轎車懸架設計管理論文

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“遠艦”轎車雙擺臂懸架的設計及產品建模

摘要：汽車雙擺臂懸架是一種常見的懸架形式，合理的選擇懸架的結構和幾何尺寸是獲得滿意的汽車行駛性能的重要條件，其運動特性的優劣關系到汽車操縱穩定性，舒適性，轉向輕便性和輪胎的使用壽命等性能。本課題來源于東風悅達起亞汽車制造有限公司的遠艦款轎車的后懸架，雙擺臂懸架可以通過合理的選擇空間導向桿系的鉸接點的位置及導向臂的長度，使得懸架具有合適的運動特性。在設計中，首先，分析了雙擺臂獨立懸架的組成和功用；其次，進行雙擺臂懸架的上下擺臂及各零部件強度的校核；第三，詳細考慮各部件之間的連接關系；最后計算了懸架自然振動頻率，懸架靜撓度和動撓度以及懸架彈性特性。在分析雙擺臂懸架的組成和作用以及確定各零部件的尺寸的基礎上，運用CAD軟件和Pro/E軟件分別進行二維繪圖和三維建模。此次課題進行了準確的計算和詳細的結構分析，為雙擺臂懸架的結構優化提供了依據，從而在運動學和動力學方面提高汽車的性能。

關鍵詞：雙擺臂懸架；汽車；設計；建模

TheDesignandProductmodeling

ofDoubleWishboneSuspensionof“Optima”Car

Abstract：Thedouble-wishboneindependentsuspensionisoneofthecommonformsofmotorvehiclesuspension.Choosingthegeometryparametersoftheindependentsuspensionreasonablyisoneoftheimportantconditionstoobtainthesatisfiedcharacterofservice.Itsstateofmotionisrelatedtohandlingstability,comfortability,handlingofsteeringandthelifeoftire,ect.Thesubjectcomesfromtherearsuspensionof“optima”carwhichmadebyDYKCo.Ltd.Thedouble-wishbonesuspensioncanbeareasonablechoiceofspace-orientedbararticulatedpoint.Thelocationandorientationofthesuspensionarmlengthcanproducesuitablemotions.Thisthesisfirstanalyzestheconsistsandfunctionofthedouble-wishbonesuspensioninthedesign,thencheckstheupanddownofarmsofthedouble-wishboneindependentsuspension,Thirdly,makeadetailedconsiderationofthevariouscomponentsofthelinkbetweenrelationsismade.Icalculatethesuspensiononthebasisofthenaturalvibrationfrequency,staticsuspensiondeflectionanddynamicdeflectionandelasticcharacteristicsofthesuspensiontermsatlast.OnthebasisofAnalysisofthecompositionandroleofthesizeofthecomponentsinthedouble-wishboneindependentsuspension,withCADsoftwareandPro/E,respectively,2Ddrawingsand3DproductModelingaremade.Wemadeanaccurateanddetailedstructuralanalysisonthedesign,whichprovidesthereferenceforoptimaldesignofthedouble-wishbonesuspension.Theapproachcanimprovetheperformanceofthedouble-wishboneindependentsuspension.

Keyword:double-wishbonesuspension;motorvehicle;Design;Modeling

懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統(車架或承載式車身)之間具有彈性聯系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調節汽車行駛中的車身位置等有關裝置的總稱。

懸架最主要的功能[1]是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過不平路面時所產生的沖擊，衰減由此引起的承載系統的振動，以保證汽車的行駛平順性。為此必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯接，依靠彈性元件來傳遞車輪或車橋與車架或車身之間的垂向載荷，并依靠其變形來吸收能量，達到緩沖的目的。采用彈性聯接后，汽車可以看作是由懸掛質量(即簧載質量)、非懸掛質量(即非簧載質量)和彈簧(彈性元件)組成的振動系統，承受來自不平路面、空氣動力及傳動系、發動機的激勵。為了迅速衰減不必要的振動，懸架中還必須包括阻尼元件，即減振器。此外，懸架中確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩可靠傳遞并決定車輪相對于車架或車身的位移特性的連接裝置統稱為導向機構。導向機構決定了車輪跳動時的運動軌跡和車輪定位參數的變化，以及汽車前后側傾中心及縱傾中心的位置，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩定性和抗縱傾能力。在有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩定桿。

