毕业设计（论文）红旗轿车悬架设计

本科生毕业设计（论文）摘 要如今汽车技术的发展越来越快，人们对汽车舒适性的要求也越来越高，而汽车的这一方面性能需要靠悬架系统予以保证。根据当前轿车悬架的发展情况，本设计的轿车前后悬架均采用独立悬架的形式。并且前后悬均采用比较流行的双横臂悬架。根据确定的结构选取悬架的自振频率，从而可以计算出悬架的刚度、静挠度和动挠度。采用以上数据计算弹性元件尺寸并且进行应力校核。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。然后再依次确定导向机构和横向稳定杆。在所有结构尺寸确定后采用CAXA软件绘制前后悬架的装配图和零件图。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。文章最后讨论汽车的操纵稳定性，进行运动学分析，总结了影响汽车操纵稳定性因素。本文所做工作可为红旗盛世3.0高级轿车的悬架系统设计提供理论依据，具有一定的实际应用意义。关键词：汽车；悬架；平顺性；运动学分析AbstractNow the development of automobile technology more and more rapidly, people on car comfort requirements are also increasing, and this aspect of performance cars on the need to ensure that suspension system. Based on the current developments in the car suspension, the design of the car before and after the suspension are used in the form of independent suspension. Before and after the hanging and are used more popular double withbone arm type suspension. According to determine the structure of the selected suspension natural frequency, which can calculate the stiffness of the suspension, static and dynamic deflection deflection. More flexible use of data of components and size of a stress check. In the design of shock absorber, in accordance with the largest damping and unloading of the terms of the main shock absorber selected size. Then bodies were identified and horizontal orientation Wending Gan. In all structure size is determined by CAXA mapping software before and after the suspension of the assembly and parts plans.In the car-like suspension of a ride, a two degree of freedom of the ride analysis model, were drawn body acceleration of the rate of frequency, the relative frequency of dynamic curve, moving spring deflection increase the frequency of a hanging curve analysis - Parameters on the car ride impact. The article discussed the car handling and stability, kinematics analysis, summed up the impact of vehicle handling and stability factors. In this paper, for the work done by Hong Qi 3.0 cars suspension system design provide a theoretical basis, the practical application of a certain significance. Key words: Car; Suspension; Ride; Kinematics analysis 第1章 绪 论11.1 悬架简介11.2设计要求：2第2章 前、后悬架结构的选择32.1独立悬架结构特点32.2独立悬架结构形式分析32.3前后悬架结构方案42.4辅助元件52.4.1横向稳定器52.4.2导向机构5第3章 技术参数确定与计算63.1自振频率63.2悬架刚度63.3悬架静挠度63.4悬架动挠度73.5悬架弹性特性曲线7第4章 弹性元件的设计计算94.1前悬架弹簧94.2后悬架弹簧10第5章 悬架导向机构的设计115.1导向机构设计要求115.2双横臂独立悬架示意图135.3横臂轴线布置方式145.4导向机构的布置参数145.4.1 侧倾中心145. 4.2纵倾中心155. 4.3抗制动纵倾性（抗制动前俯角）165. 4.4抗驱动纵倾性（抗驱动后仰角）175. 4.5悬架横臂的定位角17第6章 减振器设计186.1减振器概述186.2减振器分类196.3减振器主要性能参数196.3.1相对阻尼系数196.3.2减振器阻尼系数216.4最大卸荷力226.5筒式减振器主要尺寸236.5.1筒式减振器工作直径236.5.2油筒直径24第7章 横向稳定杆设计25第8章 平顺性分析278.1平顺性概念278.2汽车的等效振动分析278.3车身加速度的幅频特性298.4相对动载的幅频特性318.5悬架动挠度的幅频特性328.6影响平顺性的因素348.6.1结构参数对平顺性的影响348.6.2使用因素对平顺性的影响35第9章 结 论36参考文献37致 谢38附 录39Car Suspension Parts40Dampers: Shock Absorbers43附录II51IV第1章 绪 论1.1 悬架简介悬架是汽车的重要组成部件，它把车架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性的连接起来。它的作用是传递车架与车桥（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，使汽车高速行驶。汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。