基于catia和adams的麦弗逊悬架运动分析

摘 要悬架系统是汽车最重要的零部件之一，悬架的运动学特性直接影响到汽车操作稳定性和使用性能，悬架运动学的研究是汽车研究开发中最重要课题之一。本文介绍了汽车悬架系统运动学的研究现状，并对独立悬架系统做了详细的分类和对比分析，选取麦弗逊悬架系统最为本文的研究对象，详细分析了麦弗逊悬架系统的结构组成、布置形式及运动特性，并利用CATIA软件建立了麦弗逊悬架的三维模型，并通过装配设计，完成了麦弗逊悬架系统模型的装配。最后，通过机械系统动态仿真软件ADAMS，对麦弗逊悬架进行运动仿真分析，模拟在车轮上下跳动的运动激励下，测定出麦弗逊悬架的定位参数特性曲线，并对其做一个简单的分析。关键词：麦弗逊悬架；运动学仿真；CATIA；车轮定位参数AbstractThe suspension is one of the most vital components of a vehicle. The kinematics characteristic is directly related to handing and stability, and use performance of the automobile. And the study of suspension kinematics is one of the most important subjects of research of vehicle design.The paper describes the current research status of the kinematics of automotive suspension system, through the specific classification and analysis of the automotive independent suspension system, Macpherson suspension system was chosen to be analyzed, through the analysis of the structure, arrangement and dynamic characteristics of the Macpherson suspension, a virtual prototype model was accomplished by the assembly design of the 3D models of this suspension system, by using the software ADAM. In the end, the Macpherson suspension is analyzed by multi-body system dynamics software ASAMS. The Macpherson suspension mechanism was driven by the up and down movement of the wheel,the determination of the positional parameter characteristic of the McPherson suspension, and making a simple analysis.Keywords: McPherson suspension; kinematics simulation; CATIA; wheel alignment parameters目 录1 绪论11.1 悬架的概述11.2 悬架的结构11.2.1 弹性元件21.2.2 减振器31.2.3 导向机构41.3 国内外悬架发展趋势42 麦弗逊悬架概况62.1 麦弗逊悬架简介62.1.1 麦弗逊悬架发展史62.2 麦弗逊悬架结构特点62.2.1 麦弗逊悬架的优缺点72.3 麦弗逊悬架的研究现状和实际应用82.3.1 研究现状82.3.2 实际应用83 麦弗逊悬架模型的建立93.1 CATIAV5R17软件简介93.2 建模思路93.3 减震器和螺旋弹簧模型的建立103.3.1 减震器模型的建立103.3.2 螺旋弹簧模型的建立113.4 A型架模型的建立133.5 轮毂和轮胎三维模型的建立153.5.1 轮毂模型的建立153.5.2 轮胎三维模型的建立173.6 横向稳定杆及连接杆模型的建立183.6.1 横向稳定杆模型的建立183.6.2 连接杆213.7 转向机构模型的建立223.7.1 转向盘模型的建立223.7.2 转向轴及转向万向节模型的建立243.7.3 转向器总成模型的建立263.8 悬架其它零部件的三维模型293.9 零部件的装配设计304 麦弗逊悬架的运动分析314.1 ADAMDS和SimDesigner软件简介314.1.1 ADAMS软件简介314.1.2 SimDesigner软件简介314.2 悬架模型的输出过程324.3 导入ADAMS及仿真过程335 悬架的运动分析355.1 车轮定位参数变化曲线的测定355.1.1 车轮定位及定位参数的定义355.1.2 主线内倾角变化曲线的测定355.1.3 主销后倾角变化曲线的测定365.1.4 前轮外倾角变化曲线的测定375.1.5 前轮前束变化曲线的测定385.2 车轮侧向及纵向位移变化曲线的测定395.2.1 车轮侧向位移变化曲线的测定395.2.2 车轮纵向位移变化曲线的测定405.3 前悬架特征曲线的测定及分析415.3.1 主销内倾角与车轮跳动量变化曲线的分析425.3.2 主销后倾角与车轮跳动量变化曲线的分析435.3.3 车轮外倾角与车轮跳动量变化曲线的分析435.3.4 车轮前束角与车轮跳动量变化曲线的分析445.3.5 轮距的变化量与车轮跳动量变化曲线的分析446 总结46致谢47参考文献48附录A49附录B5561沈阳理工大学学士学位论文1 绪论1.1 悬架的概述悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。