度系數(shù)K
（3.5）
（3.6）
由此可知，當(dāng)d=8mm時(shí)的初算值不滿足強(qiáng)度要求條件，應(yīng)重新計(jì)算，為了得到合適的組合，取d=10mm，對(duì)應(yīng)=730；C=6。
則求出K：
符合強(qiáng)度要求
（4）彈簧外徑
（3.7）
（5）有效線圈
（3.8）
取=6
兩端各取一圈支承圈，則彈簧的總?cè)?shù)為8
（6）完全并緊高
（3.9）
（3.10）
（7）設(shè)計(jì)、
（3.11）
初步選擇，
（8）確定，
（9）計(jì)算、、和
為彈簧完全并緊時(shí)的載荷，為工作壓縮極限位置時(shí)的載荷，，為臺(tái)架試驗(yàn)伸張、壓縮極限位置對(duì)應(yīng)的載荷。
（3.12）
（3.13）
（3.14）
（3.15）
（10）計(jì)算剪切應(yīng)力
，
（3.16）
（3.17）
（3.18）
（11）校核
所以強(qiáng)度符合要求。
（12）壽命計(jì)算
（3.19）
（3.20）
（3.21）
（13）彈簧自由高和最小工作高度
（3.22）
（14）穩(wěn)定性校核
當(dāng)彈簧的自由高與中徑之比小于2.5時(shí)彈簧就穩(wěn)定，否則彈簧就不穩(wěn)定[15]。
（3.23）
所以彈簧穩(wěn)定。
3.3、減振器設(shè)計(jì)
3.3.1、減振器及其形式的選擇
減振器主要用來(lái)抑制彈簧吸震后反彈時(shí)的震蕩及來(lái)自路面的沖擊。在經(jīng)過不平路面時(shí)，雖然吸震彈簧可以過濾路面的震動(dòng)，但彈簧自身還會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而減震器就是用來(lái)抑制這種彈簧跳躍的。減震器太軟，車身就會(huì)上下跳躍，減震器太硬就會(huì)帶來(lái)太大的阻力，妨礙彈簧正常工作。
懸架用得最多的減震器是內(nèi)部充有液體的液力式減震器。汽車車身和車輪振動(dòng)時(shí)，減震器的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑸l(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。如果能量的耗散僅僅是在壓縮行程或者是在伸張行程進(jìn)行，這把這種減震器稱為單向作用式減震器；反之稱為雙向作用式減震器。本設(shè)計(jì)選用雙向作用式減震器。
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，減震器分為搖臂式和筒式兩種筒式減震器又分為單筒式、雙筒式和充氣筒式三種。本設(shè)計(jì)選用充氣減震器
3.3.2、相對(duì)阻尼系數(shù)
式中為阻力，為減振器阻尼系數(shù)。
圖3.2 減振器的阻力-位移特性與阻力-速度特性
（式中c為懸架剛度，為簧載質(zhì)量） （3.24）
由式3.24可知減振器的阻尼力作用在不同剛度c和簧載質(zhì)量式會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果，值大，振動(dòng)能衰減的快，同時(shí)也會(huì)將較大的路面沖擊傳到車身。值小則相反，振動(dòng)衰減的比較慢，但是傳到車身的沖擊也較小。因此通常取減振器的壓縮行程的值取小些，伸張行程時(shí)的取的大些。并保持=（0.25～0.50）的關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)取與的平均值，的范圍時(shí)0.25～0.35。
初取=0.30。
3.3.3、減振器阻尼系數(shù)的確定
（3.25）
（3.26）
（3.27）
3.3.4、最大卸荷力的確定
為減小傳到車身上的沖擊力，當(dāng)減振器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減振器打開卸荷閥，此時(shí)活塞的速度為卸荷速度。
（一般為～，A為車身振幅，取，為懸架固有頻率）
（3.28）
（3.29）
3.3.5、減振器尺寸的確定
由于減振器有尺寸系列所以只要算出工作缸直徑就可以按照標(biāo)準(zhǔn)選擇。
(為工作缸最大允用壓力一般取 3～4 ， 為連桿與缸筒直徑之比，雙筒式一般取0.4～0.5。取)
（3.30）
取。
貯油筒直徑取壁厚為,材料為20鋼。
工作缸行程 ，有效行程，
減振器總長(zhǎng)。
3.4、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.4.1、側(cè)傾中心及橫向平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案
雙橫臂式獨(dú)立懸架的側(cè)傾中心由圖3.3所示方式得出。
圖3.3 雙橫臂式獨(dú)立懸架側(cè)傾中心的確定
初選；；；；已知
可計(jì)算出側(cè)傾中心高度：
（3.31）
式中 ：
（3.32）
所以側(cè)傾中心高度符合在獨(dú)立懸架中側(cè)傾中心高度前懸架0120mm的要求。
