发布时间 : 星期五 文章微型轿车悬架系统设计(计算部分)更新完毕开始阅读
微型轿车前独立悬架设计
目录
1 绪论.............................................................................................................................1 1.1课题背景及研究意义..........................................................................................1 1.2课题来源、要求和研究方法..............................................................................2 1.2.1课题来源和要求........................................................................................2 1.2.2研究方法....................................................................................................2 1.2.3研究目的和主要内容...............................................................................2 1.3 原型车的麦弗逊式悬架.............................................................................3 1.3.1麦弗逊式悬架的特点................................................................................3 1.3.2麦佛逊式悬架的经济性分析....................................................................3 2 麦佛逊式悬架的设计计算.........................................................................................5 2.1悬架的总体布置方案和相关参数的计算...........................................................5 2.1.1悬架的总体布置方案.................................................................................5 2.1.2麦弗逊悬架的结构分析.............................................................................6 2.1.3悬架总体参数的计算.................................................................................6 2.2 螺旋弹簧的设计计算.........................................................................................7 2.2.1螺旋弹簧材料的选择................................................................................7 2.2.2弹簧的受力及变形....................................................................................7 2.2.3弹簧几何参数的计算..............................................................................10 2.2.4计算结果的处理......................................................................................11 2.3横向稳定杆的设计计算....................................................................................13 2.3.1横向稳定杆的作用..................................................................................13 2.3.2横向稳定杆的设计计算..........................................................................13 2.4减震器的设计与选型........................................................................................15 2.4.1减振器类型的选择..................................................................................15 2.4.2主要性能参数的选择..............................................................................16 2.4.3主要尺寸的确定......................................................................................17 2.4.4计算结果的处理......................................................................................17 湖南大学毕业设计（论文） 第 2 页
2.5弹簧限位缓冲块的设计....................................................................................17 3 麦佛逊式悬架导向机构的仿真与优化...................................................................20 3.1 独立悬架导向机构...........................................................................................20 3.2 麦弗逊式悬架系统物理模型的建立...............................................................20 3.3 导向机构运动学分析.......................................................................................21 3.3.1 数学准备................................................................................................21 3.3.2导向机构运动学计算.............................................................................23 3.4 基于MATLAB软件的运动特性仿真分析....................................................26 3.4.1实际问题中的悬架参数..........................................................................26 3.4.2 MATLAB仿真程序的建立.....................................................................27 3.4.3仿真结果及分析......................................................................................28 3.5 基于MATLAB软件转向横拉杆断开点的优化计算....................................31 3.5.1麦佛逊式悬架导向机构对转向梯形的影响..........................................31 3.5.2麦弗逊悬架转向横拉杆断开点位置的优化..........................................32
