BJ1042轻型载货汽车前悬架设计【单独论文不含图】

本 科 生 毕 业 设 计BJ1042 轻型载货汽车前悬架设计The design of front suspension of BJ1042 light truck 学生姓名：学生姓名：专专 业：业：导师姓名导师姓名及及 职职 称：称： 学位类别：学位类别：论文起止年月：论文起止年月：中文摘要中文摘要BJ1042BJ1042 轻型载货汽车前悬架设计轻型载货汽车前悬架设计单独论文不含图，加 153893706 随着汽车的逐渐普及，用户对汽车性能的要求越来越高，在获得良好的动力性和经济性的同时，还要求具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。传统的钢板弹簧式悬架已难以满足汽车行驶舒适性和操纵稳定性等方面提出的要求，因而在轻型载货车及轻型客车上推广使用独立悬架，尤其是双横臂独立悬架得到较大的发展。所以，研究双横臂独立悬架是非常必要的。双横臂独立悬架的刚度和静挠度等参数对汽车的平顺性有很大影响，而导向机构的空间位置关系直接影响汽车的操作稳定性。因此，对双横臂独立悬架进行静力学和动力学分析是非常有必要的。本论文在比较了多种静力学和运动学分析方法的基础上，决定采用以空间机构运动学分析理论进行计算分析。本文主要研究轻型货车前双横臂独立悬架的静力学和运动学特性的计算和分析方法，以及机构零件的工艺性分析。 首先，本文介绍了前轮定位参数的有关概念以及独立悬架导向机构运动特性对汽车性能的影响。然后给出了进行悬架静力学和运动学特性分析与计算时所需要的数学工具和有关结论。并且，给出了应用这些数学工具进行具体分析与计算的方法和步骤。 并且本文采用该算法对BJ1042前悬架进行了改进，将原来的钢板弹簧改为双横臂独立悬架并对其导向机构进行了静力学参数和运动特性参数计算, 并对计算结果和试验结果进行了对比分析。结果表明: 该算法可行、有效, 利用该方法指导设计可改进导向机构的运动特性。关键词 车辆工程 双横臂独立悬架 导向机构 静力学 运动学外文摘要外文摘要TitleTitle The design of front suspension of BJ1042 light truckAbstractAbstractWith the increasing popular use of automobiles, customers seek for better and better performance in autos. In addition to good dynamic and feul economic performance, good handling and stability are also requested. Traditional leaf spring suspensions cant meet the need of both vehicle ride comfort and handling performance , so Independent Suspension is widely used in light pick-up truck and light passenger car, especially Double Wishbone Independent Suspensions are developed more quickly. For that, its very necessary to study Double Wishbone Independent Suspensions. Double-wishbone independent suspension stiffness and static deflection, and other parameters on the car ride great, oriented agencies and the spatial relationships directly affect the stability of a vehicles operation. Therefore, the double-wishbone independent suspension for static and dynamic analysis is very necessary.This paper compares the number of static and kinematic analysis on the basis of decided to adopt the space agencies to kinematic analysis theory analysis This paper is mainly about the methods of the calculation and analysis of the static and kinematic characteristics of front independent suspension with double-wishbone of light vehicles.First, the paper introduced some of the basic concepts of the suspension and the history and future of independent suspensions development. Then introduced the concepts of the front wheel alignment parameters and the affect to the vehicle performancean, which is caused by the movement characteristics of the independent suspensions guide mechanisms.Then listed the required mathematical tools and relevant conclusions of the mechanical analysis and calculation of the suspensions