本科毕业设计麦弗逊式独立前悬架运动学仿真.docx

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本科毕业设计麦弗逊式独立前悬架运动学仿真

沈阳理工大学

飞度轿车麦弗逊式前悬架运动学仿真

专业：

车辆工程

班级：

11020205

学号：

08

姓名：

鲁荣贵

指导教师：

梁继辉

摘要

2014款广州本田飞度轿车前悬架采用的是麦弗逊式独立悬架，其结构比较简单，制造成本小；安装时占用空间不大，使用上反应快。

适用于中小型轿车、中低端SUV车前悬架。

因此，在广州本田飞度这款车上选用麦弗逊式独立悬架是一个不错的选择。

此次毕业设计基于飞度轿车整车各项参数，针对飞度轿车操纵稳定性,行驶平顺性要求，进行悬架选型与结构的简单设计。

先应用CATIA软件进行建模，再用ADAMS软件建模仿真，继而对仿真结果进行分析，梳理结论。

本论文首先阐明了课题的意义和研究方法，继而说明了悬架的各大部件与悬架设计要求及悬架的分类，并阐述了悬架各主要部分的设计过程，最后进行建模和仿真分析。

结论表明本毕业设计的麦弗逊式独立前悬架前轮定位参数符合要求。

关键词：

本田飞度轿车；CATIA建模；ADAMNS仿真；麦弗逊式独立前悬架

Abstract

The2014editofGuangzhouHondaFitsedanusesMcPhersonindependentsuspensionasitsfrontsuspensionbecauseofthereasonthatMcPhersonindependentsuspensionstructureissimpleaswellasithassmallfootprint,fastresponseandlowmanufacturingcost.Itissuitableforthefrontsuspensionofsmallcarsandlow-endSUVcars.Therefore,GuangzhouHondaFitsedanchoosesMcPhersonindependentsuspensionasitsfrontsuspensionisareasonablechoice.

BasedontheparametersofCarFit,Thegraduationprojectworksouttheselectionofasimpledesignandstructureofthesuspension，whichaimsatfetchingthehandlingstabilityandridingcomfortrequirements.Tobeginwith，theprojectapplyCATIAsoftwareformodeling.Then,ituseADAMSsoftwareforsimulation.Finallyitanalyzestheresultsofthesimulationaswellascardingtheconclusion.Thispaperfirstclarifiesthesignificanceandresearchmethodsofthisissue,andthendescribestheclassificationandthemajorcomponentsaswellasthedesignrequirementsofthesuspension.Alsoitdescribesthedesignprocessofthemajorpartofthesuspensionthen.finallyitfiguresoutthemodelingandsimulationanalysis.TherationalityoftheMcPhersonindependentsuspensiondesignhasbeenconfirmedbythefinalresults.

Keywords：

HondaFitsedan;CATIAmodeling;ADAMNSsimulation;McPhersonindependentfrontsuspension.

