微型轿车悬架系统设计计算部分.docx

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微型轿车悬架系统设计计算部分

微型轿车前独立悬架设计

目录

1绪论.............................................................................................................................1

1.1课题背景及研究意义..........................................................................................1

1.2课题来源、要求和研究方法..............................................................................2

1.2.1课题来源和要求........................................................................................2

1.2.2研究方法....................................................................................................2

1.2.3研究目的和主要内容...............................................................................2

1.3原型车的麦弗逊式悬架.............................................................................3

1.3.1麦弗逊式悬架的特点................................................................................3

1.3.2麦佛逊式悬架的经济性分析....................................................................3

2麦佛逊式悬架的设计计算.........................................................................................5

2.1悬架的总体布置方案和相关参数的计算...........................................................5

2.1.1悬架的总体布置方案.................................................................................5

2.1.2麦弗逊悬架的结构分析.............................................................................6

2.1.3悬架总体参数的计算.................................................................................6

2.2螺旋弹簧的设计计算.........................................................................................7

2.2.1螺旋弹簧材料的选择................................................................................7

2.2.2弹簧的受力及变形....................................................................................7

2.2.3弹簧几何参数的计算..............................................................................10

2.2.4计算结果的处理......................................................................................11

2.3横向稳定杆的设计计算....................................................................................13

2.3.1横向稳定杆的作用..................................................................................13

2.3.2横向稳定杆的设计计算..........................................................................13

2.4减震器的设计与选型........................................................................................15

2.4.1减振器类型的选择..................................................................................15

2.4.2主要性能参数的选择..............................................................................16

2.4.3主要尺寸的确定......................................................................................17

2.4.4计算结果的处理......................................................................................17

湖南大学毕业设计（论文）第2页

2.5弹簧限位缓冲块的设计....................................................................................17

3麦佛逊式悬架导向机构的仿真与优化...................................................................20

3.1独立悬架导向机构...........................................................................................20

3.2麦弗逊式悬架系统物理模型的建立...............................................................20

3.3导向机构运动学分析.......................................................................................21

3.3.1数学准备................................................................................................21

3.3.2导向机构运动学计算.............................................................................23

3.4基于MATLAB软件的运动特性仿真分析....................................................26

3.4.1实际问题中的悬架参数..........................................................................26

3.4.2MATLAB仿真程序的建立.....................................................................27

3.4.3仿真结果及分析......................................................................................28

3.5基于MATLAB软件转向横拉杆断开点的优化计算....................................31

3.5.1麦佛逊式悬架导向机构对转向梯形的影响..........................................31

3.5.2麦弗逊悬架转向横拉杆断开点位置的优化..........................................32

3.5.4优化结果分析..........................................................................................36

4关键零部件的校核...................................................................................................38

4.1螺旋弹簧的强度校核.......................................................................................38

4.2横向稳定杆的强度校核...................................................................................39

1绪论

1.1课题背景及研究意义

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轮弹性地连接起来。

悬架需要传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，使汽车获得高速的行驶能力和理想的运动特性。

悬架对于整车的意义重大。

[1]

鉴于悬架设计在汽车特别是在轿车总成开发中的重要地位，天津夏利汽车公司一直非常重视悬架总成的设计开发。

悬架本身的性能特点、与整车的匹配关系等直接决定了汽车的行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性，进而影响着整车的档次和价格。

因此，对悬架的研究有着重要的实用意义。

本论文是基于某车的改型总体方案要求进行的，与生产实际结合较紧密。

通过对悬架系统中重要零部件的设计、计算和校核；各定位参数涵义及其对整车动力学性能影响的分析，初步达到介绍悬架设计全过程目的，具有很强的操作性，能够为夏利轿车的生产实际提供一定意义上的指导。

