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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
現(xiàn)在的人們對(duì)汽車的要求越來(lái)越高，在獲得良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還要求具有良好的操縱穩(wěn)定性。汽車的操縱穩(wěn)定性是影響汽車行駛安全性的重要性能之一，因此，如何研究和評(píng)價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性，以獲得良好的汽車主動(dòng)安全性能一直是關(guān)于汽車研究的一個(gè)重要課題。
本文首先對(duì)某車型麥弗遜前懸架的結(jié)構(gòu)以及懸架的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析.然后在ADAMS/View模塊中麥弗遜式懸架建模的方法，分析了參數(shù)化懸架模型的方法，并對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)化,進(jìn)行了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。分析了懸架各性能參數(shù)（主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、車輪外傾角、車輪前束角和前輪側(cè)向滑移量）在車輪跳動(dòng)過(guò)程中的變化趨勢(shì)，并指出需要改進(jìn)的地方。研究多個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)樣機(jī)性能的影響，并總結(jié)規(guī)律，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。再次進(jìn)行仿真，對(duì)比分析了優(yōu)化前后的仿真結(jié)果，并評(píng)價(jià)了優(yōu)化方案。優(yōu)化后懸架的性能明顯提高，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。
本文研究的目的和意義為在試制前的階段進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)仿真，并且提出改進(jìn)意見(jiàn)。在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，完善設(shè)計(jì)方案，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。本文的初步研究具有一定的實(shí)踐和應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架; ADAMS/View; 建模; 運(yùn)動(dòng)仿真
ABSTRACT
Nowadays，along with the popularization of the vehicle，the requirement for the vehicle becomes higher and higher．The favorable handling stability performance is required as well as the favorable power performance and economical performance．The handling stability of a vehicle is one of the important characters that have effect on the active safety performance of vehicle，therefore，it is always an important subject that how the handling stability performance is researched and evaluated to gain a favorable active safety performance．
Firstly ,I have a detailed analysis for Macpherson suspension structure．Following, The paper introduced how to build a model for the half of the suspension ADAMS／View，discussed the performance of the front wheel alignment parameters such as the kingpin inclination ,caster ,camber ,the toe angle and sideways displacement in a front wheel vehicle positioning．The model was a virtual front suspension test platform，and analyzed the change trend of the suspension performance parameters in the process of flopping the wheel．The impacts of its changes in the trend of design variables are also analyzed．make all optimized design of the program，with the comparative analysis to verify the feasibility of the optimization program before and after the optimization，the suspension＇s key data was generated，the virtual design was finished．
The purpose and significance of the article lies in establishing a vehicle Macpherson suspension of the virtual design platform for virtual simulation test，pioneering a more scientific approach for the design and development of Macpherson suspension，combining the automobile design theory，resolving problems in the field of kinematics and dynamics，improving the quality of design．This research will also contribute to enhance the ability to independently develop products for China＇s automobile industry．the research of this article has high theory meaning and practical value．
Key Words：Macpherson Suspension; ADAMS/ View; Modeling; Motion Simulation
目 錄
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 緒 論 1
1.1 選題的目的 1
1.2 選題的意義 1
1.3 懸架技術(shù)研究現(xiàn)狀 2
1.4 研究?jī)?nèi)容和方法 3
1.5 預(yù)期結(jié)果 4
第2章 麥弗遜式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)分析 5
2.1 懸架的組成與分類 5
2.1.1 懸架的組成 5
2.1.2 懸架的分類 6
2.2 本章小結(jié) 11
第3章 麥弗遜式獨(dú)立懸架設(shè)計(jì) 12
3.1 懸架機(jī)構(gòu)形式確定 12
3.2 主要依據(jù)參數(shù)的確定 14
3.3 懸架的彈性特性和工作行程 15
3.4 螺旋彈簧的設(shè)計(jì) 16
3.4.1 螺旋彈簧的剛度 16
3.5 減震器結(jié)構(gòu)類型的選擇 19
3.6 減震器參數(shù)設(shè)計(jì) 23
3.7 橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì) 25
3.7.1 橫向穩(wěn)定桿的作用 25
3.7.2 穩(wěn)定桿接頭形式選擇 26
3.7.3 穩(wěn)定桿直徑計(jì)算 26
3.7.4 穩(wěn)定桿校核 28
3.8 輪胎尺寸 28
3.9 半軸初步計(jì)算 28
3.10 本章小結(jié) 29
