麦弗逊悬架设计Word下载.docx

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2）麦弗逊悬架弹性元件即螺旋弹簧的设计、计算及三维与工程图的绘制。

3）麦弗逊悬架减振器的选型设计、计算及三维与工程图的绘制。

4）麦弗逊悬架导向与其他连接部件的设计与三维图的绘制。

5）麦弗逊悬架系统三维图与二维装配图的绘制。

2悬架的结构分析及选型

2.1悬架的分类

根据导向机构的不同可将汽车悬架分为独立悬架和非独立悬架两大类（如图2-1）。

70年代又发展了一种前后悬架或左右悬架相通的交联式悬架。

非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种形式。

图2-1

独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架（或车身）下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。

但这种悬架构造较复杂，承载力小。

现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。

2.1.1非独立悬架优缺点分析

非独立悬架的结构特点是，左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接。

优点是：

结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。

缺点是：

1）由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度（特别是前悬架），使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；

2）簧下质量大；

在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴（桥）和车身倾斜；

3）当两侧车轮不同步跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振；

前轮跳动时，悬架易与转向传动机构产生运动干涉；

4）当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的周转向特性；

5）汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；

车轴（桥）上方要求有与弹簧行程相适应的空间。

这种悬架主要用在总质量大些的商用车前、后悬架以及某些乘用车的后悬架上。

2.1.2独立悬架优缺点分析

独立悬架的结构特点是，左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接。

1）簧下质量小；

2）悬架占用的空间小；

3）弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；

4）由于采用断开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车的行驶稳定性；

5）左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力；

6）独立悬架可提供多种方案供设计人员选用，以满足不同设计要求。

结构复杂，成本较高，维修困难。

这种悬架主要用于乘用车和部分总质量不大的商用车上。

2.1.3比较选型

通过以上比较分析，由于本次设计的是乘用车，最终选择独立悬架作为设计方向。

2.2独立悬架的分类及比较

独立悬架又分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、麦弗逊式和扭转梁随动臂式等几种类型。

对于不同结构形式的独立悬架，不仅结构特点不同，而且许多基本特性也有较大区别。

评价时常从以下几个方面进行：

（1）侧倾中心高度汽车在侧向力作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内产生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心，称为侧倾中心高度。

侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧向力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减少。

