上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SUV汽車前懸架設(shè)計(jì)各專業(yè)完整優(yōu)秀畢業(yè)論文設(shè)計(jì)圖紙摘 要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來(lái)自企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際課題，是在原有車型平臺(tái)基礎(chǔ)上針對(duì)企業(yè)新開(kāi)發(fā)的一款中高檔SUV汽車。該車型前懸架結(jié)構(gòu)形式采用雙橫臂式獨(dú)立懸架。在車輪上下跳動(dòng)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的懸架可以減少車輪沿路面的位移，使主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角以及輪距的變化相對(duì)較小，從而保證四輪定位參數(shù)在理想的變化范圍內(nèi)。本文針對(duì)該款SUV汽車的前懸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算和設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：螺旋彈簧和橫向穩(wěn)定桿。先通過(guò)計(jì)算力的傳遞比及行程傳遞比，得出螺旋彈簧的剛度，隨后對(duì)螺旋彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算，經(jīng)過(guò)三套方案的分析比較后，確定出最合理的彈簧直徑。在橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)中，在難以利用材料力學(xué)方法求解的情況下，利用有限元分析法求出其扭轉(zhuǎn)剛度。前懸架系統(tǒng)運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，模型建立后用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得出主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪前束及輪距與車輪跳動(dòng)量之間的變化關(guān)系，并與理想值進(jìn)行比較?？紤]前懸架在不平路面上，受沖擊較大，前懸架各部件受載也較大，最后對(duì)其各部件用CAE軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，以保證其強(qiáng)度要求。關(guān)鍵詞：前懸架，SUV，分析，四輪定位The Design of SUV Front SuspensionABSTRACTThis graduation design is an actual issue from some enterprise,and is the design of the original model based on the development platform for the high-grade section of SUV. The type of the front suspension structure is double-wishbone independent suspension. The next beat in the wheel, this structure will reduce the wheels along the surface displacement and enable the suspension kingpin inclination, castor angle and tire distance do not change much, so that four parameters of positioning are within the ideal changes.The passage is the design of this SUV automobile front suspension，its main task of calculation and design are spring and anti-roll bar. By calculating the force transmission ratio and the travel transmission ratio, the stiffness of the spring is got.Compared with three programs of analysis, the most reasonable spring diameter is obtained.In case of failing to use mechanical methods to calculate the torsional stiffness of the anti-roll bar, FEA method is used. CATIA software is used to the front suspension system for 3D modeling,after that used ADAMS kinematic simulation analysis,the change of the camber angle,kingpin inclination angle,caster angle and toe angle with the wheel beating appeared.Thinking of the front suspension for larger loads, the various components of its stress analysis are dealed by CAE software to ensure their strength requirement. Key words: front suspesion, SUV, analysis，4-wheel positionSUV汽車前懸架設(shè)計(jì)袁佳 0611032620 引言懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架(或車身)與車軸(或車輪)彈性地連接在一起。懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。對(duì)懸架提出的設(shè)計(jì)要求有：(1) 保證汽車有良好的行駛平順性。(2) 具有合適的衰減振動(dòng)的能力。(3) 保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。(4) 汽車制動(dòng)或加速時(shí)，要保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾，轉(zhuǎn)彎時(shí)車身側(cè)傾角要合適。(5) 有良好的隔聲能力。(6) 結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸小。(7) 可靠地傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩，在滿足零部件質(zhì)量要小的同時(shí)，還要保證有足夠的強(qiáng)度和壽命。1 懸架系統(tǒng)的發(fā)展1.1 懸架系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀科技進(jìn)步是人類永恒的追求。在馬車出現(xiàn)的時(shí)候，為了乘坐更舒適，人類就開(kāi)始對(duì)馬車的懸架葉片彈簧進(jìn)行孜孜不倦地探索。在1776年，馬車用的葉片彈簧取得了專利。并且一直使用到二十世紀(jì)3O年代，葉片彈簧才逐漸被螺旋彈簧代替。汽車誕生后，隨著對(duì)懸架研究的深入，相繼出現(xiàn)了扭桿彈簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性元件。1934年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)由螺旋彈簧組成的被動(dòng)懸架。被動(dòng)懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定，在行駛過(guò)程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減振的效果較差。為了克服這種缺陷，采用了非線性剛度彈簧和車身高度調(diào)節(jié)的方法，雖然有一定成效，但無(wú)法根除被動(dòng)懸架的弊端。被動(dòng)懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、賽歐等車，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架等 。隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動(dòng)懸架的缺陷逐漸成為提高汽車性能的瓶頸，為此人們開(kāi)發(fā)了能兼顧舒適性和操縱穩(wěn)定的主動(dòng)懸架。主動(dòng)懸架的概念是1954年美國(guó)通用汽車司在懸架設(shè)計(jì)中率先提出的。