第4章 基于ADAMS/View的懸架優(yōu)化分析 30
4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 30
4.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)——ADAMS軟件介紹 30
4.3 麥弗遜懸架簡(jiǎn)化模型 31
4.4 在ADAMS/View中創(chuàng)建懸架模型 32
4.5 測(cè)試懸架模型 36
4.6 懸架參數(shù)化 46
4.6.1 創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量 47
4.6.2 設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)化 48
4.6.3 實(shí)體參數(shù)化 52
4.7 優(yōu)化前懸架模型 53
4.7.1方法 53
4.7.2優(yōu)化模型 55
4.7.3 優(yōu)化方案 57
4.7.4 優(yōu)化結(jié)果 59
4.7.5 優(yōu)化結(jié)果的評(píng)價(jià) 62
4.8 本章小結(jié) 62
第5章 麥弗遜前懸架三維實(shí)體建模 63
5.1 懸架各零件建模 63
5.1.1 車輪的創(chuàng)建 63
5.1.2 螺旋彈簧的創(chuàng)建 64
5.1.3 制動(dòng)盤的創(chuàng)建 65
5.1.4 轉(zhuǎn)向節(jié)的創(chuàng)建 65
5.1.5 下橫臂的創(chuàng)建 65
5.1.6 減震器的創(chuàng)建 66
5.1.7 其他零部件的創(chuàng)建 66
5.2懸架的裝配 67
5.2.1 組件裝配概述 67
5.2.2 裝配懸架組件的過(guò)程 67
5.3 本章小結(jié) 69
結(jié) 論 70
參考文獻(xiàn) 71
致 謝 73
附錄A 74
附錄B 79
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 選題的目的
由于懸架系統(tǒng)在汽車行駛中占有重要地位和發(fā)揮關(guān)鍵作用，懸架的研究越來(lái)越受到廣泛的重視。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究方法的基礎(chǔ)上，也出現(xiàn)了許多先進(jìn)的方法和技術(shù)，比如CAD/CAE技術(shù)、有限元分析、模擬仿真、虛擬設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等等。所以懸架系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)具有廣闊的前景。
在實(shí)際當(dāng)中，如果懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)大大影響汽車產(chǎn)品的使用性能，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重、車輪擺振、輪胎偏磨嚴(yán)重、輪胎使用壽命縮短等現(xiàn)象。本課題研究的目的就在于運(yùn)用CAD/CAE技術(shù)對(duì)車輛麥弗遜式前懸架的虛擬設(shè)計(jì)。在試制前的階段進(jìn)行懸架結(jié)構(gòu)布置和建模仿真，獲得分析車輪垂直跳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)與車輪前束角的變化等關(guān)系，總結(jié)規(guī)律。獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)對(duì)模型某項(xiàng)或是多項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求,從而為汽車懸架的設(shè)計(jì)提供一種新的可行性方案,為生產(chǎn)實(shí)踐提供必要的理論支持。
1.2 選題的意義
懸架是車輛行駛系的重要的組成部分。其主要任務(wù)是彈性連接車輪與車架，傳遞二者之間的力和力矩，并緩和沖擊、衰減振動(dòng)。性能優(yōu)良的懸架系統(tǒng)對(duì)改善車輛的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、減輕車輛自重、改善輪胎的磨損狀況以及減少對(duì)公路的破壞具有重要意義。
傳統(tǒng)的懸架設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、數(shù)學(xué)推導(dǎo)法以及幾何作圖等方法, 在懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、試制整個(gè)過(guò)程中必須邊試驗(yàn)、邊改進(jìn)，從設(shè)計(jì)到試制、試驗(yàn)、定型，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本較高，雖然可以滿足設(shè)計(jì)要求, 但精度和效率不高。所以，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)很難滿足日益加速的設(shè)計(jì)需求, 為縮短開(kāi)發(fā)周期, 降低開(kāi)發(fā)成本, 有必要采用新的設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，結(jié)合虛擬設(shè)計(jì)和虛擬試驗(yàn)，可以大大簡(jiǎn)化懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。有利于企業(yè)搶占市場(chǎng)和發(fā)展先機(jī)，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
1.3 懸架技術(shù)研究現(xiàn)狀
懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析在汽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中占有重要的地位。懸架系統(tǒng)在發(fā)揮車輛操縱穩(wěn)定性方面至關(guān)重要。
由于汽車操縱穩(wěn)定性研究的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，往往要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，許多新的概念被提了出來(lái)，如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality Technology)，虛擬試驗(yàn)技術(shù)(Virtual Experiment Technology)，虛擬仿真技術(shù)(Virtual Simulation Technology)，和虛擬原型實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)(Virtual Prototyping Experiment Simulation Technology)等等，這為車輛計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)描繪了美好的前景。虛擬試驗(yàn)技術(shù)是一種先進(jìn)的以高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為支撐平臺(tái)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、并行技術(shù)、傳感器技術(shù)等一系列技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。