static and kinematic characteristics. Moreover, it also contains the methods and steps of the application of mathematical tool for a specific analysis and calculation.And this paper, the algorithm BJ1042 front suspension has improved, the original leaf springs to two-arm independent suspension and guidance of their bodies and the static mechanical parameters of movement parameters, and the results and test results A comparative analysis. The result s show ed that the algorithm w as effective and feasible, and could be used to imp rove the guiding mechanism kinem a tic characteristics of a designed vehicle.KeywordsKeywords Vehicle Engineering Independent suspension with double-wishbone I目目 录录第一章第一章 绪绪 论论 .1 1第二章第二章 设计任务和要求设计任务和要求 .7 72 21 1 设计任务和要求设计任务和要求.72.1.1 设计任务 .72.1.2 设计要求 .72.22.2 设计主要内容设计主要内容.8第三章第三章 方案论证方案论证 .9 93 31 1 悬架的作用和组成悬架的作用和组成.93.1.1 悬架的作用 .93.1.2 悬架的组成 .93.1.3 悬架的设计要求 .123 32 2 悬架的种类悬架的种类.133.2.1 非独立悬架 .133.2.2 独立悬架 .143.2.3 几种典型的独立悬架的特点 .163.3. 3 3 双横臂独立悬架双横臂独立悬架.183.3.1 按摆臂长度分类 .183.3.2 按悬架中弹性元件分类 .193.3. 4 4 前轮定位参数的作用及变化要求前轮定位参数的作用及变化要求.233.4.1 外倾角 .23II3.4.2 主销后倾角 .243.4.3 主销内倾角 .243.4.4 车轮前束 .263.3. 5 5 悬架结构元素悬架结构元素.273.5.1 双横臂独立悬架的特点 .273.5.2 扭杆弹簧 .273.5.3 上、下控制臂长度比值 .29第四章第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算计算 .31314 41 1 双横臂独立悬架运动学分析双横臂独立悬架运动学分析.314.1.1 空间机构学理论 .314.1.2 双横臂独立悬架空间运动分析计算 .364.24.2 双横臂独立悬架车轮定位参数的分析计算双横臂独立悬架车轮定位参数的分析计算.42第五章 悬架静力学的分析与计算 .45455.5. 1 1 悬架静力学分析计算悬架静力学分析计算.455.25.2 计算过程计算过程 .505.2.1 确定悬架的平衡位置 .515.2.2 求平衡位置时的各点坐标 .535.2.3 对悬架进行运动学特性分析计算 .555.2.4 扭杆弹簧的刚度计算 .555.2.5 扭杆强度计算 .565.2.6 对悬架进行静力学计算 .57第六章第六章 扭杆弹簧的加工工艺扭杆弹簧的加工工艺 .59596.16.1 扭杆弹簧的制造扭杆弹簧的制造.596.26.2 扭杆弹簧的检验扭杆弹簧的检验.61III6.2.1 外观检查 .626.2.2 尺寸检查 .626.2.3 检验弹簧特性 .626.2.4 硬度检验 .62结论结论 .6363参考文献参考文献 .6464附录 A：英文翻译 .6868附录 B：英文原文 .8787致谢致谢 .110110第一章 绪 论1第一章第一章 绪绪 论论悬架是保证车轮或车桥与汽车的承载系统（车架或承载式车身）之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。 悬架的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。为此必须在车轮（或车桥）与车架（或车身）之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮（或车桥）与车架（或车身）之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量（簧载质量） 、非悬挂质量（非簧载质量）和弹簧（弹性元件）组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，悬架中确吉林大学本科生毕业设计说明书2保车轮与车架（或车身）之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架（或车身）的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心以及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。根据导向机构的结构和特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一根刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮行驶过突起时，会直接影响另一侧车轮。独立悬架中没有这样的梁，左、右车轮各自独立的与车架（或车身）相连或构成断开式车桥，按结构特点又可分为横臂式、纵臂式和斜臂式等等。按照弹性元件的种类，汽车悬架又可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气弹簧悬架以及油气弹簧悬架等等。