主動(dòng)懸架是在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，使汽車懸架在任何路面上保持最佳的運(yùn)行狀態(tài)。控制裝置通常由測(cè)量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等組成。20世紀(jì)80年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠家競(jìng)相研制開(kāi)發(fā)這種懸架。豐田、洛特斯、沃爾沃、奔馳等在汽車上進(jìn)行了較為成功的試驗(yàn)。裝置主動(dòng)懸架的汽車，即使在不良路面高速行駛時(shí)，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)車身保持水平。特點(diǎn)是乘坐非常舒服，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，成本昂貴，可靠性存在問(wèn)題。由于種種原因，我國(guó)的汽車絕大部分采用被動(dòng)懸架。在半主動(dòng)和主動(dòng)懸架的研究方面起步晚，與國(guó)外的差距大。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，半主動(dòng)懸在8O年代后期趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果。主動(dòng)懸架雖然提出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。到上世紀(jì)9O年代，仍僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車。1.2 懸架系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)由于汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，具有安全、智能和清潔的綠色智能懸架將是今后汽車懸架發(fā)展的趨勢(shì)。(1)被動(dòng)懸架是傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機(jī)振動(dòng)理論，它只能保證在特定的路況下達(dá)到較好效果。但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本相對(duì)低廉且不需額外能量，因而應(yīng)用最為廣泛。在我國(guó)現(xiàn)階段，仍然有較高的研究?jī)r(jià)值。被動(dòng)懸架性能的研究主要集中在三個(gè)方面：通過(guò)對(duì)汽車進(jìn)行受力分析后，建立數(shù)學(xué)模型，然后再用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或有限元法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)；研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運(yùn)行狀態(tài)；研究導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩(wěn)定性有較大的提高 (2)半主動(dòng)懸架的研究集中在兩個(gè)方面：執(zhí)行策略的研究；執(zhí)行器的研究。阻尼可調(diào)減振器主要有兩種，一種是通過(guò)改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼；一種是通過(guò)改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻尼。節(jié)流孔的大小一般通過(guò)電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無(wú)級(jí)的調(diào)節(jié)，這種方法成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過(guò)改變減振液的粘性來(lái)改變阻尼系數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)噪音和沖擊等特點(diǎn)，因此是目前發(fā)展的主要方向。(3)主動(dòng)懸架研究也集中在兩個(gè)方面：可靠性；執(zhí)行器。由于主動(dòng)懸架采用了大量的傳感器、單片機(jī)、輸出輸入電路和各種接口，由于元器件較多，降低了懸架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一個(gè)不可逾越的階段。執(zhí)行器的研究主要是用電動(dòng)器件代替液壓器件。電氣動(dòng)力系統(tǒng)中的直線伺服電機(jī)和永磁直流直線伺服電機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，今后將會(huì)取代液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計(jì)自校正控制器，可望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動(dòng)懸架。使主動(dòng)懸架由理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。懸架技術(shù)的每一次跨越，都和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)制造技術(shù)、運(yùn)動(dòng)仿真等為懸架的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的保障。同時(shí)，懸架的發(fā)展也給這些相關(guān)學(xué)科提出更高的理論要求，使人類的認(rèn)識(shí)邁向新的、更高的境界。2 汽車懸架系統(tǒng) 2.1 懸架系統(tǒng)概述懸架是車架(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。懸架具有以下功能：(1)對(duì)不平整路面所造成的汽車行駛中的各種顫動(dòng)、搖擺和振動(dòng)等，與輪胎一起，予以吸收和減緩，從而保障乘客和貨物的安全，并提高駕駛穩(wěn)定性。(2)將路面與車輪之間的摩擦所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力傳輸至底盤(pán)和車身。(3)支承車橋上的車身，并使車身與車輪之間保持適當(dāng)?shù)膸缀侮P(guān)系。現(xiàn)代汽車的懸架盡管有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但是一般都由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。由于汽車行駛的路面不可能絕對(duì)平坦，路面作用于車輪上的垂直反力往往是沖擊性的，特別是在壞路面上高速行駛時(shí)，這種沖擊力將達(dá)到很大的數(shù)值。沖擊力傳到車架和車身時(shí)，可能引起汽車機(jī)件的早期損壞，傳給乘員和貨物時(shí)，將使乘員感到極不舒適，貨物也可能受到損傷。為了緩和沖擊，在汽車行駛系統(tǒng)中，除了采用彈性的充氣輪胎外，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(lián)系。但彈性系統(tǒng)受到?jīng)_擊后將產(chǎn)生振動(dòng)。持續(xù)的振動(dòng)易使乘員感到不舒適和疲勞，故懸架還應(yīng)當(dāng)具有減振作用，使振動(dòng)迅速衰減(振幅迅速減小)。因此，在許多結(jié)構(gòu)形式的懸架的汽車懸架中設(shè)有專門(mén)的減振器。車輪相對(duì)于車架和車身跳動(dòng)時(shí)，車輪(特別是轉(zhuǎn)向輪)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)符合一定的要求，否則對(duì)汽車的某些行駛性能(特別是操縱穩(wěn)定性)有不利的影響。因此，懸架中某些傳力構(gòu)件同時(shí)還承擔(dān)著使車輪按一定軌跡相對(duì)于車架和車身跳動(dòng)的任務(wù)，因而這些傳力構(gòu)件還起導(dǎo)向作用，故稱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。在多數(shù)轎車上，為防止車身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過(guò)大的橫向傾斜，在懸架中還設(shè)有輔助彈性元件橫向穩(wěn)定器。2.2 懸架結(jié)構(gòu)形式分析2.2.1 非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩類。