但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加快轮胎的磨损。

（2）车轮定位参数的变化车轮相对车身上、下跳动时，主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。

若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；

若车轮外倾角变化大，会影响汽车的直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。

（3）悬架侧倾角刚度当汽车作稳态圆周行驶时，在侧向力作用下，车厢绕侧倾轴线转动，并将此转动角度称之为车厢侧倾角。

车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。

（4）横向刚度悬架的横向刚度影响操纵稳定性。

若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。

2.2.1双横臂式结构特性分析

侧倾中心高度较低；

车轮外倾角与主销内倾角均有变化；

轮距变化小，故轮胎磨损速度慢；

悬架侧倾角刚度较小需要横向稳定器；

横向刚度大；

空间尺寸大；

结构稍复杂，前悬架用得较多。

2.2.2单横臂式悬架结构特性分析

侧倾中心高度较高；

车轮外倾角与主销内倾角变化大；

轮距变化大，故轮胎磨损速度快；

悬架侧倾角刚度较大可不装横向稳定器；

空间尺寸较小；

结构简单、成本低，前悬架用得较少。

2.2.3单纵臂式悬架结构特性分析

轮距

变化不大；

横向刚度小；

几乎不占用高度空间；

结构简单、成本低。

2.2.4单斜臂式悬架结构特性分析

侧倾中心高度在单横臂式和单纵臂式之间；

距变化不大；

悬架侧倾角刚度在单横臂式和单纵臂式之间；

横向刚度较小；

2.2.5麦弗逊式悬架结构特性分析

车轮外倾角与主销内倾角变化小；

轮距变化很小，故轮胎磨损速度慢；

占用空间尺寸小；

结构简单、紧凑乘用车上用得较多。

2.2.6扭转梁随动臂式悬架结构特性分析

左右车轮同时跳动时不变；

轮距不变，故轮胎磨损速度慢；

结构简单，用于发动机前置前轮驱动乘用车的后悬架

2.2.7比较选型

通过对这几种独立悬架的结构和特性进行的比较，考虑到本次设计的车型为中级轿车，主要是前置前驱形式，对空间要求较高，所以选择麦弗逊悬架作为本次设计的对象。

3悬架主要参数的选择和计算

3.1汽车质量的确定

3.1.1汽车装备质量

汽车的整备质量就是汽车经整备后再完备状态下的自身质量，即指汽车再加满燃料润滑油，工作油液及发动机冷却液和装备（随车工具及备胎等）齐全后但未载人、货时的质量。

汽车的装备质量可以从表3-1中选取：

表3-1轿车和大客车的人均汽车整备质量的统计均值

车型

微型轿车

普通级轿车

中级轿车

中高级轿车

30座下客车

大客车

人均整被质量/t

0.15～0.16

0.18～0.24

0.2～0.29

0.29～0.34

0.096～0.16

0.065～0.13

从上表可以得到：

中级轿车的人均装备质量为0.21～0.29t/人，选取为0.28t/人，中级轿车座位为5人，则汽车装备质量：

:

=1.4t（3-1）

3.1.2汽车的总质量

汽车的总质量是指已装备完好、装备齐全并按规定载满客、货是的汽车质量。

除包括汽车的整备质量以及装载量外，轿车还要计入驾驶人人员和乘客的质量。

=

+65n+αn（3-2）

根据规定：

人员重量按照没人65KG计算，行李质量按照没人5～10kg计算，中级轿车选取行李质量系数按下表选取：

表3-2行李系数

车型

行李质量

乘用车

发动机排量>

2.5L

5

发动机排量≤2.5L

10

商用客车

城市客车

长途客车

10~15

由表2-2选取:

α=10 

所以汽车总质量：

=

+65n+10n 

（3-3）

=1400+65×

5+10×

=1775kg

3.1.3汽车的悬挂质量

一般而言，对于轿车的非驱动桥，其非悬挂质量约在50～90kg之间，采用独立悬架时约为下限，采用非独立悬架时候约为上限，采用复合纵臂式后支持桥悬架时约为中间值，对于轿车驱动桥，采用独立悬架的非悬挂质量为60～100kg，而非独立悬架由于带有主减速器，差速器和缸体桥壳，非悬挂质量可达100～140kg。