按傳統(tǒng)的方法對(duì)新車的操縱穩(wěn)定特性進(jìn)行研究時(shí)，需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，試驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的問(wèn)題反饋到設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算、更改后，再試驗(yàn)，這種完全依靠樣車試制后對(duì)汽車進(jìn)行試驗(yàn)達(dá)到調(diào)整汽車性能的做法已經(jīng)不能滿足開(kāi)發(fā)速度和開(kāi)發(fā)質(zhì)量的要求，所以有必要在設(shè)計(jì)中采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)對(duì)汽車的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，以在實(shí)際樣車試制之前就對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出改進(jìn)意見(jiàn)，達(dá)到提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和加快設(shè)計(jì)速度的目的，這對(duì)于提高我國(guó)汽車設(shè)計(jì)的總體水平也有著重要的意義。上世紀(jì)末興起的數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)是縮短車輛研發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的重要途徑。隨著虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、虛擬制造技術(shù)的逐漸成熟，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真就是數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心和關(guān)鍵技術(shù)。就汽車而言，車輛動(dòng)力學(xué)性能、駕駛操縱穩(wěn)定性能、平順性能均為汽車的根本特性，在實(shí)際的研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)這些性能的研究、測(cè)試就必不可少。為了降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，在樣車制造出之前，利用數(shù)字化樣機(jī)對(duì)這些上述性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并且優(yōu)化其參數(shù)就顯得十分必要了。在概念設(shè)計(jì)和方案論證中，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以把自己的經(jīng)驗(yàn)與想象結(jié)合在計(jì)算機(jī)內(nèi)的虛擬樣機(jī)里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當(dāng)用虛擬樣機(jī)來(lái)代替物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)，不但可以縮短開(kāi)發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率也能得到提高。對(duì)操縱穩(wěn)定性的研究常常采用試驗(yàn)方法和仿真分析方法進(jìn)行。仿真分析是在計(jì)算機(jī)上建立簡(jiǎn)化到一定程度的模型，輸入各種操縱控制信號(hào)，計(jì)算出系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)，以此來(lái)表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。因?yàn)榉抡娣治龌ㄙM(fèi)時(shí)間短，可以在計(jì)算機(jī)上重復(fù)進(jìn)行，對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速優(yōu)化并對(duì)比，并且可實(shí)現(xiàn)實(shí)車試驗(yàn)條件下不能進(jìn)行的嚴(yán)酷工況分析，因此廣泛地被人們采用。幾乎所有汽車生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家都采用仿真分析的方法來(lái)分析汽車的某些性能。
美國(guó)MDI(Mechanical Dynamics Inc．)開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）正是應(yīng)這些要求而誕生的。特別是專門應(yīng)用于汽車動(dòng)力學(xué)分析的ADAMS／Car專用模塊，極大地方便了汽車設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作。ADAMS是目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的虛擬樣機(jī)仿真軟件，應(yīng)用它可以方便地建立參數(shù)化的實(shí)體模型，并進(jìn)行仿真分析。
1.4 研究?jī)?nèi)容和方法
應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對(duì)本課題研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
1 分析車型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并獲取懸架建模所需要的參數(shù)；
2 利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立前懸架模型，就其特性參數(shù)進(jìn)行仿真分析，并就結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
分析麥弗遜式懸架的結(jié)構(gòu)和懸架設(shè)計(jì)要求，在懸架設(shè)計(jì)中，根據(jù)整車的布置要求以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定懸架的整體空間數(shù)據(jù)和性能參數(shù)，運(yùn)用PRO/E建立三維物理模型，并在ADAMS軟件平臺(tái)上建立麥弗遜懸架的簡(jiǎn)化物理模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，通過(guò)分析車輪垂直跳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)與車輪前束角的變化等關(guān)系獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，建立虛擬麥弗遜懸架模型。
其具體路線如框圖1.1所示。
圖1.1設(shè)計(jì)路線圖
1.5 預(yù)期結(jié)果
按照任務(wù)和進(jìn)度要求，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)這些預(yù)期和相應(yīng)結(jié)果：首先在完成必要的設(shè)計(jì)計(jì)算后，利用ADAMS平臺(tái)，建立簡(jiǎn)化的麥弗遜前懸架模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得相應(yīng)的性能曲線。然后將模型參數(shù)化，創(chuàng)建若干設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行優(yōu)化分析，找出影響懸架性能的主要因素，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)完成后應(yīng)提交的文件和圖表：
（1）1.5萬(wàn)字的設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，包括設(shè)計(jì)計(jì)算部分內(nèi)容、懸架建模和仿真分析過(guò)程，重點(diǎn)是分析過(guò)程；
（2）零件圖一套（包括PRO/E零件圖），基于優(yōu)化完成后確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)在三維建模軟件，建立懸架總成的裝配圖、零件圖；
（3）基于虛擬軟件ADAMS/View 的仿真分析，給出具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
第2章 麥弗遜式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)分析
2.1 懸架的組成與分類
2.1.1 懸架的組成
現(xiàn)代汽車，特別是乘用車的懸架，形式、種類會(huì)因不同的公司和設(shè)計(jì)單位，而有不同形式。但是，懸架系統(tǒng)一般由彈性元件、減震器、緩沖塊、橫向穩(wěn)定器等幾部分組成等。它們分別起到緩沖、減振 、力的傳遞、限位和控制車輛側(cè)傾角度的作用。
1—彈性元件；2—縱向推力桿；3—減震器；4—橫向穩(wěn)定器；5—橫向推力桿
圖2.1 汽車懸架組成示意圖
彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式，現(xiàn)代轎車懸架多采用螺旋彈簧，個(gè)別高級(jí)轎車則使用空氣彈簧。螺旋彈簧只承受垂直載荷，緩和及抑制不平路面對(duì)車體的沖擊，具有占用空間小，質(zhì)量小，無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，但由于本身沒(méi)有摩擦而沒(méi)有減振作用。減震器是為了加速衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動(dòng)，減震器有筒式減震器，阻力可調(diào)式新式減震器，充氣式減震器。它是懸架機(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)械件。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用來(lái)傳遞車輪與車身間的力和力矩，同時(shí)保持車輪按一定運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)車身跳動(dòng)，通常導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由控制擺臂式桿件組成。種類有單桿式或多連桿式的。鋼板彈簧作為彈性元件時(shí)，可不另設(shè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，它本身兼起導(dǎo)向作用。有些轎車和客車上，為防止車身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過(guò)大的橫向傾斜，在懸架系統(tǒng)中加設(shè)橫向穩(wěn)定桿，目的是提高橫向剛度，使汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性，改善汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。
現(xiàn)代汽車懸架的發(fā)展十分快，不斷出現(xiàn)，嶄新的懸架裝置。按控制形式不同分為被動(dòng)式懸架和主動(dòng)式懸架。目前多數(shù)汽車上都采用被動(dòng)懸架，也就是說(shuō)汽車姿態(tài)（狀態(tài)）只能被動(dòng)地取決于路面及行駛狀況和汽車的彈性元件，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減振器這些機(jī)械零件。
2.1.2 懸架的分類
發(fā)展至今，汽車的懸架從大的方面來(lái)看，主要可以分為兩類：獨(dú)立式懸架和非獨(dú)立式懸架。另外還形成了一種介于獨(dú)立和非獨(dú)立的中間形式，稱為半獨(dú)立式懸架。
1、獨(dú)立懸架
獨(dú)立懸架是兩側(cè)車輪分別獨(dú)立地與車架彈性地連接，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊，其運(yùn)動(dòng)不直接影響到另一側(cè)車輪，獨(dú)立懸架所采用的車橋是斷開(kāi)式的。這樣使得發(fā)動(dòng)機(jī)可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結(jié)構(gòu)緊湊。獨(dú)立懸架允許前輪有大的跳動(dòng)空間，有利于轉(zhuǎn)向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時(shí)獨(dú)立懸架非簧載質(zhì)量小，可提高汽車車輪的附著性。如圖2.2所示。
(a)—雙橫臂式；(b)—縱臂式；(c)—燭式；(d)麥弗遜式
圖2.2 常見(jiàn)的獨(dú)立懸架類型
獨(dú)立懸架的類型及特點(diǎn)：獨(dú)立懸架的車軸分成兩段（如圖2.3），每只車輪用螺旋彈簧獨(dú)立地，彈性地連接安裝在車架下面，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊，其運(yùn)動(dòng)不直接影響到另一側(cè)車輪，獨(dú)立懸架所采用的車橋是斷開(kāi)式的。
圖2.3獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
現(xiàn)在，前懸架基本上都采用獨(dú)立懸架系統(tǒng)，最常見(jiàn)的有雙橫臂式和滑柱擺臂式（又稱麥弗遜式）。
（1）雙橫臂式獨(dú)立懸架
工作原理：由上短下長(zhǎng)兩根橫臂連接車輪與車身，通過(guò)選擇比例合適的長(zhǎng)度，可使車輪和主銷的角度及輪距變化不大。這種獨(dú)立懸架被廣泛應(yīng)用在轎車前輪上。雙橫臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2個(gè)V形擺臂以一定的距離，分別安裝在車輪上，另一端安裝在車架上。如圖2.4、2.5所示。
。
圖2.4 雙橫臂式獨(dú)立前懸架
1，6-下擺臂及上擺臂；2,5-球頭銷；3-半軸等速萬(wàn)向節(jié)；4-立柱；7，8-緩沖塊
圖2.5無(wú)主銷前轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的雙橫臂懸架
雙橫臂式獨(dú)立懸架根據(jù)上下橫臂的長(zhǎng)度相等于不相等又可分為等長(zhǎng)雙橫臂式和不等長(zhǎng)雙橫臂式。等長(zhǎng)雙橫臂式懸架在其車輪作上、下跳動(dòng)時(shí)，可以保持主銷傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會(huì)使輪胎磨損嚴(yán)重，故已很少使用，多為不等長(zhǎng)雙橫臂式懸架所取代。不等長(zhǎng)雙橫臂懸架在其車輪上、下跳動(dòng)時(shí)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇上、下橫臂的長(zhǎng)度并合理布置，即可使車輪定位參數(shù)的變化量限定在允許的范圍內(nèi)。這種不大的輪距改變，不應(yīng)引起車輪沿路面的側(cè)滑，而為輪胎的彈性變形所補(bǔ)償。因此不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架能保證汽車有良好的行駛穩(wěn)定行，已為中、高級(jí)轎車的前懸架所廣泛采用。
雙橫臂懸架的特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但經(jīng)久耐用，同時(shí)減振器的負(fù)荷小，壽命長(zhǎng)?？梢猿休d較大負(fù)荷，多用于輕型﹑小型貨車的前橋；缺點(diǎn)：因?yàn)橛袃蓚€(gè)擺臂，所以占用的空間比較大。所以，乘用車的前懸架一般不用此種結(jié)構(gòu)形式。
（2）麥弗遜式獨(dú)立懸架（滑柱連桿式）
圖2.6 麥弗遜式獨(dú)立前懸架
麥弗遜式獨(dú)立懸架是以其發(fā)明者美國(guó)通用汽車公司工程師麥弗遜( Earle S MacPherson)先生命名的, 也稱麥?zhǔn)蠎壹?30年代, 通用的雪佛蘭分部想設(shè)計(jì)一種質(zhì)量小于900kg、軸距小于2740的小型汽車, 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是懸架總設(shè)計(jì)師麥弗遜創(chuàng)造性地將活塞桿兼做轉(zhuǎn)向主銷, 車輪沿主銷軸線跳動(dòng), 前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性同雙橫臂式獨(dú)立懸架比, 它沒(méi)有上橫臂, 因而增大了兩輪間的內(nèi)部空間, 給發(fā)動(dòng)機(jī)和其他部件的布置帶來(lái)了方便。
麥弗遜式獨(dú)立懸架在轎車上應(yīng)用最為廣泛, 在輕型汽車也有應(yīng)用, 例如豐田的特銳小型四驅(qū)車、日產(chǎn)的X輕型越野車和陸虎的發(fā)現(xiàn)者輕型越野車等，北京現(xiàn)代ix35尊貴版的前懸架也是麥弗遜式的。在中型汽車上, 僅見(jiàn)于國(guó)外的一些輪式裝甲車輛, 例如美國(guó)的斯特萊克、瑞士的皮蘭哈和意大利的美洲獅等, 但已呈逐漸增多的趨勢(shì)。
其工作原理：這種懸架將減震器作為引導(dǎo)車輪跳動(dòng)的滑柱，螺旋彈簧與其裝于一體。由于其主銷軸線位置在減震器與車身連接鉸鏈中心和下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接鉸鏈中心的連線上，車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，主銷軸線的角度會(huì)有變化。因此前輪定位參數(shù)和輪距也都會(huì)相應(yīng)改變，且變化量可能很大。以上問(wèn)題可通過(guò)調(diào)整桿系設(shè)計(jì)布置合理得到解決。
典型的結(jié)構(gòu)如圖2.7和圖2.8。
圖2.7 麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)
1-減振器外筒;2-活塞桿;3-彈簧支座;4-橫向穩(wěn)定桿支架;5-橫向穩(wěn)定桿拉桿;
6-副車架;7-橫向穩(wěn)定桿;8-發(fā)動(dòng)機(jī)支座;9-彈簧上支座;10-隔離座;11-輔助彈簧;12-防塵罩;13-U形夾;14-軸承;15-定位螺栓