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：左、右車輪用一根整體軸連接，再經(jīng)過(guò)懸架與車架(或車身)連接；獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：左、右車輪通過(guò)各自的懸架與車架(或車身)連接,如圖2.1所示。圖2.1 懸架結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖以縱置鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨(dú)立懸架，其主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工作可靠。缺點(diǎn)是：由于整車布置上的限制，鋼板彈簧不可能有足夠的長(zhǎng)度(特別對(duì)前懸架而言)，使之剛度較大，所以汽車平順性較差；簧下質(zhì)量大；在不平路面上行駛時(shí)，左、右車輪相互影響，并使車軸(橋)和車身發(fā)生傾斜；當(dāng)兩側(cè)車輪不同步跳動(dòng)時(shí)，車輪會(huì)左、右搖擺，使前輪容易產(chǎn)生擺振；前輪跳動(dòng)時(shí)，懸架易于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉；當(dāng)汽車直線行駛在凹凸不平的路段上時(shí)，由于左右兩側(cè)車輪反向跳動(dòng)或只有一側(cè)車輪跳動(dòng)時(shí)，不僅車輪外傾角有變化，還會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，離心力也會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；車軸(橋)上方要求有與彈簧行程相適應(yīng)的空間。這種懸架主要用于總質(zhì)量大些的商用車前、后懸架以及某些乘用車的后懸架上。獨(dú)立懸架可提供多種方案供設(shè)計(jì)人員選用，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。獨(dú)立懸架的缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，維修困難；在一般情況下，車輪跳動(dòng)時(shí)，由于車輪外傾角與輪距變化較大，輪胎磨損較嚴(yán)重。這種懸架主要用于乘用車和部分總質(zhì)量不大的商用車上。2.2.2 獨(dú)立懸架特點(diǎn)隨著高速公路網(wǎng)的發(fā)展，促使汽車速度的不斷提高使得非獨(dú)立懸架已不能滿足汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等方面的要求。因此，在現(xiàn)代汽車懸架系統(tǒng)中，尤其是在轎車的前懸架中已無(wú)例外地采用了獨(dú)立懸架。前已述及，獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)的車輪各自獨(dú)立地與車架或車身彈性連接，因而具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)在懸架彈性元件一定的變形范圍內(nèi)，兩側(cè)車輪可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，而互不影響，這樣在不平道路上行駛時(shí)，可減少車架和車身的振動(dòng)，而且有助于消除轉(zhuǎn)向輪不斷偏擺的不良現(xiàn)象。(2)減少了汽車的非簧載質(zhì)量（即不由彈簧支承的質(zhì)量）。在非獨(dú)立懸架的情況下，整個(gè)車橋和車輪都屬于非簧載質(zhì)量部分。在用獨(dú)立懸架時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋而言，由于主減速器、差速器及其外殼都固定在車架上，成了簧載質(zhì)量；對(duì)轉(zhuǎn)向橋而言，它僅具有轉(zhuǎn)向主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)，而中部的整體梁不再存在。所以在采用獨(dú)立懸架時(shí)，非簧載質(zhì)量只包括車輪質(zhì)量和懸架系統(tǒng)中的一部分零件的全部或部分質(zhì)量，顯然比用非獨(dú)立懸架時(shí)的非簧載質(zhì)量要小得多。在道路條件和車速相同時(shí)，非簧載質(zhì)量越小，則懸架所受到的沖擊載荷也越小。故采用獨(dú)立懸架可以提高汽車的平均行駛速度。(3)采用斷開(kāi)式車橋，發(fā)動(dòng)機(jī)總成的位置便可以降低和前移，使汽車重心下降，提高了汽車行駛穩(wěn)定性。同時(shí)能給予車輪較大的上下運(yùn)動(dòng)的空間，因而可以將懸架剛度設(shè)計(jì)得較小，使車身振動(dòng)頻率降低，以改善行駛平順性。(4)保證汽車在不平路面上行駛時(shí)，所有車輪與路面有良好接觸，從而增大牽引力和汽車的離地間隙，大大提高越野汽車的通過(guò)性能。2.2.3 獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)形式分析獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)類型很多，可分為雙橫臂式、單橫臂式、雙縱臂式、單縱臂式、單斜臂式和麥弗遜式等幾種類型。(1)雙橫臂式獨(dú)立懸架雙橫臂式獨(dú)立懸架的兩個(gè)擺臂長(zhǎng)度可以相等，也可以不相等。圖2.2表明兩擺臂等長(zhǎng)的懸架當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，車輪平面沒(méi)有傾斜，但輪距去發(fā)生了較大的變化，這將增加車輪側(cè)向滑移的可能性。在擺臂不等長(zhǎng)的獨(dú)立懸架中，如將兩臂長(zhǎng)度選擇適當(dāng)，可以使車輪和主銷的角度以及輪距的變化都不太大。不大的輪距變化在輪胎較軟時(shí)可以由輪胎變形來(lái)適應(yīng)。目前轎車的輪胎可容許輪距的改變?cè)诿總€(gè)車輪上達(dá)到而不致使車輪沿路面滑移。因此，不等長(zhǎng)的雙橫臂式獨(dú)立懸架在轎車的前輪上應(yīng)用得較為廣泛。圖2.2 雙橫臂式獨(dú)立懸架示意圖(2)單橫臂式獨(dú)立懸架 單橫臂式獨(dú)立懸架的特點(diǎn)是：當(dāng)懸架變形時(shí)，車輪平面將產(chǎn)生傾斜而改變兩側(cè)車輪與路面接觸點(diǎn)間的距離(輪距)，致使輪胎相對(duì)于地面?zhèn)认蚧?，破壞輪胎和地面的附著。此外，這種懸架用于轉(zhuǎn)向輪時(shí)，會(huì)使主銷內(nèi)傾角和車輪外傾角發(fā)生較大的變化，對(duì)于轉(zhuǎn)向操縱有一定影響，故目前在前懸架中很少采用。但是，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、布置方便等原因，在車速不太高的重型越野汽車上也有采用的。(3)雙縱臂式獨(dú)立懸架 雙縱臂式獨(dú)立懸架的兩個(gè)縱臂長(zhǎng)度一般做成相等，形成平行四連桿機(jī)構(gòu)。這樣，在車輪上下跳動(dòng)時(shí)，主銷的后傾角保持不變，故這種形式的懸架使用于轉(zhuǎn)向輪。(4)單縱臂式獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向輪采用單縱臂式獨(dú)立懸架時(shí)，車輪上下跳動(dòng)將使主銷后傾角產(chǎn)生很大的變化。因此，單縱臂式獨(dú)立懸架一般多用于不轉(zhuǎn)向的后輪。(5)單斜臂式獨(dú)立懸架單斜臂式獨(dú)立懸架是介于單橫臂和單縱臂之間的一種懸架結(jié)構(gòu)形式。單斜臂繞與汽車縱軸線成一定夾角的軸線擺動(dòng)。適當(dāng)?shù)剡x擇夾角，可以調(diào)整輪距、車輪傾角、前束等變化最小。有的單斜臂獨(dú)立懸架，為了控制前束的變化，在單斜臂上安裝了一根輔助拉桿，稱為控制前束桿。單斜臂式獨(dú)立懸架兼有單橫臂和單縱臂獨(dú)立懸架的優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)，多用在后輪驅(qū)動(dòng)的汽車的后懸架上。例如，福特Sierra轎車的后懸架及寶馬5系列轎車后懸架均為此種結(jié)構(gòu)。(6)麥弗遜式獨(dú)立懸架麥弗遜式獨(dú)立懸架也稱滑柱連桿式懸架，它是由滑動(dòng)立柱和橫擺臂組成。該懸架突出的優(yōu)點(diǎn)是增大了兩輪間內(nèi)側(cè)的空間，便于發(fā)動(dòng)機(jī)和其一些零件的布置；其缺點(diǎn)是滑動(dòng)立柱摩擦和磨損較大。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的獨(dú)立懸架，不僅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，而且許多基本特性也有較大區(qū)別。評(píng)價(jià)時(shí)常從以下幾方面進(jìn)行：(1)側(cè)傾中心高度汽車在側(cè)向力作用下，車身在通過(guò)左、右車輪中心的橫向垂直平面內(nèi)發(fā)生側(cè)傾時(shí)，相對(duì)于地面的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，稱為側(cè)傾中心。