按照作用原理，悬架可分为被动悬架、主动悬架和介于二者之间的半主动悬架。从动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器（减振筒） 、导向机构等组成，它的功能是减弱路面传给车身的冲击力，衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起第一章 绪 论3减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为从动悬架。主动悬架是近十几年发展起来的，由电脑控制的一种新型悬架，具备三个条件：（1）具有能够产生作用力的动力源；（2）执行元件能够传递这种作用力并能连续工作；（3）具有多种传感器并将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。因此，主动悬架汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。 例如装置了主动悬架的法国雪铁龙桑蒂雅，该车悬架系统的中枢是一个微电脑，悬架上有 5 种传感器，分别向微电脑传送车速、前轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较，选择相应的悬架状态。 同时，微电脑独立控制每一只车轮上的执行元件，通过控制减振器内油压的变化产生抽动，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动。因此，桑蒂雅桥车备有多种驾驶模式选择，驾车者只要扳动位于副仪表板上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳的悬架状态，以求最好的舒适性能。如前所述，汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了吉林大学本科生毕业设计说明书4一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。该振动系统也决定了汽车承载系统和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零部件的使用寿命。此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求： 1.通过合理设计悬架的弹性特性以及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，即具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩或伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力； 2.合理设计导向机构，以确保车轮与车架（或车身）之间力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性的要求； 3.导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉；否则可能发生转向轮摆振； 4.侧倾中心和纵倾中心位置恰当，当汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保证车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时车身的纵倾（即所谓“点头”和第一章 绪 论5“后仰” ） ； 5.悬架构件的质量要小，尤其是非悬挂部分的质量要尽量小，可以提高行驶的稳定性； 6.便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机和行礼箱留出足够的空间； 7.所有零件、部件应该具有足够的强度和使用寿命； 8.制造成本低； 9.便于维修保养。我国现在正在通过同国际上的大的汽车商的合作方式来改进我们设计悬架的能力。同时，在全国高校的相关专业也正通过先进课题的研究突破来增强我们民族工业的竞争力。在国家的政策和技术支持下，我们应该看到未来的中国汽车工业将会是蓬勃发展的。改革开放以来，我国国民经济得到飞速发展，人民群众的生活水平得到日益提高，汽车正悄然进入普通百姓的家中。而且随着时代的发展，人们对汽车乘坐舒适性的要求也越来越高。所以汽车悬架的设计将会更为重要。我们这些未来要从事汽车设计行业的大学生也将肩负起振兴民族汽车工业的重担。本次轻型客车的前悬架设计，考虑到舒适性的要求。该悬架采用的形式是双横臂独立悬架，同其它悬架相比，吉林大学本科生毕业设计说明书6它具有良好的基本性能。对双横比独立悬架的运动学分析，传统方法是平面作图法和平面解析法，这两种方法都忽略了主销后倾角和摆臂轴轴线的空间角度，而实际中并非如此。因此在进行悬架运动学分析以及确定车轮定位参数变化和轮距变化以及悬架刚度计算时会出现一定程度的误差，有时尤其当摆臂轴轴线空间角度较大时，误差十分明显，分析的结果往往不够合理，因此平面法已无法胜任这种情况的解决，必须采用空间机构学原理进行空间运动分析其结果才算合理，而矩阵法在空间机构分析中，是既易于理解和掌握应用又富有解题威力的一种解题方法，本设计中将采用它来分析本次所要设计的双横臂独立悬架的车轮定位参数的变化情况。在整车坐标系中，建立了悬架运动分析模型，通过空间机构学理论，进行了细致的分析和推导，的出了悬架运动分析结果。之后又建立了简化后的力学模型，进行了受力分析和求解，并与悬架的运动分析相结合，准确求出了悬架的刚度，以上计算结果为评价悬架的性能提供了充分的依据，根据这些计算结果设计确定了该悬架的基本尺寸和参数。第二章 设计任务和要求 7第二章第二章 设计任务和要求设计任务和要求2 21 1 设计任务和要求设计任务和要求2.1.1 设计任务 BJ1042 轻型载货汽车前悬架设计，主要设计技术参数： 1)前轴轴荷： 空载 11000N 满载 13700N2)前轴非簧载质量： 125kg3)轴距： 2500mm4)轮距： 1390mm2.1.2 设计要求 1）掌握悬架结构，理论与设计的基本知识； 2）分析悬架参数变化对车辆系统性能的影响； 3）了解双横臂独立悬架实际装配关系； 4）进行方案论证，确定设计方案； 5）绘制总成以及零部件图4A0;吉林大学本科生毕业设计说明书8 6)编写设计计算说明书（20000 字） 。