前麦弗逊独立悬架设计毕业论文.doc

第1章 绪 论1.1悬架的功用悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间弹性连接装置的总称。(1) 传递它们之间一切的力（反力）及其力矩（包括反力矩）。(2）缓和，抑制由于不平路面所引起的振动和冲击，以保证汽车良好的平顺性，操纵稳定性。(3）迅速衰减车身和车桥的振动。悬架系统的在汽车上所起到的这几个功用是紧密相连的。要想迅速的衰减振动、冲击，乘坐舒服，就应该降低悬架刚度。但这样，又会降低整车的操纵稳定性。必须找到一个平衡点，即保证操纵稳定性的优良，又能具备较好的平顺性。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。1.2 悬架的组成 现代汽车，特别是乘用车的悬架，形式，种类，会因不同的公司和设计单位，而有不同形式。但是，悬架系统一般由弹性元件、减振器、缓冲块、横向稳定器等几部分组成等，见图1-1所示。它们分别起到缓冲、减振 、力的传递、限位和控制车辆侧倾角度的作用。图1-1 汽车悬架组成示意图1-弹性元件 2-纵向推力杆 3-减震器 4-横向稳定器 5-横向推力杆弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，现代轿车悬架多采用螺旋弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。螺旋弹簧只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。这里我们选用螺旋弹簧。减振器是为了加速衰减由于弹性系统引起的振动，减振器有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。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。现代汽车悬架的发展十分快，不断出现，崭新的悬架装置。按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，也就是说汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。1.3悬架的分类汽车的悬架从大的方面来看，可以分为两类：非独立悬架系统，如图1-2所示。图1-2 独立悬架1.3.1独立悬架独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。独立悬架的类型及特点：独立悬架的车轴分成两段（如图1-3），每只车轮用螺旋弹簧独立地，地连接安装在车架(或车身)下面，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。图1-3独立悬架的运动现在，前悬架基本上都采用独立悬架系统，最常见的有双横滑柱臂式（又称麦弗逊式）。（1）双横臂式（图1-4）。图1-4 双横臂式独立前悬架 工作原理：由上短下长两根横臂连接车轮与车身，通过选择比例合适的长度，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。优点：结构比较复杂，但经久耐用，同时减振器的负荷小，寿命长。可以承载较大负荷，多用于轻型小型货车的前桥。缺点：因为有两个摆臂，所以占用的空间比较大。所以，乘用车的前悬架一般不用此种结构形式。（2）麦弗逊式（图1-5） 图1-5 麦弗逊式独立前悬架工作原理：这种悬架目前在轿车中采用很多。这种悬架将减振器作为引车轮跳动的滑柱，螺旋弹簧与其装于一体。这种悬架将双横臂上臂去掉并以橡胶做支承，允许滑柱上端作少许角位移。内侧空间大，有利于发动机布置，并降低车子的重心。 车轮上下运动时，主销轴线的角度会有变化，这是因为减振器端支点横摆臂摆动。以上问题可通过调整杆系设计布置合理得到解决。麦弗逊独立悬架的特点： 优点：技术成熟，结构紧凑，响应速度快，占用空间少，便于装车及整车布局，多用于中低档乘用车的前桥。 缺点：由于结构过于简单，刚度小，稳定性较差，转弯侧倾明显，必须加装横向稳定器，加强刚度。1.3.2非独立悬架非独立悬架如图1-6所示。其特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接 影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。图1-6悬架在汽车的承载力1.4悬架的国内外发展情况汽车悬架的发展十分迅速，不断出现崭新的悬架装置。正常情况按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，20世纪80年代以来主动悬架开始在一部分汽车上应用，并且目前还在进一步研究和开发中。主动悬架可以能主动地控制垂直振动及其车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼。随着当前世界汽车工业朝着高速、高性能、舒适、安全可靠的方向发展，空气悬架弹簧是当今汽车发展的一大趋势，特别是在大型客车和载重汽车上尤为突出。其实，早在20世纪50年代，空气悬架弹簧就开始应用在载重车、小轿车、大客车及铁道车辆上。到60年代，德国、美国等工业发达国家生产的大部分公共汽车上装有了主动式空气弹簧悬架。