一百多年來汽車懸架從結構型式到作用原理一直在不斷地演進，但從結構功能而言，它都是由彈性元件、減振裝置和導向機構三部分組成。在有些情況下，某一零部件兼起兩種或三種作用，比如鋼板彈簧兼起彈性元件及導向機構的作用，麥克弗遜懸架(McPhersonstrutsuspension，或稱滑柱擺臂式獨立懸架)中的減振器柱兼起減振器及部分導向機構的作用，有些主動懸架中的作動器則具有彈性元件、減振器和部分導向機構的功能。

根據導向機構的結構特點，汽車懸架可分為非獨立懸架和獨立懸架兩大類。非獨立懸架的鮮明特色是左、右車輪之間由一剛性梁或非斷開式車橋聯接，當單邊車輪駛過凸起時，會直接影響另一側車輪。獨立懸架中沒有這樣的剛性梁，左右車輪各自“獨立”地與車架或車身相連或構成斷開式車橋，按結構特點又可細分為橫臂式、縱臂式、斜臂式等等，各種懸架的結構特點將在以下章節中進一步討論。

除上述非獨立懸架和獨立懸架外，還有一種近似半獨立懸架，它與近似半剛性的非斷開式后支持橋相匹配。當左右車輪跳動幅度不一致時，后支持橋中呈V形斷面并與左右縱臂固結在一起的橫梁受扭，由于其具有一定的扭轉彈性，故此種懸架既不同于非獨立懸架，也與獨立懸架有別。該彈性橫梁還兼起橫向穩定桿的作用。

按照彈性元件的種類，汽車懸架又可以分為鋼板彈簧懸架、螺旋彈簧懸架、扭桿彈簧懸架、空氣懸架以及油氣懸架等。

按照作用原理，可以分為被動懸架、主動懸架和介于二者之間的半主動懸架。

本課題來源于東風悅達起亞汽車制造有限公司的遠艦款轎車的后懸架，按其上下橫臂的長短可分為等長雙橫臂和不等長雙橫臂兩種。等長雙橫臂懸架在其車輪做上下跳動時，可保持主銷傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會使輪胎磨損嚴重，多為不等長雙擺臂懸架代替，后一種懸架在其車輪上下跳動時候只需要適當的選擇上下橫臂的長度并合理布置，即可使輪距及車輪定位參數的變化限定在一定的范圍之內，這種不大的輪距的改變，不應引起車輪沿路面的滑移，而為輪胎的彈性變形所補償，因此其保持了汽車良好的行使平順性，雙橫臂懸架的突出優點在于其設計的靈活性，可以通過合理選擇空間桿系的鉸接點的位置及導向臂的長度，使得懸架具有合適的運動特性，并且形成恰當的側傾中心和縱傾中心。

如前所述，汽車懸架和懸掛質量、非懸掛質量構成了一個振動系統，該振動系統的特性很大程度上決定了汽車的行駛平順性，并進一步影響到汽車的行駛車速、燃油經濟性和運營經濟性。該振動系統也決定了汽車承載系和行駛系許多零部件的動載，并進而影響到這些零件的使用壽命。此外，懸架對整車操縱穩定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設計懸架時必須考慮以下幾個方面的要求：

A、通過合理設計懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性，具有較低的振動頻率、較小的振動加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮伸張行程極限點發生硬沖擊，同時還要保證輪胎具有足夠的接地能力；

B、合理設計導向機構，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動時車輪定位參數的變化不會過大，并且能滿足汽車具有良好的操縱穩定性要求；

