轿车悬架设计

本科生毕业设计（论文）摘 要本次设计的主要内容是：标致206汽车的前、后悬架系统的结构设计。其前悬架采用目前比较流行的麦弗逊式独立悬架，后悬架采用拖曳臂式独立悬架。减震器为液力双向作用筒式减震器。本说明书还包括前、后悬架性能和结构特点的介绍，悬架参数的确定，减震器设计及计算过程，螺旋弹簧设计及设计过程，悬架刚度和挠度的计算以及各零部件包括连接处的选择。并用MATLAB软件编程平顺性的分析，论证了该系统设计方案的正确性和可行性。在对样车悬架进行平顺性分析中，建立了两自由度的平顺性分析模型，分别绘制车身加速度幅频特性曲线、相对动载幅频特性曲线、弹簧动挠度幅频特性曲线分析了悬架参数对汽车平顺性的影响。因此，这次设计的悬架系统具有良好的行使平顺性。关键词：悬架设计；独立悬架；平顺性；自由度AbstractThe project mainly includes the designs of the front and suspension system of the Peugeot 206Automobiles.The independent McPherson suspension in common use is adopted in the front suspension system，The rear suspension is Independent Suspension Arm drag The shock absorber with two-direction hydraulic-cylinder is applied here. This papers introduced the structure characteristics of the front and rear suspension, determined the suspension parameters, designed and calculated the shock absorbers and coil spring, etc. Furthermore, a program for ride performance computation is compiled by using MATLAB software.In the suspension analysis of the sample car, a model with two degree of freedoms is established. Some curves for ride quality analysis are carried out. From the calculated curves, some topics on how the suspension parameters effect on the ride comfort are discussed. Therefore, a conclusion can be drawn that the current designed suspension system has a good ride performance.Key word: Suspension fork design; Independent suspension fork; Smoothness; Degrees of freedom目录第1章 绪 论1第2章 前、后悬架结构的选择22.1 汽车悬架的性能要求22.2 悬架结构形式分析22.2.1 悬架的分类22.2.2 独立悬架结构形式3第3章 技术参数确定与计算53.1 自振频率53.2 悬架的刚度C63.3 悬架的静挠度fc及动挠度fd63.3.1 悬架的静挠度fc63.3.2 悬架的动挠度fd7第4章 弹性元件的设计计算84.1前悬架弹簧84.2后悬架弹簧9第5章 悬架导向机构的设计115.1导向机构设计要求115.2麦弗逊独立悬架示意图115.3导向机构受力分析125.4横臂轴线布置方式14第6章 减振器设计156.1减振器概述156.2减振器分类156.3减振器参数选取166.4减振器阻尼系数166.5最大卸荷力176.6筒式减振器的工作缸直径17前悬架减振器的工作缸直径17后悬架减振器的工作缸直径18第7章 横向稳定杆设计197.1横向稳定杆的作用197.2稳定杆直径计算19第8章 平顺性分析218.1平顺性概念218.2汽车的等效振动分析218.3车身加速度的幅频特性238.4相对动载的幅频特性248.5悬架弹簧动挠度的幅频特性258.6影响平顺性的因素278.6.1结构参数对平顺性的影响278.6.2使用因素对平顺性的影响27第9章 结论29参考文献30附 录32附 录36外文资料及翻译36第9章 结论29参考文献30致 谢31附 录.32附 录36IV第1章 绪 论这次毕业设计的题目是标致206悬架系统设计。该题目来源于科研课题。近年来，随着汽车工业的发展，人们对汽车的的乘坐舒适性，操纵稳定性的要求逐渐提高，舒适性要求汽车有良好的行驶平顺性。汽车行驶平顺性又与悬架密切相关。悬架系统设计是否合理直接关系到汽车的舒适性能。汽车悬架是车架与车轴之间的弹性联结装置的统称。