麦弗逊悬架毕业设计开题报告.docx

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麦弗逊悬架毕业设计开题报告

机械工程学院

毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）题目：

麦弗逊式悬架的设计

*****　***

指导教师姓名：

王晓佳

专业：

车辆工程

2015年04月8日

1.课题名称：

麦弗逊式悬架的设计

2.课题研究背景

伴随着我国经济的高速发展，人民生活水平和质量明显提高，汽车已经是人们的日常生活中必不可少的交通工具。

因此人们对汽车的舒适性，安全性以及驾驶操控性等越来越重视，汽车行业也随着消费者的需求而不断发展。

对于汽车来说，舒适性、安全性、操控性的决定性因素主要取决于汽车的基础设计悬架。

汽车悬挂系统就是指由车身与轮胎间的弹簧和避震器组成整个支持系统。

悬挂系统应有的功能是支持车身，改善乘坐的感觉，不同的悬挂设置会使驾驶者有不同的驾驶感受。

外表看似简单的悬挂系统综合多种作用力，决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。

作为汽车安全结构的重要组成部分，一直以来，汽车的行驶操控性和舒适性与底盘结构中的悬挂系统息息相关，而悬挂结构的简单与复杂也直接决定着汽车制造成本的高低。

一辆汽车，既要舒适又操控性好，这个极难妥协又要达到尽可能平衡的悬架总成设计，相对厂家的技术实力，无疑是一个极大的挑战。

麦弗逊式独立悬架是众多悬挂系统中的一种，它以结构简单、成本低廉、舒适性尚可的优点赢得了广泛的市场应用。

2.1国内麦弗逊悬架的研究

悬架尽管有多种形式，但就其功能而言，一是支撑车重，吸收来自底面的冲击，保护车架与车身，减少汽车的跳动，使转向稳定，乘坐舒适；二是适应不同路况的操纵要求。

国内对麦弗逊悬架的研究非常之多：

上汽集团汽车工程研究院的艾维全等人对麦弗逊悬架进行了改性，设计出了纵向“0偏移”L形下控制臂[1]，L型下控制臂的设计，使汽车在侧向和纵向的受力分别通过前、后衬套进行控制，使需要的侧向刚度独立于纵向柔性，使侧向力和纵向力同时作用时相互间不发生耦合，避免了悬架臂共振的发生，从而提高了汽车行驶的平顺性；安徽江淮汽车股份有限公司技术中心的刘守银，周忍综述了车辆行驶时车轮上下运动的侧向力、加速、减速、转弯时侧向力的分析，确定了麦弗逊悬架的几何结构对减振器侧向力的影响因素，并通过国内外最新产品的实例说明通过改变悬架的几何结构来减小减振器侧向力的具体方法和产生的效果[2]；长春孔辉汽车科技有限公司的宋晓琳，毛开楠，李叶松，刘禹亭应用ADAMS/Car建立某车的前悬架仿真模型，对麦弗逊前悬架硬点参数的灵敏度进行分析和优化，解决了前轮磨损严重的问题，又提高该车型的综合性能[3]；武汉理工大学汽车工程学院的张俊．何天明在Adam/view模块中对麦弗逊前悬架进行虚拟设计及优化，研究分析了前轮定位参数随车轮上下跳动时的变化规律，评价了悬架数据的合理性，采用优化分析方法进行优化处理，缩短了开发周期[4]；重庆长安有限责任公司汽车技术中心的褚志刚，邓兆祥，胡玉梅，朱明，李伟研究了麦弗逊悬架刚度对汽车稳态转向特性的影响，得出结论是合理选择前悬架刚度参数是提高麦弗逊前悬架汽车稳态转向特性的有效途径[5]；清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室的孙学军，王霄锋，李克强，金达锋分析了驱动力对麦弗逊悬架力学性能影响的可靠性灵敏度，该研究对悬架有针对性的定量设计提供了理论依据[6]；武汉理工大学汽车工程学院的诸葛晓宇基于Catia/ADASM对麦弗逊悬架的运动进行了分析，确定了车轮定位参数的选择范围，以及悬架的优化设计方法[7]；上海汽车集团股份有限公司技术中心的李锦灿分析了扭力转向对麦弗逊前驱车的影响，此研究对解决车辆的实际扭力转向问题及整车开发前期的设计优化都具有借鉴意义[8]；南京工程学院汽车与轨道交通学院的任成龙，吴冬铃研究了普及型轿车悬架性能优化及整车平顺性，结果表明:

