汽车前悬架设计说明书.docx

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汽车前悬架设计说明书

金陵科技学院

课程设计

题目名称轿车前悬架设计

课程名称汽车设计

学生姓名学长

学号

系、专业车辆工程

指导教师贾永刚

2014年11月11日

目  录

摘要…………………………………………………………………………………………3

1绪论…………………………………………………………………………………………3

1.1悬架的重要性……………………………………………………………………………3

1.2悬架的作用与功能………………………………………………………………………3

1.3悬架的设计要求………………………………………………………………………4

2已知参数…………………………………………………………………………………4

3悬架的结构分析及选型……………………………………………………………………5

3.1悬架的分类………………………………………………………………………………6

3.1.2非独立悬架优缺点分析………………………………………………………………6

3.1.3比较选型………………………………………………………………………………6

3.2独立悬架的分类及选型…………………………………………………………………6

3.2.1双横臂式悬架结构及特性……………………………………………………………7

3.2.2单横臂式悬架结构及特性……………………………………………………………7

3.2.3单纵横臂式悬架结构及特性…………………………………………………………8

3.2.4单斜横臂式悬架结构及特性…………………………………………………………8

3.2.5麦弗逊式悬架结构及特性分析………………………………………………………8

3.2.6扭转梁随动臂式悬架结构及特性分析………………………………………………9

3.2.7比较选型………………………………………………………………………………9

4辅助元件的选择……………………………………………………………………………9

5悬架的挠度的计算…………………………………………………………………………10

5.1悬架静挠度fc的计算…………………………………………………………………10

5.2悬架动挠度的计算………………………………………………………………………11

5.3悬架弹性特性……………………………………………………………………………11

6弹性元件的计算……………………………………………………………………………12

6.1弹簧参数的选择…………………………………………………………………………12

6.1.1空载计算刚度…………………………………………………………………………12

6.1.2满载计算刚度…………………………………………………………………………13

6.1.3按满载计算弹簧钢丝直径d…………………………………………………………13

6.2弹簧校核…………………………………………………………………………………13

6.2.1弹簧刚度校核…………………………………………………………………………13

6.2.2表面剪切应力校核……………………………………………………………………13

6.2.3小结……………………………………………………………………………………14

7导向机构设计………………………………………………………………………………14

7.1导向机构设计要求………………………………………………………………………14

7.2麦弗逊式独立悬架导向机构设计………………………………………………………14

7.2.1导向机构受力分析……………………………………………………………………15

7.2.2横臂轴线布置方案选择………………………………………………………………15

7.2.3横摆臂主要参数………………………………………………………………………16

8减振器的结构类型与主要参数的选择……………………………………………………16

8.1减振器的分类……………………………………………………………………………16

8.2双筒式液力减振器工作原理……………………………………………………………17

8.3减振器计算………………………………………………………………………………18

8.3.1相对阻尼系数ψ………………………………………………………………………18

8.3.2减振器阻尼系数δ的确定……………………………………………………………19

8.3.3减振器最大卸荷力F0的确定…………………………………………………………19

8.3.4减振器工作缸直径D的确定…………………………………………………………20

9横向稳定杆的设计…………………………………………………………………………21

9.1横向稳定杆的作用………………………………………………………………………21

9.2横向稳定杆参数的选择…………………………………………………………………22

10悬架的结构元件…………………………………………………………………………22

10.1控制臂与推动杆………………………………………………………………………22

10.2接头……………………………………………………………………………………23

11结论………………………………………………………………………………………24

参考文献……………………………………………………………………………………25

设计任务书

轿车前悬架设计

1.整车性能参数

驱动形式4*2前轮

轴距：

2471mm

前轮轮距：

1429mm

后轮轮距：

1422mm

整车整备质量：

1060kg

空载时前轴分配负荷60%

最高车速180km/h

最大爬坡度35%

制动距离（初速30km/h）5.6

最小转向直径11m

最大功率/转速：

74/5800kw/rpm

最大转矩/转速：

150/4000N*m/rpm

轮胎型号：

185/60R14T

手动5档

2.具体设计任务

1）查阅汽车悬架的相关材料，确定捷达轿车前悬架的结构尺寸参数。

2）确定车辆的纵倾中心，计算悬架摆臂的定位角，对导向机构进行受力分析。

3）设计减振弹簧，选定减震器。

4）根据设计参数对主要零部件进行设计与强度计算。

5）绘制所有零件图、二维装配图、三维装配图。

6）完成8千字的设计说明书。

摘要

悬架是现代汽车上的矩，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。

重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性地连接起来。

它的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力

本文主要讲的是爱丽舍轿车前悬架设计，重点从爱丽舍轿车前悬架的选型、减振器的计算及选型、弹性元件形式的选择计算及选型和横向稳定杆的设计计算。

首先，我把形式不同的悬架的优缺点进行了比较，然后定下爱丽舍轿车前悬架的形式—麦弗逊式悬架。

然后围绕麦弗逊式悬架的部件进行设计。

先是弹簧的设计计算，再是减振器的计算选型，最后是横向稳定杆的计算。

关键词：

悬架，麦弗逊式，设计，轿车

1绪论

1.1悬架重要性

现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性等之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。

对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。

舒适性是汽车最重要的使用性能之一。

舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性地连接起来。