对于中级轿车，一般为发动机前置前驱，所以对于中级轿车前悬挂的非悬挂质量一般为80kg，后悬挂的非悬挂质量50kg，所以汽车的簧上质量

满载时候簧上质量：

–80--50（3-4）

=1645kg

空载时候簧上质量：

--80--50（3-5）

=1400-130

=1270kg

前后悬架的分别簧上质量近似等于前后轴的载荷，设计悬架的时候设计载荷刻根据前后轴荷确定，前后轴的载荷安轴荷的确定可以根据下表确定范围。

表3-3各类汽车的轴荷分布范围

空载

满载

56%~66%

34%~44%

47%~60%

40%~53%

轿

车

前置发动机前轮驱动（FF）

50%~55%

45%~50%

前置发动机后轮驱动（FR）

42%~50%

45%~58%

40%~45%

55%~60%

后置发动机后轮驱动（RR）

50%~58%

货

42后轮单胎

50%~59%

41%~50%

32%~40%

60%~68%

42后轮双胎,长头,短头车

44%~49%

51%~56%

27%~30%

70%~73%

42后轮双胎,平头车

49%~54%

46%~51%

32%~35%

65%~68%

64后轮双胎

31%~37%

63%~69%

19%~24%

76%~81%

客

前置发动机后轮驱动

中置发动机后轮驱动

后置发动机后轮驱动

表3-4各类轿车车轴荷分配的统计平均值

前置发动机前轮驱动

前轴

后轴

61%

39%

50%

40%

60%

2人在前座

42%

58%

4人

55%

45%

47%

53%

5人及行李

49%

51%

44%

56%

41%

59%

对于中级轿车而言：

空载时，前轴为：

56%～66% 

后轴为：

34%～44%

满载时，前轴为：

47%～60% 

40%～53%

在根据表2-4确定如下：

61% 

49% 

空载时，前后悬挂质量：

前= 

×

=774.7kg

后=

=495.3kg

空载时，单侧悬挂质量：

前=

前/2=387.35kg 

后/2=247.65kg 

满载时，前后悬挂质量

=806.05kg 

=838.95kg 

单侧悬架质量：

’前=

前/2= 

403.025kg 

’后=

后/2=419.475kg 

总结：

最终确定其质量参数如下表

表3-5悬架参数总结

前置参数

后悬参数

387.35kg

247.65kg

3976.03N

2426.97N

403.025kg

419.475kg

3949.645N

4110.855N

3.2悬架总体参数的计算

在设计时首先对悬架总体参数进行计算，如悬架的刚度、悬架的挠度等，这样，在下文对零部件的计算时，就可以以悬架的总体参数为依据，根据悬架的结构参数求出相关零部件的受力、刚度等参数。