2.22.2 设计主要内容设计主要内容结合南京依维柯轻型货车的前悬架，并参考丹东黄海SG1020 轻型货车悬架结构，对其双横臂独立悬架进行力学分析及计算设计 BJ1042 轻型货车前双横臂独立悬架。 主要工作包括：1.相关文献的阅读：阅读有关悬架结构、理论及设计和运动学等方面的文献、资料；2.自学双横臂独立悬架运动学和静力学计算方法，绘制程序流程图；3.实车测绘双横臂独立悬架布置草图；4.仿真计算双横臂悬架前轮定位参数变化特性以及静挠度/偏频；5.了解双横臂独立悬架关键零件的加工工艺；6.绘制悬架装配图，总成图及零部件图第三章 方案论证9第三章第三章 方案论证方案论证3 31 1 悬架的作用和组成悬架的作用和组成3.1.1 悬架的作用悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称。它是现在汽车上的重要总成之一。 悬架的主要任务是传递作用在车轮和车架（或承载式车身）之间的一切力和力矩，并且缓和路面传给车架（或承载式车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车行驶的平顺性，保证汽车在路面不平和载荷变化时有理想的变化特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶的能力。3.1.2 悬架的组成悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成（如左图） 。3.1.2.1 弹性吉林大学本科生毕业设计说明书10元件 弹性元件使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间作弹性联接，以缓和冲击，并使汽车具有良好的行驶平顺性。 弹性元件有钢板弹簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧，气体弹簧，橡胶弹簧等。一般常见的，广泛应用的是前三种，即钢板弹簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧。而钢板弹簧一般应用于非独立悬架，螺旋弹簧、扭杆弹簧则应用于独立悬架。3.1.2.2 导向装置 导向装置由导向机构组成，用来决定车轮相对于车架的运动特性，并传递除弹性元件的垂直力以外的各种力和力矩，当用纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置的作用。3.1.2.3 减振器 汽车在不平路面上行驶，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。持续振动会使成员感到不舒服和疲劳，为了衰减这种振动和抑制车轮、车身的振动，减少车轮的振幅，悬架一般装有减振器。减振器和弹性元件是并联安装的。汽车悬架系统中广泛应用液力减振器，液力减振器又可分为在压缩行程和伸张行程都起作用的减振器双作第三章 方案论证11用减振器，和仅在伸张行程起作用的减振器单作用减振器。目前汽车上广泛采用双作用减振器。近年来，有不少新式减振器应用于悬架系统，如充气式减振器，阻尼可调式减振器等。3.1.2.4 辅助元件 1）横向稳定器 因为通过减少悬架垂直刚度，虽然能降低车身固有频率，达到改善车身平顺性的目的。但是因为悬架的侧倾刚度和悬架垂直刚度之间是正比关系，所以减少垂直刚度的同时会使侧倾刚度也减少，并且使车厢侧倾角增加，结果车厢中的成员会感到不舒服并且会降低行车安全性。故在汽车上设置横向稳定器。有了横向稳定器，就可以做到不增大悬架垂直刚度的条件下，增大悬架的侧倾刚度。 2）缓冲块 缓冲块通常由橡胶制成，通过硫化橡胶与钢板连接为一体，在经由焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定在车架（或车身）或其他部位上，起到限制悬架最大行程的作用。有些汽车装有多孔聚氨脂制成的几种形状的缓冲块，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的复合材料。这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在该材料中有吉林大学本科生毕业设计说明书12些封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外阔尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。3.1.3 悬架的设计要求对悬架提出的设计要求有：1.保证汽车有良好的行驶性。2.具有合适的衰减振动的能力。3.保证汽车具有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.结构紧凑、占用空间尺寸要小。6.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使用寿命。 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在合适的频率范围，并且尽量可能低。前、后悬架固有频率的匹配应当合理，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，应该采用非线性弹性特性悬架。第三章 方案论证13 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，减少车轮的振幅，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。 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。 近年来，主动悬架的出现不仅能很好的提高汽车行驶性能，而且能更好的保持车厢姿态，减小侧倾、纵倾。3 32 2 悬架的种类悬架的种类 根据汽车导向机构的不同，悬架可以分为独立悬架和非独立悬架。3.2.1 非独立悬架 常见的非独立悬架是以纵置钢板弹簧元件兼作导向机构装置的非独立悬架。