从轿车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧，它承受垂直载荷，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，但没有减振作用。减振器多指液力减振器，作用是加速衰减车身的振动。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、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(或车身)有确定的相对运动规律。按结构特点分，悬架主要分为两大类，独立悬架和非独立悬架。本设计主要介绍独立悬架。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。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。1.2设计要求：1）通过合理选择悬架固有频率保证具有良好的行驶平顺性；2）根据红旗高级轿车的对舒适性要求很高，通过选择减振器阻尼比等参数使其具有合适的衰减振动的能力；3）通过导向机构设计保证红旗轿车在高速行驶时具有良好的操纵稳定性4）选择多连杆悬架要保证结构紧凑，占用空间尺寸要小；5）通过强度计算能可靠地传递车身与车轮之间各种力和力矩，还要保证有足够的强度和寿命。为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求簧上质量与弹性元件组成的振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，对于轿车，要求前悬架的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）。汽车在不平路面行驶时，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。阻尼值取大，能使振动迅速衰减，但会把路面较大冲击传递到车身，阻尼值取小，振动衰减慢，受冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒服。为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比设计得比伸张行程小。 利用减振器的阻尼作用，使汽车振动的振幅减小，直至振动停止。适当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。独立悬架导向杆系铰接处多采用橡胶衬套，能隔绝车轮所受来自路面的冲击向车身的传递。第2章 前、后悬架结构的选择2.1独立悬架结构特点独立悬架：是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。轿车和载重量1t以下的货车前悬架广为采用独立悬架，轿车后悬架上也在逐渐采用独立悬架，越野车、矿用车和大客车的前悬架也有一些采用独立悬架。 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。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独立悬架结构形式分析根据导向机构不同的结构特点，独立悬架可分为：双横臂，单横臂，纵臂式，单斜臂，多杆式及滑柱（杆）连杆（摆臂）式等等。按目前采用较多的有以下三种形式：双横臂式，滑柱连杆式，斜置单臂式。按弹性元件采用不同分为：螺旋弹簧式，钢板弹簧式，扭杆弹簧式，气体弹簧式，中级轿车目前采用最多的是螺旋弹簧悬架。 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、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。若主销内倾角变化大，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。悬架不同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。2.3前后悬架结构方案目前汽车的前、后悬架采用的方案有：前轮和后轮均采用非独立悬架；前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；前轮和后轮均采用独立悬架等几种。参考相关资料，本设计的前、后悬架均采用独立悬架。并参照各式悬架的特点前悬架采用双横臂，后悬架采用多连杆。2.4辅助元件2.4.1横向稳定器近代汽车的悬架一般都很软，而且螺旋弹簧作为弹性元件只能承受垂直载荷，在高速行驶中转向时，车身会产生很大的横向倾斜和横向角振动。为了减少这种横向倾斜，往往在悬架中添置横向稳定器来加大悬架的侧倾角刚度以改善汽车的行驶稳定性。当左右车轮有垂向的相对位移时，稳定杆受扭，发挥作用。它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，也有助于使汽车获得所需要的不足转向。2.4.2导向机构导向机构的作用是传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，它由导向机构由控制摆臂式杆件组成。出于对中级轿车的考虑为了在原有独立悬架的基础上添加导向机构又不使结构复杂，决定采用单杆式导向机构。 第3章 技术参数确定与计算3.1自振频率对于普通级以下轿车满载的情况,前悬架偏频(车身的固有频率)要求在,后悬架偏频要求在。对于高级轿车满载的情况, 前悬架偏频要求在,后悬架偏频要求在。原则上轿车的级别越高,悬架的偏频越小。因此取：前悬架偏频为 后悬架偏频为 3.2悬架刚度满载时 前后承载的质量 1160kg 1120kg m11160551105kg m21120601060kgc1（）2 （）21105/226365.5mc2（）2 （）21060/230100m3.3悬架静挠度 g为重力加速度，gmms =205.6mm=172.7mm 前、后悬架的静挠度和应当接近，并使后悬架静挠度比前悬架的静挠度小些，这样有利于防止车身产生较大的纵向角振动。3.4悬架动挠度为了防止在不平路面上行驶时经常冲击缓冲块，悬架还必须具备足够的动挠度。前、后悬架的动挠度常按其相应的静挠度来选取。前、后悬架自振频率的不同，决定了他们挠度数值不同。各类汽车动静挠度取值范围如下： 货车 越野车 大客车 轿车 所以，123.36mm 103.62mm3.5悬架弹性特性曲线 图 3-1悬架弹性特性曲线1-缓冲块复原点 2-复原行程缓冲块脱离支架3-主弹簧弹性特性曲线 4-复原行程5-压缩行程 6-缓冲块压缩期悬架特性曲线 7-缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8-额定载荷第4章 弹性元件的设计计算4.1前悬架弹簧：汽车满载静止时悬架上的载荷 10829N材料名称：硅锰合金弹簧钢丝(60Si2MnA) 标准号：GB 4361查机械设计手册得 则 弹簧指数，设计中一般推荐取，常用的初选范围为C=58 所以，初选C=5曲度系数=1.31弹簧丝直径设计： =11.07 取d=12mm D=8d=96mm i=67 取 i=6螺旋弹簧的静挠度： 4.2后悬架弹簧10308N材料名称：硅锰合金弹簧钢丝(60Si2MnA) 标准号：GB 4361查机械设计手册得 则 弹簧指数，设计中一般推荐取，常用的初选范围为C=58所以，初选C=5曲度系数=1.31弹簧丝直径设计： =10.8 取d=12mm D=7d=84mm i=67 取 i=6螺旋弹簧的静挠度： 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。 