它的作用是弹性地连接车桥和车架，缓和行驶中车辆受到的冲击力。悬架系统必须能满足以下这些性能的要求：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能性，有足够的刚度、强度和寿命。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。第2章 前、后悬架结构的选择2.1 汽车悬架的性能要求汽车悬架是车架（车身）与车桥（或车轮）之间弹性连接的部件。它的主要作用是缓和、抑制由不平路面引起的振动和冲击，保证乘员乘坐舒适和所运货物完好；除传递汽车垂直力以外，还传递其它各个方向的力和力矩，并保证车轮和车身（或车架）之间有确定的运动关系，使汽车具有良好的驾驶性能。汽车悬架性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和行速度的重要因素，在悬架的设计中应满足如下性能的要求：（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。为此，汽车应有较低的振动频率，乘员在车中承受的振动加速度应满足国际标准ISO-2631-97规定的人体承受振动界限值。（2）有合适的减振性能。它应与悬架的弹性特性很好匹配，保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快，使汽车具有良好的乘坐舒适性。（3）保证汽车有良好的操纵稳定性。导向机构在车轮跳动时，应不使主销定为参数变化过大，车轮运动与导向机构运动协调，不出现摆振现象。转向时整车应有一些不足转向特性。（4）汽车制动时和加速时能保持车身稳定，减少车身纵倾（即点头或后仰）的可能性。（5）能可靠地传递车身与车轮的一切力和力矩，零部件质量轻并有足够的强度和寿命，保证车辆的正常行驶，和减少轮胎磨损等功能。2.2 悬架结构形式分析2.2.1 悬架的分类汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。非独立悬架（如图2.1）的特点是左右车轮用一根刚性轴连接起来，并通过悬架与车架（车身）相连。其典型代表是纵置板簧式悬架。主要形式有纵置板簧式非独立悬架、螺旋弹簧非独立悬架、空气弹簧非独立悬架、油气弹簧非独立悬架。非独立悬架结构简单，工作可靠，被广泛应用于货车的前、后悬架。在轿车中，非独立悬架仅用于后桥。现代轿车的前悬架都用独立悬架来代替非独立悬架。1.非独立悬架优点：1)结构简单；2)制造容易；3)维修方便；4)工作可靠。2.非独立悬架缺点：1)汽车行使平顺性较差；2)容易使车轴和车身倾斜；3)前轮容易产生摆动；4)非簧载质量大，高速行使时稳定性不容易保证。独立悬架（如图2.2）的特点是左右车轮不连在一根轴上，单独通过悬架和车架（或车身）相连。独立悬架按车轮运动的形式可分为：车轮在汽车横向平面内摆动的（单横臂式或双横臂式）悬架；车轮在汽车纵向平面内摆动的（单纵臂式或双纵臂式）悬架；车轮绕着汽车纵轴线一定角度的轴线摆动的（斜臂式）悬架；车轮沿主销滑动的滑柱摆臂式悬架（麦弗逊式悬架）。3独立悬架的优点是：簧下质量小；悬架占用的空间小；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；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；左、右车轮独自运动互不影响，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；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。4独立悬架的缺点是结构复杂，成本较高，维修困难。这种悬架主要用于乘用车和部分质量不大的商用车上。2.2.2 独立悬架结构形式麦弗逊式(滑柱摆臂式)悬架系统有下横臂和减振器弹簧组两个机构连接车轮与车身，其结构简单、质量小、占用空间小、上下行程长等,缺点是由于减振器弹簧组充当了主销的角色,使它同时也承受了地面作用于车轮上的横向力，它具有很强的道路适应能力和良好的行驶稳定性，是一种经济实用、安全可靠的独立架。 拖曳臂独立悬架占用车身空间小，不会让车身在运动中发生外倾角变化，减振器不会发生应力弯曲加剧轮胎磨损，同时该悬架制造成本低，装配简单。目前市场上的主流微型、小型车低端SUV都采用了这种形式的后悬架。拖拽式独立悬架的设置可以保证良好的驾乘舒适性。本次设计为，前悬架为麦弗逊式悬架，后悬架为拖曳臂独立悬架。 图2.3拖曳臂独立悬架 第3章 技术参数确定与计算3.1 自振频率汽车前后悬架与其簧载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。悬架设计的主要目的之一是确保汽车有良好的行驶平顺性。汽车行驶时振动越剧烈，则平顺性越差。由于个体对振动的反应干差万别，人们提出了各种各样的平顺性评价标难。悬架自振频率选取的主要依据是“ISO2631人体承受全身振动的评价指南”自振频率的取值与人不行时身体上下运动的频率相近。轿车的自振频率范围为0.7-1.6Hz。