非独立悬架的结构特点是左右车轮用一根整体车轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接。以纵置钢板弹簧非独立悬架为例，其主要优点是结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是，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；簧下质量大；在吉林大学本科生毕业设计说明书14不平路面行驶时，左右车轮相互影响，并使车轴和车身倾斜，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，悬架容易与转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凹凸不平上的路段时，由于左右两侧车轮反向跳动或者只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；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乘用车的后悬架上。3.2.2 独立悬架 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。 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；左右车轮各自独立运动互相不影响，可以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使用，以满足不同设计要求。独立悬架的缺点是结构复杂，成本较高，维修困难。这种悬架主要第三章 方案论证15用于乘用车和部分总质量不大的商用车上。 独立悬架又可以分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式 式、单斜臂式、麦弗逊式和扭转梁随动臂式等几种类。对于不同结构形式，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发生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心，称为侧倾中心。侧倾中心到地面的距离，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，可以使侧向力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。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、车轮外倾角以及车轮前束等定位参数会发生变化。若主销后倾角发生变化，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，车厢饶侧倾轴线转动，并将此转动角度称之吉林大学本科生毕业设计说明书16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。 不同类型的悬架占用的空间尺寸不同，占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度。占用高度空间小的悬架，则允许行李箱宽敞，而且底部平整，布置油箱容易。因此，悬架占用的空间尺寸也用来作为评价指标之一。3.2.3 几种典型的独立悬架的特点3.2.3.1 双横臂独立悬架1 侧倾中心高度比较低；2 车轮相对车身跳动时，车轮外倾角和主销内倾角均有变化；3 轮距变化小，故轮胎磨损速度慢；4 悬架侧倾角刚度小；横向刚度大；5 占用空间较多，结构比较复杂，前悬架用的比较多。3.2.3.2 单横臂独立悬架1 侧倾中心比较高；2 车轮相对车身跳动时，车轮外倾角和主销内倾角变化大；第三章 方案论证173 轮距变化大，故轮胎磨损速度快；4 悬架侧倾角刚度比较大，可以不装横向稳定器；5 横向刚度大；6 占用空间较小，结构简单，成本低前悬架用的少。3.2.3.3 单纵臂独立悬架1 侧倾中心比较低；2 车轮相对车身跳动时，主销后倾角变化大；3 轮距不变，故轮胎磨损速度慢；4 悬架侧倾角刚度比较小，需要装横向稳定器；5 横向刚度小；6 几乎不占用高度空间，结构简单，成本低。3.2.3.4 单斜臂独立悬架1 侧倾中心居单纵臂和单横臂式之间；2 车轮相对车身跳动时，车轮定位参数有变化；3 轮距变化不大；4 悬架侧倾角刚度居单纵臂和单横臂式之间；5 转向刚度小；6 几乎不占用高度空间，结构简单，成本低。3.2.3.5 麦弗逊式独立悬架1 侧倾中心比较高；吉林大学本科生毕业设计说明书182 车轮相对车身跳动时，车轮定位参数变化小；3 轮距变化小，故轮胎磨损速度慢；4 悬架侧倾角刚度比较大，可以不装横向稳定器；5 占用空间小，结构简单紧凑，轿车上用的多。3.2.3.6 扭转梁随动臂式独立悬架1 侧倾中心比较低；2 车轮相对车身跳动时，左右车轮同时跳动；3 轮距不变；4 悬架侧倾角刚度比较大，可以不装横向稳定器；5 横向刚度大；6 占用空间小，结构简单，用于发动机前置前驱动轿车后悬架。3.3. 3 3 双横臂独立悬架双横臂独立悬架本节从两个方面对双横臂独立悬架进行分类。3.3.1 按摆臂长度分类 按摆臂长度可分为：等臂式双横臂独立悬架和不等臂式双横臂独立悬架。3.3.1.1 等臂式双横臂独立悬架 上下摆臂长度相等。装有这种悬架的汽车，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但轮距发生了比较大的变第三章 方案论证19化，这将增加车轮侧向滑动的可能性。3.3.1.2 不等臂式双横臂独立悬架 这种双横臂独立悬架上下摆臂长度不相等。在摆臂不等长的独立悬架中，如果将两臂长度选择合适，可以使车轮和主销的角度以及轮距的变化都不大。不大的轮距变化在轮胎比较软时可以由轮胎变形来适应，目前轿车的轮胎可允许轮距的变化在每个车轮上达到 45mm 而不致使车论沿路面滑移。因此，不等臂式双横臂独立悬架在轿车的前轮上应用的比较广泛。本次设计就选用不等臂式双横臂前独立悬架。3.3.2 按悬架中弹性元件分类 按悬架中弹性元件分类，双横臂独立悬架上一般安装螺旋弹簧或者扭杆弹簧，故可以将双横臂独立悬架分为扭杆弹簧双横臂独立悬架和螺旋弹簧双横臂独立悬架。