随机路面输入下汽车具有较好的平顺性,脉冲路面输入下对乘员健康无危害[9]；合肥工业大学机械与汽车工程学院的伊安东，王欢，豆力对电动汽车麦弗逊悬架的下摆臂进行了轻量化研究，此研究结果表明，采用铝材料的下摆臂可以在保证静、动态性能的前提下有效降低自身重量[10]；沈阳理工大学汽车与交通学院的岳峰丽，蔡玲对车辆麦弗逊悬架进行了运动仿真研究，通过改变支管的曲率半径和弯曲角度能够减小排气阻力，减少能量损失，改善排气质量[11]；上海交通大学汽车工程研究所的柳江，喻凡，楼乐明对麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧进行了优化设计，采用优化设计的侧载螺旋弹簧后可显著降低悬架侧载,为悬架系统及其元件的优化提供了一种参考方法[12]；奇瑞汽车工程研究院的李成基于OptiStruct对麦弗逊悬架下控制臂进行了优化，结果表明该优化能减轻控制臂质量、增强下控制臂刚度[13]。

2.2国外麦弗逊悬架的研究

《Developmentandvalidationofathree-dimensionalkinematicmodelfortheMcPhersonsteeringandsuspensionmechanisms》介绍了麦弗逊悬架三维运动学模型的发展和验证，该三维模型可以帮助改善麦弗逊悬架的运动特性[14]；《DesignSensitivityAnalysisandOptimizationofMcPhersonSuspensionSystems》提出了设计灵敏度分析和麦弗逊悬架优化的方法，该研究可以应用于通过预测悬架的变化来有效地确定麦弗逊悬架系统的布局[15]；

《AnalysisofanunusualMcPhersonsuspensionfailure》分析了麦弗逊悬架的一种故障，结果表明上支柱支架的故障是由一个不合理的冲击负荷引起的[16]；《RollsteerminimizationofMcPherson-strutsuspensionsystemusinggeneticalgorithmmethod》中利用遗传算法对麦弗逊悬架系统的最小转向角进行了优化，研究结果可以提高车辆的操控性和稳定性[17]；《AnintervaluncertainoptimizationmethodforvehiclesuspensionsusingChebyshevmetamodels》

中利用切比雪夫模型对车辆悬架间隔不确定性进行了优化，该研究对车辆的运动性能的提高有很大帮助[18]；《AxiomaticDesignofAutomotiveSuspensionSystems》中制定了表示一个特定的悬架系统的设计矩阵，以满足所有的前轮驱动车[19]；《Ahybridclusteringbasedfuzzystructureforvibrationcontrol–Part2:

Anapplicationtosemi-activevehicleseat-suspensionsystem》中研究了车辆半自动座椅悬架系统，可以对汽车驾驶员悬架系统进行优化[20]；英国的Lanchester，法国的Broulhert和美国的Olley专研了独立悬挂及转弯运动和悬挂对汽车操控稳定性的影响。

他们分别研究了轮胎的特性，转向盘力和回正力矩，不足转向和过多转向，为研究汽车的操作稳定性奠定了基础[21,22,23]。

3.课题研究意义

在人体构造中，骨头与骨头间往往都由软组织相连接，它能够起缓冲保护骨头的作用，并隔绝多余的振动以免传递到大脑损坏脑细胞。

在汽车的组成结构中，悬挂系统的作用正好与人体构造中的软组织相同，悬挂系统就是指由车身与轮胎间的弹性元件、减振器和传力装置三部分构成的整个支撑系统，这三个构成部分各自负责缓冲、减振和受力传递。

悬挂系统的具体职责是支撑车身，过滤掉路面多余的抖动，为驾乘人员提供一个平稳舒适的乘坐环境。

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。

它是用来缓冲汽车在行驶中因路面颠簸或转向时因离心力作用产生的振动或倾斜的一套避震装置，使汽车在行驶当中获得一定的舒适性和操纵安全性，以保证汽车的正常行驶。

悬架的设计被认为是整车研发的核心问题和热点问题。

麦弗逊式独立悬架极常见，多应用在车辆的前轮。

它构构造简单，优点是质量轻、体积小，有利于对比较紧凑的发动机舱布局。

另外，采用麦弗逊悬架也有控制成本的考量。

几乎所有B级以下车辆都采用这种方式的前悬挂。

总而言之，独立前悬挂，最经济适用、性价比最高的是麦弗逊。

因此，研究麦弗逊悬架对汽车行业发展有着重要意义。

4.文献查阅概况

4.1底盘悬挂系统的定义及作用

底盘悬挂系统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，悬架的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。

