汽车设计悬架系统

目录第一章悬架的结构形式的选择第一节悬架的构成和类型第二节独立悬架结构形式分析第三节前后悬架的选择第二章悬架主要参数的选择第一节悬架性能参数的选择第二节悬架的自振频率第三节侧倾角刚度第四节悬架的静动挠度的选择第三章弹性元件的设计分析及计算第一节前悬架弹簧第二节后悬架弹簧第四章独立悬架导向机构的设计分析及计算第一节导向机构设计要求第二节麦弗逊独立悬架示意图第三节导向机构受力分析第四节横臂轴线布置方式第五节导向机构的布置参数第五章减震器的设计分析及计算第一节第一章悬架的结构形式的选择1.1悬架的构成和类型1.1.1构成（1）弹性元件具有传递垂直力和缓和冲击的作用。常见的弹性元件有：钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧等。（2）导向装置其作用是传递除弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。常见的导向装置有：斜置单臂式、单横臂式、双横臂式、双纵臂式、麦弗逊式等。（3）减震器具有衰减振动的作用。常见的减震器有：简式减震器、充气式减震器、阻力可调式减震器等。（4）缓冲块其作用是减轻车轴对车架的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。（5）横向稳定器其作用是减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。1.1.2类型悬架可分为非独立悬架和独立悬架。（1）非独立悬架非独立悬架的特点是：左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架连接。优点是：结构简单、制造容易、维修方便、工作可靠。缺点是：①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。②簧下质量较大。③在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴和车身倾斜。④当两侧车轮不同步跳动，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振。⑤前轮跳动时，悬架易与转向传动机构产生运动干涉。⑥汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性。⑦车轴上方要求有与弹簧行程相适应的空间。然而由于非独立悬架结构简单、易于维护以及可以使用多种类型的弹性元件等优点，非独立悬架多用于载货汽车和大客车的前、后悬架。（2）独立悬架独立悬架的特点是：左、右车轮通过各自的悬架与车架连接。优点是：①簧下质量小。②悬架占用的空间小③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，改善了汽车行驶的平顺性。④由于采用了断开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车行驶的稳定性。⑤左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在好的路面上能获得良好的地面附着能力。缺点是：结构复杂、成本较高、维修困难然而由于独立悬架具有以上优点，因此现代轿车多采用独立悬架。1.2独立悬架结构形式分析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、单斜臂式、麦弗逊式和扭转梁随动臂式等。对于不同形式的独立悬架，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②车轮定位参数的变化③悬架倾角刚度④横向刚度不同形式悬架的特点导向机构形式特性双横臂式单横臂式单纵臂式单斜臂式麦弗逊式扭转梁随动臂式侧倾中心高度比较低比较高比较低居单横臂和单纵臂之间比较高比较高车轮相对车身跳动时车轮定位参数变化车轮外倾角与主销内倾角均有变化车轮外倾角与主销内倾角变化大主销内倾角变化大有变化变化小左右轮同时跳动时不变轮距变化小，故轮胎磨损速度慢变化大，故轮胎磨损速度快不变变化不大变化很小不变悬架侧倾角刚度较小，需要有横向稳定器较大，可不装横向稳定器较小，需要用横向稳定器居单横臂式和单纵臂式之间较大，可不装横向稳定器横向刚度横向刚度大横向刚度小横向刚度较小横向刚度大占用的空间尺寸占用较多的空间占用较少的空间几乎不占用高度空间占用的空间小1.3前后悬架的选择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。由于麦弗逊独立悬架具有以下特性：车轮相对车身跳动时车轮定位参数变化小；轮距变化很小；悬架侧倾角刚度较大，可不装横向稳定器；横向刚度大；占用空间小。故此次设计前后轮均采用麦弗逊独立悬架。第二章悬架主要参数的选择2.1悬架性能参数的选择悬架设计可大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。2.2悬架的自振频率悬架设计的主要目的之一是确保汽车有良好的行驶平顺性。汽车行驶时振动越剧烈，则平顺性越差。由于个体对振动的反应千差万别，人们提出了各种各样的平顺性评价指标。n=MK//2=fg//2n------悬架的频率M-----簧载质量K------悬架的刚度悬架频率n随簧载质量的变化而变化，人体最舒适的频率范围为1.6Hz，如果要将汽车行驶过程中的频率保持在1~1.6Hz内。依据ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》，轿车的自振频率范围为0.7~1.6Hz，对于簧载质量大的车型取偏小的方向，（大致为1Hz或更低）本设计选的范围是0.7~1.6Hz。取n1=1.2Hz；悬架n1/n2=0.9所以n2=1.3Hz悬架的刚度Ka+b=1.25+1.35=2.6m前：a/a+b=1.25/2.6=0.48后：b/a+b=1.35/2.6=0.52m1=1650*0.52=856.7Kgm2=1650*0.48=793.3Kgms1=856.7–50=801.7Kgms2=793.3–65=728.3Kg依据悬架刚度公式可得：=（K/M）-------悬架的角速度K--------悬架的刚度m--------簧上质量即K=2m2.3侧倾角刚度随着汽车车速的不断提高，所设计的悬架不仅应该保持良好的行驶稳定性，还应该保证良好的操作稳定性。