1.2课题来源、要求和研究方法

1.2.1课题来源及要求

本课题来源于生产实际设计微型轿车的悬架系统。

在此设计中需要完成悬架中关键零部件的设计计算和校核、减振器的选型、导向机构的仿真等。

另外，设计还需包括悬架系统部分零件的二维零件图、装配图和三维装配图的绘制。

本设计从生产实际中来，因此，设计的方法和结果应对生产实际具有一定的指导作用。

1.2.2研究方法

在设计时首先考虑改型车的总体方案要求，在借鉴原型车悬架系统结构的基础上，提出改型车悬架系统的总体方案。

接着，根据悬架总体方案，进行悬架系统各零部件的设计计算，在计算时应重点计算对悬架整体性能影响较大的零部件如：

螺旋弹簧、横向稳定杆、减振器等。

然后，运用CAD工具进行悬架系统的实体建模和二维零件图的绘制；最后，利用计算机仿真手段对悬架系统的运动学特性进行仿真分析。

1.3研究目的和主要内容

本文的研究对象是微型轿车悬架系统。

通过对悬架弹性元件的计算、分析，导向机构的仿真和优化，可以验证悬架中关键零部件的可行性，掌握悬架的适用范围和使用条件，改善整车的行驶平顺性和操纵稳定性。

在此基础上文章还进一步提出和悬架性能有着密切关系的转向横拉杆断开点位置的优化方案，并对仿真结果进行了剖析。

具体内容包括：

（1）根据原型车的设计要求和布置方案对悬架中的弹性元件、减振器、缓冲限位块等重要零部件进行了设计计算和可行性校核；

（2）运用空间坐标变换理论和空间刚体运动学原理，通过对悬架的简化和抽象，将实物模型转成可供分析和研究的物理模型和数学模型；（3）运用MATLAB软件的混合编程工具对建立的数学模型进行封装，对得到的悬架性能评定参数：

车轮外倾角、主销后倾角等车轮定位参数讨论分析，并以此为根据来评定所设计悬架的性能；

（4）提出转向横拉杆断开点位置的优化设计方案，运用MATLAB软件加以实现，通过优化前后干涉量与车轮跳动量关系曲线的对比分析，提出断开点位置的改进方案。

1.3原型车的麦弗逊悬架

原型车的悬架结构形式为麦弗逊式。

从其和整车的匹配效果来看，麦弗逊式独立悬架较为出色地完成了所承担的任务，能够充分发挥自身的优点；从经济性的角度来看，装有麦式悬架的整车能够适应市场需要，市场反映良好，这在我国的出租车市场上得到了充分的体现。

当然，这两种表现都和麦弗逊式独立悬架的特点密不可分。

1.3.1麦弗逊式悬架的特点

麦弗逊悬架一般用于轿车的前轮。

与其它悬架系统相比，麦弗逊式悬架系统具有结构简单，紧凑，占用空间少，性能优越等特点。

麦式悬架还具有较为合理的运动特性，能够保证整车性能要求[24]􀀀。

虽然麦弗逊悬挂在行车舒适性上的表现令人满意，其结构简单体积不大，可有效扩大车内乘坐空间，但也由于其构造为滑柱式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头等性能较差。

1.3.2麦佛逊式悬架的经济性分析

自20世纪30年代美国通用汽车的一名工程师麦弗逊（McPherson）发明了麦弗逊式悬架以来，麦弗逊式独立悬架已成为使用量最多的悬架结构形式之一[5]。

从宝马M3，保时捷911等高性能车，到菲亚特STILO，福特FOCUS和国产的夏利、哈飞面包车等前悬挂采用的都是麦弗逊式悬架。

麦弗逊式悬架的有效性和经济型已经得到了无数事实的佐证。

随着世界能源的日益匮乏，微型汽车和节能汽车已成为世界汽车工业发展的一个重要方向，小排量汽车和经济型汽车的推广势必会带来麦弗逊式独立悬架更为广泛的运用，麦弗逊式悬架的经济性也将得到充分的体现。