3.4. 2、縱向平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案
為了提高汽車的制動(dòng)穩(wěn)定性和舒適性，一般希望主銷后傾角的變化規(guī)律是：在懸架彈簧壓縮時(shí)后傾角增大；在彈簧壓縮時(shí)后傾角減小，用以造成制動(dòng)時(shí)因主銷后傾角變大而在控制臂支架上產(chǎn)生的防止制動(dòng)前俯的力矩。
縱向平面內(nèi)上、下橫臂有六種布置方案，如圖3.4所示。
（a） （b） （c）
（d） （e） （f）
圖3.4 縱向平面內(nèi)上、下橫臂軸布置方案
第1、2、6方案主銷后傾角的變化規(guī)律比較好，在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中被廣泛采用，這里我初選第2種方案,所以。
3.4.3、水平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案
水平面的布置方案有三種，如圖3.6所示。
（a） （b） （c）
圖3.6 水平面內(nèi)上、下橫臂軸的布置方案
初取 。
3.4.4、上、下橫臂長(zhǎng)度的確定
汽車懸架設(shè)計(jì)時(shí)，希望輪距變化更小，以減少輪胎磨損，提高其使用生命，因此應(yīng)選擇上、下橫臂長(zhǎng)度之比在0.6附近；為保證汽車具有更好的操縱穩(wěn)定性，希望前輪定位角度的變化更小，這時(shí)應(yīng)選擇上、下橫臂長(zhǎng)度之比在1.0附近。根據(jù)我國(guó)乘用車設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在初選尺寸時(shí)取上、下橫臂長(zhǎng)度之比為0.7為宜。因此本設(shè)計(jì)初選尺寸下擺臂長(zhǎng)度，，即上擺臂長(zhǎng)度。
3.5、 橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)
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(dǎo)致懸架的垂直剛度減小，側(cè)傾角剛度值很小，結(jié)果使汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)傾嚴(yán)重，影響了汽車的穩(wěn)定性，為此大多數(shù)汽車都裝有橫向穩(wěn)定桿來(lái)加大汽車的側(cè)傾角剛度。穩(wěn)定桿的安裝因車而異。
3.5.1、穩(wěn)定桿直徑計(jì)算
由公式 （3.33）
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所示[8]。穩(wěn)定桿材料為60Si2Mn。
由此可知當(dāng)穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)確定后，懸架的側(cè)傾角剛度給定后就可以初步估算處穩(wěn)定桿的直徑。
、由于輪距為1300，所以初步選取, , ,
（3.34）
懸架側(cè)傾角剛度的計(jì)算：
（為輪距，為線形剛度）
由于現(xiàn)行剛度計(jì)算牽涉到獨(dú)立懸架具體機(jī)構(gòu)，因此，而此公式只適合小側(cè)傾角，而且在分析過程中沒有考慮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)系中鉸接點(diǎn)處彈性套的影響。取，則
（3.35）
取。
圖3.7穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)尺寸圖
3.5.2、穩(wěn)定桿校核
穩(wěn)定桿處的半徑取。
（1）穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
為端點(diǎn)處的作用力，
=。
（3.36）
（2）彎曲應(yīng)力
截面在彎矩的作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。
（3.37）
綜上所述穩(wěn)定桿的強(qiáng)度和剛度都滿足要求。
3.6、緩沖塊
為了防止懸架被“擊穿”所造成的撞擊，在車輪上跳到一定行程時(shí)，與主彈性元件（如螺旋彈簧）并聯(lián)一個(gè)非線性程度很強(qiáng)的彈性元件，這就是緩沖塊。用它來(lái)限制懸架行程，以吸收從車輪傳到車身上的沖擊載荷
由于方程式賽車的減震器是安裝在車身上的，所以緩沖塊裝在下橫臂安裝推桿的支承座上來(lái)限制
車輪的跳動(dòng)為上下50mm，當(dāng)車輪運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，下橫臂與水平面的夾角為
（3.38）
下橫臂的運(yùn)動(dòng)夾角的范圍-7.6°到7.6°
通過計(jì)算可知當(dāng)下橫臂運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)推桿與水平的夾角為42°和56°