舒适性是轿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。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。汽车车架（或车身）若直接安装于车桥（或车轮）上，由于道路不平，由于地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）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（或车身），缓和行驶中车辆受到的冲击力。保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架（或车身）上，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。因此，悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性、驾驶和乘坐舒适性等都有很多大的影响。汽车行驶性能和汽车的运动与操纵两本书中，也详细的介绍了悬架的运动学特性对悬架操纵稳定性的影响。1.2 悬架的结构一般悬架由弹性元件、导向机构、减振器和横向稳定杆组成（图1.1）。受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。弹性元件种类包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减振器用来衰减由于弹性系统引起的振，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。导向机构用来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，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。图1.1 悬架总成1.2.1 弹性元件 弹性元件用来承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。弹性元件种类包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧等。1.钢板弹簧：是汽车悬架中应用最广泛的的一种弹性元件。由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。安装好后两端自然向上弯曲。钢板弹簧除具有缓冲作用外，还有一定的减震作用，纵向布置时还具有导向传力的作用，非独立悬挂大多采用钢板弹簧做弹性元件，可省去导向装置和减震器，结构简单。 2.螺旋弹簧：广泛的应用于独立悬架，特别是前轮独立悬架中。只具备缓冲作用，多用于轿车独立悬挂装置。由于没有减震和传力的功能，还必须设有专门的减震器和导向装置。其有点事无需轮滑，不忌泥污。 3.油气弹簧：以气体作为弹性介质，液体作为传力介质，它不但具有良好的缓冲能力，还具有减震作用，同时还可调节车架的高度，适用于重型车辆和大客车使用。 4.扭杆弹簧；将用弹簧杆做成的扭杆一端固定于车架，另一端通过摆臂与车轮相连，利用车轮跳动时扭杆的扭转变形起到缓冲作用，适合于独立悬挂使用。1.2.2 减振器减振器用来衰减由于弹性系统引起的振，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。如图1.2所示筒式减震器：图1.2 筒式减震器示意图1-活塞杆 2-工作缸筒 3-活塞 4-伸张阀 5-储油缸筒 6-压缩阀7-补偿阀 8-流通阀 9-导向座 10-防尘罩 11-油封汽车悬架系统中最广泛采用液力减震器。液力减震器的工作原理是，当车架与车桥作往复相对运动时，减震器中的活塞在缸筒内也作往复运动，预示减震器壳体内的油液便往复地从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一个内腔。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尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，被油液和减震器壳体所吸收，然后散到大气中。减震器的阻尼力的大小随车间和车桥相对速度的增减而增减，并且与油液的粘度有关。要求减震器所用油液的粘度收温度变化的影响尽可能小，且具有抗汽化、抗氧化以及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使减振器连接件损坏。因面要调节弹性元件和减振器这一矛盾。