簧载质量的车型取值偏小(约为1Hz或更低)，反之则取大值。货车的自振频率范围为1.5-4.0Hz。由于货车空、满载时簧载质量变化很大，且前、后悬架簧载质量变化也很大，因此，货车的自振频率按如下方法取：前悬架自振频率你n1在满载时取1.5-2.3Hz，空载时为1.7-2.4Hz;后悬架自振频率n2在满载时取1.7-2.4Hz，空载时为2.0-4.0Hz。前、后悬架的自振频率的匹配对汽车行驶平顺性影响也很大，一般使二者接近以免产生较大的车身纵向角振动。由于汽车高速通过单个路障时，n1n2的，故推荐n1/n2的取值范围是0.55-0.95。对于一些微型轿车，也有设计成后悬架的自振频率低于前悬架的，以改善后座的舒适性。 及 式中重力加速度.、前后悬架刚度.、前后悬架簧载重量. 轿车的自振频率范围为0.7-1.6Hz。所以我取n1=1.2Hz;n1/n2=0.9所以n2=1.33Hz;3.2 悬架的刚度Ca+b=1.2+1.23=2.43m前：=1.2/2.43=0.494后：=1.23/2.43=0.506m1=15500.494=765.4kgm2=15500.506=784.6kgms1=765.4-55=710.4kgms2=784.6-60=724.6kg 3.3 悬架的静挠度fc及动挠度fd3.3.1 悬架的静挠度fc悬架的静挠度fc是指汽车满载静止时悬架的载荷Fw与此时的悬架的刚度c之比，即fc=Fw/c。汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车的行使平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量参数分配系数近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前、后部分的固有频率n1和n2可用下式表示n1=；N2=。当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可用下式来表示式中g 为重力加速度。 由上式可以知道，悬架的静挠度fc直接影响车身的偏振n。因此，欲保证汽车的良好的行使平顺性，必须正确的选择悬架的静挠度。在选择前、后悬架的静挠度时，应使之接近，并希望后悬架的静挠度fc2比前悬架的静挠度fc1小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角摆动。理论分析证明：若汽车以较高的车速驶过单个路障，n1/n21时的车身纵向角振动要比n1/n21时小，故推荐取fc2=(0.8-0.9)fc1。考虑到货车的前、后轴荷的差别与驾驶员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值，推荐fc2=(0.6-0.8)fc1。为了改善小排量乘用车后排乘客的乘坐舒适性，有时取后悬架的偏频低于前悬架的偏频。故计算前、后悬架的静挠度为：前悬架静挠度：后悬架静挠度： 符合 3.3.2 悬架的动挠度fd悬架的动挠度fd是指从悬架从满载静平衡位置开始压缩到结构容许的最大变形时，车轮中心相对于车架的垂直位移。要求悬架有足够大的挠度，以防止在坏路面上行使时经常碰到缓冲块。对于轿车悬架的动挠度fd可按下列范围选取： fd=（0.50.7）fc 。故我选取fd=0.5fc fd1=0.5fc1=0.5*173=86.54mm;Fd2=0.6fc2=0.5*140.6=70.3mm第4章 弹性元件的设计计算4.1前悬架弹簧根据弹簧工作条件选用用油淬火回火硅锰（60Si2MnA）弹簧钢丝，由机械设计手册单行本（弹簧）表7-2-17查的材料切变模量；根据表7-2-6按类负荷取许用切应力。确定簧丝直径：按式计算： 初定簧丝直径d=13mm, 查表取C=6，K=1.24其中C为旋绕比，K为曲度系数根据标准系列值，取。基本与原假设相符合。弹簧的钢丝直径：弹簧中径：弹簧内径：弹簧外径：节距 :确定工作圈数和总圈数前单侧最大载荷为3450.7N弹簧在载荷下的变形为其中G为切变模量弹簧有效圈数：弹簧总圈数：弹簧自由高度：螺旋角：材料展开长度：弹簧间隙：弹簧刚度： 4.2后悬架弹簧根据弹簧工作条件选用用油淬火回火硅锰（60Si2MnA）弹簧钢丝。由机械设计手册单行本（弹簧）表7-2-17查的材料切变模量；根据表7-2-6按类负荷取许用切应力确定簧丝直径：按式计算： 初定簧丝直径d=12mm, 查表取C=5，K=1.3其中C为旋绕比，K为曲度系数根据标准系列值，取。基本与原假设相符合。弹簧的钢丝直径：弹簧中径：弹簧内径：弹簧外径：节距 :确定工作圈数和总圈数前单侧最大载荷为3500N弹簧在载荷下的变形为其中G为切变模量弹簧有效圈数：弹簧总圈数：弹簧自由高度：螺旋角：材料展开长度：弹簧间隙：弹簧刚度： 第5章 悬架导向机构的设计5.1导向机构设计要求 1）悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。 2）悬架上载荷变化时，前轮定位参数有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度。 