双横臂独立悬架设计毕业设计Word下载.docx
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随着社会经济和物质文化生活水平的提高，人们对汽车行驶的平顺性、操纵稳定性及安全性提出了愈来愈高的要求。
汽车的悬架系统对以上三种性能有着最直接、最重要的影响。
分析悬架对汽车性能的影响并合理确定悬架系统的性能及结构参数，从而获得最优的行驶性能是汽车生产厂普遍关心的重要课题。
汽车工业发展到现在已有百年历史，人们利用各种先进的手段对其进行了理论分析和实践验证。
本文在进行悬架系统的设计时，首先应根据整车平顺性和操纵稳定性的要求，确定前悬架的性能参数（刚度和阻尼），然后进行结构设计。
悬架对汽车的平顺性和操纵稳定性都具有重要的影响。
未来满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量和弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。
前后悬架频率匹配应合理；
对轿车，要求前悬架的固有频率低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架碰到车身（或车架）。
在簧上质量变化的情况下，车身高度变化要小，因此，应采用非线性弹性特性悬架。
汽车在不平的路面上行驶，由于悬架的弹性作用，使汽车发生垂直振动。
为了迅速衰减这一振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。
利用减振器的阻尼的作用，使汽车的振动振幅连续减小，直至振动停止。
悬架根据其导向机构的不同可分为非独立悬架和独立悬架，独立悬架的车桥都做成断开的，两侧的车轮分别独立地与车架或车身弹性连接。
其中独立悬架又分为多种类型，主要包括：
单横臂式独立悬架、双横臂式独立悬架、单纵臂式独立悬架、双纵臂式独立悬架、烛式悬架、麦弗逊式悬架、单斜臂式独立悬架以及近些年来刚推出的多连杆式独立悬架；
高档车上有的还应用了主动悬架。
双横臂独立悬架是独立悬架中一种比较典型的结构形式。
在本田奥德赛、雅阁前悬、奔腾前悬、马自达六前悬和瑞风商务车前悬上均使用了这种悬架。
按照上、下横臂的长短可分为等长和不等长两种。
等长双横臂悬架在其车轮上下跳动时，虽然可以保持主销的倾角和车轮外倾角不变，但是轮距变化大，导致轮胎的磨损严重，现在已经很少采用；
不等长双横臂独立悬架只要合理的选择结构参数和适当地布置，就可以将轮距和前轮的定位参数变化限制在一定的范围之内，保证良好的行驶稳定性，故这种形式的独立悬架在现代高级轿车中得到了广泛的应用。
第一章悬架概述
悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统（车架或承载式车身）之间具有弹性连接并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。
悬架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，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，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。
为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性连接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。
采用弹性连接后，汽车可以看作是由悬挂质量（即簧载质量）、非悬挂质量（非簧载质量）和弹簧（弹性元件）组成的振动系统，承载来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。
为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。
此外，悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。