側(cè)傾中心到地面的距離，稱為側(cè)傾中心高度。側(cè)傾中心位置高，它到車身質(zhì)心的距離縮短，可使側(cè)向力臂及側(cè)傾力矩小些，車身的側(cè)傾角也會(huì)減小。但側(cè)傾中心過(guò)高，會(huì)使車身傾斜時(shí)輪距變化大，加快輪胎的磨損。(2)車輪定位參數(shù)的變化車輪相對(duì)車身上、下跳動(dòng)時(shí)，主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、車輪外傾角及車輪前束等定位參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。若主銷后傾角變化大，容易使轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺振；若車輪外傾角變化大，會(huì)影響汽車的直線行駛穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)影響輪距的變化和輪胎的磨損速度。(3)懸架側(cè)傾角剛度當(dāng)汽車作穩(wěn)態(tài)圓周行駛時(shí)，在側(cè)向力作用下，車廂繞側(cè)傾軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，此轉(zhuǎn)動(dòng)角稱為車廂側(cè)傾角。車廂側(cè)傾角與側(cè)傾力矩和懸架總的側(cè)傾角剛度大小有關(guān)，并影響汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性。(4)橫向剛度表2.1 不同形式懸架的特點(diǎn)雙橫臂式單橫臂式單縱臂式單斜臂式麥弗遜式側(cè)傾中心高度比較低比較高比較低居單橫臂式和單縱臂式之間比較高車輪相對(duì)車身跳動(dòng)時(shí)車輪定位參數(shù)的變化車輪外傾角與主銷內(nèi)傾角均有變化車輪外傾角與主銷內(nèi)傾角變化大主銷后傾角變化大有變化變化小輪距變化小變化大不變變化不大變化很小側(cè)傾角剛度較小，需用橫向穩(wěn)定器較大，可不裝橫向穩(wěn)定器較小，需用橫向穩(wěn)定器居單橫臂式和單縱臂式之間較大，可不裝橫向穩(wěn)定器橫向剛度大大小小大占用空間尺寸較多較少幾乎不占用高度空間幾乎不占用高度空間小其他結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，前懸架用得多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，前懸架上用得少 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，乘用車上用得較多懸架的橫向剛度影響操縱穩(wěn)定性。若用于轉(zhuǎn)向軸上的懸架橫向剛度小，則容易造成轉(zhuǎn)向輪發(fā)生擺振現(xiàn)象。不同類型的懸架占用的空間尺寸不同，占用橫向尺寸大的懸架影響發(fā)動(dòng)機(jī)的布置和從車上拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)的困難程度。占用空間高度小的懸架，則允許行李箱寬敞，而且底部平整，布置油箱容易。因此，懸架占用的空間尺寸也用來(lái)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。表2.1分析了不同形式懸架的特點(diǎn)。 懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對(duì)汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。由此可見(jiàn)懸架系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車上是重要的總成之一。2.2.4 前、后懸架方案的選擇目前汽車的前、后懸架采用的方案有：前輪和后輪均采用非獨(dú)立懸架；前輪采用獨(dú)立懸架，后輪采用非獨(dú)立懸架；前輪和后輪均采用獨(dú)立懸架等幾種。2.2.5 主動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架懸架系統(tǒng)一般是由彈性元件與阻尼元件共同構(gòu)成，懸架系統(tǒng)共3種形式，即被動(dòng)懸架，半主動(dòng)懸架及主動(dòng)懸架。其簡(jiǎn)化模型如圖2.3所示。圖2.3 三種懸架的模型圖傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)(如圖2.3(a)所示)，其減振器的阻尼系數(shù)C和彈簧剛度系數(shù)K一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇，一經(jīng)確定，在汽車行駛過(guò)程中就無(wú)法隨外部環(huán)境而改變。故稱傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)為被動(dòng)懸架。汽車懸架系統(tǒng)的理想狀態(tài)應(yīng)達(dá)到在轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等操縱過(guò)程的穩(wěn)定性，要求懸架系統(tǒng)有“較硬”狀態(tài)；另外在隔開(kāi)隨機(jī)路面不平對(duì)汽車的振動(dòng)，提高乘坐舒適性，又要求懸架系統(tǒng)有“較軟”狀態(tài)。半主動(dòng)懸架在1973年由Crosby和Karropp設(shè)計(jì)(如圖2.3(b)所示)，由可變特性的彈簧和減震器組成。工作原理是：根據(jù)簧上質(zhì)量相對(duì)車輪的速度響應(yīng)，加速度響應(yīng)的反饋信號(hào)，按一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào)減震器的阻尼力。半主動(dòng)懸架在外力的產(chǎn)生上與被動(dòng)懸架一致，但其減振器阻尼系數(shù)C或彈簧剛度系數(shù)K是可變的。通常其減振控制以改變阻尼力為主，將阻尼分為級(jí)。1976年改變彈簧剛度的半主動(dòng)懸架產(chǎn)生，其彈簧剛度是通過(guò)切換空氣彈簧實(shí)現(xiàn)的。1984年日產(chǎn)公司研制的聲納式半主動(dòng)懸架，它采用聲納裝置預(yù)測(cè)路面信息，及時(shí)調(diào)整懸架減振器阻尼狀態(tài)，分軟、中、硬三種狀態(tài)。半主動(dòng)懸架比被動(dòng)懸架的減振效果好很多。主動(dòng)懸架系統(tǒng)需要輸入一定的外部能量以使控制機(jī)構(gòu)給懸架系統(tǒng)施加一定的控制力來(lái)減振。由于外加能量的引入，這種懸架系統(tǒng)便成為有源系統(tǒng)(如圖2.3(C)所示)。系統(tǒng)由一個(gè)彈性元件和一個(gè)力發(fā)生器組成。力發(fā)生器的作用在于改進(jìn)懸架系統(tǒng)中能量的消耗和供給懸架系統(tǒng)以能量，該形式的控制目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振懸架系統(tǒng)，而懸架系統(tǒng)不需較大變化，只需使力發(fā)生器部分產(chǎn)生一個(gè)正比于絕對(duì)速度負(fù)值的主動(dòng)力。主動(dòng)懸架系統(tǒng)按其是否包含動(dòng)力源可分為全主動(dòng)懸架(有源主動(dòng)懸架)和半主動(dòng)懸架(無(wú)源主動(dòng)懸架)系統(tǒng)兩大類。(1)全主動(dòng)懸架全主動(dòng)懸架就是根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和路面狀況，適時(shí)地調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。它是在被動(dòng)懸架系統(tǒng)(彈性元件、減振器、導(dǎo)向裝置)中附加一個(gè)可控制作用力的裝置。它通常是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)合能源系統(tǒng)四部分組成。(2)半主動(dòng)懸架半主動(dòng)懸架不考慮改變懸架的剛度，而只考慮改變懸架的阻尼，因此它是由無(wú)動(dòng)力源且只有可控的阻尼元件組成。由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作時(shí)不消耗車輛動(dòng)力，而且還能獲得與全主動(dòng)懸架相近的性能，故有較好的應(yīng)用前景。主動(dòng)懸架系統(tǒng)的應(yīng)用存在兩個(gè)困難，一是硬件價(jià)格昂貴，二是能量消耗過(guò)大。隨著電控系統(tǒng)的發(fā)展，減少功率消耗，提高電控系統(tǒng)的集成化成為主動(dòng)懸架的研究方向。