C、導向機構的運動應與轉向桿系的運動相協調，避免發生運動干涉，否則可能引起轉向輪擺振；

D、側傾中心及縱傾中心位置恰當，汽車轉向時具有抗側傾能力，汽車制動和加速時能保持車身的穩定，避免發生汽車在制動和加速時的車身縱傾(即所謂“點頭”和“后仰”)；

E、懸架構件的質量要小尤其是其非懸掛部分的質量要盡量小；

F、便于布置，在轎車設計中特別要考慮給發動機及行李箱留出足夠的空間；

G、所有零部件應具有足夠的強度和使用壽命；

H、制造成本低；

I、便于維修、保養。

懸架設計可以大致分為結構型式及主要參數選擇和詳細設計兩個階段，有時還要反復交叉進行。由于懸架的參數影響到許多整車特性，并且涉及其他總成的布置，因而一般要與總布置共同協商確定。

1.2主要研究內容

對雙橫臂獨立懸架進行運動分析，得出原始參數，計算推導隨著車輪的跳動主銷內傾角、后傾角、車輪外傾角、前束角、車輪輪距的變化及懸架各點位置的變化情況。用PRO/E軟件設計模型，對其進行運動分析，獲得最為理想的結果。

A、以雙橫臂式獨立懸架為研究對象，研究基于機構運動學和零部件數據計算方法,使用PRO/E軟件給出雙橫臂獨立懸架結構模型；

B、研究懸架結構參數與定位參數之間的關系，進行設計計算，對懸架的主要參數進行分析以及確定主要參數。

C、對懸架進行運動學仿真分析，通過改變懸架有關參數，評價懸架運動學響應特性，得出懸架結構參數對整車性能(操縱穩定性、行駛平順性等)的影響規律。

2懸架

2.1懸架的功用和組成

懸架是車架(或承載式車身)與車橋(或車輪)之間的一切傳力連接裝置的總稱。它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力(支承力)、縱向反力(牽引力和制動力)和側向反力以及這些反力所造成的力矩都要傳遞到車架(或承載式車身)上，以保證汽車的正常行駛。

現代汽車的懸架盡管有各種不同的結構形式，但是一般都由彈性元件、減振器和導向機構三部分組成。

由于汽車行駛的路面不可能絕對平坦，因此，路面作用于車輪上的垂直反力往往是沖擊性的，尤其在壞路面上高速行駛時，這種沖擊力將很大，不僅能引起汽車機件的早期損壞，還將使駕駛員感到極不舒適，或使貨物受到損傷。為了緩和沖擊，在汽車行駛系中，除了采用彈性的元氣輪胎之外，在懸架中還必須裝有彈性元件，使車架(或車身)與車橋(或車輪)之間作彈性聯接。但彈性系統在受到沖擊后，將產生振動，持續的振動易使乘員感到不舒適或疲勞，故懸架還具有減振作用,使振動迅速衰減(振幅迅速減小)。為此,在許多結構形式的汽車懸架中都設有專門的減振器。

車輪相對于車架和車身跳動時，車輪(特別是轉向輪)的運動軌跡應符合一定的要求,否則對汽車的某些行駛性能(特別是操縱穩定性)有不利的影響。因此，懸架中某些傳力構件同時還承擔著使車輪按一定軌跡相對于車架和車身跳動的任務，因而這些傳力構件還起導向作用，故稱導向機構。

由此可見，汽車懸架的功能是緩沖、導向和減振，然而三者共同的任務則是傳力。

在多數轎車和客車上，為了防止車身在轉向行駛等情況下發生過大的傾斜，在懸梁中還設有輔助彈性元件—橫向穩定器。

為限制彈簧的最大變形并防止彈簧直接撞擊車架，在貨車上輔助設有緩沖塊。在一些轎車上也設有緩沖塊，以限制懸架的最大變形。

應當指出，懸架只有具備上述功能，在結構上并非一定要設置滿足上述各功能的單獨的裝置不可。例如常見的鋼板彈簧，除了作為彈性元件起緩沖作用外，當它在汽車上縱向安置并且一端與車架作固定鉸鏈連接時，它本身還能起到傳遞各向力和力矩以及決定車輪運動軌跡的作用，因而沒有必要再另設置導向機構。此外，—般鋼板彈簧是多片疊成的，其本身具有一定的減振能力，因而在對減振要求不高的車輛上，也可以不裝減振器。