1.绪论

1.1悬架的简单介绍

1.1.1悬架的分类

据悬架导向构件的差异可将汽车悬架分为独立悬架和非独立悬架两大类[1]，如图1.1所示。

a）非独立悬架b）独立悬架

图1.1独立悬架与非独立悬架

非独立悬架：

车轮是装在整根车轴两端的，如果一边车轮跳动，另一侧车轮会遭受影响而作相应的跳动，整车身会因此振动或者偏斜，汽车的平稳性与舒适性会因此大大减弱。

而且，因为车桥和车轮一起跳动，空间需求较大，这就干扰了发动机的布置，增加了制造成本，用于轿车后悬架时，会导致行李箱容积减小，备胎布置不方便[1]。

但由于其结构简单，承载力大，工作可靠，寿命长，时下仍在部分轿车的后悬架中采用[2]。

独立悬架：

该悬架车的车轴分成了独立的两段，两个车轮用螺旋弹簧与车架或者车身相安装，如果一边车轮跳动，另一边车轮不会受到影响，这样汽车能够获得较佳的平稳性与舒适性。

但悬架结构较复杂，承载力小。

在现代轿车前后悬架中，独立悬架得到广泛应用，且已成为一种发展趋势[1，2]。

本次毕业设计为设计独立悬架。

1.1.2悬架的设计要求

1、使得汽车有良好的行驶平顺性。

2、使得汽车具有恰当的衰减振动的能力。

3、使汽车获得良好的操纵稳定性。

4、在汽车制动或者加速时，车身稳定性可以得到保证，车身纵倾可以得到减少，如果转弯，汽车需具有恰当的车身侧倾角。

5、具有良好的隔声能力。

6、占用空间尺寸小，结构紧凑，应该保证安装发动机与行李箱时具有充足的空间。

7、能够稳当的传递车身和车轮间的各种力与力矩，且具有可靠的强度与寿命

8、导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能引起转向轮摆振。

9、降低成本，便于维修保养。

10、悬挂构件必须具有足够的刚度和强度，提高使用寿命。

[1，3]

1.2选做麦弗逊独立悬架的依据和意义

1.2.1选题依据

螺旋弹簧、减震器、下摆臂三个构件组成了麦弗逊式独立悬架（大部分车型会加上横向稳定杆），简明言之，即螺旋弹簧套在减震器上组成。

其中，减震器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，限制弹簧只能作上下方向的振动，并能以减震器的行程长短及松紧，来设定悬挂的软硬及功能[9]。

麦弗逊式独立悬架结构简明，质轻、反应快。

可自动调车轮外倾角，拐弯时能自行顺应路面情况，从而使轮胎与大地的接地面积大大增加。

主要优点：

结构简单、占用空间小，有利于发动机的布置；响应快、成本低，有一定的经济效益；铰接点之间的距离比较大，这样可以减弱铰接点处的受力大小；车轮定位参数变化较小，能使轮胎寿命加长。

主要缺点：

因自由度的减小，其可规划性比不上双横臂独立悬架；通过上支点，汽车的振动可以传递到汽车顶部，于是需要采用相应的隔离、防震方式；减震器的活塞杆与导向套之间留存有摩擦力，使得悬架的性能变差。

[1]

适用车型：

中小型轿车、中低端SUV车。

麦弗逊式独立悬架的典型结构如图1.2所示。

图1.2麦弗逊式独立前悬架

1.2.2选题意义

时下，麦弗逊式独立悬架是世界上用的最具大规模的汽车前悬架之一。

在国内市面上，麦弗逊悬架是许多车型的首选悬架，

时下近来使用麦弗逊式独立前悬的车型：

上海通用别克新君威、比亚迪F0、新君越、一汽高尔夫6。

麦弗逊悬架运用规模大，小型车、紧凑型车、中等型车以及SUV车型都可运用。

保时捷911同样全系采用麦弗逊悬架。

悬架的性能特点及其与整车的匹配关系深刻影响着汽车的行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性，影响着整车的档次和价格。

据此，研究悬架拥有重要的有效意义[15]。

1.3国内外研究及发展趋势

1.3.1国内外研究现状

对悬架研究的越深，越能够突破技术上的瓶颈。

扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等构件在汽车上接踵获得采用。

1934年世界上出现了首个由螺旋弹簧结成的被动悬架。

它无从较好的适合错综复杂的路面情况，其减振的功能欠佳。

采用非线性刚度弹簧和车身高度调试的法子尽管在某种程度上有所改善，但无法从根本上解决疑难问题[15]。

半主动悬架的研究始于1973年。

半主动悬架不考虑悬架的刚度，只是考虑切变悬架的阻尼，只有可控的阻尼部件结成。

其发生力的方法与被动悬架类似，但其阻尼或刚度系数可根据运行形态调整，这与主动悬架极为类似。

半主动悬架构造较简明，工作时不需要耗费车辆的动力，且可收获与主动悬架相仿的特性，具备广泛的发展全景[2]。

时下，汽车车速一度日益升高，这使被动悬架的短处日益成为提高汽车功能的瓶颈，于是人们开发主动悬架以求超越。

它在被动悬架的基底上，增多可调试刚度和阻尼的控制设施，在需要时恰当调节悬架的刚度和阻尼，使汽车的悬架在任何路面上保障最好的运行状况。

20世纪80年代，世界鼎鼎大名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发出这种悬架。

沃尔沃、丰田等在汽车上进行了较为圆满的试验[2]。

装备主动悬架的汽车，与其他人汽车比照时，在路况不好的路面急速行驶时，车身很稳当，轮胎噪声比较小，汽车在转向与制动时，车身能较好的保持水平，这可大大提高乘坐舒适性，但主动悬架构造错综复杂、制造成本贵、牢靠性不良一如既往是时下比较严峻的疑团[14]。