导向机构绝地你了车轮跳动的运动估计和车轮定位岑书的变化，一起汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。
在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。
根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类，非独立悬架的鲜明特点是左右车轮之间由一根刚性梁或非断开式车桥连接。
当左边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。
独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自“独立”地与车身或车架相连构成断开式车桥，按结构特点又可分细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等（见图1-1）
图1-1各种悬架型式对比
按照弹性元件的种类，汽车悬架又可分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架。
按照作用原理分为被动悬架、主动悬架介于二者之间的半主动悬架。
本次设计的悬架为双横臂螺旋弹簧独立悬架。
1.1悬架设计的要求
如前所述，汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响了汽车的行驶车速、燃油经济性，该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多部件的动载，并进而影响到这些部件的使用寿命。
此外，悬架对整车操纵性稳定性、抗纵倾能力也有决定性的作用。
因而在设计悬架必须考虑以下几个方面的要求。
1、通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，即具有较低的振动频率，较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩或伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力。
2、合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性的要求。
3、导向机构的运动不应与转向杆系的运动干涉，否则可能引发转向摆振。
4、侧倾中心及纵倾中心恰当，汽车具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时。
能保证车身的稳定，避免汽车在制动和加速时的车身纵倾（“点头”和“后仰”）。
5、非悬挂质量尽量小。
6、便于布置；
零部件具有足够的寿命；
制造成本低；
便于维修、保养。
1.2悬架对汽车性能的影响
1.2.1悬架对汽车行驶平顺性的影响
悬架设计的主要目的之一是保证汽车具有良好的行驶平顺性，良好的汽车行驶平顺性不仅能保证乘员的舒适与所运货物的完整无损，而且还可以提高汽车的运输生产率，降低燃料消耗，延长零件使用寿命和提高零件的工作可靠性等。
汽车行驶平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理反应及对保持货物完整性的影响来制订的，并用表征振动的物理量，如频率、振幅、加速度、加速度变化等作为行驶平顺性的评价指标。
目前常用汽车车身振动的固有频率（低频）和振动加速度来评价汽车的行驶平顺性。
实验得知，为了汽车具有良好的行驶平顺性，车身振动的固有频率应为人体所习惯的步行时身体上下运动的频率，约为60～851/min（1Hz～1.6Hz），振动加速度的极限容许值为3～4m/s2。
因此，在设计汽车或进行实验分析时，除车身振动固有频率外，还应以车身振动加速度作为行驶平顺性的评价指标。
1、悬架弹性特性对汽车行驶平顺性的影响汽车是一个多质量的复杂的振动系统，为简化计算，可将汽车车身看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，其固有频率n可由下式确定：
n=
Hz（1-1）
式中g——重力加速度，g=9810mm/s；
c——悬架刚度，N/mm；