1-橫向擺臂;2-球形支承;3-減振器外筒;4-彈簧;5-上支承軸承;6-反跳緩沖彈簧
圖2.8 麥弗遜懸架的另一種結(jié)構(gòu)圖
麥弗遜獨(dú)立懸架的特點(diǎn)：
麥弗遜式是鉸接式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)。特點(diǎn)是主銷軸線和前輪定位角隨車輪的上下跳動(dòng)而變，這種懸架構(gòu)造簡(jiǎn)單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊，車輪跳動(dòng)時(shí)前輪定位參數(shù)變化小，有良好的操縱穩(wěn)定性，加上由于取消了上橫臂，給發(fā)動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置帶來(lái)方便，并降低車輛的重心。技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度快。雖然麥弗遜式懸架并不是技術(shù)含量最高的懸架結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，剛度小，穩(wěn)定性較差，轉(zhuǎn)彎側(cè)傾明顯，因此應(yīng)增加橫向穩(wěn)定器，以增強(qiáng)橫向剛度），但它是一種經(jīng)久耐用的獨(dú)立懸架，具有很強(qiáng)的道路適應(yīng)能力。所以，目前轎車使用最多的獨(dú)立懸架是麥弗遜式懸架。
2、非獨(dú)立式懸架
非獨(dú)立懸架如圖2.9所示。其特點(diǎn)是兩側(cè)車輪安裝于一整體式車橋上，當(dāng)一側(cè)車輪受沖擊力時(shí)會(huì)直接影響到另一側(cè)車輪上，當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)定位參數(shù)變化小。若采用鋼板彈簧作彈性元件，它可兼起導(dǎo)向作用，使結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，降低成本。目前廣泛應(yīng)用于貨車和大客車上，有些轎車后懸架也有采用的。非獨(dú)立懸架由于非簧載質(zhì)量比較大，高速行駛時(shí)懸架受到?jīng)_擊載荷比較大，平順性較差。
圖2.9 非獨(dú)立式懸架結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 本章小結(jié)
本章對(duì)懸架的基本組成和分類做了一個(gè)全面的介紹，結(jié)合具體結(jié)構(gòu)組成，說(shuō)明懸架系統(tǒng)在汽車行駛時(shí)發(fā)揮著必不可少的關(guān)鍵作用。對(duì)兩種典型的獨(dú)立式懸架的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，對(duì)它們的總體布置形式做了初步的說(shuō)明。
第3章 麥弗遜式獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)
3.1 懸架機(jī)構(gòu)形式確定
1、懸架具體結(jié)構(gòu)形式的選擇
為適應(yīng)不同車型和不同類型車橋的需要，懸架有不同的結(jié)構(gòu)型式，主要有獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架。獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架各自的特點(diǎn)在上一章中已經(jīng)作了介紹，本章不再累述。所選車型為乘用車。對(duì)乘坐舒適性要求較高，故選擇獨(dú)立懸架。麥弗遜式獨(dú)立懸架是獨(dú)立懸架中的一種，是一種減震器作滑動(dòng)支柱并與下控制臂鉸接組成的一種懸架形式,與其它懸架系統(tǒng)相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能好、布置緊湊,占用空間少。因此對(duì)布置空間要求高的發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)動(dòng)轎車的前懸架幾乎全部采用了麥弗遜式懸架。
此次設(shè)計(jì)的懸架為發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的北京現(xiàn)代ix35尊貴版車型，由于只知其前懸形式為麥弗遜式獨(dú)立懸架和整車基本參數(shù)。故設(shè)計(jì)時(shí)參考同類車型，根據(jù)所學(xué)知識(shí)，初步計(jì)算確定懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是為進(jìn)一步的分析研究的基礎(chǔ)。
2、彈性元件
彈性元件是懸架的最主要部件，因?yàn)閼壹茏罡镜淖饔檬菧p緩地面不平度對(duì)車身造成的沖擊，即將短暫的大加速度沖擊化解為相對(duì)緩慢的小加速度沖擊。使人不會(huì)造成傷害及不舒服的感覺(jué)；對(duì)貨物可減少其被破壞的可能性。
彈性元件主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧等常用類型。除了板彈簧自身有減振作用外，配備其它種類彈性元件的懸架必須配備減振元件，使已經(jīng)發(fā)生振動(dòng)的汽車盡快靜止。鋼板彈簧是汽車最早使用的彈性元件，由于存在諸多設(shè)計(jì)不足之處，現(xiàn)在逐步被其它種類彈性元件所取代。如前所述，由螺旋彈簧具有占用空間小，質(zhì)量小，無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，而被大多數(shù)乘用車選用。故本設(shè)計(jì)選擇螺旋彈簧。
3、減震元件
減震元件主要起減振作用。為加速車架和車身振動(dòng)的衰減，以改善汽車的行駛平順性，在大多數(shù)汽車的懸架系統(tǒng)內(nèi)都裝有減震器。減震器和彈性元件是并聯(lián)安裝的，如圖3.1所示。
汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力減震器。液力減震器的作用原理是當(dāng)車架與車橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，而減震器中的活塞在缸筒內(nèi)也作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則減震器殼體內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔。此時(shí)，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對(duì)振動(dòng)的阻尼力，使車身和車架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，而被油液和減震器殼體所吸收，然后散到大氣中。本文選擇雙筒式液力減震器（后有詳述）。
圖3.1 含減震器的懸架簡(jiǎn)圖
1.車身2.減震器3.彈性原件4.車橋
4、傳力構(gòu)件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
車輪相對(duì)于車架和車身跳動(dòng)時(shí)，車輪（特別是轉(zhuǎn)向輪）的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)符合一定的要求，否則對(duì)汽車某些行駛性能（特別是操縱穩(wěn)定性）有不利的影響。因此，懸架中某些傳力構(gòu)件同時(shí)還承擔(dān)著使車輪按一定軌跡相對(duì)于車架和車身跳動(dòng)的任務(wù)，因而這些傳力構(gòu)件還起導(dǎo)向作用，故稱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
對(duì)前輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求
（1）懸架上載荷變化時(shí)，保證輪距變化不超過(guò)±4.0mm，輪距變化大會(huì)引起輪胎早期磨損；
（2）懸架上載荷變化時(shí)，前輪定位參數(shù)要有合理的變化特性，車輪不應(yīng)產(chǎn)生縱向加速度；
（3）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，應(yīng)使車身側(cè)傾角小。在0.4g側(cè)向加速度作用下，車身側(cè)傾角≤6-7度。并使車輪與車身的傾斜同向，以增強(qiáng)不足轉(zhuǎn)向效應(yīng)。
（4）制動(dòng)時(shí)，應(yīng)使車身有抗”前俯”作用；加速時(shí)，有抗“后仰”作用。
（5）具有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命，可靠地傳遞除垂直力以外的各種力和力矩。
