某SUV汽车多连杆后独立悬架设计与分析.docx

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某SUV汽车多连杆后独立悬架设计与分析

某SUV汽车多连杆后独立悬架设计与分析

摘要

近年来，随着汽车工业的快速发展，人们对汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性的要求越来越高，因此对汽车的悬架系统也提出了更高的要求。

多连杆式独立悬架以其综合指标过硬、兼顾操控性和行驶舒适性在内的多种特性受到广大消费者的青睐。

然而多年以来，结构复杂、成本高昂、舒适性较好的多连杆式独立悬架只用于豪华轿车，或少部分定位较高端的中高级别轿车。

伴随着汽车制造技术的不断提升，零部件单位生产成本逐步降低，汽车厂商们开始更多的在低端轿车上装备这种结构复杂、性能优异的悬架，以此来提高车辆在行驶过程中的综合表现，并在同级别车型中形成鹤立鸡群的效应。

我这次设计的奔驰GLK300的悬架系统正是符合大众的需求，采用多连杆式独立悬架。

本次设计的主要内容是：

奔驰GLK300SUV的后悬架系统的设计，后悬架采用目前较为流行的多连杆式独立悬架系统。

减振器采用双作用液力减振器，并对其进行参数计算。

对导向机构和横向稳定杆进行结构计算及强度校核。

采用CATIA软件对多连杆式独立悬架的零件进行建模并对悬架进行装配。

同时采用CATIA软件对悬架的性能进行分析，论证悬架系统设计参数的合理正确性。

在这次设计中，采用了性能较好的多连杆式独立悬架系统，虽然多连杆式独立悬架还未广泛应用于中低端轿车，但随着成本的降低，此悬架系统将越来越多的得到使用。

通过CATIA软件对悬架系统的建模及对其进行仿真优化，验证了多连杆式独立悬架的优异性能。

因此，这次设计的悬架系统具有广泛的发展前景。

关键词：

多连杆；独立悬架；仿真优化；CATIA

ASUVmulti-linkindependentrearsuspensionofautomobiledesignandanalysis

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofautomobileindustry,peopleonthehandlingstabilityandridingcomfortoftheincreasinglyhighdemand,sothecar'ssuspensionsystemisalsoputforwardhigherrequirements.Multi-linkindependentsuspensionwithitscomprehensiveindex,considerationofdifferentcharacteristicsofexcellenthandlingandridecomfort,favoredbythevastnumberofconsumers.However,overtheyears,complexstructure,highcost,comfortgoodmulti-linkindependentsuspensionisusedonlyforluxurycars,orafewmorehigh-endpositioninginhigh-gradecar.Alongwiththeautomobilemanufacturingtechnologycontinuestoimprove,sparepartsproductioncostsperunitdecreasegradually,theautomobilemanufacturersbeganmoreequipmentofthisstructureinthelow-endcarscomplex,excellentperformanceofsuspension,inordertoimprovethecomprehensiveperformanceofvehiclesintheprocess,andtheeffectofforminginthesamestandheadandshouldersaboveothersdon'tmodels.SuspensionsystemIthedesignoftheMercedes-BenzGLK300isinlinewiththeneedsofthepublic,themulti-linkindependentsuspension.

Thedesignofthemaincontentis:

thedesignofrearsuspensionsystemoftheMercedes-BenzGLK300SUV,rearsuspensionusesthepopularmulti-linkindependentsuspensionsystem.Damperadoptsdoubleactinghydraulicshockabsorber,andparametercalculationofits.Theguidemechanismandatransversestablerodstructurecalculationandstrengthcheck.ThecomponentsofCATIAsoftwareformulti-linkindependentsuspensionmodelingandassemblyofsuspension.AtthesametimewereanalyzedbyCATIAsoftwareperformanceofsuspension,reasonabledesignparameterargumentationsuspensionsystem.

Inthisdesign,themulti-linkindependentsuspensionsystemwithbetterperformance,althoughthemulti-linkindependentsuspensionisnotwidelyusedinthelow-endcars,butwithlowercosts,thissuspensionsystemwillbemoreandmoreuse.ThroughtheCATIAsoftwaremodelofsuspensionsystemandsimulationandoptimizationofits,verifythemulti-linkindependentsuspensionperformance.Therefore,thedesignofthesuspensionsystemhasabroaddevelopmentprospects.