4.2.底盘悬挂系统的基本构成

汽车悬挂包括弹性元件、减振器和传力装置等三部分，分别起缓冲、减振和受力传递的作用。

4.2.1弹性元件

从轿车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小、质量小、无需润滑的优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。

4.2.2减振器

减振器又指液力减振器，其功能是为加速衰减车身的振动，它也是悬挂系统中最精密和复杂的机械件。

减振器上端与车身或者车架相连，下端与车桥相连。

当轿车在不平坦路上行驶，车身会发生振动，减振器能迅速衰减车身振动，利用本身油液流动的阻力来消耗振动的能量。

现代轿车大多都是采用筒式减振器，当车架与车轴相对运动时，减振器内的油液与孔壁间的摩擦形成了对车身振动的阻力，这种阻力工程上称为阻尼力。

阻尼力会将车身的振动能转化为热能，被油液和壳体所吸收。

人们为了更好地实现轿车的行驶平稳性和安全性，将阻尼系数不固定在某一数值上，而是随轿车运行的状态而变化，使悬挂性能总是处在最优的状态附近。

因此，有些轿车的减振器是可调式的可根据传感器信号自动选择。

4.2.3传力装置

传力装置则是指车架的上下摆臂等叉形钢架、转向节等元件，用来传递纵向力、侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架有确定的相对运动规律。

独立悬挂上的弹性元件，大多只能传递垂直载荷而不能传递纵向力和横向力，必须另设导向传力装置，如上、下摆臂和纵向、横向稳定器等。

4.3对底盘悬挂系统的基本要求：

1）保证汽车有良好的行驶平顺性。

2）具有合适的衰减振动的能力。

3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。

4）汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。

5）有良好的隔声能力。

6）结构紧凑，占用空间尺寸要小。

7）可靠的传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度的寿命。

4.4底盘悬挂系统的发展现状

一般说来汽车的悬挂系统分为二种即非独立悬挂和独立悬挂，由于人们对车子操控性与乘坐舒适性的要求越来越高，所以非独立悬挂系统已渐渐淘汰。

乘用车的前悬挂绝大多数为独立悬挂，形式一般是麦弗逊式、多连杆、双叉臂或双横臂式。

麦弗逊式是当今最为流行的独立悬挂之一。

4.4.1非独立悬挂系统

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。

非独立悬挂系统的优点：

左右轮在弹跳时会相互牵连，轮胎角度的变化量小使轮胎的磨耗小。

在车身高度降低时还不容易改变车轮的角度，使操控的感觉保持一致。

构造简单，制造成本低，容易维修。

占用的空间较小，可降低车底板的高度。

非独立悬挂系统的缺点：

左右轮在弹跳时，会相互牵连，而降低乘坐的舒适性及操控的安定性。

因构造简单使设计的自由度小，操控的安定性较差。

4.4.2独立悬挂系统

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。

4.4.2.1麦弗逊式悬挂系统

麦弗逊悬架是现在非常常见的一种独立悬架形式，大多应用在车辆的前轮。

简单地说，麦弗逊式悬架的主要结构即是由螺旋弹簧加上减振器以及A字下摆臂组成。

减振器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，限制弹簧只能作上下方向的振动，并且可以通过对减振器的行程、阻尼以及搭配不同硬度的螺旋弹簧对悬架性能进行调校。

麦弗逊悬架最大的特点就是体积比较小，有利于对比较紧凑的发动机舱布局。

不过也正是由于结构简单，对侧向不能提供足够的支撑力度，因此转向侧倾以及刹车点头现象比较明显。

下面详细的介绍一下麦弗逊悬架。

1）麦弗逊悬架的构造

麦弗逊式悬架由螺旋弹簧、减震器、A字形下摆臂组成，绝大部分车型还会加上横向稳定杆。

麦弗逊式独立悬架的物理结构为支柱式减震器兼作主销，承受来自于车身抖动和地面冲击的上下预应力，转向节（也可说车轮，因为转向节作用于车轮）则沿着主销转动；此外，其主销可摆动，特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，且前轮定位变化小，拥有良好的行驶稳定性。

