现代suv轿车悬架系统设计方案说明书.docx

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现代suv轿车悬架系统设计方案说明书

第一章绪论1

1.1悬架系统概述1

第二章前、后悬架结构的选择4

2.1前、后悬架结构方案4

2.2辅助元件5

2.2.1横向稳定杆5

2.2.2导向机构6

第三章技术参数确定与计算7

3.1主要技术参数7

3.2悬架性能参数确定7

3.3悬架静挠度8

3.4悬架动挠度8

3.5悬架弹性特性曲线8

第四章弹性元件的设计计算10

4.1前悬架弹簧（麦弗逊独立悬架）10

4.1.1弹簧中径、钢丝直径及结构形式10

4.1.2弹簧圈数10

4.2后悬架弹簧（四连杆非独立悬架）11

4.2.1弹簧中径、钢丝直径及结构形式11

4.2.2弹簧圈数11

第五章悬架导向机构的设计13

5.1导向机构设计要求13

5.2麦弗逊独立悬架示意图13

5.3导向机构受力分析14

5.4导向机构的布置参数15

5.4.1侧倾中心15

第六章横向稳定杆的设计17

第七章减振器设计20

7.1减振器概述20

7.2减振器分类20

7.3减振器主要性能参数21

7.3.1相对阻尼系数确定21

7.3.2减震器阻尼系数21

7.4最大卸荷力22

7.4.1前悬架的最大卸荷力22

7.4.2后悬架的最大卸荷力22

7.5筒式减振器主要尺寸23

7.5.1筒式减振器工作直径23

7.5.2油筒直径24

第八章平顺性分析25

8.1平顺性概念25

8.2汽车的等效振动分析25

8.3车身加速度的幅频特性28

8.4相对动载Fd/G，对Q的幅频特性28

8.5影响平顺性的因素30

第9章结论31

参考文献32

致谢33

附录Ⅰ34

外文翻译34

译文37

附录Ⅱ39

1．车身加速度的幅频特性曲线程序39

2.相对动载的幅频特性曲线41

第一章绪论

1.1悬架系统概述

悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。

图1-1悬架系统结构图

悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。

从外表上看如图1-1，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。

比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。

悬架最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。

悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，悬架系统必须能满足这些性能的要求:

首先，悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性，对以载人为主要目的的轿车来讲，乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值。

其次，悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。

再次，要能保证汽车有良好的操纵稳定性，一方面悬架要保证车轮跳动时，车轮定位参数不发生很大的变化，另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。

还有就是要保证车身在制动、转弯、加速时稳定，减小车身的俯仰和侧倾。

最后要保证悬架系统的可靠性，有足够的刚度、强度和寿命。

所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。

由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。

冲击力传到车架和车身时，可能引起汽车基件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒服，货物也可能受到损伤。

为了缓和冲击，在悬架中必须装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间作弹性联系。

但弹性系统在受到冲击后，将产生振动。

在持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。

故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减。

为此，在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减振器。

车轮相对于车架和车身跳动时，车轮的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车行驶性能有不利的影响。

因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用的导向机构。

在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向行驶等情况下发生大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件横向稳定杆。

汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。

该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。

此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。

因而在设计悬架时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，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要求；

3）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；

4）侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾（即所谓“点头”和“后仰”）；

5）悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小；

6）便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间；

7）所有零部件应具有足够的强度和使用寿命；

8）制造成本低；

9）便于维修、保养。

为了满足汽车具有良好的行使平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应适应于合适的频段，并尽可能的低。

前后悬架的固有频率的匹配应合理，对轿车，要求前悬架的固有频率略低于后悬架的固有频率，还要求尽量避免悬架撞击悬架。

在簧上质量变化的情况下，车身的高度变化要小，因此，要用非线性弹性特性的悬架。

汽车在不平的路面上行使时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动，为了迅速衰减这种振动和抑制车身、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。

利用减振器的阻尼作用，使汽车的振动幅度连续减小，直至振动停止。

要正确的选择悬架的方案参数，在车轮上下跳动时，使主销的定位参数变化车架、车轮运动与到导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之具有不足转向特性。

独立悬架导向杆系数铰接处多用橡胶的衬套，能隔绝车轮来自不平路面上的冲击向车身的传递。

悬架设计的主要目的之一是确保汽车良好的行驶平顺性，也是汽车的重要使用性能之一，汽车行驶时振动越剧烈，则平顺性越差，不仅影响到成员的乘坐舒适性和货物的安全可靠的运输，还影响到汽车的多种使用性能的发挥和系统寿命，也影响汽车的燃油经济性和运输效率。