1.1悬架图

1.2悬架的作用及功能

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。

其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。

汽车在不平路面上行驶时，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，使汽车振动的振幅连续减小，直至振动停止。

1．3悬架的设计要求

为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，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在合适的频段，并尽可能低。

前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车，要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架（或车身）。

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。

要正确地选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之稍有不足转向特性。

悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，对悬架提出的设计要求有：

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）可靠地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和寿命。

2已知参数

整车整备质量：

1060kg轴距：

2471mm

空载时前轴分配负荷60%（空载前轴轴载质量：

636kg空载后轴轴载质量：

424kg）

前轮轮距：

1429mm后轮轮距：

1422mm

最大爬坡度：

35%

制动距离（初速度30km/h）：

5.6m

最小转向直径：

11m

最大功率/转速：

74/5800kw/rpm

最大转矩/转速：

150/4000N·m/rpm

轮胎型号：

185/60R14T手动5档

3悬架的结构分析及选型

3．1悬架的分类

根据导向机构的不同可将汽车悬架分为独立悬架和非独立悬架两大类（如图3.1）。

70年代又发展了一种前后悬架或左右悬架相通的交联式悬架。

非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。

a）非独立悬架b）独立悬架

图3.1

独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架（或车身）下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。

但这种悬架构造较复杂，承载力小。

现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。

3．1．1非独立悬架优缺点分析

非独立悬架的结构特点是，左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接。

优点是：

结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。

缺点是：

1）由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度（特别是前悬架），使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；

2）簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴（桥）和车身倾斜；

3）当两侧车轮不同步跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振；前轮跳动时，悬架易与转向传动机构产生运动干涉；

4）当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的周转向特性；

5）汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；车轴（桥）上方要求有与弹簧行程相适应的空间。

这种悬架主要用在总质量大些的商用车前、后悬架以及某些乘用车的后悬架上。

3．1．2独立悬架优缺点分析

独立悬架的结构特点是，左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接。

优点是：

1）簧下质量小；

2）悬架占用的空间小；

3）弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；

4）由于采用断开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车的行驶稳定性；

5）左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力；

6）独立悬架可提供多种方案供设计人员选用，以满足不同设计要求。

缺点是：

结构复杂，成本较高，维修困难。

这种悬架主要用于乘用车和部分总质量不大的商用车上。

3．1．3比较选型

由于我这次设计的是轿车前悬架，是乘用车，再加上对两种悬架的比较，我选

择独立悬架作为设计方向。

3．2独立悬架的分类及比较

独立悬架又分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、麦弗逊式和扭转梁随动臂式等几种类型。

对于不同结构形式的独立悬架，不仅结构特点不同，而且许多基本特性也有较大区别。

评价时常从以下几个方面进行：

（1）侧倾中心高度汽车在侧向力作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内产生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心，称为侧倾中心高度。

侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧向力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减少。

但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加快轮胎的磨损。

（2）车轮定位参数的变化车轮相对车身上、下跳动时，主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。

若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车的直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。

（3）悬架侧倾角刚度当汽车作稳态圆周行驶时，在侧向力作用下，车厢绕侧倾轴线转动，并将此转动角度称之为车厢侧倾角。

车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。

（4）横向刚度悬架的横向刚度影响操纵稳定性。

若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。

结构如下图：

3．2．1双横臂式结构及特性分析

特性：

侧倾中心高度较低；车轮外倾角与主销内倾角均有变化；轮距变化小，故轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较小需要横向稳定器；横向刚度大；空间尺寸大；结构稍复杂，前悬架用得较多。