G——簧载重量，N。
因为G/C=f（f——重量G作用下的悬架的静挠度，mm），则
n=
Hz（1-2）
从式（1-1）和（1-22）看出，车身振动的固有频率n，由簧载重量G、悬架刚度c或悬架静挠度f决定。
而这种力和变形（G=c·
f）的关系曲线称为悬架的弹性特性。
由此可以看出，为了得到良好的平顺性，应当采用较软的悬架以降低偏频，但软的悬架在一定载荷下其变形也大，对一般轿车而言，悬架的工作行程即静挠度fc与动挠度fd之和应该不小于160mm，这里商务车悬架可适当减小一些，取150mm左右都可以。
为了同时满足在设计载荷位置附近的低刚度和有限的工作行程的要求，悬架必须设计成有非线性的弹性特性。
一般是靠增加上下行程限位块或辅助弹簧以及增加行程端点的刚度，非线性的悬架弹性特性可以采用适当的悬架结构（导向机构）或弹性元件（如加辅助弹簧、调节弹簧、空气弹簧等）来实现。
2、悬架系统中的阻尼对汽车行驶平顺性的影响当汽车悬架仅有弹性元件而无摩擦或减振装置时，汽车悬挂质量的振动将会延续很长时间，因此，悬架中一定要有减振的阻尼力，对于选定的悬架刚度，只有恰当的阻尼力才能发挥悬架的缓冲减振作用。
现代汽车悬架都装有专门的减振装置，即减振器，其减振的阻尼力F可用下公式表达；
F=kv（1-3）
式中：
k———减振器阻尼系数；
v———减振器活塞相对缸筒的运动速度。
在悬架系统中，引起振动衰减的阻尼来源很多。
例如，在有相对运动的摩擦副中，轮胎变形时橡胶分子间的摩擦，或在系统中装置减振器等。
对于各种悬架结构，以钢板弹簧悬架系统中的干摩擦最大，钢板弹簧叶片数目越多，摩擦越大。
所以，有的汽车采用钢板弹簧悬架时，可以不装减振器。
而采用其他内摩擦很小的弹性元件（如螺旋弹簧、扭杆弹簧等）的悬架，则需用减振器使自由振动衰减，以提高汽车行驶平顺性。
3、非簧载质量对汽车行驶平顺性的影响根据是否由悬架弹簧支撑，汽车的总质量可以分为悬挂质量和非悬挂质量两部分，在非独立悬架中还包括连接左右车轮的从动桥的整个刚性梁，或非断开式驱动桥的质量，包括主减速器、差速器以及半轴的质量，还有传动轴的部分质量。
为了获得良好的平顺性和操纵性，非悬挂质量应当尽量小，可以减少高频共振区车身振动加速度和减少车轮离开地面的几率。
因此，在汽车设计中，为提高汽车行驶平顺性，采用非簧载质量较小的独立悬架更为有利。
1.2.2悬架对汽车行驶稳定性的影响
与平顺性相比，操纵稳定性的评价指标要复杂得多，包括稳态、瞬态转向特性及保持直线行驶的能力。
悬架参数通过影响转向时的车轮载荷转移，车轮跳动或车身侧倾时车轮定位角的变化以及悬架与转向杆的运动干涉和整体桥的轴转向等影响汽车的操纵性。
1、悬架导向机构对车轮侧偏角（偏离角）影响从《汽车理论》得知，汽车应具有不足转向性，即前轮侧偏角大于后轮侧偏角（一般希望在向心加速度为0.4g时，前轮侧偏角减去后轮侧偏角=1～3°
），以便得到良好的行驶稳定性。
侧偏角的大小，不仅与侧向力的大小、轮胎的机械特性及法向载荷等有关，而且还与悬架导向机构的型式有关。
汽车转弯行驶时，在侧向惯性力的作用下，因悬架导向机构型式的不同，将对车轮倾斜角和轴转向有着不同的影响,双横臂式、纵置臂式和滑柱摆臂式导向机构的悬架，它们在侧向惯性力Y作用下使车轮与车身向着侧向力方向倾斜，故侧偏角增大。
而单横臂式导向机构的悬架则使车轮的倾斜方向与侧向惯性力方向相反，故侧偏角减小。
非独立悬架在侧向惯性力作用下，其车轮平面可认为未发生倾斜（不考虑轮胎的法向变形所引起的影响），车轮侧偏角数值不变,为了获得良好的行驶稳定性，在整车设计时，前后悬架应考虑不同型式的导向机构，以便得到合适的侧偏角关系，使整车具有所需的不足转向性。
例如，在前悬架中采用双横臂式、纵置臂式或滑柱摆臂式等独立悬架，而后悬架中采用非独立悬架或单横臂式独立悬架，就是一种能满足上述要求，比较满意的比配方案。
因而它广泛地应用在轿车设计中。
2、汽车的侧倾包括汽车车厢的侧倾中心的高度、悬架的侧倾角刚度（悬架的线刚度和悬架的侧倾角刚度）、车厢的侧倾角刚度。
3、导向机构对前轮定位的影响前轮定位参数随车轮上下跳动的变化特性，通常是从满载静平衡位置到车轮跳动40mm范围内的特性，首先应该考虑到车轮外倾角和主销后倾角的变化特性，车轮跳动时，外倾角的变化包括由车身侧倾产生的车轮外倾变化和车轮相对车身的跳动而引起的外倾变化两部分，在双横臂悬架中，前者使车轮像车身侧倾的方向倾斜，外倾角增大，增加不足转向；