在麦弗逊式独立悬架中，支柱式减震器除具备减震效果外，还要担负起支撑车身的作用，所以它的结构必须紧凑且刚度足够，并且套上螺旋弹簧后还要能减震，而弹簧与减震器一起，构成了一个可以上下运动的滑柱。

还有一个关键部件---A字型下摆臂，它的作用是为车轮提供横向支撑力，并能承受来自前后方向的预应力。

车辆在运动过程中，车轮所承受的所有方向的冲击力量就要靠支柱减震器和A字型下托臂这两个部件承担。

2）麦弗逊悬架的优缺点

麦弗逊悬架的构造其实非常简单，而这种简单带来的最大好处就是其质量很轻，并且体积很小，对于很多前置发动机前轮驱动的车辆来说，车头部分的大部分空间都要用来布置横置的发动机以及变速箱，留给悬架的空间并不大，因此麦弗逊悬架体积小质量轻的优势就会表现的非常明显。

而结构简单也是麦弗逊悬架最大的软肋。

与双叉臂以及多连杆悬架相比，由于减振器和螺旋弹簧都是对车辆上下的晃动起到支撑和缓冲，因此对于侧向的力量没有提供足够的支撑力度。

这样就使得车辆在转向的时候车身有比较明显的侧倾，并且在刹车的时候有比较明显的点头现象。

很多采用麦弗逊悬架的小型车为了控制成本，也只能将这样的缺陷保留。

虽然通过增加防倾杆能减小车辆侧倾，但是却不能根治这种情况。

不过象宝马M3，保时捷911这样的高性能车型上，通过调整弹性元件以及增加拉杆等调校，麦弗逊悬架也一样可以变得非常强悍，但这也背离了麦弗逊悬架体积小，质量轻，成本低的特点。

3）麦弗逊悬架在车型上的应用

麦弗逊悬架是非常常见的悬架类型，在全球汽车市场都有非常广泛的应用。

在国内市场，麦弗逊悬架也是众多车型的首选悬架，其中最新应用麦弗逊前悬架的车型有上海通用别克新君威、新君越、北京现代ix35、一汽大众高尔夫6、比亚迪F0等车型。

从这我们也能看出麦弗逊悬架应用的广泛，微型车、紧凑型车、中级车以及SUV车型上，都能见到麦弗逊悬架的身影。

而德国跑车的代表保时捷911也同样全系采用麦弗逊悬架，这足以表现出麦弗逊悬架应用的广泛。

4）由麦弗逊悬架衍生出来的悬架

由于麦弗逊悬架先天性的侧向支撑不足，由此很多厂家也在尽可能保留麦弗逊悬架体积小、质量轻的优势的同时，通过各种调整和变化以加强其侧向支撑的能力。

由麦弗逊悬架演变而来的悬架主要有宝马1系和3系上采用的宝马双球节减震支柱前悬架，还有专门针对后悬架的连杆支柱式悬架。

下面是两种由麦弗逊悬架衍生出来的悬架：

（1）宝马双球节减震支柱前悬架

麦弗逊悬架的另外一种衍生产品，就是宝马在1系和3系上采用的改良型麦弗逊悬架，宝马将其称为“Doublepivotstruttype”（宝马官方中文名称为双球节减震支柱悬架）。

与标准的麦弗逊悬架相比，宝马将这套悬架的A字型下摆臂换成了一上一下两根连杆，两支点的变化也使得两根连杆在抑制车轮跳动的过程中互不干涉，将车轮各个定位参数的变化控制在了更小的范围内，从而提升了由此影响到的车身稳定性。

同时，宝马采用的改良型麦弗逊悬架也良好的继承了标准版麦弗逊悬架体积小、质量轻的优势。

不过双球节减震支柱前悬与标准麦弗逊悬架相比也有一些不足，那就是较为复杂的结构使其转向灵敏度有所下降。

（2）连杆支柱式独立悬架

连杆支柱是麦弗逊悬架用在后轮的一种方式，它将麦弗逊悬架的下A字摆臂换成了两根横向连杆以及一根纵向拉杆，这能让它具有与麦弗逊悬架相近的操控性能，又有比麦弗逊悬架更高的连接刚度和相对较好的抗侧倾性能。