在悬架的性能参数中，以前后悬架的侧倾角刚度的分配以及侧倾中心高度值对操作稳定有较大的影响。所以选择悬架的主要参数时还要加以考虑。在汽车转弯时，为了使车身的侧倾角不超过规定值（按规定总体设计要求，当侧向惯性力不超过车重的1/4时，车身的侧倾角不大于6度~7度）。悬架应该有足够的侧倾角刚度。所谓的侧倾角刚度的侧倾力矩。侧倾角刚度不足会使汽车转弯时由于侧倾角过大使乘客有不稳定的感觉。侧倾角过大，会有减轻驾驶员的路感，防害他正确的掌握车速。所以，对侧倾角刚度要选择适当。从《汽车理论》中知，为了保证良好的操作稳定性，希望汽车有一些不足的转向，而不希望有过多的转向。而悬架的侧倾角刚度会影响到车轮的侧倾角，前后悬架的侧倾角刚度值的不同匹配就会改变前后轮的侧倾角的比值，从而改变转向特性。则前后悬架的单个弹簧的侧倾角刚度值为：n1=1/mskf/4kf=(n1*2)2*ms1/2=(1.2*6.28)2*801.7/2=22765N/mn2=1/mskv/4kv=(n2*2)2*ms1/2=(1.3*6.28)2*728.3/2=24271N/m2.4悬架的静动挠度的选择悬架的静挠度fc是汽车满载静止时悬架的载荷Fw与此时的悬架的刚度之比，即fc=Fw/c。汽车前后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车的行驶平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量参数分配系数近似等于1，于是汽车前后轴上方车身两点的振动不存在联系。对于刚度为常数的悬架，静挠度fc完全由所选择的自振频率所决定：fc=g/(2n)2由上式可知道，悬架的静挠度fc直接影响车身的偏振n。因此，欲保证汽车的良好的行驶平顺性，必须正确的选择悬架的静挠度。在选择前后悬架的静挠度时，应使之接近，并希望后悬架的静挠度fc2比前悬架的静挠度fc1小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角摆动。理论分析证明：若汽车以较高的车速行驶过单个路障，n1/n21时的车身纵向角振动要比n1/n21时小故取值为fc1=g/(2n1)2=9.8/(2*1.2)2=172.57173fc2=g/(2n2)2=9.8/(2*1.3)2=147.88148轿车的静挠度取值范围如下：fc=100~300mm，所以我的选择满足条件。悬架的动挠度fd是指悬架从满载静止平衡位置开始压缩到结构容许的最大变形时，车轮中心相对于车架的垂直位移。要求悬架有足够大挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰到缓冲块。对于轿车悬架的动挠度fd可按下列范围选取：fd=（0.5~0.7）fc所以我的选取为：fd1=0.6*173=104mmfd2=0.6*149=89mm动挠度与静挠度的总和为：fc1+fd1=173+104=277fc2+fd2=149+89=238第三章弹性元件的设计计算3.1前悬架弹簧（1）弹簧中经、钢丝直径、及结构形式定弹簧中经Dm=90mm钢丝直径d=10mm结构形式：端部并紧、不磨平、支撑圈为1圈所选用的材料为硅锰弹簧钢，查《机械设计手册》得[]=1600MpaG=80Gpa则[]=0.625[]=0.625*1600=1000Mpa（2）弹簧圈数由前知fc1=0.174m单侧螺旋弹簧所受轴向载荷P为P=mcos=400.8cos12°9.8=3925N其中m----前悬架单侧弹簧质量（400.8Kg）-----前悬架减震器安装角（12°）螺旋弹簧在P下的变形f为f=fc/cos=0.174/cos12°0.177螺旋弹簧的刚度C=P/f=3952/0.17722557N/m由C=P/f=Gd4/8Dm3i得弹簧工作圈数ii=Gd4/8Dm3C=81010(10/1000)4/[8(90/1000)322557]5.86取i=6又弹簧总圈数n与有效圈数i关系为n=i+2则弹簧总圈数n=8（3）弹簧完全并紧时的高度弹簧总圈数n与有效圈数i以及弹簧完全并紧时的高度Hs间的关系如下：Hs1.01d(n-1)+2t=1.0110(8-1)+676.7则Hs+fc+fd=76.7+173.6+80=330mm则取弹簧的总高度H=300mm（4）应力校核所选螺旋弹簧的剪应力为：=8PCK/d2又C=Dm/d=90/10=9K=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C=（410-1）/（410-4）+0.615/101.16则=8PCK/d2=8392591.16/[3.14(10/1000)2]879Mpa[]=1000Mpa式中K---曲度系数C---弹簧指数3.2后悬架弹簧（1）弹簧中经、钢丝直径、及结构形式定弹簧中经Dm=100mm钢丝直径d=11mm结构形式：端部并紧、不磨平、支撑圈为1圈所选用的材料为硅锰弹簧钢，查《机械设计手册》得[]=1600MpaG=80Gpa则[]=0.625[]=0.625*1600=1000Mpa（2）弹簧圈数由前知fc2=0.147m单侧螺旋弹簧所受轴向载荷P为P=mcos=364cos5°9.8=3553N其中m----前悬架单侧弹簧质量（364Kg）-----前悬架减震器安装角（5°）螺旋弹簧在P下的变形f为f=fc/cos=0.147/cos5°0.148螺旋弹簧的刚度C=P/f=3553/0.14824006N/m由C=P/f=Gd4/8Dm3i得弹簧工作圈数ii=Gd4/8Dm3C=81010(10/1000)4/[8(90/1000)324006]6.7取i=7又弹簧总圈数n与有效圈数i关系为n=i+2则弹簧总圈数n=9（3）弹簧完全并紧时的高度弹簧总圈数n与有效圈数i以及弹簧完全并紧时的高度Hs间的关系如下：Hs1.01d(n-1)+2t=1.0111(9-1)+694.88则Hs+fc+fd=94.88+1148+80=3323mm则取弹簧的总高度H=323mm（4）应力校核所选螺旋弹簧的剪应力为：=8PCK/d2又C=Dm/d=100/11=9.09K=（4C-1）/（4C-4）+0.615/C=（410-1）/（410-4）+0.615/101.16则=8PCK/d2=835531