因此对减震器提出以下几点要求：(1) 在压缩行程（车桥和车架相互靠近），减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的弹性作用，缓和冲击。这时，弹性元件起主要作用(2) 在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离），减振器阻尼力应大，迅速减振。(3) 当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器，还有采用新式减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器。1.2.3 导向机构导向机构用来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，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。1.3 国内外悬架发展趋势由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求,具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。 但就目前来看，主动全空气悬架（即ECAS电控空气悬架系统）是比较先进，技术含量相对较高的悬架系统之一，在今后几年也将成为研发的重点和难点。ECAS应用了电子控制系统，使汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能（如故障诊断功能等），目前在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用，可以预见，ECAS在汽车上的应用将越来越普及。 在我国空气悬架的应用落后于国外几十年，直到近几年，随着高档客车制造技术的引进以及人们对舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求，空气悬架才开始逐步应用起来。目前空气悬架主要集中应用在高等级客车上，但是受多方面因素的制约，空气悬架的配置率仍然很低，基本上还属于“导入”阶段。在自主研发方面，由于国内已经能够生产优质的空气悬架部件，以此为支撑，部分汽车主机厂已经开始自己设计符合中国道路状况和车辆实际条件的空气悬架弹簧产品，并选装国内优秀的部件以降低成本。郑州宇通公司成立了郑州百特零部件公司，自己设计匹配，分散采购。2002年，宇通公司本部生产空气悬架客车235辆，除“猛狮”系列需从德国进口底盘外，其他车型的空气悬架各部件大多为国内加工制造。 我国公路及高速公路的发展对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求，对国内空气悬架市场产生了很大的促进作用。此外，重型汽车对路面破坏机理的研究及认识进一步加深、政府对高速公路养护的重视、限制超载逐步在国内各地受到重视等因素，使空气悬架在重型车市场的应用也将进一步扩大。为适应高速公路运输的需要，高级客车和大型载货车都必须使用空气悬架。根据这种状况，我国汽车零部件企业应当借此机遇，加快研发空气悬架产品。首先必须明确划分空气悬架系统设计开发的权限与分工，由研发部门负责研发方向、确定系统特性参数，指定具体的二级开发单位，实现产品的快速研发和升级换代。其次，要从产品的工艺路线入手，制定合理的开发配套模式。针对空气悬架产品的系统特性，采取“二级开发、总成集配、模块供货”，并集中于一家公司。最后，应摒弃狭隘的自主开发理念，积极开展与国外强势企业的合资合作，加快融入空气悬架领域的国际竞争、合作和发展，最终实现我国商用汽车整体技术水平及竞争实力的提升。2 麦弗逊悬架概况2.1 麦弗逊悬架简介麦弗逊悬架也称滑柱连杆式悬架，主要由滑动立柱和横摆臂组成。作为汽车安全结构的重要组成部分，一直以来，汽车的行驶操控性和舒适性与底盘结构中的悬挂系统息息相关，而悬挂结构的简单与复杂也直接决定着汽车制造成本的高低。麦弗逊式独立悬架是众多悬挂系统中的一种，它以结构简单、占用空间小、响应较快、成本低廉、舒适性好等优点赢得了广泛的市场应用。2.1.1 麦弗逊悬架发展史麦弗逊式悬挂是应前置发动机前轮驱动(ff)车型的出现而诞生的。ff车型不仅要求发动机要横向放置，而且还要增加变速箱、差速器、驱动机构、转向机，以往的前悬挂空间不得不加以压缩并大幅删掉，因此工程师才设计出节省空间、成本低的麦弗逊式悬挂，以符合汽车需求。麦弗逊（Macphersan）是这套悬挂系统发明者的名字，他是美国伊利诺伊州人，1891年生。大学毕业后他曾在欧洲搞了多年的航空发动机，并于1924年加入通用汽车公司的工程中心。30年代，通用的雪佛兰公司想设计一种真正的小型汽车，总设计师就是麦弗逊。他对设计小型轿车非常感兴趣，目标是将这种四座轿车的质量控制在09吨以内，轴距控制在274米以内，设计的关键是悬挂。麦弗逊一改当时盛行的板簧与扭杆弹簧的前悬挂方式，创造性地将减振器和螺旋弹簧组合在一起，装在前轴上。实践证明这种悬架形式的构造简单，占用空间小，而且操纵性很好。后来，麦弗逊跳槽到福特，1950年福特在英国的子公司生产的两款车，是世界上首次使用麦弗逊悬架的商品车。实践证明这种悬挂形式构造简单，占用空间小，而且操纵性很好。后来麦弗逊跳槽到福特，世界上第一辆装配麦弗逊式独立悬架的商品车就诞生在了福特英国公司，以其名字命名的麦弗逊式悬挂也由此诞生。而麦弗逊悬挂也由于构造简单、性能优越的突出表现，被行家誉为经典的设计。