3．2．2单横臂式悬架结构及特性分析

结构如下图：

，

特性：

侧倾中心高度较高；车轮外倾角与主销内倾角变化大；轮距变化大，故轮胎磨损速度快；悬架侧倾角刚度较大可不装横向稳定器；横向刚度大；空间尺寸较小；结构简单、成本低，前悬架用得较少。

3．2．3单纵臂式悬架结构及特性分析

结构如右图：

特性：

侧倾中心高度较低；车轮外倾角与主销内倾角变化大；轮距变化不大；悬架侧倾角刚度较小需要横向稳定器；横向刚度小；几乎不占用高度空间；结构简单、成本低。

3．2．4单斜臂式悬架结构及特性分析

结构如下图：

，

特性：

心高度在单横臂式和单纵臂式之间；车轮外倾角与主销内倾角变化大；轮距变化不大；悬架侧倾角刚度在单横臂式和单纵臂式之间；横向刚度较小；几乎不占用高度空间；结构简单、成本低。

3．2．5麦弗逊式悬架结构及特性分析

结构如下图：

特性：

侧倾中心高度较高；车轮外倾角与主销内倾角变化小；轮距变化很小，故轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较大可不装横向稳定器；横向刚度大；占用空间尺寸小；结构简单、紧凑，用车上用得较多。

3．2．6扭转梁随动臂式悬架结构及特性分析

结构如下图：

特性：

侧倾中心高度较低；左右车轮同时跳动时不变；轮距不变，故轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较大可不装横向稳定器；横向刚度大；占用空间尺寸小；结构简单，用于发动机前置前轮驱动乘用车的后悬架。

3．2．7比较选型

几种独立悬架的结构和特性进行的比较，我选择麦弗逊式独立悬架作为我设计的对象

4辅助元件选择

逊式悬架的侧倾刚度较大可以不装横向稳定器，所以辅助元件不需要横向稳定器，下面就主要选择缓冲块。

用橡胶制造（如图4.1）。

通过硫化将橡胶与

钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其他部位上，起到限制悬架最大行程的作用。

图4.1橡胶缓冲带

装用多孔聚氨脂制成的几种形状的缓冲块（如图4.2），它兼有辅助弹性元件的作用。

多孔聚氨脂是一种有很高强度和耐磨性能的符合材料。

这种材料起泡时就形成了致密的耐磨层，它保护内部的发泡部分不受损伤。

由于在该材料中有密封的起泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。

有些汽车的缓冲块装在减振器上。

5悬架挠度f的计算

5.1悬架静挠度fC的计算

悬架静挠度fC汽车在满载静止时悬架上的载荷FW此时悬架刚度才c之比，即fC=Fw/c汽车悬架的振动系统的固有频率，是影响汽车平顺性的主要参数之一。

而汽车部分车身固有率（偏频）可用下式表示：

式中Cs——汽车前悬架刚度，N/mm；

ms——汽车前悬架簧上质量，kg；

n——汽车前悬架偏频，Hz

而汽车悬架的静挠度可用下式表示：

由这两式可得出：

设计时取前悬架的偏频n=1.1Hz。

根据上面公式可以计算出前悬架的静挠度为：

fc=25/n2=206mm

5.2悬架动挠度fd计算

悬架的动挠度fd是指从满载经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妻子有高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。

要求悬架应由足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰到缓冲块。

对乘用车，df取70～90mm；对客车，df取50～80mm；对货车，df取60～90mm。

取悬架动挠度df为80mm。

5.3悬架弹性特性

悬架受到的垂直外力F与由此引起的车轮中心相对于车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线，称为悬架的弹性特性。

其切线的斜率是悬架的刚度。

悬架的弹性特性有线性特性和非线性弹性特性两种。

当悬架变形f与所受垂直外力F之间成固定的比例变化时，弹性特性为以直线，称为线性弹性特性，此时，悬架刚度为常数。

当悬架变形f与所受垂直外力F之间不成固定比例变化时，弹性特性如图所示。

此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置（图中电8）附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大。