同時(shí)，應(yīng)用先進(jìn)的控制理論，不斷完善懸架系統(tǒng)的軟件部分，進(jìn)一步兼顧車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性也成為發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.3 彈性元件2.3.1 鋼板彈簧鋼板彈簧是汽車懸架中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，它是由若干片等寬但不等長(zhǎng)(厚度可以相等，也可以不相等)的合金彈簧片組合而成的一根近似等強(qiáng)度的彈性梁。鋼板彈簧在載荷作用下變形時(shí)，各片之間有相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，可以促進(jìn)車架振動(dòng)的衰減。但各片間的干摩擦，將使車輪所受的沖擊在很大程度上傳給車架，即降低了懸架緩和沖擊的能力，并使彈簧各片加速磨損，這是不利的。為減少?gòu)椈善哪p，在裝合鋼板彈簧時(shí)，各片間需涂上較稠的潤(rùn)滑劑(石墨潤(rùn)滑脂)，并應(yīng)定期進(jìn)行保養(yǎng)。為了在使用期間內(nèi)長(zhǎng)期儲(chǔ)存潤(rùn)滑脂和防止污染，有時(shí)將鋼板彈簧裝在護(hù)套內(nèi)。鋼板彈簧本身還能兼起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，并且由于彈簧各片之間的摩擦而起到一定的減振作用。為了保證在彈簧片間產(chǎn)生定值摩擦力以及消除噪聲，可在彈簧片之間夾入塑料墊片。某些高級(jí)轎車后懸架的彈性元件采用鋼板彈簧時(shí)，常采用此機(jī)構(gòu)。2.3.2 螺旋彈簧螺旋彈簧廣泛地應(yīng)用于獨(dú)立懸架，特別是前輪獨(dú)立懸架中。然而在有些轎車的后輪非獨(dú)立懸架中，其彈性元件也采用螺旋彈簧。螺旋彈簧與鋼板彈簧比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需潤(rùn)滑，不忌泥污；安置所需的縱向空間不大；彈簧自身質(zhì)量小。螺旋彈簧本身沒(méi)有減振作用，因此在螺旋彈簧懸架中必須另裝減振器。此外，螺旋彈簧只能承受垂直載荷，故必須裝設(shè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以傳遞垂直力以外的各種力和力矩。螺旋彈簧用彈簧鋼棒料卷制而成，可做成等螺距或變螺距。前者剛度不變，后者剛度是可變的。2.3.3 扭桿彈簧扭桿彈簧本身是一根由彈簧鋼制成的桿。扭桿斷面通常為圓形，少數(shù)為矩形或管形。其兩端形狀可以做成花鍵、方形、六角形或帶平面的圓柱形等等，以便一端固定在車架上，另一端固定在懸架的搖臂上。扭桿彈簧在制造時(shí)，經(jīng)熱處理后預(yù)先施加一定的扭轉(zhuǎn)力矩載荷，使之產(chǎn)生一個(gè)永久的扭轉(zhuǎn)變形，從而使其具有一定的預(yù)應(yīng)力。左、右扭桿的預(yù)加扭轉(zhuǎn)的方向都與扭桿安裝在車上后承受工作載荷時(shí)扭轉(zhuǎn)的方向相同。其目的是減小工作時(shí)的實(shí)際應(yīng)力，以延長(zhǎng)扭桿彈簧的使用壽命。如果左、右扭桿換位安裝，則將使扭桿彈簧的預(yù)先扭轉(zhuǎn)方向與工作時(shí)扭轉(zhuǎn)方向相反，導(dǎo)致扭桿彈簧的實(shí)際工作應(yīng)力加大，而縮短使用壽命。因此，左、右扭桿彈簧不能互換。為此，左、右扭桿刻有不同的標(biāo)記。扭桿彈簧本身的扭轉(zhuǎn)剛度雖然是常數(shù)，但采用扭桿彈簧的懸架由于有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的緣故，其懸架剛度卻是可變的。扭桿彈簧單位質(zhì)量的儲(chǔ)能量是鋼板彈簧的3倍，比螺旋彈簧高。因此，采用扭桿彈簧的懸架質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，也不需潤(rùn)滑，并且通過(guò)調(diào)整扭桿彈簧固定端的安裝角度，易實(shí)現(xiàn)車身高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。此外，扭干彈簧在汽車上的布置比較方便，它可以與汽車縱軸線平行地布置，也可以橫向布置。縱向布置時(shí)，可以方便地安裝滿足設(shè)計(jì)要求長(zhǎng)度的扭桿，以保證懸架具有良好的性能。2.3.4 氣體彈簧氣體彈簧是在一個(gè)密封的容器中充入壓縮氣體(氣壓為)，利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)其彈簧作用的。這種彈簧的剛度是可變的，因?yàn)樽饔迷趶椈缮系妮d荷增加時(shí)，容器內(nèi)的定量氣體受壓縮，氣壓升高，則彈簧的剛度增大。反之，當(dāng)載荷減小時(shí)，彈簧內(nèi)的氣壓下降，剛度減小，故它具有較理想的彈性特性。氣體彈簧有空氣彈簧和油氣彈簧兩種?？諝鈴椈捎钟心沂娇諝鈴椈珊湍な娇諝鈴椈芍帧?.3.5 橡膠彈簧橡膠彈簧是利用橡膠本身的彈性來(lái)起彈性元件的作用。它可以承受壓縮載荷與扭轉(zhuǎn)載荷。其優(yōu)點(diǎn)是單位質(zhì)量的儲(chǔ)能量較金屬?gòu)椈啥?，隔音性能好，工作無(wú)噪聲，不需要潤(rùn)滑。因橡膠的內(nèi)摩擦較大，因此橡膠彈簧具有一定的減振能力。橡膠彈簧多用作懸架的副簧和緩沖塊。2.4 減振器為加速車架和車身振動(dòng)的衰減，以改善汽車的行駛平順性，在大多數(shù)汽車的懸架系統(tǒng)內(nèi)都裝有減振器。減振器和彈性元件是并聯(lián)安裝的，如圖2.4所示。圖2.4 減振器和彈性元件的安裝示意圖汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力減振器。液力減振器的作用原理是當(dāng)車架與車橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器中的活塞在缸筒內(nèi)也作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減振器殼體內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔。此時(shí)，孔壁與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對(duì)振動(dòng)的阻尼力，使車身和車架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，而被油液和減振器殼體所吸收，然后散到大氣中。減振器阻尼力的大小隨車架與車橋(或車輪)的相對(duì)速度的增減而增減，并且與油液粘度有關(guān)。要求減振器所用油液的粘度受溫度變化的影響盡可能??；且具有抗汽化，抗氧化以及對(duì)各種金屬和非金屬零件不起腐蝕作用等性能。減振器的阻尼力越大，振動(dòng)消除得越快，但卻是并聯(lián)的彈性元件的作用不能充分發(fā)揮，同時(shí)，過(guò)大的阻尼力還可能導(dǎo)致減振器連接零件及車架損壞。為解決彈性元件與減振器之間的矛盾，對(duì)減振器提出如下要求：(1)在懸架壓縮行程(車橋與車架相互移近的行程)內(nèi)，減振器阻尼力應(yīng)較小，以便充分利用彈性元件的彈性，緩和沖擊；(2)在懸架伸張行程(車橋與車架相對(duì)遠(yuǎn)離的行程)內(nèi)，減振器的阻尼力應(yīng)大，以求迅速減振；(3)當(dāng)車橋(或車輪)與車架的相對(duì)速度過(guò)大時(shí)，減振器應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)加大液流通道截面積，使阻尼力始終保持在一定限度之內(nèi)，以避免承受過(guò)大的沖擊載荷。在壓縮和伸張行程內(nèi)均能起作用的減振器稱為雙向作用式減振器。另有一種減振器僅在伸張行程內(nèi)起作用，稱為單向作用式減振器。目前汽車上廣泛采用雙向作用筒式減振器。2.5 輔助元件2.5.1 橫向穩(wěn)定器近代轎車的懸架一般都很軟，在高速行駛中轉(zhuǎn)向時(shí)，車身會(huì)產(chǎn)生很大的橫向傾斜和橫向角振動(dòng)。為減少這種橫向傾斜，往往在懸架中添設(shè)橫向穩(wěn)定器。用得最多的是桿式穩(wěn)定器。通過(guò)減小懸架垂直剛度，能降低車身振動(dòng)固有頻率，達(dá)到改善汽車平順性的目的。但應(yīng)為懸架的側(cè)傾角剛度和懸架垂直剛度之間是正比關(guān)系，所以減小垂直剛度的同時(shí)使側(cè)傾角剛度也減小，并使車廂側(cè)傾角增加，結(jié)果車廂中的乘員會(huì)感到不適和降低了行車安全感。解決這一矛盾的主要方法就是在汽車上設(shè)置橫向穩(wěn)定器。有了橫向穩(wěn)定器，就可以做到在不增大懸架垂直剛度的條件下，增大懸架的側(cè)傾角剛度。汽車轉(zhuǎn)彎行駛產(chǎn)生的側(cè)傾力矩，使內(nèi)、外側(cè)車輪的負(fù)荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，并影響車輪側(cè)偏剛度K和車輪側(cè)偏角變化。前、后軸(橋)車輪負(fù)荷轉(zhuǎn)移大小，主要取決于前、后懸架的側(cè)傾角剛度值。當(dāng)前懸架側(cè)傾角剛度大于后懸架側(cè)傾角剛度時(shí)，前軸(橋)的車輪上的負(fù)荷轉(zhuǎn)移大于后軸(橋)的車輪上的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，并使前輪側(cè)偏角大于后輪側(cè)偏角，以保證汽車有不足轉(zhuǎn)向特性。