緩沖塊的基本尺寸3.8如圖
圖3.8緩沖塊的尺寸圖
3.7、有限元分析
本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)主要零部件進(jìn)行有限元分析，包括上橫臂和下橫臂零件。在分析中為了便于網(wǎng)格劃分，我們忽略了一些對(duì)整體受力分析影響很小的特征。下面來(lái)進(jìn)行具體的操作及結(jié)果的分析。
在ADAMS中測(cè)量出上下橫臂與主銷之間的加速度如圖3.8,3.9。
圖3.8 上橫臂的加速度
圖3.9 下橫臂的加速度
通過 得到：上橫臂受到的力
下橫臂受到的力
能得到上下橫臂彎矩圖，如圖3.10，3.11
圖3.10上橫臂彎矩圖
圖3.11 下橫臂彎矩圖
計(jì)無(wú)縫鋼管強(qiáng)度 許用
上橫臂：
（3.39）
下橫臂：
（3.40）
在ANSYS先定義屬性，單元屬性主要包括：?jiǎn)卧愋?、?shí)常數(shù)、材料常數(shù)。典型的實(shí)常數(shù)包括：厚度、橫截面積、高度、梁的慣性矩等。材料屬性主要包括：彈性模量、泊松比以及材料密度等；網(wǎng)格劃分：本設(shè)計(jì)中主要采用自由網(wǎng)格劃分，模型自由劃分可采用以下途徑劃分網(wǎng)格Meshing/MeshTool選中Smart Size復(fù)選框，將精度設(shè)置為4，單擊Mesh/Pick All；施加約束及載荷：在橫臂的有二個(gè)插頭的一段固定，另一端施加載荷，最后就是看結(jié)果了。
上橫臂: 總變形如圖3.12所示。
圖3.12總位移變形圖
下面是X Y Z方向位移及總變形量云圖。
圖3.13 X方向變形云圖
圖3.14Y方向變形云圖
圖3.15 Z方向變形云圖
圖3.16 總變形云圖
變形量分析：從圖中可以看出XYZ方向的變形量都是在小數(shù)點(diǎn)后五位。變形量非常小，充分滿足剛度要求。
應(yīng)力結(jié)果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SX(X方向應(yīng)力)、SY（Y方向應(yīng)力）、SZ（Z方向應(yīng)力）、SEQV（綜合應(yīng)力）。如下圖所示；
應(yīng)力結(jié)果分析：數(shù)值顯示，藍(lán)色部位應(yīng)力值最小，紅色部位應(yīng)力值最大。X方向最大應(yīng)力為3042Pa，Y方向最大應(yīng)力18849Pa，Z方向最大應(yīng)力為6457Pa，綜合應(yīng)力最大值為26231Pa。無(wú)論是單個(gè)方向的最大應(yīng)力，還是綜合應(yīng)力值均小于材料的需用應(yīng)力[σ]=900MPa，充分滿足強(qiáng)度要求。
圖3.17 X方向應(yīng)力狀況云圖
圖3.18 Y方向應(yīng)力狀況云圖
圖3.19 Z方向應(yīng)力狀況云圖
圖3.20 綜合應(yīng)力狀況云圖
下橫臂：總變形如圖3.12所示。
圖3.21總位移變形圖
下面是X Y Z方向位移及總變形量云圖。
圖3.22X方向變形云圖
圖3.23Y方向變形云圖
圖3.24 Z方向變形云圖
圖3.25 總變形云圖
變形量分析：從圖中可以看出XYZ方向的變形量都是在小數(shù)點(diǎn)后五位。變形量非常小，充分滿足剛度要求。
應(yīng)力結(jié)果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SX(X方向應(yīng)力)、SY（Y方向應(yīng)力）、SZ（Z方向應(yīng)力）、SEQV（綜合應(yīng)力）。如下圖所示；
應(yīng)力結(jié)果分析：數(shù)值顯示，藍(lán)色部位應(yīng)力值最小，紅色部位應(yīng)力值最大。X方向最大應(yīng)力為3513Pa，Y方向最大應(yīng)力12220Pa，Z方向最大應(yīng)力為6477Pa，綜合應(yīng)力最大值為26231Pa。無(wú)論是單個(gè)方向的最大應(yīng)力，還是綜合應(yīng)力值均小于材料的需用應(yīng)力[σ]=900MPa，充分滿足強(qiáng)度要求。
圖3.26 X方向應(yīng)力狀況云圖
圖3.27 Y方向應(yīng)力狀況云圖
圖3.28 Z方向應(yīng)力狀況云圖
圖3.29 綜合應(yīng)力狀況云圖
3.8、本章小結(jié)
本章介紹了懸架的基本尺寸的確定，螺旋彈簧的設(shè)計(jì)，減振器相關(guān)參數(shù)的確定，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中各參數(shù)的確定，上、下橫臂的結(jié)構(gòu)形式的確定，并且確定其基本尺寸初步
計(jì)算了穩(wěn)定桿的直徑和長(zhǎng)度，并進(jìn)行校核，設(shè)計(jì)緩沖塊的尺寸，并進(jìn)行有限元分析。
第4章 基于ADAMS/View的懸架優(yōu)化分析