由于汽车行驶平顺性涉及的对象是“路面---汽车---人”构成的系统,因此影响汽车行驶平顺性的主要因素是路面的不平（它是震动的起源）和汽车的悬架、轮胎、座椅、车身等总成部件的特性---包括刚度、频率、阻尼和惯性参数（质量、转动惯量等）产生变化和破坏。

为此，通过对影响汽车平顺性因素的分析，建立具有代表性的二由度汽车振动系统动力学模型，并运用随机振动理论，计算出悬架动挠度、车轮与路面间的相对动载荷、响应均方根值等参量，同时利用汽车主要参数数据，利用MATLAB对汽车平顺性进行仿真，通过仿真分析各种因素和主要参数对汽车平顺性的影响，以达到参数调整和优化设计的目的。

此外,本文通过对汽车平顺性进行预估，可以提高汽车设计质量，缩短研发和设计周期，具有极其重要的理论意义和实用价值。

第二章前、后悬架结构的选择

2.1前、后悬架结构方案

目前轿车的前后悬架采用的方案有：

前轮和后轮均采用独立悬架；前轮用独立悬架，后轮用非独立悬架。

我所设计的是前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架。

因为独立悬架具有如下优点是：

质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。

不过，独立悬架存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点；非独立悬架结构简单，成本低，维修方便，工作可靠等优点。

本次设计为：

前悬架为目前较为流行的麦弗逊式悬架，后悬架为近似于独立悬架的四连杆非独立悬架。

如图2—1所示，麦弗逊式独立悬架也称滑柱连杆式悬架，它是由滑动立柱和横摆臂组成。

该结构可看做是烛式悬架的改进型，由于增加了横摆臂改善了滑动立柱的受力状况。

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2-1麦弗逊式独立悬架

筒式减振器装在滑柱桶内，滑柱桶与转向节刚性连接，螺旋弹簧安装在滑柱桶及转向节总成上端的支承座内，弹簧上端通过软垫支承在车身连接的前簧上座内，滑柱桶的下端通过球铰链与悬架的横摆臂相连。

当车轮上下运动时，滑柱桶及转向节总成沿减振器活塞运动轴线移动，同时，滑柱桶的下支点还随横摆臂摆动。

该悬架突出的优点是增大了两前轮内侧的空间，便于发动机和其他一些部件的布置；其缺点是滑动立柱摩擦和磨损较大。

为减少摩擦通常是将螺旋弹簧中心线与滑柱中心线的布置不相重合。

另外，还可将减振器导向座和活塞的摩擦表面用减磨材料制成，以减少磨损。

但麦弗逊式悬架在使用中也有缺点，就是行驶在不平路面时，车轮容易自动转向，故驾驶者必须用力保持方向盘的方向，当受到剧烈冲击时，滑柱易造成弯曲，因而影响转向性能，减振器活塞杆受的侧向力较大，从而摩擦力大。

麦弗逊式独立悬架是目前前置前驱动轿车和某些轻型客车首选的较好的悬架结构形式。

四连杆非独立悬架的结构简单，质量轻，制造成本低，维修方便，工作可靠；而四连杆非独立悬架近似于独立悬架，它分别通过上连杆，车桥横向拉杆，纵向控制臂与车身和整体式车桥相连接。

前后方向的力由纵向控制臂承受；侧面的力由上连杆和车桥横向拉杆承受，悬架系统的刚性较好。

弹性元件采用螺旋弹簧并配以筒式减振器，实现缓和路面不平产生的冲击载荷。

通过设计来获得满意的操纵稳定性和平顺性。

所以本次设计的前、后悬架分别为麦弗逊式独立悬架和四连杆非独立悬架。

2.2辅助元件

2.2.1横向稳定杆

图2-3横向稳定器

为了降低汽车固有振动频率以改善行驶平顺性，现代轿车悬架垂直刚度都较小，而使汽车的侧倾角刚度值也很小，使汽车转弯时车身侧倾严重，影响了汽车的行驶稳定性。

为此，现代汽车大多装有横向稳定杆如图2-3所示来加大悬架的侧倾角刚度来改善汽车行驶稳定性。

恰当的选择前、后悬架的侧倾角刚度比值，也有助于使汽车获得所需要的不足转向特性。

通常，在汽车的前、后悬架中都装有横向稳定杆，或者只在前悬架中安装。

汽车转弯是产生侧倾力矩，使内外侧