2.2 麦弗逊悬架结构特点麦弗逊悬挂通常由两个基本部分组成：支柱式减震器和A字型托臂。之所以叫减震器支柱是因为它除了减震还有支撑整个车身的作用，他的结构很紧凑，把减震器和减震弹簧集成在一起，组成一个可以上下运动的滑柱；下托臂通常是A字型的设计，用于给车轮提供部分横向支撑力，以及承受全部的前后方向应力。整个车体的重量和汽车在运动时车轮承受的所有冲击就靠这两个部件承担。所以麦弗逊的一个最大的设计特点就是结构简单，结构简单能带来两个直接好处那就是：悬挂重量轻和占用空间小。我们知道，汽车悬挂属于运动部件，运动部件越轻，那么悬挂响应速度和回弹速度就会越快，所以悬挂的减震能力也就越强；而且悬挂质量减轻也意味着弹簧下质量减轻，那么在车身重量一定的情况下，舒适性也越好。占用空间小带来的直接好处就是设计师能在发动机仓布置下更大的发动机，而且发动机的放置方式也能随心所欲。在中型车上能放下大型发动机，在小型车上也能放下中型发动机，让各种发动机的匹配更灵活。2.2.1 麦弗逊悬架的优缺点构造上的简单就是麦弗逊悬架最大的优势所在，与烛式悬架相比，麦弗逊式悬架的车轮沿主销转动，并且主销是可以摆动的，能提高操控稳定性；与复杂的多连杆式以及占用空间的双横臂式相比，麦弗逊式独立悬架在结构上已经作了最大化精简，并且经过半个多世纪的检验，其结构充分可靠。麦弗逊式独立悬架的物理结构为支柱式减震器兼作主销，承受来自于车身抖动和地面冲击的上下预应力，转向节（也可说车轮，因为转向节作用于车轮）则沿着主销转动；此外，其主销可摆动，特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，且前轮定位变化小，拥有良好的行驶稳定性。在麦弗逊式独立悬架中，支柱式减震器除具备减震效果外，还要担负起支撑车身的作用，所以它的结构必须紧凑且刚度足够，并且套上螺旋弹簧后还要能减震，而弹簧与减震器一起，构成了一个可以上下运动的滑柱。虽然麦弗逊式独立悬架的优点众多，但这并不能掩盖它本身的瑕疵。当装备有麦弗逊式独立悬架的车辆行驶在不平路面时，车轮很容易随路面不平发生自动扭转，令驾驶员难于控制，所以驾驶员须时刻用手握紧方向盘；而当车辆行驶速度过快车轮受到剧烈冲击时，支柱减震器又容易因为受力过猛而导致弯曲，危及车辆在行驶中的安全。此外，麦弗逊式独立悬架的抗侧倾和抑制制动点头的能力较差，虽然能通过增加稳定杆、防倾杆，以及增加弹簧圈数和阻尼系数对其进行改善，但问题无法从根本上解决，主要原因还是由于机械结构简单造成刚度和耐用性不高。正因为如此，麦弗逊悬架的减震器需根据使用公里数定期更换。综合起来看，麦弗逊悬挂虽然在稳定性、刚度以及耐用度方面逊色于结构更为复杂的多连杆和双横臂式，但其优点还是远远多过缺点的，它的技术含量和成本都不高，适应范围很强，而且改装提升空间也很大。2.3 麦弗逊悬架的研究现状和实际应用2.3.1 研究现状得益于各个厂商的设计师不断地对麦弗逊式独立悬架进行改进，才使它有今天的辉煌成就。许多厂商通过对麦弗逊悬架加装横向稳定杆，扩充其运动特性，同时使左右悬挂的下托臂或支柱减震器相连，增强悬挂系统的整体性。这主要是因为麦弗逊悬架靠支柱减震器和A字型下托臂来承受强大的车轮冲击力，容易发生几何变形，而这种结构变形体现到驾驶感受上就是驾驶者会明显感到车身侧倾加剧，稳定性较差，于是上述办法就是最好的解决方案。而当左右悬挂都处于跳动状态时，两侧的悬挂各自运动，稳定杆不发生扭转；当车辆转弯时，内侧悬挂承受的力量较大，车身会发生一定侧倾，而此时由于内侧悬挂被压缩，外侧悬挂舒张，加装的横向稳定杆就会发生扭转，产生一定的弹力阻止车辆侧倾，从而提高了车辆的行驶稳定性。如果能在其结构中再增加诸如纵向支撑杆等部件，则能同时达到提高悬挂纵向刚度的目的。其实增加悬架辅助零件的好处很好理解，好比我们使用电脑，不断地更新配置就是为了使电脑的兼容性和处理能力更强大。2.3.2 实际应用麦弗逊式悬挂系统多应用在中小型轿车的前悬挂系统上。虽然麦弗逊式悬挂系统并不是技术含量最高的悬挂系统结构，但它仍是一种经久耐用的独立悬挂系统，具有很强的道路适应能力。由于其占用空间小，适合小型车以及大部分中型车使用，在全球汽车市场都有非常广泛的应用。在国内市场，麦弗逊悬挂也是众多车型的首选悬挂，其中最新应用麦弗逊前悬挂的车型有上海通用别克新君威、新君越、北京现代ix35等车型。从这我们也能看出麦弗逊悬挂应用的广泛，微型车、紧凑型车、中级车以及SUV车型上，都能见到麦弗逊悬挂的身影。而德国跑车的代表保时捷911也同样全系采用麦弗逊悬挂，这足以表现出麦弗逊悬挂应用的广泛。3 麦弗逊悬架模型的建立3.1 CATIAV5R17软件简介CATIA是法国达索飞机公司开发的高档CAD/CAM软件。CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。比如其特有的高次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。令人高兴的是现在达索公司推出了CATIA V5版本，该版本能够运行于多种平台，特别是微机平台。这不仅使用户能够节省大量的硬件成本，而且其友好的用户界面，使用户更容易使用。从CATIA软件的发展，我们可以发现现在的CAD/CAM软件更多的向智能化、支持数字化制造企业和产品的整个生命周期的方向发展。它由面向协同产品开发的CATIA、面向协同全生命周期管理的ENOVIA VPLM及ENOVIA SmarTeam组成。