機(jī)械也稱機(jī)械系統(tǒng)，它是由可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剛體通過運(yùn)動(dòng)副或約束聯(lián)接形成的多剛體系統(tǒng)。汽車就是一種典型的機(jī)械系統(tǒng)，在汽車機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析中，前懸架占有重要的地位。本章將應(yīng)用ADAMS軟件，建立并模擬計(jì)算汽車前懸架模型。
當(dāng)建立懸架的模型前，為了建模和分析的方便，需要作以下幾個(gè)假設(shè)：
（1）各運(yùn)動(dòng)副均為剛性連接，且內(nèi)部間隙和摩擦力忽略不計(jì)；
（2）擺臂軸和懸架端與車身連接處球銷的橡膠襯套是剛性的；
（3）轉(zhuǎn)向拉桿與中間拉桿的球連接用萬(wàn)向節(jié)表示，這就取消了拉桿繞它的縱向軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
（4）輪胎為剛性的；
（5）懸架上下緩和塊可簡(jiǎn)化為線性彈簧和阻尼；
（6）僅研究懸架特性時(shí)，車身相對(duì)地面假設(shè)不動(dòng)；
（7）為模擬地面不平引起的激勵(lì)，假想它與輪胎直接接觸，與地面之間通過移動(dòng)副相連，可垂直地上下運(yùn)動(dòng)[12]。
4.1、仿真軟件ADAMS的介紹
4.1.1、ADAMS的簡(jiǎn)介
機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS是世界上應(yīng)用廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。它是有美國(guó)學(xué)者蔡斯等人利用多剛體動(dòng)力學(xué)理論，選取系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)剛體質(zhì)心在慣性參考系中的三個(gè)直角坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角為廣義坐標(biāo)編制的計(jì)算程序。ADAMS軟件應(yīng)用了解決剛性積分問題的方法，并采用稀疏矩陣技術(shù)提高了計(jì)算效率。
用戶利用ADAMS軟件可以建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。目前ADAMS軟件在汽車和航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的幾何模型。該模型可以是在ADAMS軟件中直接建造的簡(jiǎn)化幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中轉(zhuǎn)過來(lái)的造型逼真的幾何模型；然后，在幾何模型上施加力和力矩及運(yùn)動(dòng)激勵(lì)；最后執(zhí)行一組與實(shí)際狀況十分接近的運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試，得到實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)工作過程的運(yùn)動(dòng)仿真[13]。
ADAMS軟件采用模擬樣機(jī)技術(shù)，將多體動(dòng)力學(xué)的建模方法與大位移及非線性分析求解功能相結(jié)合。
機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和部件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，用堆積木式方法建立三維機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型并通過對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的仿真分析和比較來(lái)研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的設(shè)計(jì)方案。ADAMS仿真可用于估計(jì)機(jī)械系統(tǒng)性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的載荷輸入。ADAMS的核心仿真軟件包有交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver。還有建模用集成用、顯示用、擴(kuò)展模塊。