但是同样也存在麦弗逊悬架的缺点，就是稳定性不好，转向侧倾还是较大，需要加装平衡杆来减小转向侧倾。

连杆支柱在一些日韩系车型的后悬架上面有较多的应用，主要倾向舒适性。

4.4.2.2.双叉臂式悬挂

双叉臂式悬挂又称双A臂式独立悬挂，双叉臂悬挂拥有上下两个叉臂，横向力由两个叉臂同时吸收，支柱只承载车身重量，因此横向刚度大。

双叉臂式悬挂的上下两个A字形叉臂可以精确的定位前轮的各种参数，前轮转弯时，上下两个叉臂能同时吸收轮胎所受的横向力，加上两叉臂的横向刚度较大，所以转弯的侧倾较小。

相比麦弗逊式悬挂双叉臂多了一个上摇臂，不仅需要占用较大的空间，而且其定位参数较难确定，因此小型轿车的前桥出于空间和成本考虑一般不会采用此种悬挂。

但其具有侧倾小，可调参数多、轮胎接地面积大、抓地性能优异，因此绝大部分纯正血统的跑车的前悬挂均选用双叉臂式悬挂，可以说双叉臂式悬挂是为运动而生的悬挂，法拉利、玛莎拉蒂等超级跑车以及F1方程式赛车均采用了双叉臂式前悬挂。

4.4.2.3.多连杆式悬挂

多连杆式悬架是比较高级的悬架，包括四连杆，五连杆等，这种悬架减振器和螺旋弹簧不像麦弗逊悬架那样沿转向节转动;能够更加精确地控制车轮与地面接触的角度，使汽车具有良好操纵稳定性，并可减小轮胎摩损。

然而，多连杆式悬架采用的元件较多，占用空间大，结构复杂且造价高，中小型车出于成本和空间考虑极少使用这种悬挂。

4.4.2.4.双横臂式悬挂

双横臂式悬挂和双叉臂式悬挂有着许多的共性，只是结构比双叉臂式简单些，也可以称之为简化版的双叉臂式悬挂。

同双叉臂式悬挂一样双横臂式悬挂的横向刚度也比较大，一般也采用上下不等长的摇臂设置。

而有的双横臂的上下臂不能起到纵向导向作用，还需要另加拉杆导向。

这种结构较双叉臂更简单的双横臂悬挂性能介于麦弗逊悬挂和双叉臂悬挂之间，拥有不错的运动性能，一般使用在A级或者B级家用车上。

参考文献：

[1]艾维全,高世杰,王承,廖芳.麦弗逊式前是架的设计改进及分析.上海汽车2004.8

[2]刘守银，周忍.麦弗逊悬架减振器侧向力分析综述.汽车实用技术2014.10

[3]宋晓琳,毛开楠,李叶松,刘禹亭.麦弗逊前悬架硬点参数的灵敏度分析和优化.现代制造工程2011.6

[4]张俊,何天明.麦弗逊前悬架的虚拟设计及优化.北京汽车2006.5

[5]褚志刚，邓兆祥，胡玉梅，朱明.麦弗逊悬架刚度对汽车稳态转向特性的影响.重庆大学报，2003.8

[6]孙学军，王霄锋，李克强，金达锋.驱动力对麦弗逊悬架力学性能影响的可靠性灵敏度分析.机械设计与制造2008.4

[7]诸葛晓宇，基于Catia/ADASM麦弗逊悬架的运动分析.汽车零部件.2011.9

[8]李锦灿,扭力转向对麦弗逊悬架前驱车的影响分析.现代机械.2014.4

[9]任成龙，吴冬铃.普及型轿车悬架性能优化及整车平顺性研究.机械设计与制造.2014.7

[10]伊安东，王欢，豆力.电动汽车麦弗逊悬架的下摆臂轻量化研究.汽车科技.2013.1

[11]岳峰丽，蔡玲.车辆麦弗逊悬架运动仿真研究.沈阳理工大学报.2012.8

[12]柳江，喻凡，楼乐明.麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计.汽车工程.2006.8

[13]李成.基于OptiStruct的麦弗逊悬架下控制臂优化.计算机铺助工程.2012.10

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