DS还发布了面向虚拟生产的DELMIA V5R17及其面向ENOVIA VPLM的V5R17 PLM采购解决方案（协同企业采购 CES）。V5R17兑现了DS在业务流程优化、价值链创新、工程到制造周期的简化、智力资本增长和标准采纳上的战略.CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（end to end ）的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。本次设计采用的CATIAV5R17版本也是为接下来的SimDesigner插件的安装，以及导入adams进行运动分析打下基础。3.2 建模思路在用CATIA软件建立麦弗逊悬架模型时，需要先通过软件中的机械设计模块对悬架的各个部件设计出来，随后进行装配，再后进行仿真分析。汽车悬架是一个比较复杂的汽车部件，为了使汽车悬架的样机模型能够在ADAMS软件中实现动态仿真，在这里需要将导入的模型做出一些合理的假设和简化。对一些不影响动态仿真的部件进行省略，而对于对分析结果影响较大的部件，在建模型时要引起足够的重视。总而言之，在本次课题中，悬架的三维模型的建立仍然是重点，所以设计中导入adams分析的模型将是catia中模型的简化。本次设计中作出的主要简化如下： （1）为了方便在adams中添加螺旋弹簧，因此将导入的模型的螺旋弹簧删掉。（2） 在对悬架进行运动仿真时，为了定义固定件的方便以及保证仿真的成功性，这里只将把车架和悬架连在一起的轴销以及车轮等部件导入adams中去。（3） 汽车是关于汽车中心线对称的，所以可以只建立汽车悬架的四分之一模型可以在CATIA中得用镜像工具完成悬架的建模。3.3 减震器和螺旋弹簧模型的建立3.3.1 减震器模型的建立减振元件主要起减振作用。为加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内都装有减振器。由于本次设计的是麦弗逊悬架，因此减振器和弹性元件是串联安装的。具体建模步骤如下，在xy平面上绘制R20的草图轮廓，之后退出工作台拉伸为实体，如图3.1所示，再以圆柱上表面为草图平面，并已此平面为基准偏移平面绘制草图轮廓，点击“多截面实体”命令，并调整闭合点方向到一致，单击“确定”，结果如图3.2所示。图3.1 凸台实体图3.2 多截面实体图3.3 筒式减震器3.3.2 螺旋弹簧模型的建立弹性元件是悬架的最主要部件，因为悬架最根本的作用是减缓地面不平度对车身造成的冲击，即将短暂的大加速度冲击化解为相对缓慢的小加速度冲击。使人不会造成伤害及不舒服的感觉；对货物可减少其被破坏的可能性。弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧等常用类型。除了板弹簧自身有减振作用外，配备其它种类弹性元件的悬架必须配备减振元件，使已经发生振动的汽车尽快静止。钢板弹簧是汽车最早使用的弹性元件，由于存在诸多设计不足之处，现逐步被其它种类弹性元件所取代，本文选择螺旋弹簧。螺旋弹簧作为弹性元件具有结构紧凑，制造方便及高的比能容量等特点，在轻型以下的汽车中使用普遍。具体建模步骤如下：首先进入“线框和曲面设计”界面，进入草图绘制螺旋曲线的起始点和轴线，点击“螺旋线”命令，设置好“间距”和“高度”等有关参数，生成的螺旋线如图3.4所示，然后在螺旋线起始点处且垂直于起始点的螺旋线绘制半径为5mm的圆，单击“扫掠”命令，生成的螺旋弹簧如图3.5所示。图3.4 螺旋线图3.5 生成的螺旋弹簧3.4 A型架模型的建立在麦弗逊悬架结构中，A字型下托臂是很重要的一个部件，它的作用是为车轮提供横向支撑力，并能承受来自前后方向的预应力。车辆在运动过程中，车轮所承受的所有方向的冲击力量就要靠支柱减震器和A字型下托臂这两个部件承担，而这两个部件的高强度和轻质量也就成为当下最前卫的设计思路，于是就有厂商用空气减震取代传统的液压减震，不过由于成本高昂而难以形成气候。不过由减震器和A字型下托臂构成的L型麦弗逊悬架还是能为时下流行的小车装大排量发动机预留充足的空间。其具体绘制过程如下：首先进入草图界面，绘制A型架轮廓，如图3.6所示，然后退出工作台点击“凸台”命令，将其拉伸为实体，如图3.7所示，然后再利用“移动平面”、“凸台”、“凹槽”、“圆角等命令”完成A型架模型的建立，其结果如图3.8所示。图3.6 A型架轮廓曲线图3.7 偏移平面图3.8 A型架三维模型3.5 轮毂和轮胎三维模型的建立3.5.1 轮毂模型的建立由于轮胎本身是软的，而轮毂则是起到了支撑轮胎且与中心轴固定的作用。轮毂三维模型建立的步骤如下：首先点击“xy”平面，进入草图绘制界面，按一定的尺寸绘制轮毂的平面轮廓曲线，结果如图3.9所示，然后点击“退出工作台”命令，点击“旋转体”命令，使其绕一轴线旋转，结果如图3.10所示，然后点击“平面”命令，设置移动距离，移动平面，然后在移动后的平面上画一条直线，使移动后的平面绕直线旋转一定角度，再点击此平面，进入草图轮廓绘制界面，绘制草图轮廓，然后退出工作台，通过“凹槽”命令进行凹槽，最后选中凹槽，通过“环形阵列”命令得到轮毂三维模型如图3.11所示。图3.9 轮毂轮廓曲线图3.10 凹槽前轮毂三维模型图3.11 轮毂三维模型3.5.2 轮胎三维模型的建立轮胎具有承受汽车和它所载重量；向地面传递汽车驶动、牵引、加速、转向和刹车的作用力；能使汽车在各种气候、路面和速度条件下驾驶自如、操纵稳定和高速安全等重要作用。