ADAMS軟件包括3個(gè)最基本的解題程序模塊：ADAMS/View（基本環(huán)境）、ADAMS/Solver（求解器）和ADAMS/Postprocessor（后處理）。另外還有一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用的附加程序模塊，例如：ADAMS/Car（轎車模塊）、ADAMS/Rail（機(jī)車模塊）、ADAMS/Driver（駕駛員模塊）、ADAMS/Tire（輪胎模塊）、ADAMS/Linear（線性模塊）、ADAMS/Flex（柔性模塊）、 ADAMS/Control（控制模塊）、 ADAMS/FEA （有限元模塊）、 ADAMS/Hydraulics（液壓模塊）、 ADAMS/Exchange（接口模塊）、 Mechanism/Fro（與Pro/Engineer的接口模塊）、ADAMS/Animation（高速動(dòng)畫模塊）等。下面介紹一下ADAMS/View軟件的基本模塊[12]。
ADAMS/View（基本環(huán)境）是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它提供豐富的零件幾何圖形庫(kù)、約束庫(kù)和力庫(kù)，將便捷的圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建立模型、仿真計(jì)算、動(dòng)畫顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、曲線圖處理、仿真結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。
4.1.2、ADAMS軟件的優(yōu)點(diǎn)
ADAMS軟件一方面是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。另一方面，又是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，工程師通過應(yīng)用ADAMS軟件會(huì)收到明顯效果：
（1）分析時(shí)間由數(shù)月減少為數(shù)天；
（2）降低工程制造和測(cè)試費(fèi)用；
（3）在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，完善設(shè)計(jì)方案；
（4）在產(chǎn)品開發(fā)過程中，減少所需的物理樣機(jī)數(shù)量；
（5）進(jìn)行物理樣機(jī)測(cè)試有危險(xiǎn)、費(fèi)時(shí)和成本高時(shí)，可利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析；
（6）縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。
傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、試制過程中必須邊試驗(yàn)邊改進(jìn)，從設(shè)計(jì)到試制、試驗(yàn)、定型，產(chǎn)品開發(fā)成本較高周期長(zhǎng)。運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行仿真分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大簡(jiǎn)化懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程。大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品[7]。
4.2、懸架建模關(guān)鍵點(diǎn)的確定
懸架的簡(jiǎn)化模型如4.1圖。
圖4.1 懸架簡(jiǎn)化圖
懸架簡(jiǎn)化后各點(diǎn)的空間位置如圖4.1所示選擇下橫臂與主銷連接點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)即
取上橫臂的長(zhǎng)度用DV_4表示，下橫臂的長(zhǎng)度用DV_7表示，主銷長(zhǎng)度用DV_1表示，轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)為，主銷后傾角為,下橫臂斜置角，上橫臂斜置角，前輪前束因此各關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)為：
表4.1 關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)表
X
Y
Z
LCA_outer
0
0
0
LCA_inner
360
0
0
UCA_outer
21.78
248.90
-8.69
UCA_inner
268.94
205.03
-30.95
Tie_rod_outer
350
124.5
-105
Tie_rod_inner
30
124.5
-110
Knuckle_outer
-140
124.5
-4.5
Knuckle_inner
11
124.5
-4.5
為了方便下一步的建模把這些關(guān)鍵點(diǎn)裂成表格形式如表4.1
4.3、在ADAMS/View中創(chuàng)建懸架模型
4.3.1、建模
（1）創(chuàng)建新模型