麦弗逊式悬架最大的设计特点就是结构简单，结构简单能带来两个直接好处是：

悬挂质量轻和占用空间小。

我们知道，汽车的质量是影响汽车燃油经济性的一个关键因素，减轻悬架的质量进而减轻整车的质量就可以有效地降低汽车的油耗，从而达到减少能源消耗和降低使用成本的目的；同样，由于麦式悬架有着结构紧凑、占用空间小等结构特点，这就使汽车的前置前驱式布置方案（FF）成为可能。

这样，不仅省去了采用前置后驱式布置（FB）时所使用的驱动轴，减轻了汽车的质量降低了油耗，还缩小的整车的尺寸，便于汽车向着微型化方向发展。

当然，和其它结构形式的悬架相比从使用经济性角度来讲，麦弗逊式悬架也存在一定的不足。

我们知道，悬挂属于运动部件，在汽车运行过程中，悬架将要承受来之路面和车身各个方向的力和力矩。

对于麦弗逊式悬架这些冲击载荷将完全由减振器支柱和下摆臂来承受，所以这些部位较易发生几何变形，进而使零件损害造成悬架的失效。

2麦弗逊式悬架的设计计算

2.1悬架的总体布置方案和相关参数的计算

原始参数：

整备质量m0

968kg

轮距前/后

1295/1260mm

轴距

2340mm

2.1.1悬架的总体布置方案

此改型车是一款小排量的微型轿车，总体参数要求见表2.1。

从表中给出的数据来看，改型车在轴荷、车轮定位参数都和原型车不同，但变化不大。

鉴于设计时间、经济性以及麦弗逊式悬架特点方面的考虑，改型车的前悬架仍采用麦弗逊式悬架（结构如图2.1所示），但需要对其相关零部件重新进行计算和选择，同时还需对它的可行性进行仿真和校核。

在空载的状态下，其前后轴荷分配为66%和34%，即空载时前轴轴荷为639kg；在满载状态下，其前后轴荷分配为60%和40%，即满载时前轴轴载即设计状态下的前轴轴荷为710kg；对于轿车驱动桥，采用独立悬架的非悬挂质量为

，在本设计中，可取其非悬挂质量即前桥左右悬架的总质量为mu=73kg；对普通及以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求在

，故该车型前悬架设计偏频选为n1=1.31Hz，参照奇瑞QQ的参数选取前悬架的车轮定位参数。

设计参数设定

设计状态下的前轴轴荷m1

710kg

空载时的前轴轴载m1'

639kg

前桥左右悬架的总质量mu

73kg

前悬架的设计偏频n1

1.31Hz

主销内倾角

14°

主销后倾角

2°20'

车轮外倾角

20'

图2.1左前悬架结构

2.1.2麦弗逊悬架的结构分析

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2.2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2.2麦弗逊悬架的等效机构图