3）汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在侧加速度下，车身侧倾角不大于，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。 4）汽车制动时，应使车身有抗前俯作用，加速时有抗后仰作用。5.2麦弗逊独立悬架示意图图5-1 麦弗逊式独立悬架1） 适用弹簧：螺旋弹簧2） 主要使用车型：轿车前轮；3） 车轮上下振动时前轮定位的变化：（1） 轮距、外倾角的变化比稍小；（2） 拉杆布置可在某种程度上进行调整。4） 侧摆刚度：很高、不需稳定器；5） 操纵稳定性：（1） 横向刚度高；（2） 在某种程度上可由调整外倾角的变化对操纵稳定性进行调整。5.3导向机构受力分析作用到导向套上的力前轮上的静载荷减去前轴簧下质量的弹簧轴向力弹簧和减振器的轴线相互偏移的距离图5-2麦弗逊式独立悬架导向机构受力简图分析如图5-2所示麦弗逊式独立悬架导向机构受力简图可知。 横向力越大，则作用在导向套和活塞上的摩擦力越大（为摩擦系数），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磨材料和特殊工艺。由上式可知，为了减小，要求尺寸越大越好，或者减小尺寸。增大使悬架占用空间增大，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，常将图中的点外伸至车轮内部，既可以达到缩短尺寸的目的，又可以获得较小的甚至是负的主销偏移距，提高制动稳定性。移动点后的主销轴线不再与减振器轴线重合。图5-3麦弗逊式独立悬架导向机构受力简图为了发挥弹簧减小横向力的作用，有时还将弹簧下端布置靠近车轮，从而造成弹簧轴线及减振器轴线成一角度。这就是麦弗逊式独立悬架中，主销轴线、滑柱轴线和弹簧轴线不共线的主要原因。5.4横臂轴线布置方式麦弗逊式独立悬架的摆臂轴线与主销后倾角的匹配影响到汽车的侧倾稳定性。当摆臂轴的抗前倾俯角等于静平衡位置的主销后倾角时，摆臂轴线正好与主销轴线垂直，运动瞬心交于无穷远处，主销轴线在悬架跳动作平动。因此，主销后倾角保持不变。当抗前倾俯角与主销后倾角的匹配使运动瞬心交于前轮后方时，在悬架压缩行程，主销后倾角有增大的趋势。当抗前倾俯角与主销后倾角的匹配使运动瞬心交于前轮前方时，在悬架压缩行程，主销后倾角有减小的趋势。为了减少汽车制动时的纵倾，一般希望在悬架压缩行程主销后倾角有增加的趋势。因此，在设计麦弗逊式独立悬架时，应选择参数抗前倾俯角能使运动瞬心交于前轮后方。第6章 减振器设计6.1减振器概述减振器的功能是吸收悬架垂直振动的能量，并转化为热能耗散掉，使振动迅速衰减。为加速车架与车身的振动的衰减，以改善汽车的行使平顺性，在大多数汽车的悬架系统内部装有减振器。在麦弗逊式悬架中，减振器与弹性元件是串联的安装。汽车悬架系统中广泛的采用液力减振器。液力减振器的工作原理是，当车架和车桥作往复的相对运动而活塞在钢筒内作往复运动时，减振器壳底内的油液便反复的通过一些狭小的空隙流入另一内腔。此时孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻力，使车身和车架的振动能量转化成为热能被油液和减振器壳体所吸收，然后释放到大气中。减振器的阻尼力的大小随车架和车桥相对速度的增减而增减，并且与油液的黏度有关。要求油液的黏度受温度变化的影响近可能的小，且具有抗氧化抗汽化性及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。减振器的阻尼力越大，振动消除的越快，但却使串联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架的损坏。为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下的要求：1）在悬架的压缩行程内，减振器的阻尼力应该小，以充分利用弹性元件来缓和冲击；2）在悬架的伸张行程内，减振器的阻尼力应该大，以要求迅速的减振；3）当车桥与车架的相对速度较大时，减振器能自动加大液流通道的面积，使阻尼力始终保持在一定的限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。6.2减振器分类减振器按结构形式不同，分为摇臂式和筒式两种。虽然摇臂式减振器能在比较大的工作压力 条件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大而遭淘汰。筒式减振器工作压力虽然仅为 ，但是因为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛的应用。筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。双筒充气液力减振器具有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低、总长度短等优点，在乘用车上得到越来越多的应用。6.3减振器参数选取通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数取得小些，伸张行程的相对阻尼系数取得大些。