首先啟動(dòng)ADAMS/View。在歡迎對(duì)話框中選擇“Create a new model”，在模型名稱（Model Name）欄中輸入“susp”，其它選項(xiàng)欄中選擇系統(tǒng)默認(rèn)的選項(xiàng)，按“OK”。
（2）設(shè)置工作環(huán)境
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Units）命令，將模型的長(zhǎng)度單位、質(zhì)量單位、力的單位、時(shí)間單位、角度單位和頻率單位分別設(shè)置為毫米、千克、牛頓、秒、度和赫茲（如圖4.2所示）。
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Working Grid）命令，將網(wǎng)格X方向和Y方向的大小分別設(shè)置為750和800，將網(wǎng)格的間距設(shè)置為50（如圖4.3所示）。
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Gravity）命令，將重力方向設(shè)置為沿Y軸負(fù)方向，大小為-9806.65（如圖4.4所示）。
在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Icons）命令，將圖標(biāo)大小設(shè)置為50[7]。
（3）創(chuàng)建設(shè)計(jì)點(diǎn)圖 圖4.2 單位設(shè)置窗口
點(diǎn)擊ADAMS/View中零件庫(kù)的點(diǎn)（Point），
選擇“Add to Ground”和“Don’t Attach”，在工作窗口創(chuàng)建如圖4.5所示的八個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。這八個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)是各個(gè)運(yùn)動(dòng)副相連接的位置。
圖4.3 工作網(wǎng)格設(shè)置窗口 圖4.4 重力設(shè)置窗口
（4）創(chuàng)建懸架的構(gòu)件
利用ADAMS/View中零件庫(kù)的圓柱體（Cylinder）和球體（Sphere）命令，根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置，分別建立汽車懸的各個(gè)構(gòu)件：上橫臂（UCA），下橫臂（LCA），轉(zhuǎn)向節(jié)（Knuckle），主銷（King_pin），轉(zhuǎn)向拉桿（Tie_rod），車輪（Wheel）。建模完成后的懸架模型如圖4.6所示。
圖4.5 列表編輯器
圖4.6 懸架模型
（5）創(chuàng)建測(cè)試平臺(tái)
點(diǎn)擊ADAMS/View中零件庫(kù)的點(diǎn)（Point），選擇“Add to Ground”和“Don’t Attach”，在（-340，-191.5，-204.5）處建一個(gè)點(diǎn)，并以該點(diǎn)為對(duì)角點(diǎn)建立一個(gè)長(zhǎng)400mm寬400mm高50mm的長(zhǎng)方體，并以長(zhǎng)方體的質(zhì)心為中心創(chuàng)建一個(gè)直徑為60mm高200mm的圓柱體，它與長(zhǎng)方體組成測(cè)試平臺(tái)。創(chuàng)建測(cè)試平臺(tái)后的模型如4.7所示。
圖4.7 建測(cè)試平臺(tái)后的模型
（6）創(chuàng)建連接副
根據(jù)懸架各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)建立連接副。具體的連接副類型及位置如表4-2所示。
點(diǎn)擊ADAMS/view中約束庫(kù)的球副（Spherical Joint），設(shè)置球副的選項(xiàng)為“2 Bod_1Loc”和“Normal To Grid”，選擇上橫臂（UCA）和主銷（Kingpin）為參考物體，選擇設(shè)計(jì)點(diǎn)“UCA_outer”為球副的位置點(diǎn)，創(chuàng)建上橫臂和主銷之間的約束副。
同理創(chuàng)建下橫臂（LCA）和主銷(Kingpin）之間的球副，球副的位置為“LCA_outer”，轉(zhuǎn)向桿（Pull_arm）和拉桿(Tie_rod)之間的球副，球副的位置點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)“Tie_rod_outer”。
設(shè)置球副的選項(xiàng)為“1Location”和“Normal To Grid”選擇設(shè)計(jì)點(diǎn)“Tie_rod_inner”，創(chuàng)建拉桿和大地之間的球副。
按照上面所述的方法，創(chuàng)建拉臂和主銷、車輪和轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷之間的固定副，固定副的位置都為“Kingpin_inner”?！?