国内早在20世纪60年代就设计生产了空气弹簧悬架，但由于工业技术条件有限，当时生产的产品使用效果不甚理想，以后在很长一段时期，产品没有进一步发展，因此，国外生产空气悬架弹簧的厂家凭借着资金与技术优势进入国内市场，为国内生产豪华客车的厂家配套成熟的主动式空气弹簧悬架产品。同时我国公路条件的改善为汽车悬架创造了基本的使用条件，并产生了很大的促进作用。高速公路的迅速发展、运输量的增加以及对高性能客车的需求，都对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求。此外，重型汽车对路面破坏机制的研究及认识的进一步加深，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，这些因素都将促使新型悬架在重型车市场的应用将进一步扩大。随着国内客车产品档次的逐步升级，空气悬架弹簧逐步被市场接受。目前，在国内有多家客车厂生产的豪华大客车装有空气悬架，如安凯、金龙客车、桂林大宇、合肥现代、杭州客车等。由于主动式空气悬架弹簧价格较贵，为降低成本，有的企业部分车型前桥使用钢板弹簧，后桥使用空气悬架弹簧。由此可知悬架正充分关注这方面的变化，提高综合开发能力，以适应市场的需求和变化，新型悬架的诞生迫在眉睫。本章小结 本章主要介绍了麦弗逊悬架的功用和优缺点。并且针对麦弗逊独立悬架的未来发展趋势有了一定了解。第2章 悬架分析设计2.1悬架结构方案分析2.1.1 独立悬架与非独立悬架结构形式的选择为适应不同车型和不同类型车桥的需要，悬架有不同的结构型式，主要有独立悬架与非独立悬架。独立悬架与非独立悬架各自的特点在上一章中已经作了介绍，本章不再累述，轿车对乘坐舒适性要求较高，故选择独立悬架。2.1.2 悬架具体结构形式的选择麦弗逊式独立悬架是独立悬架中的一种，是一种减振器作滑动支柱并与下控制臂铰接组成的一种悬架形式,与其它悬架系统相比,结构简单、性能好、布置紧凑,占用空间少。因此对布置空间要求高的发动机前置前驱动轿车的前悬架几乎全部采用了麦弗逊式悬架。此次设计的悬架为发动机前置前轮驱动的哈飞路宝7110车型，故选择麦弗逊式独立悬架形式。2.2弹性元件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。2.3减振元件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。减振器和弹性元件是并联安装的，如图2-1所示。汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。液力减振器的作用原理是当车架与车桥作往复相对运动时，而减振器中的活塞在缸筒内也作往复运动，则减振器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。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，而被油液和减振器壳体所吸收，然后散到大气中。本文选择双筒式液力减振器。图2-1 含减振器的悬架简图1.车身；2.减震器；3.弹性原件；4.车桥。2.4传力构件及导向机构车轮相对于车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。对前轮导向机构的要求（1）悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过+4.0mm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损；（2）悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度；（3）汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在0.4g侧向加速度作用下，车身侧倾角6-7度。并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。（4）制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用。（5）具有足够的疲劳强度和寿命，可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。2.5横向稳定器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。本章小结本章主要介绍麦弗逊悬架的主要结构组成，各个零部件的工作原理以及在汽车整体运动中的主要功用。对在以后的悬架设计中提供了理论基础。第3章 悬架主要参数的确定悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段， 相对阻尼系数的物理意义是：减震器的阻尼作用在与不同刚度C和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；值小则反之，通常情况下，将压缩行程时的相对阻 尼系数取小些，伸张行程时的相对阻尼系数取得大些，两者之间保持=（0.25-0.50）的关系。 设计时，先选取与的平均值。相对无摩擦的弹性元件悬架，取=0.25-0.35；对有内摩擦的弹性元件悬架，值取的小些，为避免悬架碰撞车架，取=0.5取=0.3，则有： ，计算得：=0.4，=0.（2）减震器阻尼系数的确定减震器阻尼系数。因悬架系统固有频率，所以理论上。