我们国家汽车对半主动和主动悬架这邻域的研发启动比较晚，与国外相比照，差距很大，从而我国大部分汽车采用被动悬架。

主动悬架尽管提到的早，但出于控制错综复杂，并且关联到许多科类，始终很难有大的起色。

进入20世纪90年代，仍仅应用于排气量大的豪华汽车[13]。

1.3.2发展趋势

出于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，安全化、智能化和清洁化的绿色智能悬架将是之后汽车悬架前进的取向。

被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不能调的[2]。

它的构造简明、特性牢靠、成本相对便宜且不需附加能量，应用规模最大，在我国现阶段，依然有较高的研究价值和参考。

被动悬架性能的研究主要汇集在三个方面：

首先，对汽车用以受力分析，建立数学样本，再使用电脑仿真技术或有限元法搜索悬架的最优参数；然后，研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部路况上保有良好的运行状态；最后，研究导向机构，使汽车悬架在确保平顺性的前提下，稳定性有较大的升华[14]。

半主动悬架的研究总而言之汇集在两个地方：

实践策略的揣摩；执行器的调研。

阻尼可调减振器着重有两种，一种是透过改变节流孔大小的方式调节阻尼；一种是透过改变减振液的粘性调节阻尼。

节流孔的规格一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调试，这种点子成本较高，构造错综复杂。

通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具备构造简明、成本较低、无噪声和冲撞等特点，这些是时下提高的主要趋势[14]。

主动悬架探寻也汇集在两个地方：

牢靠性；实践器。

出于主动悬架动用了许许多多的传感器、单片机、输出编入集成电路和各种接口，出于组件较多，减低了悬架的可靠性，据此，加大元件的集成比例，是一个无法超越的阶段。

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备较多的好处，今后将会替换液压执行构件[15]。

运用电磁蓄能理论知识，结合参数思考自校正控制器，可望统筹出高性能低功耗的电磁蓄能式自适合主动悬架，使主动悬架由理论探寻转化为实践运用[1]。

1.4应用软件介绍

1.4.1CATIA软件介绍

CATIA是法国达索公司创造的一款三维制图软件，被大规模地应用在航空航天、汽车、造船、机器制造、电器业等各行各业。

其集成解决计划包括绝大部分产品设计与制造领域，且顺应了工农业等领域各种大中小企业的需要。

它足以援助铁厂、造纸厂等厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、切合实际的设计、比较、模拟、组装到维护在内的总体工业设计程序[16]。

CATIA启动界面如图1.3所示。

在汽车业，CATIA一度成为实际上的制造业准则，世界前20名的汽车公司已有18家使用CATIA作为着重设计软件。

CATIA在形状格调、车身及发动机规划等地方具备特别的长处，为各种各样车辆的设计和制造提供了端对端（endtoend）的解决方案。

CATIA涉及产品、加工和人三个重点区域。

CATIA的可舒卷性和并行工程能力可不言而喻的减小产品上市时间[4,17]。

本次毕业设计主要应用CATIA软件进行麦弗逊式独立悬架的简单三维建模。

1.4.2SolidWorks软件介绍

SolidWorks的使用程序是一种机械类规划自动化软件，机械设计者可以利用这款软件在短时间内绘制出某产品的平面草图，再凭借拉伸等命令按钮呈现三维实体模型。

除了三维建模外，SolidWorks还具有强大的辅助功能，可以对设计的产品进行三维浏览，运动模拟分析等功能。

启动界面如图1.4所示。

SolidWorks足以提供不同的规划方法，在规划程序中减小失误，提高生产品质量。

SolidWorks拥有有力的性能，是世界首个建立在Windows上创造的三维CAD系统。

图1.3CATIA启动界面图

于各个工程师和规划者而言，操作适宜简明、易学易懂，极其方便用户操作。

本次毕业设计主要运用SolidWorks软件将CATIA模型转换成x_t格式文件，有利于实体模型导入到ADAMS软件中进行运动学分析[5]。

图1.4SolidWorks启动界面

1.4.3ADAMS软件介绍

ADAMS，中文全名是机械系统动力学自行分析，英文名为AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems，该软件是美国机械动力公司（MechanicalDynamicsInc.）创造的虚拟样机分析软件，时下一度被全世界各行各业的数百家著名制造生产商使用。