5、橫向穩(wěn)定器
在多數(shù)的轎車和客車上，為防止車身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過(guò)大的橫向傾斜，在懸架中還設(shè)有輔助彈性元件——橫向穩(wěn)定器。
橫向穩(wěn)定器實(shí)際是一根近似U型的桿件，兩個(gè)端頭與車輪剛性連接，用來(lái)防止車身產(chǎn)生過(guò)大側(cè)傾。其原理是當(dāng)一側(cè)車輪相對(duì)車身位移比另外一側(cè)位移大時(shí)，穩(wěn)定桿承受扭矩，由其自身剛性限制這種傾斜，特別是前輪，可有效防止因一側(cè)車輪遇障礙物時(shí)，限制該側(cè)車輪跳動(dòng)幅度。
3.2 主要依據(jù)參數(shù)的確定
本次設(shè)計(jì)主要是根據(jù)2010款北京現(xiàn)代ix35尊貴版6檔手自一體型前懸架來(lái)進(jìn)行的，具體車型參數(shù)配置如表3.1。表中前后輪距數(shù)據(jù)為參考同類車型確定。
表3.1 北京現(xiàn)代ix35尊貴版整體尺寸數(shù)據(jù)表
車身長(zhǎng)/寬/高
4420 /1820/1690
軸距
2640
前輪距
1570
后輪距
1570
整車整備質(zhì)量
1521
最小離地間隙
170
發(fā)動(dòng)機(jī)形式/排量
2.4D0HC 16v θIIdual—CWT 2359ml
輪胎規(guī)格
225/60
懸架系統(tǒng)
前：麥弗遜獨(dú)立前懸架 后：多連桿獨(dú)立后懸架
最大總質(zhì)量
1821
1、懸架的空間幾何參數(shù)
在確定零件尺寸之前，需要先大體確定懸架的空間幾何參數(shù)。麥弗遜式懸架的受力圖如圖3.2所示。根據(jù)車輪尺寸，確定G點(diǎn)離地高度為230，根據(jù)車身高度確定D大致高度為850，O點(diǎn)距車輪中心平面120，減震器安裝角度10.7°。
圖3.2 懸架空間受力示意圖
3.3 懸架的彈性特性和工作行程
1、懸架頻率的選擇
對(duì)于大多數(shù)汽車而言，其懸掛質(zhì)量分配系數(shù)ε=0.8～1.2，因而可以近似地認(rèn)為ε=1.0，即前后橋上方車身部分的集中質(zhì)量的垂直振動(dòng)是相互獨(dú)立的，并用偏頻 ， 表示各自的自由振動(dòng)頻率，偏頻越小，則汽車的平順性越好。一般對(duì)于鋼制彈簧的轎車， 約為1～1.3Hz（60～80次/min）， 約為1.17～1.5Hz（70～90次/min），非常接近人體步行時(shí)的自然頻率。取n=1.2HZ。
2、懸架的工作行程
汽車的前后偏頻的計(jì)算公式如下：
（3.1）
（3.2）
其中g(shù)為重力加速度其值取g=9.8 ,、為前后懸架剛度，、為前后懸架的簧載質(zhì)量。對(duì)于一般采用鋼制彈簧的轎車約為、為，0.85～0.95。
粗取 ，。 在0.85～0.95范圍內(nèi)符合要求。
（3.3）
（3.4）
則懸架動(dòng)撓度：=（0.5—0.7）
取=0.5=0.5×173.6＝86.8
懸架的動(dòng)撓度是指從滿載靜平衡位置開(kāi)始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形，一般對(duì)于乘用車取70～90、客車50～80、貨車60～90。為了得到良好的平順性，因當(dāng)采用較軟的懸架以降低偏頻，但軟的懸架在一定載荷下其變形量也大，對(duì)于一般轎車而言，懸架總工作行程（靜撓度與動(dòng)撓度之和）應(yīng)當(dāng)不小于160。而=173.6+86.8=260.4>160 符合要求。
3、懸架剛度計(jì)算
已知：已知整車裝備質(zhì)量：m =1521kg，取簧上質(zhì)量為1060kg；取簧下質(zhì)量為60kg，則由軸荷分配范圍表3.2可知：
空載前軸單輪軸荷取60%：=456.3kg
滿載前軸單輪軸荷取50%：
表3.2 各類汽車的軸荷分配范圍
車型
空載
滿載
前軸
后軸
前軸
后軸
轎車
前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)（FF）
56%~66%
34%~44%
47%~60%
40%~53%
前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)（FR）
50%~55%
45%~50%
45%~50%
50%~55%
后置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)（RR）
42%~50%
50%~58%
40%~45%
55%~60%
貨車
4*2后輪單胎
50%~59%
41%~50%
32%~40%
60%~68%
4*2后輪雙胎，長(zhǎng)頭、短頭車
44%~49%
51%~56%
27%~30%
70%~73%
4*2后輪雙胎，平頭車
49%~54%
46%~51%
32%~35%
65%~68%
6*4后輪雙胎
31%~37%
63%~69%
19%~24%
76%~81%
客車
前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)
前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)
后置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)
懸架剛度：= 。
3.4 螺旋彈簧的設(shè)計(jì)
3.4.1 螺旋彈簧的剛度
1、螺旋彈簧類型的選擇
螺旋彈簧形式選擇為兩端碾細(xì)并并緊如圖3.1（b）圖所示，彈簧的材料為有淬火回火硅錳合金彈簧鋼絲。其試驗(yàn)載荷，，。
圖3.3 彈簧兩端結(jié)構(gòu)圖
由于存在懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的關(guān)系，懸架剛度C與彈簧剛度是不相等的，其區(qū)別在于懸架剛度C是指車輪處單位撓度所需的力；而彈簧剛度僅指彈簧本身單位撓度所需的力。
例如麥弗遜獨(dú)立懸架的懸架剛度C的計(jì)算方法：如下圖所示。
圖3.4 懸架幾何關(guān)系示意圖
初步選定下擺臂長(zhǎng)EH=491.62；半輪距B=785；減震器的布置角度β=9.1°，高度580。可知懸架剛度與彈簧剛度的關(guān)系如下：
由圖可知：
C=(U*Cosδ/PCosβ) （3.5）
式中C——懸架剛度，——彈簧剛度
已知U=2200 P=2288.8 δ=4.67° β=9.1°
得31.79 N/
2、計(jì)算彈簧鋼絲直徑d
根據(jù)下面的公式可以計(jì)算：
式中 i——彈簧有效工作圈數(shù)，先取8;
G——彈簧材料的剪切彈性模量，取Mpa;
——彈簧中徑，取110;
代入計(jì)算得：d=11.98
確定鋼絲直徑d=12，彈簧外徑D=122，彈簧有效工作圈數(shù)n=8；
3、彈簧校核
（1）彈簧剛度校核
彈簧剛度的計(jì)算公式為：
代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得彈簧剛度為：
N/
所以彈簧選擇符合剛度要求。
4、彈簧表面剪切應(yīng)力校核
彈簧在壓縮時(shí)其工作方式與扭桿類似，都是靠材料的剪切變形吸收能量，彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力為：
式中C——彈簧指數(shù)（旋繞比），；
——曲度系數(shù)，為考慮簧圈曲率對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù)；；
P——彈簧軸向載荷。
已知=110，d=12，可以算出彈簧指數(shù)C和曲度系數(shù)：
=110/2=9.16
P=N； 則彈簧表面的剪切應(yīng)力：Mpa
[τ]=0.63[σ]=0.63×1569Mpa，因?yàn)棣?[τ]，所以彈簧滿足要求。
綜上可以最終選定彈簧的參數(shù)為：彈簧鋼絲直徑d=12，彈簧外徑D=122，彈簧有效工作圈數(shù)n=8。
3.5 減震器結(jié)構(gòu)類型的選擇
減震器的功能是吸收懸架垂直振動(dòng)的能量，并轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使振動(dòng)迅速衰減。汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力式減震器。其作用原理是，當(dāng)車架與車橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減震器中的活塞在缸筒內(nèi)業(yè)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，于是減震器殼體內(nèi)的油液反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)另一些狹小的孔隙流入另一個(gè)內(nèi)腔。此時(shí)，孔與油液見(jiàn)的摩擦力及液體分子內(nèi)摩擦便行程對(duì)振動(dòng)的阻尼力，使車身和車架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能，被油液所吸收，然后散到大氣中。