3.3.2.1 螺旋弹簧双横臂独立悬架 如下图所示的 CA7560 型轿车的前悬架，就采用了螺旋弹簧双横臂独立悬架吉林大学本科生毕业设计说明书20。 上横臂 11 和下横臂 4 的内端分别通过摆臂轴 15 和 1与车架作铰链连接，二者的外端分别通过上球头销 14 和下球头销 3 与转向节 9 相连。螺旋弹簧 5 的上下端分别通过橡胶垫圈 7 支撑与车架横梁上的支撑座和下横臂上的支撑盘内。双向作用筒式减振器 6 的上下两端同样分别通过橡胶衬垫与车架和下横臂的支撑盘相联接。3.3.2.2 扭杆弹簧双横臂独立悬架 汽车悬挂的金属弹簧有三种形式，分别是螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧。螺旋弹簧形似螺旋线而得名，具有第三章 方案论证21重量小且占位置少的优点，当路面对轮子的冲击力传来时，螺旋弹簧产生变形，吸收轮子的动能转换为螺旋弹簧的位能（势能） ，从而缓和了地面的冲击对车身的影响。钢板弹簧的中部通过 U 型螺栓（又称骑马螺栓）固定在车桥上，两端的卷耳用销子铰接在车架的支架上，通过钢板弹簧将车桥与车身连接起来，当路面对轮子的冲击力传来时，钢板产生变形，起到缓冲、减振的作用。扭杆弹簧一端与车架固定连接，另一端与悬架控制臂连接，通过扭杆的扭转变形达到缓冲作用。在三种弹簧中，螺旋弹簧和钢板弹簧都是常见的汽车弹簧，它们的作用比较好理解。而许多人对扭杆弹簧的形状与作用则不太明了。如下图所式的南京依维柯轻型货车的前悬架，就采用了扭杆弹簧双横臂独立悬架。 扭杆弹簧纵向布置在车架纵梁的外侧，其前端借花键与上横臂 6相连，后端吉林大学本科生毕业设计说明书22通过花键固定在支架 1 的花键上。筒式减振器的上端与焊接在车架上的减振器支架相连。当车轮上下跳动时，作用于车轮上的垂直载荷经转向节 10 和横臂 6 传给扭杆弹簧，是扭杆弹簧产生扭转变形，因而缓和了不平路面产生的冲击载荷。车轮所受的纵向力，侧向力及其力矩有上下横臂和上下支撑杆承受并传给车架。 为了消除扭杆弹簧在使用中因为塑性变形对车身高度的影响，在安装时需要对扭杆施以预加载荷（如下图） 。预加载荷的大小可以用调整螺钉 2 来调整。施预加载荷的机构如下图。带有花键套的调整臂 4 借花键与扭杆弹簧相连，将扭杆插入花键套调整臂时，需要将配合标记 B 对准。调整螺栓 2 旋入固定在支架上的螺母中，当旋紧调整螺栓2 时，螺栓的前端顶住调整臂，使扭杆产生逆时针扭转，上横臂 1 的外端下移。因为上横臂外端与转向节相连，被其抵住不能下移，则扭杆本身不仅产生预加载荷，而且车身还被提高。因此，用此机构还可以调整车身的高度，调整后将锁紧螺母 3 锁紧。第三章 方案论证233.3. 4 4 前轮定位参数的作用及变化要求前轮定位参数的作用及变化要求 前轮定位参数随车轮上下跳动的变化特性常指从满载位置到车轮跳动40mm 的范围内而言。3.4.1 外倾角外倾角的作用是多方面的，其中一个重要作用是产生外倾推力，减小轮胎的侧偏刚度，以次影响汽车的转向特性；还有一个作用是使轮胎倾斜触地，便于转向盘的操作。现在汽车普遍装用子午线轮胎，大的外倾角回使轮胎偏磨，降低轮胎摩擦力，动力转向机构的增加也使外倾角不断减小，尽管如此，设计少许外倾角可对车轴上的车轮轴承施加适当的轴向力，现在的汽车一般将外倾角设为左右，1接近垂直。在双横臂独立悬架中，外倾角变化情况取决于悬架上吉林大学本科生毕业设计说明书24下上下臂运动的几何关系。往往是外倾角随弹簧压缩行程的增大而减小这样会产生过度转向趋势，所以应尽量减少车轮相对于车身跳动时的外倾角变化，在所定车轮跳动范围内，其变化量在以内为佳。1此外，在选定的上、下臂的长度范围内，上、下臂长的比值对外倾角变化的影响较大，所以对上、下臂长的选择要慎重。3.4.2 主销后倾角汽车侧视图中，转向主销向后倾斜一定的角度，此为后倾角，主销中心线的接地点与车轮中心地面投影之间产生距离，两点间的距离称为主销纵倾移距如右下图。车轮接地点位于转向主销延长线的后端，车轮就会靠行驶中的滚动阻力被后拉，使车轮的方向朝向行进方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距过大，会加重转向盘的操作能力，由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸，使方向盘产生打手现象。3.4.3 主销内倾角在汽车前视图中，主销轴线向车身的内侧倾斜，该角度称为主销内倾角。第三章 方案论证25以带有主销轴线为中心转向，所以从直线行驶状态变为转向时，单侧车轮位置就会下降，实际上是由于反作用力使单侧车身提高。使单侧车身提起的力就形成了使车轮恢复直线行驶的力，但是此力若不适当，转弯时的正常操作力增大，感觉转向操纵沉重。主销内倾角还有其它作用，它决定了主销轴延长线接地点与轮胎接地中心的差，称为磨损半径。如左图所示转动转向盘时，转向轮以主销轴线接点为中心转向，所以轮胎的接地点再路面上划出一个 C 字。减少磨胎半径时的磨损量也使操作方向盘轻便。一般情况下设定磨胎半径时点 C 处于点 B 的内侧，如果加大主销的内倾角，就会发生点 C 与点 W 的重叠，使磨胎半径为零，或者点 C 处于点 W的外侧，形成负磨胎半径。如果磨胎半径设为零，不仅转吉林大学本科生毕业设计说明书26向盘操作轻便，当制动或驶越凸起物时，还可减少以主销轴为中心的车轮摆头现象，使转向盘操纵稳定。 汽车在制动中左右车轮产生阻力差时（如左图所示）会发生使车身向阻力大侧偏转的横向摆动力矩。设定了负磨胎半径，可向阻力大的一侧的轮胎产生消除横向摆动力矩的力，便于保持车身的方向，减轻制动侧倾。3.4.4 车轮前束在汽车侧视图中，车轮的中心线并不完全朝着直线行驶的方向，而是稍微带有一定角度，像内八字一样内侧带有一定角度的称为前束，而朝向为侧的称为后束，它的作用主要是修整车轮外倾横向推力（ 如图 ）第三章 方案论证273.3. 5 5 悬架结构元素悬架结构元素3.5.1 双横臂独立悬架的特点在实际应用中多采用横臂不等长的双横臂独立悬架，如果将两臂长度选择得得当，可以使车轮和主销的定位角度以及轮距的变化都不太大，不大的轮距的变化都不太大，不大的轮距变化在轮胎较软时，可以由轮胎变形来适应。