ADAMS不止是虚拟样机剖析的使用软件，动用该软件可以极其适宜地对虚拟的机械系统进行静力学、运动学以及动力学的分析。

且它甚至是虚拟样机分析创造用具，其开放性的程序构造和多种接口，足以变为特别行业用户进行特殊种类虚拟样机剖析的二次开发工具平台。

其发动界面如图1.5所示

虚拟样机技术透过CAD/CAE/CAM/等技术方法把产品资料集中到一个可视化环境中，落实产品的仿真、分析等功能。

ADAMS仿真软件可以在各种虚拟环境中真实无误的再现机械系统的运动，通过优化功能不断改进设计缺陷，进而改进系统，直至获得最优方案，这样就能做出较理想的物理样机。

在ADAMS中创设完全参数化的机械系统物理几何样本，其求解器使用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，以此建立系统动力学方程[18]。

对虚拟机械系统采取静力学、运动学和动力学分析，编出位移、速率、加速度和反作用力线。

ADAMS软件的仿真可用于预知机械系统的功能、运动界限、冲撞检测、峰值载荷以及运算有限元的编入载荷等[6，19]。

本次毕业设计运用ADAMSview模块进行运动仿真，得出用于分析的结果。

图1.5ADAMS启动界面

2.麦弗逊式独立悬架部件设计

2.1本田飞度轿车参数

本田飞度轿车参数如表2.1所示。

表2.1本田飞度轿车参数

参数类别

参数值

整车整备质量

1058kg

空载前轴轴载质量

658kg

满载总质量

1440kg

满载后轴载质量

660kg

后轮轮距

1465mm

满载前轴允许负荷

<810kg

轴距

2530mm

空载后轴轴载质量

400kg

满载前轴载质量

780kg

前轮轮距

1480mm

长/宽/高（mm）

4065/1695/1525

满载后轴允许负荷

<810kg

2.2悬架结构分析

2.2.1悬架机构等效方法

麦弗逊式独立悬架的横摆臂内端通过铰接链与车身相连，外端通过球铰与转向节相连，减震器上面透过带轴承的隔振块总成与车身连在一块，减震器下边与转向节固接[1,7]。

在悬架构件剖析中动用空间机构剖析法对其加以剖析[12]。

最初，将悬架总成中的构件等效成刚体，如图2.1所示。

图2.1麦弗逊悬架等效机构

2.2.2悬架空间几何参数的确定

1、侧倾中心确定

如图2.2所示，过主销所在直线作直线垂直于主销上铰点，下摆臂延长线与该直线相交于O点，连接车轮着地点与点O，连线交于汽车纵向平面于点M，点M就是侧倾中心。

确定侧倾中心离地87mm,满足在0到120mm之间[3,7，20].

图2.2侧倾中心分析图

2、纵倾中心确定

如图2.3所示，过下摆臂轴线的直线交垂直于主销线的直线于Ov点，Ov点即为所求[7，20]。

图2.3纵倾中心分析图

3、主销空间位置确定

如图2.3所示，主销外倾角布置为12.25°，主销后倾角布置为1.69°，如图2.4所示。

由于车轮外倾角较小，主销车轮可垂直坐标平面摆放，结果影响不大。

弹簧轴线和滑柱轴线以及主销轴线是不共线的。

图2.4主销空间布置简图

4、下摆臂空间位置参数确定

麦弗逊式悬架的摆臂轴线与主销后倾角的匹配关系与汽车的纵倾稳定性有很大关联，如图2.5示，在安排时需使汽车纵向面内悬架相对车身上下跳的运动瞬心Ov交于前轮后面，从而使悬架在压缩行程中前轮后倾角有增大趋势，减小汽车的纵倾，提高抗前俯特性。