3.5.4优化结果分析..........................................................................................36
4 关键零部件的校核...................................................................................................38 4.1 螺旋弹簧的强度校核.......................................................................................38 4.2 横向稳定杆的强度校核...................................................................................39 1绪论
1.1课题背景及研究意义
悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轮弹性地连接起来。悬架需要传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，使汽车获得高速的行驶能力和理想的运动特性。悬架对于整车的意义重大。[1]
鉴于悬架设计在汽车特别是在轿车总成开发中的重要地位，天津夏利汽车公司一直非常重视悬架总成的设计开发。悬架本身的性能特点、与整车的匹配关系等直接决定了汽车的行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性，进而影响着整车的档次和价格。因此，对悬架的研究有着重要的实用意义。
本论文是基于某车的改型总体方案要求进行的，与生产实际结合较紧密。通过对悬架系统中重要零部件的设计、计算和校核；各定位参数涵义及其对整车动力学性能影响的分析，初步达到介绍悬架设计全过程目的，具有很强的操作性，能够为夏利轿车的生产实际提供一定意义上的指导。
1.2课题来源、要求和研究方法
1.2.1课题来源及要求
本课题来源于生产实际设计微型轿车的悬架系统。在此设计中需要完成悬架中关键零部件的设计计算和校核、减振器的选型、导向机构的仿真等。另外，设计还需包括悬架系统部分零件的二维零件图、装配图和三维装配图的绘制。本设计从生产实际中来，因此，设计的方法和结果应对生产实际具有一定的指导作用。
1.2.2研究方法
在设计时首先考虑改型车的总体方案要求，在借鉴原型车悬架系统结构的基础上，提出改型车悬架系统的总体方案。接着，根据悬架总体方案，进行悬架系统各零部件的设计计算，在计算时应重点计算对悬架整体性能影响较大的零部件如：螺旋弹簧、横向稳定杆、减振器等。然后，运用CAD工具进行悬架系统的实体建模和二维零件图的绘制；最后，利用计算机仿真手段对悬架系统的运动学特性进行仿真分析。 1.3研究目的和主要内容
本文的研究对象是微型轿车悬架系统。通过对悬架弹性元件的计算、分析，导向机构的仿真和优化，可以验证悬架中关键零部件的可行性，掌握悬架的适用范围和使用条件，改善整车的行驶平顺性和操纵稳定性。在此基础上文章还进一步提出和悬架性能有着密切关系的转向横拉杆断开点位置的优化方案，并对仿真结果进行了剖析。 具体内容包括：
（1）根据原型车的设计要求和布置方案对悬架中的弹性元件、减振器、缓冲限位块等重要零部件进行了设计计算和可行性校核；
（2）运用空间坐标变换理论和空间刚体运动学原理，通过对悬架的简化和抽象，将实物模型转成可供分析和研究的物理模型和数学模型；（3）运用MATLAB软件的混合编程工具对建立的数学模型进行封装，对得到的悬架性能评定参数：车轮外倾角、主销后倾角等车轮定位参数讨论分析，并以此为根据来评定所设计悬架的性能；
（4）提出转向横拉杆断开点位置的优化设计方案，运用MATLAB软件加以实现，通过优化前后干涉量与车轮跳动量关系曲线的对比分析，提出断开点位置的改进方案。 1.3 原型车的麦弗逊悬架
原型车的悬架结构形式为麦弗逊式。从其和整车的匹配效果来看，麦弗逊式独立悬架较为出色地完成了所承担的任务，能够充分发挥自身的优点；从经济性的角度来看，装有麦式悬架的整车能够适应市场需要，市场反映良好，这在我国的出租车市场上得到了充分的体现。当然，这两种表现都和麦弗逊式独立悬架的特点密不可分。
1.3.1麦弗逊式悬架的特点
麦弗逊悬架一般用于轿车的前轮。与其它悬架系统相比，麦弗逊式悬架系统具有结构简单，紧凑，占用空间少，性能优越等特点。麦式悬架还具有较为合理的运动特性，能够保证整车性能要求[24]",。虽然麦弗逊悬挂在行车舒适性上的表现令人满意，其结构简单体积不大，可有效扩大车内乘坐空间，但也由于其构造为滑柱式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头等性能较差。
1.3.2麦佛逊式悬架的经济性分析
自20世纪30年代美国通用汽车的一名工程师麦弗逊（McPherson）发明了麦弗逊式悬架以来，麦弗逊式独立悬架已成为使用量最多的悬架结构形式之一[5]。从宝马M3，保时捷911等高性能车，到菲亚特STILO，福特FOCUS和国产的夏利、哈飞面包车等前悬挂采用的都是麦弗逊式悬架。麦弗逊式悬架的有效性和经济型已经得到了无数事实的佐证。 随着世界能源的日益匮乏，微型汽车和节能汽车已成为世界汽车工业发展的一个重要方向，小排量汽车和经济型汽车的推广势必会带来麦弗逊式独立悬架更为广泛的运用，麦弗逊式悬架的经济性也将得到充分的体现。麦弗逊式悬架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是：悬挂质量轻和占用空间小。我们知道，汽车的质量是影响汽车燃油经济性的一个关键因素，减轻悬架的质量进而减轻整车的质量就可以有效地降低汽车的油耗，从而达到减少能源消耗和降低使用成本的目的；同样，由于麦式悬架有着结构紧凑、占用空间小等结构特点，这就使汽车的前置前驱式布置方案（FF）成为可能。这样，不仅省去了采用前置后驱式布置（FB）时所使用的驱动轴，减轻了汽车的质量降低了油耗，还缩小的整车
的尺寸，便于汽车向着微型化方向发展。
当然，和其它结构形式的悬架相比从使用经济性角度来讲，麦弗逊式悬架也存在一定的不足。我们知道，悬挂属于运动部件，在汽车运行过程中，悬架将要承受来之路面和车身各个方向的力和力矩。对于麦弗逊式悬架这些冲击载荷将完全由减振器支柱和下摆臂来承受，所以这些部位较易发生几何变形，进而使零件损害造成悬架的失效。
2麦弗逊式悬架的设计计算
2.1悬架的总体布置方案和相关参数的计算 原始参数：
整备质量m0 轮距前/后 轴距
2.1.1悬架的总体布置方案
此改型车是一款小排量的微型轿车，总体参数要求见表2.1。从表中给出的数据来看，改型车在轴荷、车轮定位参数都和原型车不同，但变化不大。鉴于设计时间、经济性以及麦弗逊式悬架特点方面的考虑，改型车的前悬架仍采用麦弗逊式悬架（结构如图2.1所示），但需要对其相关零部件重新进行计算和选择，同时还需对它的可行性进行仿真和校核。
968kg 1295/1260mm 2340mm 在空载的状态下，其前后轴荷分配为66%和34%，即空载时前轴轴荷为639kg；在满载状态下，其前后轴荷分配为60%和40%，即满载时前轴轴载即设计状态下的前轴轴荷为710kg；对于轿车驱动桥，采用独立悬架的非悬挂质量为
60～100kg，在本设计中，可取其非悬挂质量即前桥左右悬架的总质量为mu=73kg；
对普通及以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求在1.00～1.45Hz，故该车型前悬架设计偏频选为n1=1.31Hz，参照奇瑞QQ的参数选取前悬架的车轮定位参数。
设计参数设定
设计状态下的前轴轴荷m1 空载时的前轴轴载m1' 前桥左右悬架的总质量mu 前悬架的设计偏频n1 主销内倾角 主销后倾角 车轮外倾角
710kg 639kg 73kg 1.31Hz 14° 2°20' 20'