具体建模步骤如下：首先点击“草图”命令，安规定尺寸平面轮廓线，如图3.12所示。图3.12 轮胎轮廓线然后点击“退出工作台”命令，点击“旋转体”命令，将草图绕轴线旋转，生成三维模型，然后在移动平面至轮胎边缘处，并进人此平面草图绘制如图3.13所示的轮廓线，最后退出工作台，运用“凸台”、“环形阵列”和“圆角”等命令完成轮胎三维模型的建立，结果如图3.14所示。图3.13 轮调纹路轮廓线图3.14 轮胎三维图3.6 横向稳定杆及连接杆模型的建立3.6.1 横向稳定杆模型的建立在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件横向稳定器。横向稳定器实际是一根近似U型的杆件，两个端头与车轮刚性连接，用来防止车身产生过大侧倾。其原理是当一侧车轮相对车身位移比另外一侧位移大时，稳定杆承受扭矩，由其自身刚性限制这种倾斜，特别是前轮，可有效防止因一侧车轮遇障碍物时，限制该侧车轮跳动幅度。具体建模步骤如下：首先建立如图3.15所示的长方体，然后然后以面积最小的侧面为草图界面绘制半径为10的圆，退出工作台，再以“xy”为草图界面绘制中心曲线，结果如图3.16所示，退出工作台，点击“肋”命令，选择圆为轮廓线，并选择中心线，生成三维实体，然后移动平面，绘制横向稳定杆的固定装置，结果如图3.19所示。横向稳定杆完整的三维模型如图3.20所示。图3.15 凸台的实体图3.16 中心曲线图3.17 凸台的实体图3.18 凸耳轮廓线图3.19 横向稳定杆固定装置图3.20横向稳定杆的三维模型3.6.2 连接杆本次设计中的汽车连接杆就将横向稳定杆与筒式减震器的支柱相连接，起到对稳定杆固定的作用。本次设计中的连接杆的三维模型如图3.20所示。图3.21 连接杆的三维模型3.7 转向机构模型的建立汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件，因此汽车的转向系统对操纵稳定性起着至关重要的作用。3.7.1 转向盘模型的建立转向盘建模步骤如下：首先进入“zx”平面草图，绘制半径为165的圆，再进入”xy”图界面绘制草图轮廓，如图3.22所示，退出工作台点击“旋转体”命令，选中轴线生成如3.23所示的三维模型。图3.22 轮廓线图3.23 旋转生成的实体然后移动平面，进入草图轮廓设计界面，按照设计尺寸绘制如图3.24所示轮廓线，退出工作台并将其凸台为实体，生成结果如图3.25所示。图3.24 轮廓草图图3.25 转向盘三维模型3.7.2 转向轴及转向万向节模型的建立首先在方向盘中心位置建立一圆柱模型，然后对其进行“拔模”，如图3.26所示，然后按照设计尺寸，运用“凸台”等命令完成转向轴的建模，结果如图3.27所示。图3.26 圆柱体的拔模图3.27 转向轴转向万向节的建模，主要在于平面的移动和旋转，如图3.28所示，万向节互成150，其完整的三维模型如图3.29所示.图3.28 转向万向节图3.29 转向轴及转向万向节模型3.7.3 转向器总成模型的建立转向器总成绘制过程如下：首先按照设计尺寸建立如图3.30所示，然后移动平面，建立如图3.31所示的模型，图3.30 凸台的实体图3.31 转向器然后将平面移动至转向器中间位置，并在此平面上绘制转向器托架的轮廓线，退出工作台将其拉伸为实体，然后利用“肋”等命令完成如图3.32所示模型，完整的转向器总成三维模型如图3.32所示。图3.32 托架始端图3.33 托架的拉伸图3.34 转向器总成三维模型3.8 悬架其它零部件的三维模型图3.35 转向横拉杆三维模型图3.36 刹车盘及转向节总成图3.37 半轴三维模型3.9 零部件的装配设计首先点击“开始-机械-设计装配件设计”进入装配设计界面，点击“现有组件”命令，打开将零部件文件夹，将零部件全部导入装配设计界面中进行装配。装配中一般常用“智能移动”命令对零件进行轴线重合装配；利用“操纵”命令对零件进行移动、旋转等；利用“约束”命令对零部件施加约束。本次设计中首先装配前悬架的一半，然后对其进行镜像，得到另一半，装配完整的模型如图3.38所示。图3.38 麦弗逊悬架总成4 麦弗逊悬架的运动分析4.1 ADAMDS和SimDesigner软件简介4.1.1 ADAMS软件简介ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。本书将以Windows 2000版的ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。4.1.2 SimDesigner软件简介SimDesigner forCATIA V5 系列产品是构建于CAA V5的体系结构上，并与Dassault Systemes公司达成密切合作伙伴关系而开发。Simdesigner使CATIA用户能够以集成和可扩展的方式获取MSC.Software公司仿真工具和技术，从而在整个产品生命周期中减少设计和物理试验的成本。SimDesigenr for CATIA V5产品家族由创成式（Generative）产品系列、接口类产品系列、垂直应用产品系列和针对特定学科的配置组成。SimDesigner 创成式产品系列将MSC.Software 仿真解决方案无缝集成到CAD环境中，侧重于对产品。进行多学科综合的特性评估， 例如结构线性、动力学、热、结构非线性等。 