两者之间保持的关系 设计时，先选取与的平均值。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取； 对于本设计选用的悬架，取 6.4减振器阻尼系数减振器阻尼系数。因悬架系统固有频率，所以理论上。实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。例如，当减振器如图6-1安装时，减振器阻尼系数为 所以 图6-1 减振器安装位置 在下摆臂长度不变的条件下，改变减振器下横臂的上固定点位置或者减振器轴线与铅直线之间的夹角，会影响减振器阻尼系数的变化。6.5最大卸荷力上面取到前悬架：由于为卸荷速度，一般为；后悬架：；6.6筒式减振器的工作缸直径根据伸张行程的最大卸荷力计算工作缸的直径D为 式中 P为工作缸内最大允许压力,取 为连杆直径与缸筒直径之比,双筒式取，单筒式取。前取P=3,前悬架减振器的工作缸直径取标准值=30mm;贮油筒直径取后悬架减振器的工作缸直径后取P=4,取标准值=20mm;贮油筒直径取第7章 横向稳定杆设计 7.1横向稳定杆的作用为了降低汽车的固有振动频率以改善行使平顺性，现代汽车悬架的垂直刚度值都较小，从而使汽车的侧倾角刚度值也很小，结果使汽车转弯时车身侧倾严重，影响了汽车的行使稳定性。为此，现代汽车大多数都装有横向稳定杆来加大悬架的侧倾角刚度以改善汽车的行使稳定性。当左右车轮同向等幅跳动时，横向稳定杆不起作用；当左右车轮有垂直的相对位移时，稳定杆受扭，发挥弹性元件的作用。横向稳定杆带来的好处除了可增加悬架的侧倾角刚度，从而减小汽车转向时车身的侧倾角外，恰当地选择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横向稳定杆，或者只在前悬架中安装。若只在后悬架中安装，则会使汽车趋于过多转向。横向稳定杆带来的不利因素有：当汽车在坑洼不平的路面行驶时，左右车轮有垂直的相对位移，由于横向稳定杆的作用，增加了车轮处的垂直刚度，会影响汽车的行驶平顺性。7.2稳定杆直径计算横向稳定杆用来增加侧倾角刚度，从而改善稳定性。稳定杆是横置的扭杆弹簧，以阻止一个车轮相对另一个车轮作垂直运动。图4.1为规则结构稳定杆9的一种，由于结构对称，取其一半来分析。若在整个稳定杆两端A施加彼此反向且垂直于稳定杆平面的力。1.侧倾角刚度计算前悬架的侧角刚度为：M为弹簧中心至横臂铰接点距离，n为横臂长后悬架的侧倾角刚度为： 图7-1横向稳定杆设计计算示意图由式可知：初步选取，, 。其中将其代入下式得所需要的稳定杆直径为： 材料的弹性模量，MPa求得。一般情况下，稳定杆的最大应力发生在图中截面B的内侧，其大小与B处的圆角半径R有关，因此R决定了此处的曲度系数。对于稳定杆最大扭转应力不应超过700MPa。即 式中，曲度系数，； 求得弹簧指数，。满足设计要求。横向稳定杆材料取45钢。第8章 平顺性分析8.1平顺性概念汽车行使时，由路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转部件激发汽车的振动。通常，路面不平是汽车振动的基本输入。汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内。因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代汽车的主要性能之一。 8.2汽车的等效振动分析为增强车内乘员的舒适感，必须降低汽车行驶中的振动，即提高汽车的行驶平顺性能。汽车在一定路面上行驶时，其振动量（振幅、振动速度及加速度）的大小取决于汽车的质量、悬架刚度、轮胎刚度和阻尼等结构参数。但是，汽车振动是一个极为复杂的空间多自由度振动系统。为便于分析，需把复杂的实际汽车在某些假设条件下，简化为等效振动系统。本设计采用汽车振动系统模型。如图8-1。图8-1 汽车振动系统模型根据力学定理，可列出图8-1所示系统的振动微分方程： 式中，为簧载质量；为非簧载质量； 为左右两侧悬架的合成刚度；为左右两侧悬架的合成当量阻尼系数；为左右两侧悬架的合成轮胎刚度；为簧载质量的垂直位移；为簧载质量的垂直位移；为路面不平度赋值函数，即路面不平度对汽车的实际激励。解式（1）可得该系统振动的两个主频率： 式中，。由上式可知，汽车振动存在两个主频和，它们仅为系统结构参数的函数而与外界的激励条件无关，是表征系统特征的固有参数。一般地说，其中较小值的一阶主频，且接近由弹簧质量和悬架刚度所决定的频率，而较大值的二阶主频率，较接近主要由轮胎刚度和非簧载质量所决定的频率。方程的解是由自由振动齐次方程的解与非齐次方程特解之和组成。令，则齐次方程为 式中的称为系统固有频率，而阻尼对运动的影响取决于和的比值变化， 汽车悬架系统阻尼比的数值通常在0.25左右，属于小阻尼，此时微分方程的通解为 8.3车身加速度的幅频特性双质量系统在，质量比刚度比，阻尼比两种情况下的幅频特性曲线。