Keywords：

Connectingrod；independentsuspension；Simulationoptimization；CATIA

结论与展望

致谢…………………………………………………………………………………………………9

参考文献………………………………………………………………………………………10

附录……………………………………………………………………………………………11

引言

近年来，随着汽车工业的快速发展，人们对汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性提出了更高的要求，而车辆悬架决定和影响车辆行驶的平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性。

当前非独立悬架系统逐步被淘汰，独立悬架系统因其车轮触地性良好、乘坐舒适性及操纵安定性大幅提升、左右两轮可自由运动、轮胎与地面的自由度大、车辆操纵性较好等优点目前被汽车厂家普遍采用。

而在独立悬架系统中，麦弗逊式悬架系统与拖拽臂式悬挂系统的使用居多。

作为综合性能更好的多连杆式独立悬挂系统因为制造成本的原因，应用的还不是很广泛。

但随着汽车制造技术的不断提升，汽车厂商们得以逐渐降低零部件的生产成本，多连杆式独立悬架系统将会得到广泛的使用。

作为汽车研究的一大热点，有关悬架的期刊或论文虽然较多，但国内关于悬架系统的专著却是屈指可数。

无论是在图书馆，还是在网上查找，可查阅的书籍都为数不多。

第1章概述

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梅赛德斯-奔驰CLK车型多连杆悬架

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2章悬架分类及选择

2.1非独立悬架

非独立悬挂系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身的下面。

非独立悬挂系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。

非独立悬架独立悬架

2.2独立悬架

独立悬挂系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身下面的。

其优点是：

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，独立悬挂系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。

现代轿车大都是采用独立式悬挂系统，按其结构形式的不同，独立悬挂系统又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬挂系统等。

与非独立悬架相比其优点有：

1）非悬挂质量小，悬架所受带的并传给车身的冲击载荷小，有利于提高汽车的行驶平顺性及轮胎的接地性能；

2）左右车轮的跳动没有直接的相互影响，可减少车身的倾斜和振动；

3）占用横向空间少，便于发动机布置，可以降低发动机的安装位置，从而降低汽车质心位置，有利于提高汽车的行驶稳定性；易于实现驱动车轮转向

2.2.1横臂式悬挂系统

横臂式悬挂系统是指车轮在汽车横向平面内摆动的独立悬挂系统，按横臂数量的多少又分为双横臂式和单横臂式悬挂系统。

单横臂式具有结构简单，侧倾中心高，有较强的抗侧倾能力的优点。

但随着现代汽车速度的提高，侧倾中心过高会引起车轮跳动时轮距变化大，轮胎磨损加剧，而且在急转弯时左右车轮垂直力转移过大，导致后轮外倾增大，减少了后轮侧偏刚度，从而产生高速甩尾的严重工况。

单横臂式独立悬挂系统多应用在后悬挂系统上，但由于不能适应高速行驶的要求，目前应用不多。

双横臂式独立悬挂系统按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬挂系统。

等长双横臂式悬挂系统在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大（与单横臂式相类似），造成轮胎磨损严重，现已很少用。

对于不等长双横臂式悬挂系统，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置、就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。

目前不等长双横臂式悬挂系统已广泛应用在轿车的前后悬挂系统上，部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬挂系统结构。

2.2.2多连杆式悬挂系统

多连杆式悬挂系统是由（3—5）根杆件组合起来控制车轮的位置变化的悬挂系统。

多连杆式能使车轮绕着与汽车纵轴线成二定角度的轴线内摆动，是横臂式和纵臂式的折衷方案，适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角，可不同程度地获得横臂式与纵臂式悬挂系统的优点，能满足不同的使用性能要求。