这样，可在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量。

悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形位置消耗的功。

悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。

6弹性元件的设计

6．1弹簧参数的计算选择

对于大多数汽车而言，起悬挂质量分配系数ε=ρy2/ab=0.8—1.2，因而可以近似的认为ε=1，即前、后桥上方车身部分的集中质量的垂向振动是相互独立的，并用偏频来表示各自、的自由振动频率。

偏频越小。

则汽车的平顺性越好。

一般对于采用钢制弹簧的轿车，前悬架的偏频n=1—1.3Hz，非常接近人体步行时的自然频率。

设计时取前悬架的偏频n=1.1Hz，根据下面公式可以计算出前悬架的刚度：

式中Cs——汽车前悬架刚度，N/mm；

ms——汽车前悬架簧上质量，kg；

n——汽车前悬架偏频，Hz

6．1．1．空载计算刚度

根据估算可估计出前悬架簧下质量为52kg，已知前悬架空载前轴载质量为636kg，则起单侧簧上质量为ms：

ms=

*（636-52）=292kg；

n=1.1Hz；

代入计算得：

Cs=4×1.12×3.142×292=13948.5N/m

6．1．2．满载计算刚度

已知前悬架满载时轴载质量为753kg，则单侧簧上质量为ms：

ms=

×（753−52）=350.5kg

n=1.1Hz；

代入计算得：

CS=4×1.12×3.142×350.5=16743.0N/m

6．1．3．按满载计算弹簧钢丝直径d

根据下面的公式可以计算：

式中i——弹簧有效工作圈数，先取8

G——弹簧材料的剪切弹性摸量，取8.3×104MPa

Dm——弹簧中径，取110mm

代入计算得：

d=12.5mm

6．1．4．确定弹簧参数

弹簧钢丝直径d=12mm；弹簧外径D=122mm；弹簧有效工作圈数n=8；

6.2弹簧校核

6.2.1弹簧刚度校核

弹簧刚度的计算公式为：

代入数据计算可得弹簧刚度Cs为：

所以弹簧选择符合刚度要求。

6.2.2弹簧表面剪切应力校核

弹簧在压缩时其工作方式与扭杆类似，都是靠材料的剪切变形吸收能量，弹簧钢丝表面的剪应力为：

式中C——弹簧指数（旋绕比），C=Dm/d;

K′——曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度影响的系数，K′=

+

P——弹簧轴向载荷。

已知=110mDmm，d=12mm，可以算出弹簧指数C和曲度系数K′：

C=Dm/d;=110/12=9.16；

K′=

+

=1.02

P=（753-52）×1/2×9.8×cos10°=3382.7N

则弹簧表面的剪切应力：

τ=

=

=

=558.9MPa

[τ]=0.63[σ]=0.63×1000MPa=630MPa

因为τ＜[τ]，所以弹簧满足要求。

6.2.3小结

综上可以最终选定弹簧的参数为：

弹簧钢丝直径d=12mm，弹簧外径D=122mm，弹簧

有效工作圈数n=8。

7导向机构设计

7．1导向机构设计要求

对前轮导向机构的设计要求是：

1）悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过±4.0mm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。

2）悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应该产生纵向加速度。

3）汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。

在0.4g侧向加速度作用下，车身侧倾角小于等于6°～7°，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。

4）制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后俯作用。

对汽车后轮独立悬架导向机构的要求：

1）悬架上载荷变化时，轮距无显著变化。

2）汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小，并使车轮与车身的倾斜反向，以减小过多转向效应。

此外，导向机构还应有足够强度，并可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。

7．2麦弗逊式独立悬架导向机构设计

7．2．1导向机构受力分析

受力简图（如图7.1），

图7.1

由图可知：

作用在导向套上的横向力F3得：

式中,F1前轮上的静载荷F1'减去前轴簧下质量的1/2。

横向力F3越大，则作用在导向套上的摩擦力F3f越大（f为摩擦因数），这对汽车平顺性有不良影响。

为了减小摩擦力，在导向套和活塞表面应用了减摩擦材料和特殊工艺。

由上式可知，为了减小F3，要求尺寸c+b越大越好，或者减小尺寸a。

增大c+出版使悬架占用空间增加，在布置上有困难；若采用增加减振器轴线倾斜度的方法，可达到减小a的目的，但也存在布置困难的问题。

为此，在保持减振器轴线不变的条件下，常将图中的G点外伸至车轮内部，既可以达到缩短尺寸a的目的，又可以获得小、较小的甚至是负的主销偏移距，提高制动稳定性能。

移