SimDesigner 接口类产品系列在CATIA环境与客户所拥有的独立的VPD产品之间提供了无缝的双向链接。SimDesigner 垂直应用类产品可以在CATIA V5环境下进行产品评估及流程知识的捕获、存储和重新利用， 这些知识涉及产品制造、测试和验证等各个方面。SimDesigner当前提供了三个产品配置， 为解决特定类型的相关问题提供了一组分析产品。4.2 悬架模型的输出过程 首先双击打开安装好的SimDesinger 软件开始数字模型SD Motion Work bench文件打开选择所保存的装配图。为了便于模型在接下来导入ADAMS运动副的添加方便，本次设计中首先在这个平台上进行各个零件之间的运动副约束，其目的不但是为了导入ADAMS中去后，不丢失零部件，还为了在ADAMS中生成Marker点，便于ADAMS中运动副的添加。将简化的悬架模型导入到SimDesigner中后以及该平台下的约束命令如图4.1所示。图4.1 悬架的简化模型然后对该悬架的简化模型添加约束，设计中将所有零部件之间都添加Insert a fix joint约束，以便导入ADAMS中后不丢零部件。约束添加完后，依次单击“SD MotionImport to adams/view”将输出的文件保存在处本地磁盘中（不可以保存在桌面），且文件夹和子文件夹必须都以英文字母命名，然后保存，其输出文件自动默认为.cmd格式的文件，此格式的文件可以在ADAMS中打开。4.3 导入ADAMS及仿真过程打开AdamsImport a file左键单击选择要打开的文件夹OKbrowse选择要打开的文件OK，即导入成功， 然后对模型添加螺旋弹簧：首先建立与大地相连的Marker点，然后点击，设置K=129.8，C=6000，点击相应的两个Marker即生成螺旋弹簧。结果如图4.2所示。图4.2 ADAMS中的悬架简图之后添加相应的约束和运动副，本次设计中共添加了 11个运动副。（1）固定副的添加：轮胎和轮毂之间用固定副固定到一起；减震器与刹车盘和转向节总成用固定副固定到一起；刹车盘和转向节总成与轮毂之间用固定副固定到一起。（2）球副的添加：A型托架与刹车盘及转向节总成之间添加球副；转向横拉杆与转向节臂之间添加球副；活塞杆顶端用球副和地面相连。（3）转动副的添加：A型托架一端用转动副与地面固定；转向横拉杆的一端用转动副与地面固定；（4）圆柱副的添加：活塞杆与工作缸筒之间添加圆柱副。（5）移动副的添加：测试台的中心位置添加移动副。（6）在测试台和车轮之间添加“Inplane Joint Primitive”约束。最后添加“激励”并设定其运动函数，本次设计设置为：60*sin（360d*time）,然后运行，设置悬架运动时间和频率，使其按照一定规律运动。结果如图4.3所示，图4.3 添加运动副后的悬架5 悬架的运动分析5.1 车轮定位参数变化曲线的测定5.1.1 车轮定位及定位参数的定义所谓车轮定位，就是汽车的每个车轮、转向节和车桥与车架的安装应保持一定的相对位置。转向轮定位参数有：主销后倾、主销内倾、前轮外倾、前轮前束4个参数。通常车轮定位主要是指前轮定位，现在也有许多车辆需要进行四轮定位。其作用主要是保持汽车直线行驶的稳定性，保证汽车转弯时转向轻便，且使转向轮自动会整，减少轮胎的磨损等。5.1.2 主线内倾角变化曲线的测定依次点击“BuildMeasureFunctionNew”,出现了“Function Builder”对话框如图5.1所示，图5.1 Function Builder对话框将测量名称改为“kingpin_inclination”,单位选择为“angle”，然后测量点的选择如图5.1所示。测定的主销内倾角变化曲线如图5.2所示。图5.2主销内倾角随时间变化曲线5.1.3 主销后倾角变化曲线的测定依次点击“BuildMeasureFunctionNew”,出现了“Function Builder”对话框如图5.3所示，图5.3 Function Builder对话框将测量名称改为“kingpin_caster_angle”,单位选择为“angle”，然后测量点的选择如图5.3所示。测定的注销后倾角变化曲线如图5.4所示。图5.4主销内倾角随时间变化曲线5.1.4 前轮外倾角变化曲线的测定依次点击“BuildMeasureFunctionNew”,出现了“Function Builder”对话框如图5.5所示，图5.5 Function Builder对话框将测量名称改为“front_wheelcamber_angle”,单位选择为“angle”，然后测量点的选择如图5.5所示。测定的车轮外倾角变化曲线如图5.6所示。图5.6 前轮外倾角随时间变化曲线5.1.5 前轮前束变化曲线的测定依次点击“BuildMeasureFunctionNew”,出现了“Function Builder”对话框如图5.7所示，图5.7 Function Builder对话框将测量名称改为“front_wheeltoe_angle”,单位选择为“angle”，然后测量点的选择如图5.7所示。测定的前轮前束角变化曲线如图5.8所示。图5.8 前轮前束随时间变化曲线5.2 车轮侧向及纵向位移变化曲线的测定5.2.1 车轮侧向位移变化曲线的测定在车轮上建立Marker135点，在地面上建立Marker136点，并使其坐标与Marker点完全相同，然后依次点击“BuildMeasureFunctionNew”,出现了“Function Builder”对话框如图5.9所示，图5.9 Function Builder对话框将测量名称改为“sideways_displacement”,单位选择为“length”，然后测量点的选择如图5.9所示。