这种悬架的最大特点是设计上的自由度教大，既上述悬架控制臂的支点位置可自由设定（在允许较大的空间范围内），可使汽车具有突出的转弯性能、直线行驶性及乘坐舒适性。3.5.2 扭杆弹簧扭杆弹簧本身是一根由弹簧钢制成的杆件，其端面形状有花键，多边形等形式，扭杆弹簧的作用原理是：扭杆弹簧的一端固定于车架，另一端与悬架控制臂连接，控制臂则与车轮相连；当车轮跳动时，连接控制臂上的扭臂便吉林大学本科生毕业设计说明书28绕扭杆轴线摆动，使扭杆产生扭转弹性变形，借以保证车轮与车架的弹性联系。扭杆本身的扭转刚度虽然是常数，但采用扭杆的悬架刚度却是可变的，原因在于控制臂扭转一定角度时，地面支反力对于扭杆轴线的力作用臂长度也随之发生变化。值得注意的是，悬架的变刚度特性与控制臂长度有着直接的关系，当悬架行程一定时，臂越短扭转角的变化就越大，因此臂越短，悬架的变刚度越明显，如下图，但是臂长度同时又影响到车轮定位和受空间布置的限制，因此只能是一个折中的产物。采用扭杆弹簧的另一个特点是，若将扭杆连接的固定端转过一定角度，则控制臂的初始位置将相应改变，借此可以调节车架与车轮之间的相对位置，既达到调节车身高度的目的。扭杆的疲劳损坏多因为扭杆表面质量引起的，因此加第三章 方案论证29工中其表面粗糙度尺寸及轴线的直线度等要求非常严格，并且使用中必须对扭杆表面进行很好的保护，为了防止腐蚀以及表面机械损伤，可采用表面处理（如碳化、涂漆）以及用橡胶带、尼龙布、环氧树脂漆层等方法加以保护。扭杆加工时，对其进行预扭强化处理（加载方向同工作载荷方向）和表面强化处理（如滚压、喷丸等）可以明显增加扭杆的疲劳寿命。此外，加工后还要进行严格的磁力探伤和消磁。对于扭杆弹簧预扭时，一定要打印扭转方向标记，在装配时，若方向安装错，反而会大大降低扭杆的疲劳寿命。在空间布置上纵置扭杆弹簧可节省纵向空间，使用于小型车及厢式车的悬架系。 扭杆弹簧还具有质量轻，不需润滑等优点。3.5.3 上、下控制臂长度比值等长双横臂悬架在车轮跳动过程中，虽然没有外倾角的变化，因此，现实中不采用这种形式、对于不等长双横臂悬架设计中，如何选择适当的上，下控制臂长度比值，以得到轮距变化与车轮定位参数变化矛盾的最佳妥协结果是非常关键的。讨论外倾角受影响情况，如图，在 a)中转向节上、下球销中心距长度不变，等吉林大学本科生毕业设计说明书30于 0.6下臂长，而上臂长在0.61.0下臂长范围内变动。在图 b）上球销中心距在 0.61.0 下臂长范围内变动，而上臂长不变，等于 0.6 下臂长。从图上可以看出，适当选择上、下臂长比值是可能达到外倾角不大于规定植的要求（） 。1 下表为国内外轿车双横臂独立悬架的一些参数：在本设计中，选定上臂长 A=220mm,下臂长 C=363mm，转向节球销中心距 B=252mm,其比值 A/C=0.61、B/C=0.67第三章 方案论证31都在经验植范围内。第四章第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算定位参数的计算4 41 1 双横臂独立悬架运动学分析双横臂独立悬架运动学分析4.1.1 空间机构学理论4.1.1.1 已知空间直线上两点坐标（或者该直线方向余弦以及直线上一点坐标）和直线外一点坐标，确定过该线外一点作该线垂线的垂足坐标。 如图 4.1 所式，空间直线过和两点，过该直1M2M线外一点做该线垂线，M 垂足为 N 点。各点空间坐标为： = M,TMMMXYZ吉林大学本科生毕业设计说明书32 =1M111,TMMMXYZ =2M222,TMMMXYZ = N,TNNNXYZ 图 4.1根据空间机构运动学理论，垂足 N 点的坐标为： =+a（-） N,TNNNXYZ1M2M1M 其中 a=/ 21TMM 1MM 221MM 式中 =+221MM212MMXX+212MMYY212MMZZ4.1.1.2 已知空间一点的初始位置坐标以及空间某个轴线的方向余弦，还已知该点向该轴线作垂线所得的垂足点的坐标。确定当该点绕该轴旋转 角度后该点的位置坐标。第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算33机构如图 4.2 所示，空间一点 B，轴线 L 的方向余弦，已知。垂足点 D 各点的初始位置坐标为：xUyUzU = 0B000,TBBBXYZ = D,TDDDXYZ 当 B点绕轴线 L 旋转 角时，B 点 的新位置坐标由下式确定： 图 4.2 = B,TBBBXYZ+ Q 0BD D式中转换矩阵的表达式为 Q 220112031302221203022301221302230103212222122221qqq qq qq qq qQq qq qqqq qq qq qq qq qq qqq矩阵中的，, 分别为： Q0q1q2q3q线线LBD吉林大学本科生毕业设计说明书34 =cos, = sin, = sin, 0q21qxU22qyU2= sin3qzU24.1.1.3 空间四连杆机构，当其中一杆绕其轴线旋转某个角度时，另一杆绕其轴线的旋转角度。 机构如图 4.3 所示，空间四连杆机构 杆1 1 22ov v o的旋转轴线为 L1，杆 1 1ov22v o 的旋转轴线为 L2，杆的长度为 r=，各点的初始位1 2v v1 2v v置坐标已知： 1111,TooooXYZ 1111,TooovvvvXYZ 2222,TooooXYZ 2222,TooovvvvXYZ212121LLooVV第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算35轴线 L1 的方向余弦：，1xu1yu1zu 轴线 L2 的方向余弦：，2xu2yu2zu 当杆 绕 L1 旋转 角度时，设 绕 L2 旋转1 1ov22v o 角度。下面讨论如何确定 值。 根据 4.1.1.2 节中的内容，杆 绕 L1 旋转 角度1 1ov时，点的坐标为：1v 1111111,TovvvvXYZQvoo 矩阵的表达式如上，只需要将，转 Q0q1q2q3q换成： =cos, =sin, = sin, 0q21q1xu22q1yu2= sin,3q1zu2 同理，杆绕 L2 旋转 角时，点的位置坐标为：22v o2v 2222222,TvvvvXYZQvoo 矩阵的表达式同上，只需要将，转 Q0q1q2q3q换成： =cos， =sin ， = sin ， 0q21q2xu22q2yu2吉林大学本科生毕业设计说明书36= sin 3q2zu2 由 r=可得：1 2v v =+=212vv122vvXX122vvYY122vvZZ2r 这是一个含有未知数 的非线性方程，可以将其转化为极小值问题，用一维搜索法确定 的数值使 minF()=0，就可以确定该方程的解。