普通级轿车前悬架(麦弗逊式)设计

摘要

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性地连接起来。它的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。

本文完成的是东方之子轿车前悬架设计，重点从东方之子轿车前悬架的选型、减振器的计算及选型、弹性元件形式的选择计算及选型和横向稳定杆的设计计算。首先，我把形式不同的悬架的优缺点进行了比较，然后定下东方之子轿车前悬架的形式—麦弗逊式悬架，最后围绕麦弗逊式悬架的部件进行设计。先是弹簧的设计计算，再是减振器的计算选型，最后是横向稳定杆的设计。

关键词：悬架；麦弗逊式；设计

Abstract

Suspension is an important element of one of the modern automobile, it flexibly to link the chassis (orbody) and axle (or tires) . Its main role is the role of transmission in the bodybetween the wheels and all the power and moment, such as support of, system dynamics anddriving force, and easing the road to the whole body impact load, decay resulting vibration,ensure the comfort of the crew, cargo and vehicles reduce their moving load.

The main stress is front suspension design，Training emphasis from the former car models,and models Absorber calculations, flexible choice of components and models and forms ofstabilizer bar design data.First of all, I have a different form of a suspension of the advantages and disadvantagescompared to the previous suspension of the car and then set form Eastar on suspension.Then design around Eastar suspension components. First, the spring-loaded design terms,to be absorber calculation models, a horizontal stabilizer bar final calculation. stabilizer bar.

Keyword : Suspension, Macpherson ,Design

目录

摘要............................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... II 1绪论. (1)

1.1课题背景和意义 (1)

1.2 悬架的发展历史和现状 (2)

1.3 悬架的发展趋势 (4)

1.4课题主要内容和研究目的 (5)

2悬架结构方案分析 (6)

2.1 悬架总成分析 (6)

2.2独立悬架优缺点分析 (7)

2.3独立悬架特点与分类 (8)

2.3.1双横臂式悬架结构及特性分析 (8)

2.3.2单横臂式悬架结构及特性分析 (9)

2.3.3单纵臂式悬架结构及特性分析 (10)

2.3.4单斜臂式悬架结构及特性分析 (11)

2.3.5麦弗逊式悬架结构及特性分析 (12)

2.1.6扭转梁式悬架结构及特性分析 (13)

3麦弗逊式独立悬架设计 (14)

3.1麦弗逊式独立悬架设计概述 (14)

3.3麦弗逊悬架的结构分析 (15)

3.4悬架的弹性特性设计 (16)

3.5 悬架挠度fc 的设计 (17)

3.5.1悬架静挠度 fc 的设计 (17)

3.5.2悬架动挠度fd设计 (18)

3.6悬架弹性元件设计 (18)

3.6.1螺旋弹簧分析 (18)

3.6.2螺旋弹簧的材料及许用应力选择 (19)

3.6.3 弹簧参数的计算选择 (20)

3.6.4计算空载刚度 (20)

3.6.5计算满载刚度 (20)

3.6.6按满载计算弹簧钢丝直径 (21)

3.6.7螺旋弹簧校核 (21)

3.6.8小结 (22)

3.7导向机构设计 (23)

3.7.1导向机构的设计要求 (23)

3.7.2导向机构的布置参数 (24)

3.7.3导向机构的受力分析 (27)

3.7.4横臂轴线布置方式的选择 (27)

3.7.5横摆臂参数对车轮定位参数的影响 (28)

3.7.6 导向机构建模 (29)

3.8 减振器的设计 (30)

3.8.1减振器的简单分类 (30)

3.8.2双向筒式液力减振器工作原理 (30)

3.8.3相对阻力系数ψ (31)

3.8.4减振器阻尼系数δ的确定 (32)

3.8.5减振器工作缸直径D的确定 (33)

3.8.6小结 (33)

3.9横向稳定器 (34)

3.10 悬架结构元件 (35)

4 前轮定位参数 (37)

4.1主销后倾角 (37)

4.2主销内倾角 (39)

4.3 前轮外倾角 (40)

4.4前轮前束 (41)

5 麦弗逊悬架其他零件基于CATIA的建模 (43)

5.1车轮的建模 (43)

5.2车轮轴承建模 (44)

5.3转向节建模 (44)

5.4 减振器与转向节连接件建模 (45)

5.5 车架和横向稳定器联合建模 (45)

5.6 麦弗逊悬架建模装配图 (46)

6 基于adams的悬架仿真分析 (47)

6.1主销内倾角仿真分析 (47)

6.2 主销后倾角分析 (47)

6.3前轮外倾角分析 (48)

6.4 车轮跳动量分析 (49)

6.5 前轮前束分析 (49)

6.6定位参数与车轮跳动量联合分析 (50)

6.7小结 (51)

结束语 (52)

致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献. (53)

附录A (54)

附录B (61)

1 绪论

1.1课题背景和意义

最近这几年，中国汽车产销不断上升，自2002年之后，中国汽车行业开始进入爆发式增长阶段，特别是随着私人消费的兴起，轿车需求量开始迅速攀升，并成为推动中国汽车发展的一股重要力量。与此同时，中国在全球汽车产业中的地位也逐渐上升。2007年，中国汽车需求总量为879万辆，在全球市场占比从2001年4.3%上升到2007年的12.2%。2009年首次超越美国成为全球第一大汽车产销国后，2012年中国再次稳坐全球销量第一的位置。全年销量超过3000万辆。

目前中国汽车市场自主品牌发展态势良好。自主品牌乘用车的销售量也是十分可观的。之所以自主品牌的销量不断上升，跟中国汽车品牌在乘用车领域技术不断学习进步不无关系。

中国汽车工业这些年逐步建立起有竞争性、不同技术层次的零部件配套体系。并积极开展节能、环保型的汽车研发，推动技术进步，加快汽车产品的结构升级。坚持对外开放和自主发展相结合的原则，努力提高自主研发能力，培育自主品牌产品。