由四个参数可按下式确定车轮部分的固有频率和阻尼比 （一阶阻尼比）（二阶阻尼比） 图82车身加速度幅频特性曲线 共振时，增大而幅频减小，在第一共振峰和第二共振峰之间的高频区，增大幅频也增大，在高频共振区，双质量系统出现第二共振峰，在之后，幅频按一定斜率衰减，也减小，所以对共振与高频段的效果相反，综合考虑，取比较合适。8.4相对动载的幅频特性车轮动载 ，频率响应函数 将 代入上式，得： 式中 图8-3的参数采用与图8-2所示双质量系统同样的参数。相对动载的幅频特性曲线在低频共振区，与车身加速度的幅频特性曲线趋势不同，；在高频共振区， 阻尼比对相对动载的幅频特性曲线的峰值影响很大；在之间的幅频，阻尼比越大幅频就越大；在之后，相对动载幅频特性曲线按一定斜率衰减，越大幅频衰减越快。综合考虑，取比较合适。 图8-3相对动载的幅频特性曲线8.5悬架弹簧动挠度的幅频特性1.悬架动挠度对幅频特性由图8.4所示，由车身平衡位置起，悬架允许的最大压缩行程就是其限位行程。弹簧动挠度与限位行程应适当配合，否则会增加行驶中撞击限位的概率，使平顺性变坏。悬架弹簧动挠度的复振幅，因此对的频率响应函数为：将其代入下式图8-4 限位行程的示意图得则 可知对幅频特性： 2.悬架动挠度对幅频特性对的频率响应函数为 有车轮对路面位移的频率响应函数 式中， ,，其车身位移对路面位移的频率响应函数，可得 得：则对幅频特性 图8-5 弹簧动挠度的幅频特性曲线悬架系统对于车身位移来说，是将高频输入衰减的低通滤波器；对于动挠度来说，是将低频输入衰减的高 通滤波器。阻尼比对只在共振区起作用，而且当时已不呈现峰值。且阻尼比与幅频值成反比，如图8.5所示 8.6影响平顺性的因素8.6.1结构参数对平顺性的影响（1）悬架刚度弹性元件是汽车悬架的主要组成部分，弹性元件的刚度或悬架等效刚度及其特性是影响平顺性的主要因素。当簧载质量一定时，减小可降低车体固有振动频率，但值过小会使车体振动过程中的悬架动行程增大，并使非簧载质量的振动位移也增大，甚至导致车轮离开地面，对汽车操纵稳定性产生不利后果。汽车在实际使用中，簧载质量随汽车的装载情况而变，当值一定时，将随减小而增大。因此，理想的悬架弹性特性应具有变刚度或非线性特性，即随汽车载荷的变化，悬架刚度能自动增大或减小，以减小悬架限位块碰撞车身的机率，使车体免遭撞击。（2）悬架阻尼汽车悬架系统中装有减振器。减振器阻尼对车体固有频率的影响不大，但却能使车体振动迅速衰减，改善车内乘员的舒适感。研究表明，悬架阻尼的大小还对操纵稳定性和制动方向稳定性产生影响。（3）轮胎轮胎径向刚度与轮胎结构、尺寸和气压有关，若以与悬架刚度之比来表示，则可见，对于一定型号的轮胎，降低胎内气压（即刚度减小）可改善平顺性，但也将增加车轮的侧向偏离，以恶化操纵稳定性，应予以注意。（4）非簧载质量在整车质量一定时，减小非簧载质量可改善平顺性。目前多数轿车和客车采用独立悬架结构，优点之一可在一定总质量下减小非簧载质量，改善平顺性。8.6.2使用因素对平顺性的影响道路不平是引起汽车振动的主要原因，当汽车在不平路面行驶时，前、后车桥和车体都经常受来自道路的冲击。路面越恶劣，行驶速度越高，车体加速度均方根值越大。当激励频率与车辆系统的一阶主频率或二阶主频率重和时，将产生车体的共振，加速车体的振动。路面的激励频率由路面谱的频率分量和车速决定，因此对应一定的路面必有某一引起车体共振的车速，行驶时应远离共振车速。此外，汽车的自身技术状况的不正常，如减振器油液黏度过大或漏油及密封失效等故障，均将导致车体振动加剧、冲击频繁、平顺性恶化。第9章 结论 通过本次设计了解常见的独立悬架和非独立悬架，并针对设计的车型选择所需的悬架，即前悬架采用麦弗逊式独立悬架，后悬架采用拖曳臂独立悬架。首先，根据悬架的结构形式选取悬架的自振频率，计算出悬架的刚度，求出悬架的静挠度和动挠度。采用以上数据计算弹性元件，设计横向稳定杆的尺寸。在设计减振器时，根据阻尼系数和最大卸荷力来计算选取减振器的主要尺寸。在所有结构尺寸确定后采用CAD软件绘制前后悬架的装配图和零件图。其次，在对汽车悬架进行平顺性分析中，建立了两自由度的平顺性分析模型，绘制了车身加速度、相对动载与弹簧动挠度等三条幅频特性曲线，研究它们和悬架参数对汽车平顺性的影响。这些工作使数据的选取更加适当，使所设计的汽车悬架系统的性能得到改善。 参考文献 1刘惟信.汽车设计M.北京.清华大学出版社. 2001年2余志生.汽车理论M.北京.机械工业出版社. 2006年3陈家瑞.汽车构造M.北京.人民交通出版社. 2005年4王望予汽车设计M北京.机械工业出版社.2004年5龚微寒汽车现代设计制造M北京.人民交通出版社.1995年6周林福.汽车底盘构造与维修M北京.人民交通出版社.2005年7张金柱. 悬架系统M.北京.化学工业出版社.2005年8嵇伟.新型汽车悬架与车轮定位M.北京.机械工业出版社.2004年9何光里. 汽车运用工程师手册M.北京. 清华大学出版社.2001年10吴宗泽.机械设计师手册M.北京.机械工程出版社,2002年11蒋立盛.汽车设计手册M.长春汽车研究所.1998年12赵学敏.汽车底盘构造与维修M.北京.国防工业出版社.2003年13陆 波.麦式悬架系统运动分析J.汽车技术.1994(6)14曾庆东.机动车减振器设计M.北京.机械工业出版社.2000年 15飞思科技产品研发中心.Matlab6.5辅助优化计算与设计M.