再者摆臂越长，前轮定位角的变化越小，将有利升华汽车的操纵稳定性。

具体设计时，在满足布置要求的前提下应尽量加长摆臂长度[1,7,20]。

图2.5纵向平面悬架相对车身运动瞬心示意图

2.2.3悬架主要性能参数的确定

悬架设计可大致分为构造形式及重要参数选择阶段和详细规划阶段，有时候需反复交加进行，出于悬架参数关联到众多整车特性，并涉及到其他总成布置，一般需要集中思考分析。

在下文对零部件的设计时，可以悬架的功能参数为根据，根据悬架的结构形式参数求出相关零部件的参数[12]。

1、悬架静挠度

悬架静挠度是指汽车在满载且静止不动的时时候悬架上的载荷与此时悬架的刚度的比值，大多数汽车悬挂质量分配系数ε取值在0.8到1.2之间，大约取为1，即前桥后桥车身部分汇集质量的垂向振动是彼此独立的。

以

代表前一部分车身频率，大多数取为1Hz。

由

（2.1）

式中

——悬架静挠度（cm）

得悬架静挠度：

（2.2）

有

[1,7,12,20]

2、悬架动挠度

悬架的动挠度是指悬架从满载静平衡位置开始，直到压缩小到结构容许的最大变形（多数指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或1/3）时，车轮中心相对于车架（或车身）的垂直位移。

一般悬架的动挠度应尽量大，以防止在坏路面上行驶时经常冲撞缓冲块。

轿车：

70～90mm；大客车：

50～80mm；货车：

60～90mm。

故选择动挠度为85mm即

85mm（2.3）

对于大部分小轿车而言，在设计过程中，悬架总工作总行程（静扰度与动扰度之和）应大于或等于160mm。

而

=250+85=335mm>160mm（2.4）

该设计符合要求[1，7，12，20]。

3、悬架刚度计算

由初始数据可知单个前悬的满载质量为380kg。

前悬架刚度：

=（390×9.8）/250=15.288N／mm（2.5）

2.3螺旋弹簧设计

2.3.1弹簧及其材料选择

螺旋弹簧广泛应用于独立悬架，特别是前独立悬架。

其本身不具有减振作用，需要与减震器共同安装。

螺旋弹簧本身质量小，且所需的安装空间小，不需润滑[2]。

弹簧端部磨平，安装是靠在上下托盘上[8]。

本毕业设计选择60Si2MnA为簧丝的材料，可提高弹簧在交变载荷下的疲劳寿命。

2.3.2弹簧参数确定

（2.6）

其中：

i——弹簧有效工作圈数，取8

G——弹簧材料的剪切弹性模量，取

Mpa

——弹簧中径，取110mm

代入数据有d=11.5mm[1,20]。

查《机械设计手册》GB1222，有表2.2。

表2.2普通圆柱螺旋弹簧的尺寸系列

弹簧丝直径

d/mm

第一系列

0．30.350.40.450.50.60.70.80.91

1.21.622.533.544.5568121620253035404550607080

第二系列

1.320.550.651.41.82.22.83.25.56.57

911141822283238425565

弹簧中径

D/mm

22.22.52.833.23.53.844.24.54.855.566.588.5910121416182022252830353840424548505255586065708085909510010511011512012513013514014515016017018090200

有效圈数

n/圈

压缩弹簧

22.252.52.7533.253.53.7544.254.54.7555.566.577.588.599.51010.511.512.513.514.51516182022252830

拉伸弹簧

2345678910111213141516171819202225283035404550556065708090100

自由高度

/mm

压缩弹簧

4567891011121314151617181920222426283032353840424548505255586065707580859095100105110115120130140150160170180190200220240260280300320340360380400420450480500520550580600

选取圆柱螺旋弹簧基本参数如表2.3所示，参照示意图2.6。

表2.3螺旋弹簧参数

参数类别

参数值

弹簧钢丝直径

12mm

弹簧外径

152mm

弹簧中径

140mm

有效圈数

8

自由高度

300mm

材料

60Si2MnA

图2.6螺旋弹簧示意图

2.3.3弹簧校核

1、弹簧刚度校核

弹簧刚度的计算公式为：

（2.7）

代入数据计算可得弹簧刚度

为：

（2.8）

与设计的数据差别不大，弹簧选择符合刚度要求。

2、弹簧表面剪切应力校核

弹簧在压缩时其工作方式与扭杆类似，都是靠材料的剪切变形吸收能量，弹簧钢丝表面的剪应力为：

（2.9）其中：

C——弹簧指数（旋绕比），

——曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度影响的系数，

P——弹簧轴向载荷

已知

=110mm，d=12mm，可以算出弹簧指数C和曲度系数

：

=110/11=10

（2.10）

P=

（