后者引起的外倾角变化情况，取决于悬架上下横臂运动的几何关系。
在双横臂悬架中，往往是外倾角随弹簧压缩行程的增大而减小，这种变化与车身侧倾引起的外倾角变化相反，产生过多转向趋势，所以尽量减少车轮跳动引起的外倾角变化。
一般这里上下横臂的比值为（0.6～0.77）。
通常在车轮跳动全行程范围内，其车轮外倾角的变化不大于1～3度。
车轮的侧向位移不宜大于4～8mm，对于越野汽车不宜大于8～10mm。
此外，悬架对汽车的通过性、燃料经济性等都有很大影响。
性能良好的悬架，还可以保证汽车在较坏的路面上也能以经济车速的速度行驶，从而在某种程度上提高了汽车的燃料经济性。
第二章独立悬架及弹性元件的结构形式与分析
2.1独立悬架的结构型式与分析
根据导向机构不同的结构特点，独立悬架可分为：
双横臂，单横臂，纵臂式，单斜臂，多杆式及滑柱（杆）连杆（摆臂）式等等。
按目前采用较多的有以下三种形式：
（1）双横臂式，
（2）滑柱连杆式，（3）斜置单臂式。
按弹性元件采用不同分为：
螺旋弹簧式，钢板弹簧式，扭杆弹簧式，气体弹簧式。
采用更多的是螺旋弹簧。
1、双横臂独立悬架如图2-1所示为双横臂式独立悬架。
上下两摆臂不等长，选择长度比例合适，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。
这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。
双横臂的臂有做成A字形或V字形，如图2-2所示。
V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。
图2-1双横臂式独立悬架
不等臂双横臂上臂比下臂短。
当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。
这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。
这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。
图2-2不等臂式悬架
2、纵臂式独立悬架其摆臂在汽车纵向平面内摆动。
当车轮跳动时，车轮倾角和轮距保持不变，轴距有明显变化。
这种悬架又分为双纵臂式和单纵臂式两种。
双纵臂式独立悬架的两个摆臂长度相等。
当车轮跳动时，可保持主销后倾角不变，故适用于转向轮。
但由于横向刚度低，易产生摆头现象。
单纵臂独立悬架，由于车轮跳动时主销后倾角变化大，故转向轮不宜采用，但其结构较简单，可用于非转向的后轮。
3、滑柱摆臂式独立悬架（麦弗逊式或叫支柱式等）这种悬架目前在轿车中采用很多。
如图2-3所示。
滑柱摆臂式悬架将减振器作为引导车轮跳动的滑柱，螺旋弹簧与其装于一体。
这种悬架将双横臂上臂去掉并以橡胶做支承，允许滑柱上端作少许角位移。
内侧空间大，有利于发动机布置，并降低车子的重心。
车轮上下运动时，主销轴线的角度会有变化，这是因为减振器下端支点随横摆臂摆动。
以上问题可通过调整杆系设计布置合理得到解决。
图2-3麦弗逊式悬架
4、斜置单臂式独立悬架这种悬架是单横臂和单纵臂独立悬架的折衷方案。
其摆臂绕与汽车纵轴线具有一定交角的轴线摆动，选择合适的交角可以满足汽车操纵稳定性要求。
这种悬架适于做后悬架。
5、多杆式独立悬架独立悬架中多采用螺旋弹簧，因而对于侧向力，垂直力以及纵向力需加设导向装置即采用杆件来承受和传递这些力。
因而一些轿车上为减轻车重和简化结构采用多杆式悬架。
2.2弹性元件的特定分析比较
悬架的弹性元件的种类繁多，如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧（空气弹簧、油气弹簧）、橡胶弹簧等，在此不作一一介绍。
弹性元件的选择主要是根据悬架的结构和性能的要求进行。
选用不同的弹性元件可以具有不同的悬架结构形式。
同一种悬架结构中也可以采用不同的弹性元件。
同一种弹性元件又可以与不同的导向机构组合成非独立悬架和独立悬架。