2.1.3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。

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ms,

（2.1）

于是，前悬架的刚度C为

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：

代入数值得：

，取

3.悬架的动挠度

悬架的动挠度

是指从满载静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。

要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。

对轿车，

取70~90mm；对大客车，

取50~80mm；对货车，

取60~90mm。

为了防止汽车在坏路面上行使驶时悬架经常碰撞到缓冲块，悬架必须有足够大的动挠度。

从结构和使用要求上来考虑选此悬架的动挠度fd=80mm。

2.2螺旋弹簧的设计计算

2.2.1螺旋弹簧材料的选择

螺旋弹簧作为弹性元件的一种，具有结构紧凑、制造方便及高的比能容量等特点，在轻型以下汽车的悬架中运用普遍[6]。

根据夏利汽车工作时螺旋弹簧的受力特点和寿命要求（可参考下文的计算分析），选择60Si2MnA为簧丝的材料，以提高弹簧在交变载荷下的疲劳寿命。

2.2.2弹簧的受力及变形

根据悬架系统的装配图（1号图纸），对其进行结构分析、计算可以得出平衡位置处弹簧所受压缩力P与车轮载荷N的关系式：

（2.3）

式中，

为车轮外倾角，

为减振器内倾角，

为主销轴线与减振器的夹角式中角度如图2.3所示。

1.弹簧所受的最大力

取动荷系数k=1.7，则弹簧所受的最大力

为：

（2.4）

图2.3弹簧安装角度示意图

2.车轮到弹簧的力及位移传递比车轮与路面接触点和零件连接点间的传递比既表明行程不同也表明作用在该二处的力的大小不同。

弹簧的刚度Ks与悬架的线刚度K可由传递比建立联系[6]：

利用位移传递比i便可计算出螺旋弹簧的刚度KKs=（2.5）xxsN'fii

（2.5）

其中分数N代表悬架的线刚度。

从而，得到如下关系式：

Ks=Kixifhv/,'xy

当球头支承B由减振器向车轮移动t值时，根据文献[7]，悬架的行程传递比及力的传递比为（其中的参数说明详见图2.4）：

（2.6）

（2.7）

图2.4悬架受力和位移比分析

代入数值可得到i＝1.002i＝1.146。

所以，位移传递比ii为1.148xxyy

3.弹簧在最大压缩力作用下的变形量由夏利轿车前悬给定的偏频f＝1.31Hz，可得到了汽车悬架的线刚度：

（2.8）

于是可得出弹簧的刚度Ks：

（2.9）

进而可得到弹簧在最大压缩力

作用下的变形量F：

（2.10）

所以，弹簧所受最大弹簧力和相应的最大变形为：

2.2.3弹簧几何参数的计算

根据已求得的弹簧所受的最大力和相应的变形进行弹簧的设计。

1.弹簧的材料许用应力根据其工作条件已经选择簧丝材料60Si2MnA。

材料的性能参数如表2.2所示

表2.260Si2MnA性能参数

2.选择弹簧旋绕比：

旋绕比（弹簧指数）影响着弹簧的加工工艺，当旋绕比过小时将给弹簧的制造带来困难。

一般的选择范围是C=4~8,这里初选旋绕比C=8。

3.计算钢丝直径d

（2.11）

4.弹簧中径D2选择

5.弹簧圈数n选择

（2.12）

选n=6圈

两端均选0.75圈支承圈，则弹簧总圈数为：

n1=n+n2=6+1.5=7.5圈

6.弹簧的工作极限变形

（2.13）

工作极限载荷：

（2.14）

7、弹簧的几何尺寸

自由高度H0

进而需将原有弹簧座的尺寸作相应的改变（实际尺寸根据弹簧的外径尺寸而定）。

内径D1：

D1=D2-d=90-10.5=89.5mm

2.2.4计算结果的处理

上述对螺旋弹簧的计算的结果如下表2.3所示

表2.3螺旋弹簧的参数

自由高度H0

370mm

弹簧圈数n

7.5圈

螺旋角

8.89度

内径D1

89.5mm

外径D

100.5mm

节距t

44.2mm

在AUTOCAD软件环境下绘制螺旋弹簧的工程图（如图2.5）所示。

为了改善弹簧在安装后的受力状况，螺旋弹簧的两端需作端平处理，在装配时此处的配合精度选为七级精度，又因为弹簧的外径为100.5mm，根据文献[18]，粗糙度值选为3.2。

图2.5螺旋弹簧的零件图

进而可根据螺旋弹簧二维图在UG软件的三维建模环境下建立零件的三维模型如图2.所示。

图2.6基于UG软件的螺旋弹簧三维零件图

2.3横向稳定杆的设计计算

2.3.1横向稳定杆的作用

汽车在高速行驶时，车身会产生很大的横向倾斜和横向角振动。

因此，悬架中需添设横向稳定杆[9。

采用横向稳定杆除了可减轻车身倾斜外，还会影响汽车的操纵稳定性。

主要包括以

下两点：

（1）前悬架中采用较硬的横向稳定杆有助于汽车的不足转向性，并能改善汽车的蛇形行驶性能；

（2）增大后悬架的稳定性，会使前轮驱动汽车具有中性转向性能，使后轮驱动车具有更大的过度转向性。

2.3.2横向稳定杆的设计计算

此微型轿车