在汽車前懸架上設(shè)置橫向穩(wěn)定器，能增大前懸架的側(cè)傾角剛度。2.5.2 緩沖塊緩沖塊通常用圖2.5所示形狀的橡膠制造。通過(guò)硫化將橡膠與鋼板連接為一體，再經(jīng)焊在鋼板上的螺釘將緩沖塊固定到車架(車身)或其他部位上，起到限制懸架最大行程的作用。有些汽車裝用多孔聚氨酯制成的緩沖塊，它兼有輔助彈性元件的作用。多孔聚氨酯是一種有很高強(qiáng)度和耐磨性能的復(fù)合材料。這種材料起泡時(shí)就形成了致密的耐磨層，它保護(hù)內(nèi)部的發(fā)泡部分不受損傷。由于在該材料中有封閉的氣泡，在載荷作用下彈性元件被壓縮，但其外輪廓尺寸增加卻不大，這點(diǎn)與橡膠不同。有些汽車的緩沖塊裝在減振器上。圖2.5 橡膠緩沖塊3 前懸架系統(tǒng)參數(shù)確定3.1 SUV車型特點(diǎn)SUV (Sport Utility Vehicle)，即運(yùn)動(dòng)型多用途車，它既具有越野車的部分功能，又能夠部分滿足家庭休閑的需要。與越野車不同的是，SUV具有更好的公路行駛性、多功能性和休閑性，其代表車型如“寶馬X5”、 “沃爾沃XC90”等。從技術(shù)層面看，SUV最明顯的標(biāo)志是其底盤(pán)前橋?yàn)椴坏乳L(zhǎng)雙橫臂上螺旋彈簧獨(dú)立懸架，斷開(kāi)式四連桿懸掛后橋；后懸架是非獨(dú)立懸架，這在一定程度上既有轎車的舒適性，又有越野車的越野性能。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種車就是底盤(pán)高，有大梁，可以牽引。唯一的缺點(diǎn)是總體價(jià)格偏高，還相對(duì)地費(fèi)油。由于國(guó)外的SUV市場(chǎng)十分成熟，相反，國(guó)內(nèi)SUV廠家生產(chǎn)的SUV均強(qiáng)調(diào)外形，而在功能上均與國(guó)外廠家產(chǎn)品無(wú)法比擬：缺乏SUV的Offroad性能和安全性，更無(wú)智能四輪驅(qū)動(dòng)功能，同時(shí)其內(nèi)部裝飾檔次低，空間利用率缺乏綜合考慮以及舒適性差等也是國(guó)內(nèi)SUV的共同特點(diǎn)。根據(jù)0708年市場(chǎng)發(fā)展預(yù)計(jì)，我國(guó)的SUV市場(chǎng)將呈現(xiàn)與國(guó)際市場(chǎng)接軌的特點(diǎn)，同時(shí)在價(jià)格上凸現(xiàn)其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。具有代表性的產(chǎn)品為本田CR-V，現(xiàn)代圣達(dá)菲和長(zhǎng)城哈弗的后續(xù)產(chǎn)品以及雷克薩斯(凌志)RX系列等。本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目是在原有車型平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一款高檔SUV, 是一款高定位，面向歐美市場(chǎng)的SUV車型。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)車型有：Honda CR-V, Lexus RX350，寶馬X5，現(xiàn)代悅達(dá)圣達(dá)菲等。3.2 前懸架結(jié)構(gòu)形式選擇設(shè)計(jì)時(shí)，考慮沿用上一款車型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，以節(jié)省材料，降低成本，本款SUV的前懸架結(jié)構(gòu)形式選用不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架。不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架雖然在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，但如果上、下兩控制臂的長(zhǎng)度選擇適當(dāng)，可以減少車輪沿路面的滑移，使主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角以及輪距的變化都不大，不大的輪距變化在輪胎較軟時(shí)可以由輪胎的變形來(lái)適應(yīng)，以保證汽車的乘坐舒適性及操縱穩(wěn)定性。前懸架系統(tǒng)主要由上控制臂、下控制臂、螺旋彈簧、減振器、減振器叉、轉(zhuǎn)向節(jié)、橫向穩(wěn)定桿和副車架等組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖3.1(a)(b)所示,前懸架總布置圖如圖3.2(a)(b)(c)所示。圖3.1(a) 不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架三維圖橫向穩(wěn)定桿前副車架下控制臂螺旋彈簧減振器叉轉(zhuǎn)向節(jié)減振器上控制臂圖3.1(b) 不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架示意圖圖3.2(a) 懸架總布置正視圖圖3.2(b) 懸架總布置俯視圖圖3.2(c) 懸架總布置左視圖3.3 前懸架主要參數(shù)的確定3.3.1 懸架的靜撓度懸架靜撓度是指車輛滿載靜止時(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛度之比，即。本車設(shè)計(jì)時(shí)，前軸滿載為，前懸架剛度為，因此前懸架的靜撓度車輛的懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一。因此現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)近似等于，于是前、后軸上方車身兩點(diǎn)的振動(dòng)不存在聯(lián)系。因此，汽車前、后部分車身的固有頻率和（亦稱偏頻）可用下式表示：；式中，、為前、后懸架的剛度；、為前、后懸架的簧上質(zhì)量。用途不同的汽車，對(duì)平順性要求亦不同。以運(yùn)送人為主的乘用車，對(duì)平順性的要求最高，客車次之，貨車更次之。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排量小的乘用車，前懸架滿載偏頻要求在，后懸架則要求在。原則上，乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量越大，懸架的偏頻應(yīng)越小，要求滿載前懸架偏頻在，后懸架則要求在。本車前懸架的偏頻選定在。3.3.2 懸架的動(dòng)撓度懸架的動(dòng)撓度是指從滿載靜平衡位置開(kāi)始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形(通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的到)時(shí)，車輪中心相對(duì)車架(或車身)的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)乘用車，?。粚?duì)客車，??；對(duì)貨車，取。3.3.3 懸架彈性特性懸架受到的垂直外力與由此所引起的車輪中心相對(duì)于車身位移的關(guān)系曲線，稱為懸架的彈性特性。其切線的斜率是懸架的剛度。懸架的彈性特性有線性和非線性兩種。當(dāng)懸架變形與所受垂直外力之間成固定的比例變化時(shí)，彈性特性為一直線，稱為線性彈性特性，此時(shí)懸架剛度為常數(shù)。當(dāng)懸架變形與所受垂直外力之間不成固定的比例變化時(shí)，彈性特性如圖所示。此時(shí)，懸架剛度是變化的，其特點(diǎn)是在滿載位置附近，剛度小且曲線變化平緩，因而平順性良好；距滿載較遠(yuǎn)的兩端，曲線變陡，剛度增大。這樣，可在有限的動(dòng)撓度范圍內(nèi)，得到比線性懸架更多的動(dòng)容量。懸架的動(dòng)容量系指懸架從靜載荷的位置起，變形到結(jié)構(gòu)允許的最大變形為止消耗的功。懸架的動(dòng)容量越大，對(duì)緩沖塊擊穿的可能性越小。圖3.3 懸架彈性特性曲線3.3.4 懸架側(cè)傾角剛度及其在前、后軸的分配懸架側(cè)傾角剛度是指簧上質(zhì)量產(chǎn)生單位側(cè)傾角時(shí)，懸架給車身的彈性恢復(fù)力矩。它對(duì)簧上質(zhì)量的側(cè)傾角有影響。側(cè)傾角過(guò)大或過(guò)小都不好。乘坐側(cè)傾角剛度過(guò)小而側(cè)傾角過(guò)大的汽車，乘員缺乏舒適感和安全感。側(cè)傾角剛度過(guò)大而側(cè)傾角過(guò)小的汽車又缺乏汽車發(fā)生側(cè)翻的感覺(jué)，同時(shí)使輪胎側(cè)偏角增大。如果發(fā)生在后輪，會(huì)使汽車增加了過(guò)多轉(zhuǎn)向的可能。要求在側(cè)向慣性力等于0.4倍車重時(shí)，乘用車車身側(cè)傾角在2.54度。此外，還要求汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，在的側(cè)向加速度作用下，前、后輪側(cè)傾偏角之差應(yīng)當(dāng)在13度范圍內(nèi)。