前悬架弹簧刚度的计算： 根据结构需要，选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离m=320mm，从悬架支撑点到轮胎中心之间的距离n=470mm。因此，前悬架每个弹簧的刚度为： 后悬架弹簧刚度的计算： 选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离m=320mm，从悬架支撑点到轮胎中心之间的距离n=470mm。因此，后悬架每个弹簧的刚度为： 前悬架的侧倾角刚度为：后悬架的侧倾角刚度为：由则式中 E材料的弹性模量， I稳定杆的截面惯性矩， d稳定杆的直径，mm P端点作用力，N f端点位移，mm式中 -曲度系数， C-弹簧指数，后悬架稳定杆的角刚度 5.2双横臂独立悬架示意图图5-1 双横臂式独立悬架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横臂轴线布置方式双横臂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，在设计双横臂式独立悬架时，应选择参数抗前倾俯角能使运动瞬心交于前轮后方。5.4导向机构的布置参数5.4.1 侧倾中心 双横臂式独立悬架侧倾中心的高度为 式中 5-4双横臂式悬架侧倾中心的确定独立悬架的侧倾高度为前悬架；后悬架。 5. 4.2纵倾中心 双横臂式独立悬架的纵倾中心，可由用作图法得出，作两横臂转动轴C和D的延长线，两线的交点即为纵倾中心，如图5-5所示。图5-5 双横臂式独立悬架的纵倾中心5. 4.3抗制动纵倾性（抗制动前俯角）抗制动纵倾性使得制动过程中汽车车头的下沉量与车尾的抬高量减小。只有当前、后悬架的纵倾中心位于两根车桥（轴）之间时，这一性能方可实现，如图5-6所示。图5-6 抗制动纵倾性5. 4.4抗驱动纵倾性（抗驱动后仰角）抗驱动纵倾性可减小后轮驱动汽车车尾的下沉量或前驱动汽车车头的抬高量。与抗制动纵倾性不同的是，只有当汽车为单桥驱动时，该性能才起作用。对于独立悬架而言，当纵倾中心位置高于驱动桥车轮中心时，这一性能方可实现。5. 4.5悬架横臂的定位角图5-7 的定义如图5-7为横臂轴的水平斜置角 、悬架抗前俯角 、悬架斜置初始角的定义第6章 减振器设计6.1减振器概述 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。在麦弗逊悬架中，减振器与弹性元件是串联安装。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。减振器按作用方式不同，可分为单向作用减振器和双向作用减振器。仅在伸张行程起作用的减振器称为单向作用减振器；在压缩和伸张行程都能起到作用的减振器称为双向作用减振器。双向作用筒式减振器具有工作性能稳定、干燥摩擦阻力小、噪音低总长度短等优点在高级轿车上广泛应用。6.3减振器主要性能参数6.3.1相对阻尼系数 减振器的性能通常用阻力-速度特性图来表示。该图具有如下特点：阻力速度特性由四段近似的直线线段组成，其中的压缩行程和伸张行程的阻力速度各占两段；各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数，所以减振器有四个阻尼系数。在没有特别指明时，减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数。通常压缩行程的阻尼系数与伸张行程的阻尼系数不等。 图6-1 减振器特性（阻力-速度特性）图 汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数的大小来评定振动衰减的快慢程度。的表达式为 式中 -阻尼系数-悬架系统的垂直刚度 -簧上质量上式表明，相对阻尼系数的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击传到车身；值小则反之。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；对于有内摩擦的弹性元件悬架，值取小些。对于行使路面条件较差的汽车，值应取大些，一般取；为避免悬架碰撞车架，取 对于本设计选用的悬架，取 6.3.2减振器阻尼系数前悬架，伸张行程时的相对阻尼系数，压缩行程时的相对阻相对阻尼比： 式中 悬架系统的垂直刚度； 悬挂部分的质量前悬架，压缩行程时减振器阻尼伸张行程时减振器阻尼后悬架，伸张行程时的相对阻尼系数，压缩行程时的相对后悬架，压缩行程时减振器阻尼伸张行程时减振器阻尼图6-2 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。6.4最大卸荷力为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器打开卸荷阀，此时的活塞速度称为卸荷速度。在减振器安装如图6-2所示时。悬架系统固有振动频率 前悬架：后悬架：为减振器轴线与铅垂线之间的夹角前悬架，A为车身振幅，取 卸荷速度 一般为0.150.30m/s 最大卸荷力伸张行程时的最大卸荷力压缩行程时的最大卸荷力最大卸荷力伸张行程时的最大卸荷力压缩行程时的最大卸荷力6.5筒式减振器主要尺寸6.5.1筒式减振器工作直径可根据最大卸荷力和缸内最大压力强度来近似的求工作缸的直径 式中 P-工作缸内最大允许压力,取 -连杆直径与缸筒直径之比,双筒式取 由汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件可知:减振器的工作缸直径 有等几种。所以筒式减振器工作直径可取：前悬架减振器的工作缸直径为30mm后悬架减振器的工作缸直径为30mm 6.5.2油筒直径贮油筒直径，壁厚取，材料可取钢 前贮油筒直径 取后贮油筒直径 取连杆直径的选择：；第7章 横向稳定杆设计 前悬架弹簧刚度的计算： 根据结构需要，选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离m=320mm，从悬架支撑点到轮胎中心之间的距离n=470mm。因此，前悬架每个弹簧的刚度为： 后悬架弹簧刚度的计算： 选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离m=320mm，从悬架支撑点到轮胎中心之间的距离n=470mm。