为了实现由“汽车大国”向“汽车强国”转变，一方面，国家通过宏观调控、政策扶持等措施，鼓励和支持汽车产业的转型升级；另一方面，企业在国家政策的引导下，在组织结构、产品结构、技术结构、市场结构等方面积极实施转型升级战略，全面、有效提升汽车产业的国际竞争力。

汽车强国就必须要具有完全自主知识产权的汽车。一辆具有自主知识产权的汽车，并不是那么容易就能制造出来的。虽然目前中国已经有许多自主品牌的汽车，不但在国内销量不错，而且有个别车型能够出口。然而，其实很多自主品牌的汽车，内部零部件或多或少也都不是中国自己的技术，没有自主知识产权，虽然从整车角度看，是中国的自主品牌，其实不然。零部件是组成一辆整车的基本，而在零部件制造生产上具有自主知识产权，才能使中国的自主品牌汽车真正畅销市场，经久不衰。因此要发展汽车工业，创造自主品牌汽车，就要从基础做起，从零部件的设计开发做起。零部件做到了自主研发，用自主研发的零部件组成的整车就是自主研发的汽车了，汽车研发要从零部件研发开始。

一辆汽车有多个系统组成，传动系统，制动系统，转向系统，行驶系统等等，而决定汽车的操纵稳定性和行驶平顺性的是汽车悬架系统。悬架是现代汽车上重要总成之一。汽车悬架把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性的连接起来。悬架的最主要的功能是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，缓和汽车驶过不平路面时路面传递给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。

悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器等组成。导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对于车架（或车身）的运动特性，并传递除了弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。缓冲块用来减轻车轴对车架（或车身）的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。减振器是具有减振作用，使振动迅速衰减，减轻振动使乘员感到不舒适和疲劳。弹性元件则是为了缓和冲击，使车架和车桥之间具有弹性。

因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。完善的汽车悬架系统可以很好的缓解路面给予车辆的冲击，减轻汽车振动给乘客带来头晕，晕车等不良反应，使乘客感受到很好的乘坐舒适性。同时将汽车的悬架系统调校好，好的悬架系统在弯道性能上就能很好的表现出来，还有出去郊游时，能在恶劣的路况下通行，可以给驾驶员带来更好的操作稳定性以及一定的驾驶乐趣。优良的悬架避震性能，也可以减轻振动给零件带来的冲击导致损坏，减少故障，降低维修成本和行驶安全。悬架系统使汽车能精准的过弯转向，也能避免一定的交通事故发生可能性。因此可以发现，悬架对于整辆车具有重大的意义，不可或缺。而当前的汽车悬架虽然已经十分先进，但是毕竟没有完美的事物，不论什么形式的独立悬架或非独立悬架都有其缺点和不足。因此还需要不断的研究发展。

1.2 悬架的发展历史和现状

科技进步是人类永恒的追求。在马车出现的时候，为了乘坐更舒适，人类就开始对马车的悬架—叶片弹簧进行孜孜不倦的探索。在1776 年，马车用的叶片弹簧取得了专利，并且一直使用到20 世纪30 年代，叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧

代替。汽车诞生后，随着对悬架研究的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性件。1934 年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变。它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况，减振的效果较差。为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、夏利、赛欧等车，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架等。

半主动悬架的研究工作开始于1973 年，由D.A.Crosby和D.C.Karnopp 首先提出。半主动悬架以改变悬架的阻尼为主，一般较少考虑改变悬架的刚度。工作原理是：根据簧上质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号，按照一定的制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度。半主动悬架产生力的方式与被动悬架相似，但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调整，这和主动悬架极为相似。有级式半主动悬架是将阻尼分成几级，阻尼级由驾驶员根据“路感”选择或由传感器信号自动选择；无级式半主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无级调节。由于半主动悬架结构较简单，工作时不需要消耗车辆的动力，而且可取得与主动悬架相近的性能，具有广阔的发展空间。

随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是1954 年美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出的。它在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车的悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。控制装置通常由测量系统、反馈控制系统、能源系统等组成。20 世纪80 年代，世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发这种悬架。奔驰、沃尔沃、洛特斯、丰田等在汽车上进行了较为成功的试验。装备主动悬架的汽车，在不良路面高速行驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平。其特点是乘坐非常舒服，但不同程度存在着结构复杂、能耗高、成本昂贵、可靠性问题。

由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在半主动和主动悬架的研究方面起步晚，与国外的差距大。在西方发达国家，半主动悬架在20 世纪80 年代后期趋于成熟，福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果。

主动悬架虽然提出早，但由于控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。进入20 世纪90 年代，仍仅应用于排气量大的豪华汽车。未见国内汽车产品采用此技术的报道，只有北京理工大学和同济大学等少数几个研究机构对主动悬架展开研究[14]。

1.3 悬架的发展趋势

由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。

(1)被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面：

通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高。

（2）半主动悬架的研究集中在两个方面：执行策略的研究；执行器的研究。阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼；一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。

（3）主动悬架研究也集中在两个方面：可靠性；执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论研究转化为实际应用[1]。

1.4课题主要内容和研究目的

1. 根据原型车的设计要求和布置方案对悬架中的弹性元件、减振器、缓冲限位块等重要零部件进行了设计计算和可行性校核。

2. 运用空间坐标变换理论和空间刚体运动学原理，通过对悬架的简化和抽象，用CATIA将实物模型转成可供分析和研究的物理模型和数学模型。

3. 运用ADAMS进行运动分析。

4.研究目的是让我们对汽车的设计有更深层次的认识，为以后的工作打好基础。