本次商务车悬架结构为前独立悬架，前悬架采用双横臂式独立悬架，圆截面螺旋弹簧，带横向稳定杆。
主要结构如图2-4
图2-4双横臂螺旋弹簧独立悬架
该悬架上下横臂均采用V型结构，这样便于前置发动机的安装及车身的布置。
其主要特点是主销内倾角（前轮胎外倾角）及前束在车轮上下运动时是随时间变化的，而主销后倾角在运动中是保持不变的。
主销后倾角在运动中保持不变可以使汽车在制动时保持适当的抗前俯率，另外也可避免前轮摆振及减小转向盘上的变化。
第三章螺旋弹簧悬架设计
3.1悬架基本参数的选定
3.1.1悬架静挠度
悬架静挠度是指汽车满载时悬架上的载荷与此时悬架刚度之比。
汽车前后悬架与其簧载质量组成的振动系统的固有频率是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。
因现代汽车的质量分配系数接近1，于是汽车前后轴上方车身两点的振动不存在联系。
因此，前后部分的车身的固有频率为：
n=
（3-1）
此处c为悬架的刚度（N/cm）；
m为簧上质量（kg）。
采用悬架弹性特性为线性变化的悬架时，前后悬架的静挠度可用下式表示
f
=
（3-2）
式中，g为重力加速度（g=981cm/s2）。
将式3-2代入式3-1得
（3-3）
由上式可知，悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频。
因此，欲保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确的选取悬架的静挠度。
对乘用车，一般前悬架要求偏频为1～1.45Hz，后悬架为1.17～1.58Hz，且汽车的级别越高，则n越小。
此处取n1=1.2，则fc1=174mm。
在选择前、后悬架的静挠度时，应当使之接近，并希望后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。
对乘用车，一般fc2=（0.8～0.9）fc1。
此处取fc2=0.8fc1=139mm。
一般情况下动挠度fd=（0.5～0.7）fc，取fd=90mm。
降低悬架系统的振动频率和增大悬架的静挠度可以提高汽车行驶的平顺性，但需要说明的是，增大悬架的静挠度会带来一些新的矛盾，主要有以下几点：
1、静挠度增大后，为使汽车不经常碰撞缓冲块，就要求相应地增加动挠度，这就势必抬高车架上各总成的高度，提高汽车的重心，同时，在汽车振动时和载荷增减时，汽车高度将会显著的变化，这些都对汽车行驶稳定性产生不利影响。
2、静挠度增大后，弹簧显得很软，在紧急制动时会产生严重的汽车“点头”现象；
在转弯时，由于悬架侧倾刚度的降低，会使车身产生较大的侧倾角，这些对乘坐舒适性都是不利的。
3、静挠度和动挠度增大后，车轮垂直位移增大，对行驶稳定性不利。
4、增大静挠度对纵置钢板弹簧而言，要增大弹簧长度，使布置发生困难，同时增加弹簧重量。
3.1.2上下横臂长度的确定
双横臂式独立悬架的上、下臂长度对车轮上、下跳动时前轮的定位参数影响很大。
现代轿车所用的双横臂式前悬架，一般设计成上横臂短、下横臂长。
这一方面考虑到布置发动机方便，另一方面也是为了得到理想的悬架特性。
现代轿车设计时，l2/l1取为0.6～1.0之间。
美国克莱斯勒和通用汽车公司分别认为，上下横臂长度之比取0.7和0.66为最佳。
根据我国汽车设计经验，在初选尺寸时，l2/l1取0.65为宜。
下表是国外一些轿车的上下臂长及球销距的尺寸：
表3-1国外轿车独立悬架的一些参数
车牌名
上臂长
A，mm
下臂长
C，mm
球销距
B，mm
奔驰600（西德）
伏尔加（苏）
雷诺（法）
王子（日）
伏克斯豪尔（英）
雪佛兰（美）
330
200
215
245
250
190
479
445
350
305
380
256
0.702
0.45
0.61
0.80
0.66
0.60
1.29
0.8
1.07
1.22
1.25
0.89
由同类汽车类比，此处取l1=326mm，l2=212mm。
上下横臂铰点间距离为200mm。
3.1.3簧载质量的确定
按照本次设计汽车的参数知：
汽车总质量为1430k
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