因此，后悬架每个弹簧的刚度为： 前悬架的侧倾角刚度为：后悬架的侧倾角刚度为：由则式中 E材料的弹性模量， I稳定杆的截面惯性矩， d稳定杆的直径，mm P端点作用力，N f端点位移，mm式中 -曲度系数， C-弹簧指数，后悬架稳定杆的角刚度 第8章 平顺性分析8.1平顺性概念汽车行驶时，路面凹凸不平和发动机、传动系、车轮等旋转部件振动均激发汽车的振动。当振动达到一定的剧烈程度，将使汽车内乘员感到不舒适、疲劳甚至危及人体健康。在同一路面上以相同车速行驶的不同汽车，由于隔振和减振性能不同，引起的振动剧烈程度会不同。通常把汽车缓和振动，减少对乘员影响的性能以汽车的“行驶平顺性”来描述，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7-1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，称为阻尼比 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）2 车身加速度的幅频特性曲线图图8-2双质量系统，车轮部分的具体参数为 ， ，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图8.5悬架动挠度的幅频特性图8-4 限位行程的示意图由图7-4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。频率响应函数为 将 与 代入上式，得： 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7-5所示。图8-5 悬架动挠度的幅频特性曲线图通过分析，当阻尼比时，本悬架系统的平顺性特性较好，符合ISO02631-1：1997 （E）标准。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，汽车的技术状况不正常，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 论本次设计为红旗盛世3.0高级轿车悬架系统设计。设计的基本步骤为根据给定车型的各项基本参数计算出悬架的刚度，静挠度，动挠度，以及减振器的阻尼系数，最大卸荷力，再经过校核应力及平顺性分析，运动学分析后选取适当尺寸进行装配图和零件图的绘制。在基本形式的选取中选择独立式悬架，其特点为当一边车论发生跳动时，另一边车轮不受干扰，这样提高了汽车的平稳性和舒适性。并且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。在平顺性分析中，建立两自由度的平顺性分析模型，取值绘制影响平顺性的特性曲线。最后针对汽车的操纵稳定性，编写车轮横向运动和车轮外倾角分析程序，总结了影响汽车操纵稳定性因素。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。有一定的实际应用意义。参考文献1 余志生.汽车理论.机械出版社,2001年6月2 刘惟信.汽车设计.清华大学出版社,2001年3 陈家瑞主编汽车构造，人民交通出版社，2000年4 崔心存主编.现代汽车新技术. 北京:人民交通出版社,20015 吴宗泽主编.机械设计师手册. 北京:机械工程出版社,20026 细川武志编.魏朗译.汽车构造图册.北京:人民交通出版社,20047 陈家瑞.汽车构造.北京：人民交通出版社，20028 赵学敏.汽车底盘构造与维修.北京：国防工业出版社，2003.19 许先锋.随机路面输入的汽车平顺性仿真分析.美国MDI2001年ADAMS中国用户年会会议论文，2001.610 孟翼.中国汽车画报.中国汽车画报社，200211 高树新.汽车行驶平顺性评价方法述评.总后汽车试验场期刊，2001.312 蒋立盛.汽车设计手册 整车 底盘卷（4.4，4.5）.长春汽车研究所，1998.513 林宁.汽车设计.机械工业出版社，1999.814 吴宗泽.机械设计实用手册 第二版.化学工业出版社，2003.1015 曾庆东.机动车减振器设计.机械工业出版社，1999，1116 Yu F., Crolla D.A., A State Observer Design for an AdaptiveVehicle Suspension, Vehicle Suspension Dynamic, 1998 17 Geoferey Howard.Chassis Suspension Engineering,London: Osprey Publishing Limited,1987致 谢本毕业设计是在导师XXX教授的指导下完成的。在本次设计过程中，我遇到过很多问题，每次遇到问题的时候我就去找老师，每次导师都是给我耐心的解答，从涉及到的每一个知识点一直讲到我明白为止，从来没有厌烦过。XXX导师治学严谨，在汽车方面的的知识和经验非常丰厚，他对我的悉心教导和对工作的负责态度令我非常感动。在本次设计中，导师非常关注我的设计工作，给我提出了很多宝贵的意见，也对我的设计给予了很大的支持，对我完成此次设计给予了非常大的帮助。因此，在此毕业设计即将完成之际，首先我要对我的导师表示衷心的感谢！对我们来讲，虽然以前进行过一些简单的机械方面的课程设计，但都是零件的设计，而这次进行的是汽车悬架设计，是一项艰难的任务，同时对我们也是一种考验。其次，在设计过程中我还得到许多其他老师与同学的帮助，在此我也要对他们表示深深的谢意。附 录 Suspension systemsWhen people think of automobile performance, they normally think of horsepower, torque and zero-to-60 acceleration. But all of the power generated by a piston engine is useless if the driver cant control the car. Thats why automobile engineers turned their attention to the suspension system almost as soon as they had mastered the four-stroke internal combustion engine. Double-wishbone suspension on Honda Accord 2005 CoupeThe job of a car suspension is to maximize the friction between the tires and the road surface, to provide steering stability with good handling and to ensure the comfort of the passengers. In this article, well explore how car suspensions work, how theyve evolved over the years and where the design of suspensions is headed in the future. If a road were perfectly