而前、后懸架側(cè)傾角剛度的分配會(huì)影響前、后輪的側(cè)偏角大小，從而影響轉(zhuǎn)向特性，所以設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮懸架側(cè)傾角剛度在前、后軸上的分配。為滿足汽車稍有不同轉(zhuǎn)向特性的要求，應(yīng)使汽車前軸的輪胎側(cè)偏角略大于后軸的輪胎側(cè)偏角。為此，應(yīng)該使前懸架具有的側(cè)傾角剛度略大于后懸架的側(cè)傾角剛度。對(duì)乘用車，前、后懸架側(cè)傾角剛度的比值一般為1.42.6。3.3.5 懸架幾何參數(shù)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過(guò)分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。影響它的因素主要有汽車的質(zhì)心位置、前后輪胎的側(cè)偏剮度、前后懸架的剛度、前懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)、前懸架主銷的定位參數(shù)、后懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)、后輪胎外傾角和橫向穩(wěn)定桿剛度等。前輪主銷定位參數(shù)主要包括主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角等。主銷后傾角對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響主要是通過(guò)“后傾拖距”使地面?zhèn)认蛄?duì)輪胎產(chǎn)生一個(gè)回正力矩，該力矩產(chǎn)生一個(gè)與輪胎側(cè)偏角相似的附加轉(zhuǎn)向角，它與側(cè)向力成正比，使汽車趨于增加不足轉(zhuǎn)向，有利于改善汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。主銷內(nèi)傾角對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，主要也是回正力矩，它是在前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將車身抬高，由于系統(tǒng)位能的提高而產(chǎn)生的前輪回正力矩，它與側(cè)向力無(wú)關(guān)。因此可以說(shuō)，主銷內(nèi)傾角主要在低速時(shí)起回正作用，“后傾拖距” 主要在高速時(shí)起回正作用。前懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)決定前輪定位參數(shù)的變化趨勢(shì)和變化率。在車輪跳動(dòng)時(shí)，外傾角的變化包括由車身側(cè)傾產(chǎn)生的車輪外傾變化和由車輪相對(duì)車身的跳動(dòng)而引起的外傾變化兩個(gè)部分。在雙橫臂獨(dú)立懸架中，前一種變化使車輪向車身傾斜的方向傾斜，即外傾角增大，結(jié)果使輪胎側(cè)偏剛度變小，因而使整車不足轉(zhuǎn)向效果加大；后一種變化取決于懸架上、下臂運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系，在雙橫臂結(jié)構(gòu)中，往往是外傾角隨彈簧壓縮行程的增大而減小，這種變化與車身側(cè)傾引起的外傾角變化相反，會(huì)產(chǎn)生過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。后懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響，近似于前懸架的“干涉轉(zhuǎn)向”。它是在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，由于車身側(cè)傾導(dǎo)致獨(dú)立懸架的左右車輪相對(duì)車身的距離發(fā)生變化，外側(cè)車輪上跳，與車身的距離縮短，內(nèi)側(cè)車輪下拉，與車身的距離加大，懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，車輪上下跳動(dòng)時(shí)，車輪前束角的變化規(guī)律也必然會(huì)不同。輪胎是影響汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，增大輪胎的載荷能力，特別是后輪胎的載荷能力，例如加大輪胎尺寸或提高層級(jí)，或者后輪由單胎改為雙胎，都會(huì)改善汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。改變后輪胎的外傾角，也可以改善汽車的操縱穩(wěn)定性，這是因?yàn)楹筝喬サ呢?fù)外傾角可以增加后輪胎的側(cè)偏剛度，從而減小過(guò)多轉(zhuǎn)向。橫向穩(wěn)定桿常用來(lái)提高懸架的側(cè)傾角剛度，或是調(diào)整前、后懸架側(cè)傾角剛度的比值。在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，它可以防止車身產(chǎn)生很大的橫向側(cè)傾和橫向角振動(dòng)，以保證汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性。前懸架中采用較硬的橫向穩(wěn)定桿有助于提高汽車的不足轉(zhuǎn)向性，并能改善汽車的蛇行行駛性能。4 前懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算本次設(shè)計(jì)主要計(jì)算和校核的內(nèi)容是彈簧剛度，彈性元件(螺旋彈簧)及橫向穩(wěn)定器。在已知前懸架剛度的前提下，通過(guò)行程傳遞比和力傳遞比換算到彈簧剛度，得到彈簧剛度后，再對(duì)螺旋彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核，得到滿足設(shè)計(jì)要求的最合適鋼絲直徑。對(duì)于前橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)，先是考慮沿用已有車型的穩(wěn)定桿，但在沿用性上出現(xiàn)問(wèn)題，先對(duì)穩(wěn)定桿作修改。由于穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)存在多處拐點(diǎn)，很難利用材料力學(xué)公式進(jìn)行求解，因此通過(guò)有限元軟件來(lái)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算。4.1 彈簧剛度的計(jì)算已知技術(shù)參數(shù)(各參數(shù)定義詳見(jiàn)圖4.2)：；轉(zhuǎn)動(dòng)力臂；主銷內(nèi)傾角；彈簧中心線對(duì)垂線的傾斜程度；上臂傾斜角；下臂傾斜角。要求出螺旋彈簧的剛度，先要求得懸架的行程傳遞比與力傳遞比，再根據(jù)彈簧剛度公式求得，其中為懸架剛度。已知前懸架剛度為。車輪與路面接觸點(diǎn)和零件連接點(diǎn)之間的傳遞比，既表明行程不同，也表明作用在該二處的力的大小不同。如圖4.1所示的一個(gè)簡(jiǎn)單臂，其力與行程的傳遞比分別為：圖4.1 簡(jiǎn)單臂情況下，行程傳遞比與力傳遞比相互對(duì)應(yīng)在車輪導(dǎo)向元件僅為單臂的獨(dú)立懸架中這種關(guān)系成立，但在以雙橫臂作導(dǎo)向裝置的懸架中此原理不適用。4.1.1 行程傳遞比的計(jì)算行程傳遞比與力傳遞比僅在很少的情況下在整個(gè)懸架行程范圍內(nèi)保持不變。這兩個(gè)傳遞比取決于懸架零件(螺旋彈簧、減振器等)安裝傾角的改變，也取決于懸架工作過(guò)程中(裝有雙臂導(dǎo)向裝置時(shí))和角的變化。對(duì)于前獨(dú)立懸架上的點(diǎn)A和B來(lái)說(shuō)，當(dāng)車輪位移量不大時(shí)，他們向后移動(dòng)的程度實(shí)際上與車輪同路面接觸點(diǎn)N相同。因位移而變的行程傳遞比的公式具有以下形式：因此，行程傳遞比4.1.2 力傳遞比的計(jì)算角表示彈簧中心線對(duì)垂線的傾斜程度，即力作用方向的傾斜程度。在雙傾斜橫臂懸架中，彈簧支承在下臂上，那么還存在上臂反力(見(jiàn)圖4.2)包含在力傳遞比表達(dá)式中。圖4.2 雙橫臂懸架各參數(shù)示意圖利用圖4.2給出的符號(hào)，對(duì)B點(diǎn)組成下列方程：將，和代入后，用下面推導(dǎo)出來(lái)的公式可求出兩個(gè)分力：；利用的條件，根據(jù)圖4.2可得：；力傳遞比可由下式得出：代入數(shù)據(jù)，得到 ： 因此，前懸架彈簧剛度： 4.2 彈性元件的設(shè)計(jì)前懸架系統(tǒng)選用螺旋彈簧作為彈性元件。螺旋彈簧作為彈性元件，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便及有高的比能容量，因此在現(xiàn)代輕型以下汽車的懸架中應(yīng)用相當(dāng)普遍，特別是在轎車中，由于要求良好的乘坐舒適性和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在大擺動(dòng)量下仍具有保持車輪定位角的能力，因此螺旋彈簧懸架早就取代了鋼板彈簧。