雙橫臂懸架其突出優點在于設計的靈活性,可以通過合理選擇空間導向桿系的鉸接點的位置及導向臂(或稱為控制臂)的長度,使得懸架具有合適的運動特征(亦即當車輪跳動或車身側傾時,車輪定位角及輪距的變化能盡量滿足設計的要求),并且形成恰當的側傾中心和縱傾中心。

為了隔離振動和噪聲并補償空間導向機構由于上、下橫臂擺動軸線相交帶來的運動干涉，在各鉸接點處一般采用橡膠支承。顯然，各點處受力越小，則橡膠支承的變形越小，車輪的導向和定位也越精確。分析表明，為減小鉸接點處的作用力，應當盡可能增大、下橫臂間的距離，減小下橫臂地面的垂向距離和下鉸點至車輪接地點之間的橫向距離。當然，上、下橫臂各鉸接點位置的確定還要綜合考慮布置是否方便以及懸架的運動特征是否合適。

雙橫臂懸架可采用螺旋彈簧、空氣彈簧、扭轉彈簧或鋼板彈簧作為彈性元件，最常見的為螺旋彈簧。

雙橫臂懸架一般作為轎車的前、后懸架，輕型載貨汽車的前懸架或要求高通過性的越野汽車的前、后懸架。當雙橫臂懸架用作前置前驅動轎車的前懸架時，必須在結構上給擺動半徑留出位置。一種方法是將彈簧置于上控制臂上方，這樣做的缺點在于減小了上、下橫臂間的垂直距離和彈簧的行程，并且振動直接傳遞給車身前端。另一種做法是采用專門的叉形構件為擺動半軸留出空間或者經過特別設計，使彈簧、減振器位于擺動半軸后方。

從20世紀80年代后期開始，為提高行駛安全性，越來越多的高級轎車后懸架采用雙橫臂結構。其運動特性的優劣關系到汽車操縱的穩定性，舒適性，轉向輕便性和輪胎的使用壽命等諸多因素。汽車雙橫臂獨立懸架在空間布置上有較多的自由度，各導向桿件在空間上傾斜布置，再加上懸架不可避免地與轉向系統在運動中產生干涉，因此懸架系統運動全過程一般都是復雜的非線性的空間運動過程。雙橫臂懸架系統導向機構的優化，可以保證車輛在惡劣的行駛條件下既有良好的行駛平順性，操作穩定性和通過性，同時使懸架和車輪的運動空間最小，車內空間最大，使輪胎的側向滑移量最小，使用壽命最大。

目錄

1前言1

1.1課題研究的目的和意義1

1.2主要研究內容2

2懸架4

2.1懸架的功用和組成4

2.2懸架系統的自然振動頻率4

2.3汽車懸架的類型5

2.4雙橫臂獨立懸架6

3．懸架主要參數的確定8

3.1懸架靜撓度8

3.2懸架的動撓度9

3.3懸架彈性特性9

3.4后懸架螺旋彈簧剛度及應力計算9

4獨立懸架導向機構設計及強度校核13

4.1設計要求13

4.2導向機構的布置參數13

4.3雙橫臂式獨立懸架導向機構設計16

5減振器機構類型及主要參數的選擇計算20

5.1分類20

5.2相對阻尼系數20

5.3減振器阻尼系數的確定21

5.4最大卸荷力的確定22

5.5簡式減振器工作缸直徑D的確定22

6Pro/E三維建模24

6.1關于Pro/E24

6.3應用現狀27

6.4本章小結27

7結論28

參考文獻29

致謝30

附錄31

附錄

1.雙擺臂懸架總裝圖YJSBBXJ-00A0

2.減振器YJSBBXJ-12A1

3.上擺臂YJSBBXJ-11A1

4.下擺臂YJSBBXJ-17A1

5.轉向節YJSBBXJ-04A1

6.圓柱彈簧YJSBBXJ-13A3

7.球頭銷YJSBBXJ-20A4

8.悶蓋YJSBBXJ-05A4

9.上防塵罩YJSBBXJ-10A4

10.下防塵罩YJSBBXJ-18A4

11.上球頭座YJSBBXJ-09A4

12.下球頭座YJSBBXJ-08A4

13.防塵套YJSBBXJ-12.09A4

14.密封圈YJSBBXJ08A4