減震器大體上可以分為兩大類，即摩擦式減震器和液力減震器。故名思義，摩擦式減振器利用兩個(gè)緊壓在一起的盤片之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力提供阻尼。由于庫(kù)侖摩擦力隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的提高而減小，并且很易受油、水等的影響，無(wú)法滿足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價(jià)低、易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)代汽車上已不再采用這類減震器。液力減震器首次出現(xiàn)于1901年，其兩種主要的結(jié)構(gòu)型式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減震器相比，搖臂式減震器的活塞行程要短得多，因此其工作油壓可高達(dá)75-30MPa，而筒式只有2.5-5MPa。筒式減震器的質(zhì)量?jī)H為擺臂式的約1/2，并且制造方便，工作壽命長(zhǎng)，因而現(xiàn)代汽車幾乎都采用筒式減震器。筒式減震器最常用的三種結(jié)構(gòu)型式包括:雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。
雙筒式液力減震器
雙筒式液力減震器雙筒式液力減震器的工作原理如圖9所示。其中A為工作腔，C為補(bǔ)償腔，兩腔之間通過(guò)閥系連通，當(dāng)汽車車輪上下跳動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)活塞1在工作腔A中上下移動(dòng)，迫使減震器液流過(guò)相應(yīng)閥體上的阻尼孔，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?。車輪向上跳?dòng)即懸架壓縮時(shí)，活塞1向下運(yùn)動(dòng)，油液通過(guò)閥Ⅱ進(jìn)入工作腔上腔，但是由于活塞桿9占據(jù)了一部分體積，必須有部分油液流經(jīng)閥Ⅳ進(jìn)入補(bǔ)償腔C;當(dāng)車輪向下跳動(dòng)即懸架伸張時(shí)，活塞1向上運(yùn)動(dòng)，工作腔A中的壓力升高，油液經(jīng)閥Ⅰ流入下腔，提供大部分伸張阻尼力，還有一部分油液經(jīng)過(guò)活塞桿與導(dǎo)向座間的縫隙由回流孔6進(jìn)人補(bǔ)償腔，同樣由于活塞桿所占據(jù)的體積，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，必定有部分油液經(jīng)閥Ⅲ流入工作腔下腔。減震器工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量靠貯油缸筒3散發(fā)。減震器的工作溫度可高達(dá)120攝氏度，有時(shí)甚至可達(dá)200攝氏度。為了提供溫度升高后油液膨脹的空間，減震器的油液不能加得太滿，但一般在補(bǔ)償腔中油液高度應(yīng)達(dá)到缸筒長(zhǎng)度的一半，以防止低溫或減震器傾斜的情況下，在極限伸張位置時(shí)空氣經(jīng)油封7進(jìn)入補(bǔ)償腔甚至經(jīng)閥Ⅲ吸入工作腔，造成油液乳化，影響減震器的工作性能。
圖3.5減震器工作原理圖
1-活塞；2-工作缸筒；3-貯油缸筒；4-底閥座；5-導(dǎo)向座；
6-回流孔活塞桿；7-油封；8-防塵罩；9-活塞桿
減震器的特性可用圖3.6示圖和阻尼力-速度曲線描述。減震器特性曲線的形狀取決于閥系的具體結(jié)構(gòu)和各閥開(kāi)啟力的選擇。一般而言，當(dāng)油液流經(jīng)某一給定的通道時(shí)，其壓力損失由兩部分構(gòu)成。其一為粘性沿程阻力損失，對(duì)一般的湍流而言，其數(shù)值近似地正比于流速。其二為進(jìn)入和離開(kāi)通道時(shí)的動(dòng)能損失，其數(shù)值也與流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影響。由于油液粘性隨溫度的變化遠(yuǎn)比密度隨溫度的變化顯著，因而在設(shè)計(jì)閥系時(shí)若能盡量利用前述的第二種壓力損失，則其特性將不易受油液粘性變化的影響，也即不易受油液溫度變化的影響。不論是哪種情形，其阻力都大致與速度的平方成正比，如圖3.6圖中曲線A所示為在某一給定的A通道下阻尼力F與液流速度v的關(guān)系，若與通道A并聯(lián)一個(gè)直徑更/大的通道B，則總的特性將如圖中曲線A+B所示。如果B為一個(gè)閥門，則當(dāng)其逐漸打開(kāi)時(shí)，可獲得曲線A與曲線A+B間的過(guò)渡特性。恰當(dāng)選擇A,B的孔徑和閥的逐漸開(kāi)啟量，可以獲得任何給定的特性曲線。閥打開(kāi)的過(guò)程可用三個(gè)階段來(lái)描述，第一階段為閥完全關(guān)閉，第二階段為閥部分開(kāi)啟，第三階段為閥完全打開(kāi)。通常情況下，當(dāng)減震器活塞相對(duì)于缸筒的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到0. lm/s時(shí)閥就開(kāi)始打開(kāi)，完全打開(kāi)則需要運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到數(shù)米每秒。
圖3.6 速度對(duì)減震器特性影響示意圖
圖3.7所示三種典型的減震器特性曲線。第一種為斜率遞增型的，第二種為等斜率的(線性的)，第三種為斜率遞減型的。其中第一種在小速度時(shí)，阻尼力較小，有利于保證平坦路面上的平順性，第三種則在相當(dāng)寬的振動(dòng)速度范圍內(nèi)都可提供足夠的阻尼力，有利于提高車輪的接地能力和汽車的行駛性能。根據(jù)汽車的型式、道路條件和使用要求，可以選擇恰當(dāng)?shù)淖枘崃μ匦浴?
需要注意的是，在大部分汽車上，減震器不是完全垂直安裝，如圖3.8所示為剛性橋非獨(dú)立懸架的情況。
圖3.7典型的減震器特性曲線 圖3.8減震器斜置時(shí)計(jì)算傳遞比示意圖
單筒充氣式液力減震器
單筒充氣式減震器的工作原理如圖（13）所示。其中浮動(dòng)活塞3將油液和氣體分開(kāi)并且將缸筒內(nèi)的容積分成工作腔4和補(bǔ)償腔2兩部分。當(dāng)車輪下落即懸架伸張時(shí)，活塞桿8帶動(dòng)活塞5下移，壓迫油液經(jīng)過(guò)伸張閥10從工作腔下腔流入上腔。此時(shí)，補(bǔ)償腔2中的氣體推動(dòng)活塞3下移以補(bǔ)償活塞桿抽出造成的容積減小;車輪上跳時(shí)，活塞5向上運(yùn)動(dòng)，油液通過(guò)壓縮閥6由上腔流入下腔，同時(shí)浮動(dòng)活塞向上移動(dòng)以補(bǔ)償活塞桿在油液中的體積變化。
與前述的雙筒式減震器相比，單筒充氣式減震器具有以下優(yōu)點(diǎn):
①工作缸筒n直接暴露在空氣中，冷卻效果好;②在缸筒外徑相同的前提下，可采用大直徑活塞，活塞面積可增大將近一倍，從而降低工作油壓;③在充氣壓力作用下，油液不會(huì)乳化，保證了小振幅高頻振動(dòng)時(shí)的減震效果;④由于浮動(dòng)活塞將油、氣隔開(kāi)，因而減振器的布置與安裝方向可以不受限制。其缺點(diǎn)在于:①為保證氣體密封，要求制造精度高;②成本高;③軸向尺寸相對(duì)較大;④由于氣體壓力的作用，活塞桿上大約承受190-250N的推出力，當(dāng)工作溫度為100℃時(shí)，這一值會(huì)高達(dá)450N，因此若與雙筒式減震器換裝，則最好同時(shí)換裝不同高度的彈簧。
雙筒充氣式減震器的優(yōu)點(diǎn)有:
①在小振幅時(shí)閥的響應(yīng)也比較敏感;②改善了壞路上的阻尼特性;③提高了行駛平順性;④氣壓損失時(shí)，仍可發(fā)揮減振功能;⑤與單筒充氣式減震器相比，占用軸向尺寸小，由于沒(méi)有浮動(dòng)活塞，摩擦也較小。因而本次設(shè)計(jì)選擇雙筒式減震器。
圖3.9雙筒充氣式減震器用于麥克弗遜懸架時(shí)的結(jié)構(gòu)圖
1-六方;2-蓋板;3-導(dǎo)向座;4-貯油缸筒;5-補(bǔ)償腔;6-活塞桿;7-彈簧托架;8-限位塊;9-壓縮閥;10-密封環(huán);11-閥片;12-活塞緊固螺母;13-活塞桿小端
3.6 減震器參數(shù)設(shè)計(jì)
1、阻尼系數(shù)ψ
相對(duì)阻尼系數(shù)ψ的物理意義是：減震器的阻尼作用在與不同剛度C和不同簧上質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。ψ值大，振動(dòng)能迅速衰減，同時(shí)又能將較大的路面沖擊力傳到車身；ψ值小則反之，通常情況下，將壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取小些，伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取得大些，兩者之間保持=（0.25-0.50）的關(guān)系。