多连杆式悬挂系统的主要优点是：

车轮跳动时轮距和前束的变化很小，不管汽车是在驱动、制动状态都可以按司机的意图进行平稳地转向，其不足之处是汽车高速时有轴摆动现象。

2.2.3纵臂式悬挂系统

纵臂式独立悬挂系统是指车轮在汽车纵向平面内摆动的悬挂系统结构，又分为单纵臂式和双纵臂式两种形式。

单纵臂式悬挂系统当车轮上下跳动时会使主销后倾角产生较大的变化，因此单纵臂式悬挂系统不用在转向轮上。

双纵臂式悬挂系统的两个摆臂一般做成等长的，形成一个平行四杆结构，这样，当车轮上下跳动时主销的后倾角保持不变。

双纵臂式悬挂系统多应用在转向轮上。

2.2.4烛式悬挂系统

烛式悬挂系统的结构特点是车轮沿着刚性地固定在车架上的主销轴线上下移动。

烛式悬挂系统的优点是：

当悬挂系统变形时，主销的定位角不会发生变化，仅是轮距、轴距稍有变化，因此特别有利于汽车的转向操纵稳定和行驶稳定。

但烛式悬挂系统有一个大缺点：

就是汽车行驶时的侧向力会全部由套在主销套筒的主销承受，致使套筒与主销间的摩擦阻力加大，磨损也较严重。

烛式悬挂系统现已应用不多。

2.2.5麦弗逊式悬挂系统

麦弗逊式悬挂系统的车轮也是沿着主销滑动的悬挂系统，但与烛式悬挂系统不完全相同，它的主销是可以摆动的，麦弗逊式悬挂系统是摆臂式与烛式悬挂系统的结合。

与双横臂式悬挂系统相比，麦弗逊式悬挂系统的优点是：

结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂，给发动机及转向系统的布置带来方便；与烛式悬挂系统相比，它的滑柱受到的侧向力又有了较大的改善。

麦弗逊式悬挂系统多应用在中小型轿车的前悬挂系统上，保时捷911、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等轿车的前悬挂系统均为麦弗逊式独立悬挂系统。

虽然麦弗逊式悬挂系统并不是技术含量最高的悬挂系统结构，但它仍是一种经久耐用的独立悬挂系统，具有很强的道路适应能力。

2.2.6主动悬挂系统

主动悬挂系统是近十几年发展起来的、由电脑控制的一种新型悬挂系统。

它汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。

例如装置了主动悬挂系统的法国雪铁龙桑蒂雅，该车悬挂系统系统的中枢是一个微电脑，悬挂系统上的5种传感器分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。

电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬挂系统状态。

同时，微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬挂系统运动。

因此，桑蒂雅轿车备有多种驾驶模式选择，驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳的悬挂系统状态，以求最好的舒适性能。

主动悬挂系统具有控制车身运动的功能。

当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬挂系统会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。

例如德国奔驰2000款Cl型跑车，当车辆拐弯时悬挂系统传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度。

电脑根据传感器的信息，与预先设定的临界值进行比较计算，立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬挂系统上，使车身的倾斜减到最小。

我此次设计所选择的悬架为多连杆式独立悬架系统。

2.3辅助元件

2.3.1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，现代轿车的悬架垂直刚度都较小，使得汽车的侧倾角刚度值也很小，导致汽车转弯时车身侧倾严重，影响了汽车行驶过程中的稳定性。

因此，现代汽车大多都装有横向稳定杆如图2-1所示以此来加大悬架的侧倾角刚度从而改善汽车行驶稳定性。

选择恰当的前、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横向稳定杆。

汽车转弯时产生侧倾力矩，使内外侧车轮的负荷发生转移，并且影响车轮侧偏角刚度和车轮侧偏角的变化。

前后轴车轮负荷的转移大小，主要取决于前后悬架的侧倾角刚度值。

当前后悬架侧倾角刚度值大于后悬架的侧倾角刚度值时，前轴的负荷大于后轴车轮的负荷转移，并使前轮侧倾角大于后轮的侧倾角，以保证汽车具有不足转向特性。

在汽车悬架上设计横向稳定器，能增大前悬架的侧倾角刚度。

2.3.2缓冲块

缓冲块一般有两种，即橡胶制造和多孔聚氨酯制造。

缓冲块通常采用如图2-2的橡胶制造。

橡胶制造的通过硫化将橡胶与钢板连为一体，再焊接在钢板上的螺钉将缓冲块固定在车身上，起到限制悬架最大行程的作用。

有些汽车装用的缓冲块为多孔聚氨脂制造。

它兼由辅助弹性元件的作用。

多孔聚氨脂是一种很高强度的和耐磨性能的复合材料。

这种材料起泡时形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡不受损失。

由于在材料中有封闭的气泡，在载荷下压缩，但其外轮廓尺寸变化却不大，这点与橡胶不同。

综合考虑，本次设计选择多孔聚氨脂制成的缓冲块。

图2-2缓冲块

第3章悬架参数计算

3.1参数选定

3.1.1自振频率

汽车前、后悬架与其簧上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。

由于现代汽车的质量分配系数ε近似等于1，因此汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。

用途不同的汽车，对平顺性的要求也不同。

以运送人为主的乘用车，对平顺性的要求最高，客车次之，货车更次之。

对发动机排量在1.6L以下的乘用车，前悬架满载偏频要求在1.00～1.45Hz，后悬架则要求在1.17～1.58Hz。

原则上，乘用车的发动机排量越大，悬架的偏频应越小，要求满载前悬架偏频在0.80～1.15Hz，后悬架则要求在0.98～1.30Hz。

货车满载时，前悬架偏频要求在1.50～2.10Hz，而后悬架则要求在1.70～2.1