同理在測(cè)試平臺(tái)和大地之間創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)副，移動(dòng)副位置為測(cè)試平臺(tái)的中心位置。
表4.2 懸架模型連接副明細(xì)表
連接副類型
連接副圖標(biāo)
第一構(gòu)件
第二構(gòu)件
連接副位置
旋轉(zhuǎn)副
Revolute Joint
UCA
Ground
UCA_inner
旋轉(zhuǎn)副
Revolute Joint
LCA
Ground
LCA_inner
球副
Spherical Joint
Kingpin
UCA
UCA_outer
球副
Spherical Joint
Kingpin
LCA
LCA_outer
球副
Spherical Joint
Pull_arm
Tie_rod
Tie_rod_outer
球副
Spherical Joint
Tie_rod
Ground
Tie_rod_inner
固定副
Fixed Joint
Kingpin
Knuckle
Knuckle_inner
點(diǎn)面約束副
Inplane Joint Primitive
Wheel
Test_patch
Test_Patch.cm
移動(dòng)副
Translational Joint
Test_patch
Ground
Test_Patch.cm
（7）保存模型
在ADAMS/View中，選擇“File”菜單中的“Save Datebase As”命令，將懸架模型保存在工作目錄中。
4.3.2、定制界面
在ADAMS/view菜單欄中，選擇Tools>Dialog Box>Create，制作初始參數(shù)修改的對(duì)話框。
選擇Dialog Box>New彈出命名窗口，在Name中輸入“Modify_Kingpin_parameter”做為文件名，勾選如圖4.8中選項(xiàng)，單擊OK。彈出如圖4.9的界面制作窗口。
圖4.8 命令窗口圖
圖4.9 修改參數(shù)界面
選擇Create>slider,用鼠標(biāo)在界面的合適位置單擊，在界面上的相應(yīng)位置就出現(xiàn)了標(biāo)注為slider_1圖標(biāo)，把這個(gè)圖標(biāo)做為變量kingpin length的圖標(biāo)進(jìn)行修改其屬性。雙擊該圖標(biāo)，彈出界面修改對(duì)話框，Attributes中選擇Layout,輸入slider_1在界面中的位置和尺寸，如圖4.10。
圖4.10滑動(dòng)條位置編輯窗口
在Attributes中選擇Value在下面的對(duì)話框中輸入kingpin length的標(biāo)準(zhǔn)值和最大以及最小值。如圖4.11。
圖4.11輸入變量值窗口
在Attributes中選擇Commands，輸入該變量kingpin length的表達(dá)式：
variable set variable=.susp.DV_1 real=$slider _1。
同理制作其它的滑動(dòng)條slider標(biāo)簽l。
滑動(dòng)條只需改名，輸入其表達(dá)式。
制作完的修改主銷參數(shù)、上橫臂參數(shù)和下橫臂參數(shù)界面如圖4.13、圖4.14和圖4.15。
圖4.13 修改主銷參數(shù)界面
圖4.14 修改下橫臂參數(shù)界面
圖4.15 修改上橫臂參數(shù)界面
保存界面，在界面中輸入數(shù)值，發(fā)現(xiàn)模型變化了。
在此對(duì)話框中能很方便的修改初始參數(shù)，由于整個(gè)前懸架模型已經(jīng)參數(shù)化了，不同的初始參數(shù)就對(duì)應(yīng)不同的懸架，因此平臺(tái)具有了通用性。
4.4、測(cè)試懸架模型
4.4.1、添加驅(qū)動(dòng)
點(diǎn)擊ADAMS/View中驅(qū)動(dòng)庫(kù)的直線驅(qū)動(dòng)（Translational Joint Motion）按鈕，選擇測(cè)試平臺(tái)和大地的移動(dòng)副，創(chuàng)建直線驅(qū)動(dòng)。創(chuàng)建直線驅(qū)動(dòng)后，直接在“Edit”菜單中選擇“Modify”，可以修改直線驅(qū)動(dòng)，在添加驅(qū)動(dòng)對(duì)話窗的“Function（time）”欄中，輸入驅(qū)動(dòng)的函數(shù)表達(dá)式：，它表示車輪的上跳和下跳行程均為50mm。
在ADAMS/View的主工具箱中，選擇仿真按鈕，設(shè)置終止時(shí)間為1，工作步長(zhǎng)為100。然后點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行仿真。
4.4.2、測(cè)量數(shù)據(jù)
（1）測(cè)量主銷內(nèi)傾角
在ADAMS/View菜單欄中，選擇Build>Measure>Function>New，如圖4.16所示，創(chuàng)建新的測(cè)量函數(shù)。
圖4.16 新建測(cè)量函數(shù)命令
在函數(shù)編輯器對(duì)話窗中的測(cè)量名稱（Measure Name）欄輸入：Kingpin_Inclination，一般屬性（General Attributes）的單位（Units）欄中選擇“angle”，借助于函數(shù)編輯器提供的基本函數(shù)，編輯主銷內(nèi)傾角的函數(shù)表達(dá)式：
ATAN（DX（MARKER_1, MARKER_5）/DY（MARKER_1, MARKER_5））
具體編輯過程如下：
首先，輸入反正切函數(shù)“ATAN（）”；
然后，將光標(biāo)移動(dòng)到括號(hào)內(nèi)，在函數(shù)編輯器的函數(shù)選項(xiàng)中，選擇“Displacement”中的“Displacement along X”，測(cè)量?jī)牲c(diǎn)在X方向的距離，