在本次设计中由于是为中级轿车设计前悬架，因此首先选取其偏频n=1.1Hz

3.2.1悬架的刚度

根据设计要求给定的设计状态下的轴荷及簧下质量，可求得前悬架单侧的簧上质量：

满载Ms1=403.025Kg

于是，满载前悬架的刚度C为

Ms1=19.2N/mm（3-7）

空载Ms2=387.35Kg

于是，空载前悬架的刚度C为

Ms2=18.5N/mm。

3.2.2悬架的静挠度

悬架的静挠度fc1和悬架刚度之间有如下关系：

（3-8）

代入数值得：

=206mm

3.2.3悬架的动挠度

悬架的动挠度

是指从满载经平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。

要求悬架应由足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰到缓冲块。

对乘用车，

取70～90mm；

对客车,

取50～80mm；

对货车,

取60～90mm。

本次设计取悬架动挠度

为80mm。

3.3麦弗逊悬架结构分析

麦弗逊悬架由多个零件组成，故在悬架机构分析中采用空间机构分析法对其进行分析。

在运用此方法进行分析时，将悬架总成中的构件等效成刚体来研究悬架系统的空间运动。

图3-3是1/2麦弗逊式悬架的等效机构图，借助图中所示的等效方式，我们可以清楚地看出悬架摆臂和转向节之间的连接通过球副来等效；

减振器外套筒和活塞的联接方式被等效成一个移动副；

减振器的上支点和车身的联接被等效成一个转动副。

这样，麦弗逊式悬架被抽象成一个封闭的空间机构。

通过图示的等效方案可以使我们对悬架系统的分析变得简单，且不会在很大程度上影响分析的结果。

图3-3麦弗逊悬架的等效机构图

8悬架的结构元件

8.1控制臂与推力杆

独立悬架中用纵臂、横臂或斜臂（统称控制臂）中的三者之一，将车轮（或车轴）与车架（或车身）连接起来。

有些悬架在车轴与车架（车身）之间布置有纵向或横向推力杆。

控制臂或推力杆在车轮（或车轴）与车架（或车身）之间传递力和力矩，并决定了它们的结构形式。

对于仅沿轴线方向传递拉力或压力，并伴随有纵向弯曲作用的推力杆，大多数用端部有接头的简单钢管制造，并应当保证有足够的纵向弯曲应力；

少数情况下也可以用能获得比较大的纵向抗弯强度、断面为异形的板材制造，如用两个槽形断面的梁组合成一个工字形的梁。

为了保证顺利的装配和补偿制造与安装时可能产生的误差，有时要求推力杆具有调节长度的功能。

如果两个推力杆连接成为一体并有一定的夹角，基于上述相同的理由，还可能提出改变两个臂之间夹角的要求。

如参考文献[1]王望予.汽车设计，第212页图6-54所示结构中，接头与推力杆经螺纹连接，使两者相对转动就能达到调节长度的目的；

而松开加紧螺栓2，又能调节两个推力杆之间的夹角。

控制臂在比较复杂的受力状态下工作，要承受牵引力、制动力、侧向力和力矩等。

为了提高控制臂的刚度，臂的断面应该该采用具有较深结构的构件或者封闭式的箱形断面。

8.2接头

控制臂或推力杆通常过位于他们端部的接头与其它件实现连接。

这些接头应该满足下述要求：

1）有较小的摩擦；

2）在使用期间不需要进行保养，以减少使用成本或降低劳动强度；

3）连接应该有一定的弹性；

4）具有隔声性能。

因为上述四个要求互有矛盾，所以同时都满足有困难。

目前，在接头内设计有橡胶衬套或者塑料衬套，橡胶衬套接头使接头有弹性变形，并有隔声性能；

塑料衬套应该用聚氨酯或聚四氟乙烯材料制造。

根据结构不同，接头有轴销式接头和球头销两种。

接头所连接的两部分之间的相对运动形式和传力特点，将影响接头形式的选择。

本次设计选择轴销式接头连接，其特点是：

结构简单，安装维护简便。

9麦弗逊悬架主要零部件的绘制

9.1弹性元件的绘制

麦弗逊悬架的弹性元件主要是螺旋弹簧，螺旋弹簧的绘制是通过以圆为轮廓，螺旋线为中心线，进行肋拉伸操作。

其中弹簧两端两端并紧采用再画两段螺距不同的螺旋线重复拉伸操作完成，而两端磨平采用矩形框反转边的凹槽操作来完成。

其中完成的螺旋弹簧三维图如图9-1。

图9-1螺旋弹簧

9.2减振器的绘制

减振器的绘制主要包括活塞连杆组件、工作缸、补偿阀、储油筒、防尘罩等。

其中大多可以通过在零部件设计模块的旋转体及拉伸操作完成。

9.2.1减振器工作缸的三维建模

工作缸是减振器中的重要零部件之一。

所设计的减振器工作缸的尺寸：

内径：

30cm，外径：

34cm，长度：

300cm，并在端部倒斜角，角度为45°

、长度最大为0.5cm，其三维实体如图9-2所示。

图9-2工作缸

9.2.3减振器储油缸组件的三维建模

减振器的储油缸组件是由储油缸和支架组成的。

储油缸和支架是通过焊接连接起来的。

支架功用是只要是固定整个前减振器。

而储油缸的小特征比较多，一些复杂但是对其功用和工作性能影响不大的可以在实体建模中适当的省略。

在一些特征造型上可以合理的利用CATIA软件中强大的阵列和灵活利用布尔运算可以达到事半功倍的效果。

最后获得的储油筒组件的储油筒、支架和储油筒组件三维图，如图9-3所示。

图9-3储油筒

9.2.4减振器导向器组件的三维建模

所设计的减振器产品的导向器组件是由三个零件组成的，包括导向器、衬套和密封环。

导向器主要是由一个回旋体和三个旁通孔组成，回旋体可以利用CATIA软件中的回旋功能获得而衬套和密封环三维模型较简单环形柱体。

最后的导向器组件装配图，如图9-4所示。

图9-4导向器组件装配图

9.2.5活塞连杆组件的绘制

减振器的活塞连杆组件是一个零部件较多的组件，所设计的减振器的活塞连杆组件的零部件包括：

连杆、限位套、限位弹簧、活塞、活塞环、流通阀座、流通阀阀片、伸张阀阀片、伸张阀垫片、伸张阀弹簧、螺栓等。

在对减振器的活塞连杆组件的零件进行三维建模前，首先认真思考采用那种就建模方式才是最合适的。

活塞连杆中的连杆建模的时候可以先在草图模块画出连杆的断面二维图，再通过CATIA的成型特征工具的回旋工具一次性生成连杆的三维实体模型，在进行利用CATIA特征操作中的螺纹工具直接创建标准螺纹即可，完成的连杆三维实体模型如图9-5所示。

图9-5活塞连杆

活塞连杆组件中，活塞是一个特征较多的零件，但是通过仔细的观察会发现