电子工业出版社.2003年 16 J. 厄尔贾维克R.沙尔夫著. 汽车构造与检修M.机械工业出版社.1999年 17 吴文琳.图解汽车底盘构造手册M.北京化学工业出版社.2007年 18John C.Dixon. Tires,Suspension and Handling.2nd Edition,Warrendale,PA. ,USA;Society of Automotive Engineers,Inc.,199619Geoferey Hoeard. ChassSuspension Engineering. London:Osprey Publishing limited,1987致谢毕业设计马上就要结束了，在这一段的时间里我学到了许多东西，对我来说受益匪浅。我能顺利的完成毕业设计离不开老师和同学的帮助，首先感谢我的导师老师。老师从一开始就对我严格指导，纠正我的错误。牺牲个人的时间来审阅我的设计。本设计是在张老师的悉心指导下完成的，无论是在设计的题目、参数的计算，还是图纸绘制，都得到了张老师极大的帮助和指导。在此向老师表示衷心的感谢。再次还要感谢大学的汽车学院的所有指导过我的老师，在四年的课程学习和毕业设计期间，是他们给予的指导与关怀帮助我在困难面前一次次重新振作起来，开阔了我进取的思路，富于有益的启迪，是我一生享用不尽的财富。最后感谢所有的同学，在紧张的学习和工作中，与各位同学的交流，不仅使我得到了许多有益的帮助和启示，而且感受到了真实的快乐。感谢我的亲人和朋友，多年来是亲人们无私的爱成为我前行路上的动力；还有我的朋友，在设计过程中多次得到他们的指点。正是他们的理解、帮助和支持，使我顺利地完成了毕业设计。这次毕业设计为我以后走向工作岗位打下了坚实的基础。附 录1.车身加速度幅频特性曲线x=0.1:0.1:20;m2=710.4;m1=55;u=m2/m1;x0=1.2;w0=2.*pi.*x0;w=2.*pi.*x;b=0.35;a=(1-(w./w0).2).*(1+9-1./u.*(w./w0).2)-1).2+4.*b.*b.*(w./w0).2.*(9-(1./u+1).*(w./w0).2).2;d=w./w0;g=9.8;y=w.*9./g.*sqrt(1+4.*b.*b.*d.*d)./a);plot(x,y)gridxlabel(激振频率 f/HZ);ylabel(|Z2/q|s-1);title(车身加速度幅频特性曲线);gtext(前悬);legend(f1=1.2,f2=1.33u=9 );hold onx=0.1:0.1:20;m2=724.6;m1=60;u=m2/m1;x0=1.33;w0=2.*pi.*x0;w=2.*pi.*x;b=0.25;a=(1-(w./w0).2).*(1+9-1./u.*(w./w0).2)-1).2+4.*b.*b.*(w./w0).2.*(9-(1./u+1).*(w./w0).2).2;d=w./w0;g=9.8;y=w.*9./g.*sqrt(1+4.*b.*b.*d.*d)./a);plot(x,y)gridxlabel(激振频率 f/HZ); ylabel(|Z2/q|s-1);title(车身加速度幅频特性曲线);gtext(后悬);2.相对动载的幅频特性曲线x=0.1:0.1:10;m2=710.4;m1=55;u=m2/m1;x0=1.2;w0=2.*pi.*x0;w=2.*pi.*x;b=0.35;a=(1-w./w0).2).*(1+9-1./u.*(w./w0).2-1).2+4.*b.*b.*(w./w0).2.*(9-(1./u+1).*(w./w0).2).2;d=w./w0;g=9.8;y=w.*9./g.*sqrt(d.*d./(1+u)-1).2+4.*b.*b.*d.*d)./a);loglog(x,y)gridxlabel(激振频率 f/HZ);ylabel(|Fd/Gq|(s.m-1);title(相对动载的幅频特性曲线);gtext(前悬);legend(f1=1.2,f2=1.33,u=9 );hold onx=0.1:0.1:10;m2=724.6;m1=60;u=m2/m1;x0=1.33;w0=2.*pi.*x0;w=2.*pi.*x;b=0.25;a=(1-w./w0).2).*(1+9-1./u.*(w./w0).2-1).2+4.*b.*b.*(w./w0).2.*(9-(1./u+1).*(w./w0).2).2;d=w./w0;g=9.8;y=w.*9./g.*sqrt(d.*d./(1+u)-1).2+4.*b.*b.*d.*d)./a);loglog(x,y)gtext(后悬);3.弹簧动挠度的幅频特性曲线x=0.1:0.1:10;m2=710.4;m1=55;u=m2/m1;x0=1.2;w0=2.*pi.*x0;w=2.*pi.*x;b=0.35;a=(1-w./w0).2).*(1+9-1./u.*(w./w0).2-1).2+4.*b.*b.*(w./w0).2.*(9-(1./u+1).*(w./w0).2).2;d=w./w0;y=d.*d.*9./w.