4.1.2 双横臂独立悬架空间运动分析计算如图 4.4 所示为双横臂独立悬架结构简图，坐标系原点选在整车总布置坐标原点上。X 轴指向汽车尾部，Z 轴垂直车架表面向上，Y 轴由右手定则确定。 （ 图 4.4）第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算37：下横臂摆动中心 ：上横臂摆动中心1A2A：下球头销中心 : 上球头销中心1B2B：下横臂摆动轴线 ：上横臂摆动轴线1L2LC：主销轴线与转向节轴线交点 D: 轮胎中心E：轮胎接地点图中，点在悬架运动过程中保持不变，可以由1A2A设计图纸得到，图中，点的初始位置的坐标可由设1B2B计图纸确定。设和分别为上下横臂摆动轴线在 x-y 平面内的投12影角（俯视图投影角） ，分别为上下横臂摆动轴线12在 x-z 平面内的投影角（侧视图投影角） ，其数值由设计图纸确定。和按右手定则绕 z 轴正向旋转时符号为正，12规定，按右手定则绕 y 轴正向旋转时符号为正。12由投影角，可以确定下摆臂摆动轴线的方向余弦11为：吉林大学本科生毕业设计说明书38 2211111111/ 1xxtgtguu tgu tg由投影角，可以确定上横臂摆动轴线的方向余22弦为： 2222212121/ 1xxtgtguu tgu tg当车轮上下跳动时，上下横臂分别绕摆动轴线上下摆动。下面计算当下横臂摆动角度时，悬架各点的坐标。11 点坐标1B当下摆臂摆动角度时，点坐标为：11B= 1111,TBBBBXYZ 111oQBAA式中为坐标转换矩阵，表达式为： Q 220112031302221203022301221302230103212222122221qqq qq qq qq qQq qq qqqq qq qq qq qq qq qqq矩阵中，, 为欧拉参数分别如下：0q1q2q3q第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算39=cos, =sin, =sin, =0q121q1xu122q1yu123qsin1zu122 点坐标2B当下摆臂摆动角度时，设上横臂摆动角度，则12点坐标为：2B= 2222,TBBBBXYZ 2222oQBAA取欧拉参数=cos，=sin, =sin, 0q221q2xu222q2yu22=sin3q2zu22带入坐标变换矩阵就可以构成。 Q 2Q因此为了确定点坐标，首先要确定的数值，计2B2算如下：由设计图纸得两点距离，即1B2B12B B =222121212BBBBBBXXYYZZ12B B 这是一个含有未知数的一元非线性方程，将其转化2为一元函数极小值问题：minF()=02吉林大学本科生毕业设计说明书40由一维搜索法可以确定使 F()取极小值的值，必22定使方程成立，因此在求出后即可以计算点的坐标。22B3 C 点的坐标当下臂摆动角度时可确定，两点坐标，则由定11B2B比分点公式就可以确定 C 点坐标：=+ ,TCCCCXYZ11111BBBXYZ2221BBBXYZ式中 =/，和可以由设计图纸查得。1BC 2CB 1BC 2CB 4 D，E 两点坐标将动坐标系的原点固定在 C 点上，当下臂摆动111X Y Z角度时，动坐标系原点随 C 移动而 3 个坐标始终平行于1静坐标轴，如图 4.5。运动后刚体CDE 在动坐标系1B2B中的当前位置可以看作是由图 4.5 所示的原始位置先绕第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算41正向旋转角度，后绕轴正向旋转角度而来。这1Y11X2样保证在悬架运动过程中车轮始终摆正，即没有绕主销轴线的偏转。 图 4.5图 4.5 中刚体CDE 的原始位置为：转向节轴线1B2BCD 与轴重合，点，C，D，E 都位于-平面1Y1B2B1Y1Z内。设=L1, =L2，=角-90 度，其数值都1BC 2B C 2B CD可以在设计图纸中查出。，两点在图 4.5 中的坐标为：1B2B1110,sincosTBL 1，-L1220,sincosTBL 2，L吉林大学本科生毕业设计说明书42，两点由图 4.5 原始坐标经过两次旋转后再转1B2B化到静坐标系中，则两点坐标为： 111xyBQQBC 122xyBQQBC式中坐标转换矩阵, 分别为： xQyQ= ; = xQ22221000cossin0sincosyQ1111cos0sin010sin0cos-= 2B 1B xQyQ1121BB由上述等式可以确定，的数值为:12; 1211121sincosBBXXB B 11222121sincossinBBYYB B 21cos由设计图纸可查得，的数值，则摆臂摆动CD DE第四章 双横臂独立悬架运动学分析以及车轮定位参数的计算43角度后，D,E 两点坐标为：1 22,cossinTTDDDCCCDXYZXYCDZCD ， 22,TTEEEDDDEXYZXYDEZDEsi n，cos4.24.2 双横臂独立悬架车轮定位参数的分析计算双横臂独立悬架车轮定位参数的分析计算在 4.1 节中，对于任意位置处，上下横臂球销中心两点的坐标可以求出，利用这两点的相对坐标，可以求得主销内倾角和主销后倾角。同样，任意位置时，可以求出C,D,E 三点的坐标，由 C,D 两点相对坐标值，可以求出车轮外倾角，由 E 点坐标值可以得出车轮相对地面的垂直跳动量和轮距的数值。即已知： 1111,TBBBBXYZ 2222,TBBBBXYZ ,TCCCCXYZ ,TDDDDXYZ ,TEEEEXYZ吉林大学本科生毕业设计说明书44112BBXXX112BBYYY121BBZZZ2DCXXX2DCYYY2CDZZZ主销内倾角用 表示，主销后倾角用 表示，车轮外倾角用 表示。则： =；122111tan/YYZ =122111tan/XXZ =122222tan/ZZY轮距=21BEY车轮相对地面跳动量oEEZZZ其中表示平衡位置时点 E