flat, with no irregularities, suspensions wouldnt be necessary. But roads are far from flat. Even freshly paved highways have subtle imperfections that can interact with the wheels of a car. Its these imperfections that apply forces to the wheels. According to Newtons laws of motion, all forces have both magnitude and direction. A bump in the road causes the wheel to move up and down perpendicular to the road surface. The magnitude, of course, depends on whether the wheel is striking a giant bump or a tiny speck. Without an intervening structure, all of wheels vertical energy is transferred to the frame, which moves in the same direction. In such a situation, the wheels can lose contact with the road completely. Then, under the downward force of gravity, the wheels can slam back into the road surface. What you need is a system that will absorb the energy of the vertically accelerated wheel, allowing the frame and body to ride undisturbed while the wheels follow bumps in the road. A cars suspension, with its various components, provides all of the solutions described. Car Suspension PartsThe suspension of a car is actually part of the chassis, which comprises all of the important systems located beneath the cars body. These systems include: The frame - structural, load-carrying component that supports the cars engine and body, which are in turn supported by the suspension The suspension system - setup that supports weight, absorbs and dampens shock and helps maintain tire contact The steering system - mechanism that enables the driver to guide and direct the vehicle The tires and wheels - components that make vehicle motion possible by way of grip and/or friction with the road So the suspension is just one of the major systems in any vehicle. With this big-picture overview in mind, its time to look at the three fundamental components of any suspension: springs, dampers and anti-sway bars. SpringsTodays springing systems are based on one of four basic designs: Coil springs - This is the most common type of spring and is, in essence, a heavy-duty torsion bar coiled around an axis. Coil springs compress and expand to absorb the motion of the wheels. Leaf springs - This type of spring consists of several layers of metal (called leaves) bound together to act as a single unit. Leaf springs were first used on horse-drawn carriages and were found on most American automobiles until 1985. They are still used today on most trucks and heavy-duty vehicles. Coil springsPhoto courtesy HowStuffWorks ShopperLeaf spring Torsion bars - Torsion bars use the twisting properties of a steel bar to provide coil-spring-like performance. This is how they work: One end of a bar is anchored to the vehicle frame. The other end is attached to a wishbone, which acts like a lever that moves perpendicular to the torsion bar. When the wheel hits a bump, vertical motion is transferred to the wishbone and then, through the levering action, to the torsion bar. The torsion bar then twists along its axis to provide the spring force. European carmakers used this