螺旋彈簧在懸架布置中可在彈簧內(nèi)安裝減振器、行程限位器或?qū)蛑?，使結(jié)構(gòu)緊湊。通過(guò)采用變節(jié)距的或用變直徑彈簧鋼絲繞制的或兩者同時(shí)采用的彈簧結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)變剛度特性。4.2.1 螺旋彈簧的剛度及應(yīng)力計(jì)算螺旋彈簧在其軸向載荷P作用下的變形f為：式中 彈簧中徑，； 彈簧鋼絲直徑，； 彈簧工作圈數(shù)； 彈簧材料的剪切彈性模量，。因此，彈簧剛度：彈簧在壓縮時(shí)其工作方式與扭桿類似，都是靠材料的剪切變形吸收能量，彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力為： 式中 C彈簧指數(shù)(旋繞比)，； 曲度系數(shù)，為考慮簧圈曲率對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù)，螺旋彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力相對(duì)較復(fù)雜。在靜載狀態(tài)下，這種截面內(nèi)的應(yīng)力分布不均勻可以忽略不計(jì)，但在承受動(dòng)載時(shí)，由于彈簧內(nèi)側(cè)應(yīng)力水平較高并且應(yīng)力變化幅值也更大，導(dǎo)致螺旋彈簧的實(shí)效總是發(fā)生在內(nèi)側(cè)，為了在設(shè)計(jì)時(shí)考慮內(nèi)側(cè)應(yīng)力的增大，引入修正系數(shù)。一般情況下，彈簧鋼的許用剪應(yīng)力與許用拉應(yīng)力成比例關(guān)系，通常情況下，可以取。4.2.2 彈簧端部形狀螺旋彈簧端部可以碾細(xì)、并緊，直角切斷或向內(nèi)彎曲，典型結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。其中為兩端碾細(xì)，亦即在繞制彈簧之前先將鋼絲兩端碾細(xì)，碾細(xì)部分長(zhǎng)度在繞后約占240度，末端厚度為鋼絲直徑的1/3左右，繞成后末端幾乎貼緊相鄰的另一圈彈簧。必要時(shí)，兩端都要磨平。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約材料，占用垂直空間很小，特別是由于兩端都平整，安裝時(shí)可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，因而設(shè)計(jì)時(shí)彈簧的圈數(shù)可以取任意值，不必限于整數(shù)。其缺點(diǎn)是碾細(xì)需要專門(mén)工序和設(shè)備，增加了制造成本。為直角切斷型，其中一端并緊形成與彈簧軸線垂直的平面。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于繞制簡(jiǎn)單，成本低，其缺點(diǎn)是增大了垂向尺寸和材料的消耗，安裝時(shí)需要一定方向并且需與之相配套的彈簧座，若兩端都未整平，則修改設(shè)計(jì)時(shí)，彈簧圈數(shù)必須按整數(shù)增減。為端部向內(nèi)彎曲并形成與彈簧軸線垂直的平面，這種結(jié)構(gòu)常用于和彈簧座配合起定位作用，若兩端都內(nèi)彎，則需要專用設(shè)備。圖4.3 螺旋彈簧的端部結(jié)構(gòu)表4.1 螺旋彈簧不同端部結(jié)構(gòu)時(shí)的總?cè)?shù)n及并緊高度Hs總?cè)?shù)n完全并緊時(shí)的高度Hs兩端碾細(xì)i+21.01d(n-1)+2t兩端切斷i+1.331.01d(n+1)兩端內(nèi)彎i+1.501.01d(n-1.25)一端碾細(xì)一端切斷i+1.671.01dn+t一端碾細(xì)一端內(nèi)彎i+1.751.01d(n-1)+t一端切斷一端內(nèi)彎i+1.421.01dn表4.1列出了不同端部結(jié)構(gòu)時(shí)彈簧總?cè)?shù)與有效圈數(shù)以及彈簧完全并緊時(shí)的高度間的關(guān)系，其中公式中的系數(shù)1.01為考慮螺旋角的補(bǔ)償系數(shù)，為端部碾細(xì)時(shí)的末端厚度。4.2.3 螺旋彈簧的設(shè)計(jì)及計(jì)算(1)根據(jù)總布置要求及懸架的具體結(jié)構(gòu)型式求出需要的彈簧剛度，設(shè)計(jì)載荷時(shí)彈簧的受力及彈簧高度，懸架在壓縮行程極限位置時(shí)彈簧高度。(2)選擇彈簧中徑，端部結(jié)構(gòu)型式及所用材料。(3)參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)伸張及壓縮到極限位置相對(duì)于設(shè)計(jì)載荷位置的彈簧變形量，并確定要想達(dá)到的壽命(循環(huán)次數(shù))。(4)初選鋼絲直徑，并由相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)查出許用拉應(yīng)力。(5)由式解出，用表4.1中的相應(yīng)公式求出。 (6)由，及可求出彈簧在完全壓緊時(shí)的載荷，臺(tái)架試驗(yàn)伸張、壓縮極限位置對(duì)應(yīng)的載荷以及工作壓縮極限位置的載荷。(7)按彈簧指數(shù)及的表達(dá)式求得，再求出載荷以及所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力以及(計(jì)算出的,但是懸架工作時(shí)彈簧實(shí)際對(duì)應(yīng)的最大剪切應(yīng)力，對(duì)應(yīng)懸架的極限壓縮狀態(tài))。(8)校核是否小于，若不成立，則返回第4步重新選擇鋼絲直徑；若余量很大，則視第9步壽命校核結(jié)果決定是否重新選取較小的鋼絲直徑。(9)校核臺(tái)架試驗(yàn)條件下的壽命。給定試驗(yàn)條件下的循環(huán)次數(shù)可按下式估算：式中 若算出的小于預(yù)期的臺(tái)架壽命，則返回第4步重新選擇；若有較大余量，則與第8步的結(jié)果綜合考慮是否選擇更小的鋼絲直徑以節(jié)約材料，減少質(zhì)量。(10)得到合適的以后，可以進(jìn)一步確定彈簧的自由高度和最小工作高度： 這里指出，彈簧的最小工作高度必須小于懸架在壓縮行程極限位置時(shí)彈簧高度。式中是與彈簧指數(shù)有關(guān)的系數(shù)。圖4.4 彈簧指數(shù)C 與的關(guān)系曲線彈簧總?cè)?shù)由表4.1求出。(11)穩(wěn)定性校核又細(xì)又高的彈簧在大載荷的作用下會(huì)失穩(wěn)，失穩(wěn)的臨界載荷不僅與其高度對(duì)直徑之比有關(guān)，還與彈簧兩端的支撐方式有關(guān)，對(duì)于鋼絲截面為圓形的螺旋彈簧，其相對(duì)變形量必須小于如下臨界值：4.2.3.1 方案一本車型螺旋彈簧的參數(shù)：彈簧材料；許用拉應(yīng)力；彈簧材料的剪切彈性模量；螺旋彈簧中徑；設(shè)計(jì)載荷時(shí)彈簧的受力；設(shè)計(jì)載荷時(shí)彈簧的高度；懸架在壓縮行程極限位置時(shí)彈簧高度；懸架在伸張行程極限位置時(shí)彈簧高度；前彈簧剛度。根據(jù)彈簧剛度公式：其中 彈簧材料剪切彈性模量； 彈簧工作圈數(shù)； 彈簧中徑； 鋼絲直徑。沿用上一車型的技術(shù)參數(shù)，螺旋彈簧剪切彈性模量，鋼絲直徑，螺旋彈簧端部結(jié)構(gòu)形式為兩端向內(nèi)彎曲，并形成與彈簧軸線相垂直的平面?？傻脧椈扇?shù)：圈由表4.1，求得兩端內(nèi)彎彈簧的總?cè)?shù)為圈完全并緊高度(1) 設(shè)計(jì)載荷時(shí)螺旋彈簧受力設(shè)計(jì)載荷時(shí)彈簧高度懸架在壓縮行程極限位置時(shí)彈簧高度；懸架在伸張行程極限位置時(shí)彈簧高度；(2) 伸張及壓縮極限位置時(shí)，相對(duì)于設(shè)計(jì)載荷位置的彈簧變形量分別為：根據(jù)汽車懸架用螺旋彈簧臺(tái)架試驗(yàn)方法，螺旋彈簧想要達(dá)到的壽命20萬(wàn)次，即萬(wàn)次。(3) 計(jì)算螺旋彈簧完全壓緊時(shí)的載荷，臺(tái)架試驗(yàn)伸張、壓縮極限位置時(shí)相對(duì)應(yīng)的載荷，工作壓縮到極限位置時(shí)的載荷。；。(4) 計(jì)算載荷P1，P2，PS以及Pm所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力，以及彈簧指數(shù)曲度系數(shù) 計(jì)算結(jié)果分析：，由于，強(qiáng)度校核不合格，此方案不可行，需重新選擇鋼絲直徑。 4.2.3.2 方案二重新選擇螺旋彈簧直徑，在其材料不變的情況下，選用鋼絲直徑的螺旋彈簧。彈簧圈數(shù)：圈由表4.1，求得兩端內(nèi)彎彈簧的總?cè)?shù)為圈完全并緊高度(1) 設(shè)計(jì)載荷時(shí)螺旋彈簧受力設(shè)計(jì)載荷時(shí)彈簧高度懸架在壓縮行程極限位置時(shí)彈簧高度；懸架在伸張行程極限位置時(shí)彈簧高度；(2) 伸張及壓縮極限位置時(shí)，相對(duì)于設(shè)計(jì)載荷位置的彈簧變形量 分別為