测定的车轮侧向位移变化曲线如图5.10所示。图5.10 车轮侧向位移随时间变化曲线5.2.2 车轮纵向位移变化曲线的测定依次点击“BuildMeasureFunctionNew”,出现了“Function Builder”对话框如图5.11所示，图5.11 Function Builder对话框将测量名称改为“sideways_displacement”,单位选择为“length”，然后测量点的选择如图5.11所示。测定的车轮侧向位移变化曲线如图5.12所示。图5.12 车轮的跳动量随时间变化曲线5.3 前悬架特征曲线的测定及分析依次点击“ReviewPostprocessing”，在对对话框的左下方，将“Source”后的下拉菜单改成“Measures”，其设置结果如图5.13所示，图5.13 前悬架特征曲线设置对话框图5.14 Independent Axis对话框在对话框的右下方将“Independent Axis”选为“Data”，选中“kingpin_inclination”，其结果如图5.14所示，然后点击“OK”。在“Measure”的菜单里选择“wheel_trave”,如下图所示，然后点击“Add Curves”。图5.15 前悬架特征曲线设置对话框所生成的前悬架特征曲线，然后重复上诉过程依次可得出车轮定位参数以及车轮横向位移相对于车轮跳动量的变化曲线，结果故下图所示。5.3.1 主销内倾角与车轮跳动量变化曲线的分析图5.16 主销内倾角随车轮跳动量的变化曲线分析：主销内倾角是在车辆横向平面内主销与车辆竖直方向的夹角，并且当主销向上、向内倾斜时为正。从图5.16可以看出，主销内倾角为正直，正值得主销内倾角有利于汽车的转向回正力矩。主销内倾角的数值随着车轮上跳动量的增加而变大，下跳动量的增加而减小，其角度变化范围在11.714.4，这样的变化趋势使车轮在上跳动过程中，转向回正力矩不断增大，从而保证了汽车的稳定直线行驶能力，也保证汽车有不足转向的特性，但同时，前桥的纵向力敏感性也愈大。5.3.2 主销后倾角与车轮跳动量变化曲线的分析图5.17 主销后倾角随车轮跳动量变化曲线分析：主销后倾角是指在车辆的侧面内主销与车辆竖直方向的夹角，并且当主销向上或向后倾斜时为正，其指一般在2至3范围内变化。正的主销后倾角可以保证汽车直线行驶的能力，然而大的注销后倾角也有缺点，路面不平时，在车轮的接地点易产生转向节轴的力矩，力矩作用在转向横拉杆上容易引起转向冲击和转向不稳定。从图5.17可以看出，随着车轮的上跳动量的增加而变大，下跳动量的增加而减小，其角度在0.64至0.77内变化，这就意味着当车轮受到外界冲击后车轮会向上跳动，主销后倾角变大，保证了汽车的直线行驶能力。5.3.3 车轮外倾角与车轮跳动量变化曲线的分析图5.18 车轮外倾角随车轮跳动量变化曲线分析：车轮外倾角是指车轮中心平面和道路平面垂直直线间的夹角，且车轮向外倾斜时为正。通过设置外倾角可以保证汽车在承载时车轮和地面保持垂直，从而减小轮胎的磨损以及轴承的负荷。理想的车轮外倾角一般为1左右。由图5.18可以看出，随着车轮上跳动量的增加，车轮外倾角的负值减小为负值，下跳量的增加，车轮外倾角增大，意味着内侧车轮承受着侧向力的性能很好。其外倾角在-0.71.4范围内变化。5.3.4 车轮前束角与车轮跳动量变化曲线的分析图5.19 车轮前束角随车轮跳动量变化曲线分析：车轮前束角是车辆的纵向轴与车轮平面在车辆横向平面上投影的夹角。前束角是为了消除车轮外倾所带来的不良后果，在车轮安装时使两前轮的中心面不平行，两轮前边缘小于后边缘距离，距离差称为前轮前束，一般前束值为012mm。由图5.19看出，随着车轮上跳动量的增加，前束变大，最大值为0.7，随着下跳动量的增加而减小为负值，最小值为-1.4。5.3.5 轮距的变化量与车轮跳动量变化曲线的分析分析：几乎所有的独立悬架在车轮的上下跳动中都会引起轮距的变化，轮距变化的缺点是会引起滚动轮胎的侧骗，从而产生侧向力，较大的滚动阻力，以及导致直线行驶能力下降，此外轮距的变化对转向也有较大的影响。由图5.20可以看出，随着车轮上跳量的增加，轮距变化量变大，最大值为+4.1mm；车轮下跳动时，随着车轮跳动量增加轮距变小为负值，其最小值为-6.7mm。作为城市轿车，一般要求轮距变化量在+20mm至-20mm范围内，因此本次设计符合要求。图5.20 轮距随车轮跳动量变化6 总结时间飞逝，转眼间十五周的毕业设计已接近尾声，在完成毕业设计的这段时间里，我不仅学到了很多新的知识，更学会了如何独立的去思考问题，解决问题以及如何知识运用到实践中去。毕业设计不但是对每个大学生综合素质的一次全面的检验和综合评定，更是对每位学生能力的一种提升。经历了这次毕业设计，我把自己四年来所学的知识结合起来，综合运用。首先是在汽车结构方面，我对汽车悬架，汽车转向操纵系统等有了更深刻的认识与理解；其次在软件应用与安装方面我更是受益匪浅，大二期间学过CATIA绘图软件这门课程，然而通过这次毕业设计，我对这门软件有了更熟练的掌握，自己的三维建模能力有了很大的提升。还有对ADAMS运动分析软件以及初次接触并自己安装SimDesigner软件也有了更深一步的了解与运用，对模型的运动仿真及分析的能力也