圖3.10減震器的阻力-位移特性與阻力-速度特性
設(shè)計(jì)時(shí)，先選取與的平均值ψ。相對(duì)無(wú)摩擦的彈性元件懸架，取ψ=0.25-0.35；對(duì)有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，ψ值取的小些，為避免懸架碰撞車架，取=0.5。
取ψ=0.3，則有：，計(jì)算得：=0.4，=0.2
2.減震器阻尼系數(shù)的確定
減震器阻尼系數(shù)。因懸架系統(tǒng)固有頻率，所以理論上。實(shí)際上，應(yīng)根據(jù)減震器的布置特點(diǎn)確定減震器的阻尼系數(shù)。選擇下圖3.12的安裝形式，則起阻尼系數(shù)為：
（3.6）
圖3.12減震器安裝布置示意圖
根據(jù)公式，可得出：
滿載時(shí)計(jì)算前懸剛度N/
代入數(shù)據(jù)得：=7.15HZ，取,
按滿載計(jì)算有：簧上質(zhì)量kg，代入數(shù)據(jù)得減震器的阻尼系數(shù)為：
3、減震器最大卸荷力的確定
為減小傳到車身上的沖擊力，當(dāng)減震器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減震器打開(kāi)卸荷閥。此時(shí)的活塞速度稱為卸荷速度，按上圖安裝形式時(shí)有：
式中，為卸荷速度，一般為0.15～0.3/s，A為車身振幅，?。粸閼壹苷駝?dòng)固有頻率。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得卸荷速度為：
符合在0.15～0.3/s之間范圍要求。
根據(jù)伸張行程最大卸荷力公式：可以計(jì)算最大卸荷力。式中，c是沖擊載荷系數(shù)，取c=1.5；代入數(shù)據(jù)可得最大卸荷力為：
4、減震器工作缸直徑D的確定
根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑D為：
（3.7）
其中，——工作缸最大壓力，在3Mpa～4Mpa,取=3Mpa；
——連桿直徑與工作缸直徑比值，=0.4～0.5，取=0.4。
代入計(jì)算得工作缸直徑D為：
減震器的工作缸直徑D有20，30，40，45，50，65，等幾種。選取時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)選用，按下表選擇。
表3.3 減振器系列選用表
工作缸直徑D
基長(zhǎng)L
貯油直徑
吊環(huán)直徑φ
吊環(huán)直徑寬度B
活塞行程S
30
11 （120）
44 （47）
29
24
230、240、250、260、270、280
40
14 （150）
54
39
32
120、130、140、150、270、280
50
17 （180）
70 （75）
47
40
120、130、140、150、160、170、180
65
210
210
62
50
120、130、140、150、160、170、180、190
所以選擇工作缸直徑D=30的減震器，對(duì)照上表選擇起長(zhǎng)度：
活塞行程S=240，基長(zhǎng)L=110，則：
（壓縮到底的長(zhǎng)度）
（拉足的長(zhǎng)度）
取貯油缸直徑=44，壁厚取2。
3.7 橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)
3.7.1 橫向穩(wěn)定桿的作用
橫向穩(wěn)定桿是一根擁有一定剛度的扭桿彈簧，它和左右懸掛的下托臂或減震器滑柱相連。當(dāng)左右懸掛都處于顛簸路面時(shí)，兩邊的懸掛同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定桿不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于外側(cè)懸掛承受的力量較大，車身發(fā)生一定得側(cè)傾。此時(shí)外側(cè)懸掛收縮，內(nèi)測(cè)懸掛舒張，那么橫向穩(wěn)定桿就會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的彈力，阻止車輛側(cè)傾。從而提高車輛行駛穩(wěn)定性。
由于為了提高汽車的行駛平順性，從而降低了汽車的固有頻率，導(dǎo)致懸架的垂直剛度減小，側(cè)傾角剛度值很小，結(jié)果使汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)傾嚴(yán)重，影響了汽車的穩(wěn)定性，為此大多數(shù)汽車都裝有橫向穩(wěn)定桿來(lái)加大汽車的側(cè)傾角剛度。穩(wěn)定桿的安裝因車而異。
3.7.2 穩(wěn)定桿接頭形式選擇
1、兩端連接處結(jié)構(gòu)形式的選擇
圖3.13 接頭剖面圖
2、中段與車架連接點(diǎn)處結(jié)構(gòu)形式的選擇
穩(wěn)定桿中段與車架連接時(shí)需要用橡膠元件來(lái)吸收振動(dòng)如3.14圖所示打剖面線的為橡膠元件。橡膠元件放在一個(gè)近似U型元件中有U型元件固定在車架上。
圖3.14接頭剖面圖
3.7.3 穩(wěn)定桿直徑計(jì)算
由公式 （3.8）
式中為角剛度，為材料彈性模量，取，為穩(wěn)定桿的截面慣性矩, , 為穩(wěn)定桿兩端間的距離其余變量如下圖3.15所示。穩(wěn)定桿材料為60Si2Mn。
由此可知當(dāng)穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)確定后，懸架的側(cè)傾角剛度給定后就可以初步估算處穩(wěn)定桿的直徑。
、由于所選參考車型的輪距為1570，所以初步選取, , ,
（3.9）
懸架側(cè)傾角剛度的計(jì)算：
（為輪距，為線形剛度）
一般情況下，圖示穩(wěn)定桿最大應(yīng)力發(fā)生在圓角截面處的內(nèi)側(cè)（原理與螺旋彈簧內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大于外側(cè)類似），其大小與截面處遠(yuǎn)角半徑R有關(guān)，因?yàn)镽決定此處的曲度系數(shù)。對(duì)于穩(wěn)定桿，最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)700MPa。
求出最小圓角半徑R后，通常推薦R的取值不小于1.25d。其他位置的應(yīng)力一般都小于圓角截面處的內(nèi)側(cè)應(yīng)力。
由于現(xiàn)行剛度計(jì)算牽涉到獨(dú)立懸架具體機(jī)構(gòu)，因此，而此公式只適合小側(cè)傾角，而且在分析過(guò)程中沒(méi)有考慮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)系中鉸接點(diǎn)處彈性套的影響。實(shí)際轎車的前側(cè)傾角剛度為，后側(cè)傾角剛度為。取，則
圖3.15穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)尺寸圖 （3.10）
故取。
3.7.4 穩(wěn)定桿校核
穩(wěn)定桿處的半徑取。
1、穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
，
為端點(diǎn)處的作用力，=。
（3.11）
2、彎曲應(yīng)力
截面在彎矩的作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。
（3.12）
綜上所述穩(wěn)定桿的強(qiáng)度和剛度都滿足要求。
3.8 輪胎尺寸
我所選的輪胎規(guī)格為 即輪胎的寬，高寬比為，得出輪胎高，輪輞直徑為英寸換算為 因此車輪直徑為。
3.9 半軸初步計(jì)算
半軸的安裝形式選擇全浮式。
（3.13）
式中為負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，取為負(fù)著系數(shù)取，為車輪滾動(dòng)半徑，為最大靜載荷 。
為直徑系數(shù)一般為取
（3.14）
取。
3.10 本章小結(jié)
本章介紹了懸架的基本尺寸的確定，螺旋彈簧的設(shè)計(jì)，減振器工作缸、貯油缸直徑的確定，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中各參數(shù)的確定，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式的確定，并且確定其基本尺寸。還確定了橫向穩(wěn)定桿兩端接頭的形式和中間支承的結(jié)構(gòu)形式，初步計(jì)算了穩(wěn)定桿的直徑和長(zhǎng)度。
第4章 基于ADAMS/View的懸架優(yōu)化分析
4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介
隨著