*sqrt(1./a);semilogx(x,y)gridxlabel(激振频率 f/HZ);ylabel(|fd/q|s);title(弹簧动挠度的幅频特性曲线);gtext(前悬);legend(f1=1.2,f2=1.33,u=9 );hold onx=0.1:0.1:10;m2=724.6;m1=60;u=m2/m1;x0=1.33;w0=2.*pi.*x0;w=2.*pi.*x;b=0.25;a=(1-w./w0).2).*(1+9-1./u.*(w./w0).2-1).2+4.*b.*b.*(w./w0).2.*(9-(1./u+1).*(w./w0).2).2;d=w./w0;y=d.*d.*9./w.*sqrt(1./a);semilogx(x,y)gtext(后悬);附 录外文资料及翻译Suspension systemThe primary purpose of the suspension system is to support the weight of that truck.Additional requirements placed upon the suspension system include:the ability to stabilize the truck when traveling over normal terrain as well as over rough ground;be capable of absorbing or cushioning the truck chassis from road shocks while simultaneously allowing the driver/operator to steer the truck;Maintain the proper axle speed and alignment;and be efficient over a wide of speed and load conditions.Any attempts to wverload or exceed the maximum suspension load rating will damage not only the suspension system itself but also the trucks frame,axles,and tires.In its most basic form, suspension consists of two basic components: SpringsThese come in three types. They are coil springs, torsion bars and leaf springs. Coil springs are what most people are familiar with, and are actually coiled torsion bars. Leaf springs are what you would find on most American cars up to about 1985 and almost all heavy duty vehicles. They look like layers of metal connected to the axle. The layers are called leaves, hence leaf-spring. The torsion bar on its own is a bizarre little contraption which gives coiled-spring-like performance based on the twisting properties of a steel bar. Its used in the suspension of VW Beetles and Karmann Ghias, air-cooled Porsches (356 and 911 until 1989 when they went to springs), and the rear suspension of Peugeot 205s amongst other cars. Instead of having a coiled spring, the axle is attached to one end of a steel shaft. The other end is slotted into a tube and held there by splines. As the suspension moves, it twists the shaft along its length, which in turn resist. Now image that same shaft but instead of being straight, its coiled up. As you press on the top of the coil, youre actually inducing a twisting