实际上，应根据减震器的布置特点确定减震器的阻尼系数。我选择下图的安装形式，则起阻尼系数为： （4-18）图4-10 减震器的布置 根据公式，可得出： 满载时计算前悬刚度N/m 代入数据得：=6.3HZ，取, 按满载计算有：簧上质量kg，代入数据得减震器的阻尼系数为： （4-19） （3）减震器最大卸荷力的确定 为减小传到车身上的冲击力，当减震器活塞振动速度达到一定值时，减震器打开卸荷阀。此时的活塞速度称为卸荷速度，按上图安装形式时有： (4-20) 式中，为卸荷速度，一般为0.150.3m/s，A为车身振幅，取；为悬架振动固有频率。代入数据计算得卸荷速度为：符合在0.150.3m/s之间范围要求。根据伸张行程最大卸荷力公式：可以计算最大卸荷力。式中，c是冲击载荷系数，取c=1.5；代入数据可得最大卸荷力为： （4）减震器工作缸直径D的确定 根据伸张行程的最大卸荷力计算工作缸直径D为： (4-21) 其中，工作缸最大压力，在3Mpa4Mpa,取=3Mpa； 连杆直径与工作缸直径比值，=0.40.5，取=0.4。代入计算得工作缸直径D为： (4-22) 减震器的工作缸直径D有20mm，30mm，40mm，45mm，50mm，65mm，等几种。选取时按照标准选用，按下表选择。表4.3 减震器的工作缸选择工作缸直径D基长L贮油直径吊环直径吊环直径宽度B活塞行程S3011 （120）44 （47）2924230、240、250、260、270、2804014 （150）543932120、130、140、150、270、2805017 （180）70 （75）4740120、130、140、150、160、170、180652102106250120、130、140、150、160、170、180、190 所以选择工作缸直径D=30mm的减震器，对照上表选择起长度： 活塞行程S=240mm，基长L=110mm，则：（压缩到底的长度）（拉足的长度） 取贮油缸直径=45mm，壁厚取2.6mm。4.4 横向稳定杆的设计4.4.1 横向稳定杆的作用 横向稳定杆是一根拥有一定刚度的扭杆弹簧，它和左右悬挂的下托臂或减震器滑柱相连。当左右悬挂都处于颠簸路面时，两边的悬挂同时上下运动，稳定杆不发生扭转，当车辆在转弯时，由于外侧悬挂承受的力量较大，车身发生一定得侧倾。此时外侧悬挂收缩，内测悬挂舒张，那么横向稳定杆就会发生扭转，产生一定的弹力，阻止车辆侧倾。从而提高车辆行驶稳定性。4.4.2 横向稳定杆参数的选择 具体尺寸选择如下：杆的直径d=22mm，杆长L=1000mm，c=363mm，a=68mm，b=69mm，=156mm，圆角半径R=23mm。图4-11横拉杆本章小结本章主要是针对零部件主要参数的计算和校核。在设计过程中主要根据整体悬架在整个汽车中的刚度的基础上进行计算设计。并且在计算和设计过程中不断的了解到了整体悬架的刚度在其零部件的设计中的作用。第五章 麦弗逊独立悬架catia建模5.1 麦弗逊独立悬架零部件的设计 根据CAD总装和零部件图对螺旋弹簧、减震器、下摆臂件设计。图5-1麦弗逊独立悬架零部件5.2 对悬架系统零部件的总 装 基于CATIA平台的零部件总装图5-2 悬架系统零部件的总装设计5.3 麦弗逊悬架的整体安装对麦弗逊悬架安装转向系 轮胎 轮毂等安装图5-3麦弗逊悬架及转向系统的整体安装本章小结 本章主要是基于CAD图纸利用CATIA进行三维建模的设计，在利用CATIA的制图了解它的具体形状和在整体悬架中的具体位置的设计和作用， 在三维建模过程中应不断的与实体与设计理论相结合。结 论在毕业设计过程中，通过对哈飞路宝7110麦弗逊悬架的设计工作。本文按照刘惟信编著的汽车设计一书详细研究了麦弗逊悬架的设计方案，提出了比较可行的设计思路，并按照这一思路进行详细地计算，最终根据计算数据绘制出麦弗逊悬架系统的总装配图及其零部件图。在设计过程中，查阅了很多汽车相关的资料，对大学期间学到的汽车知识有了更高层次的认识。通过亲自查找资料和分析计算，充分锻炼了自己设计的能力；通过发现问题、提出问题、解决问题，体验到了设计的乐趣；在绘图的过程中，我熟悉并掌握了CAD制图的一些标准和技巧，当然也会存在一些问题，期待批评指正。用CAD绘过图之后，我更深刻地体会到CAD制图的效率，也认识到其成为主流的深层原因。手绘零件图后，我进一步熟悉了手绘图纸的各个细节，同时进一步感受到了手绘图纸的麻烦与机绘图纸的简便。通过这次毕业设计，考验了我在大学所学的知识，是我大学四年课程的一次大的总结。在设计过程中，我明显地感觉到自己专业知识不足、专业经验欠缺以及知识面狭窄。我以后会努力拓展自己的知识面，积累各方面的经验，弥补专业知识的不足，使自己得到全面的发展，在以后的工作中作出理大的成绩。随着汽车工业的发展，轿车会走进千家万户，普通老百姓拥有自己的轿车不将只是梦想，随着新车型的推出，轿车驱动桥的设计工作将会变得更为频繁。为了提高工作效率和降低开发成本，越来越多的软件和技术将会应用到传统的设计工作中去，CAD、CATIA也会得到广泛的应用。通过这次毕业设计可以了解到，传统的设计工作根本达不到轿车轻量化的要求，零部件也不一定能够达到所需的强度要求，随着有限元技术和优化分析软件的发展，设计工作将会变得更合理，优化设计需要兼顾的因素也会越来越多，约束条件和优化目标越来越复杂，优化设计的结果也会更加满足轿车所需要达到的要求。这样将设计结果应用到实践中才会更有实际意义。参考文献1 陈家瑞 马天飞 【汽车构造 】 第5版 人民交通出版社2 王望予 【汽车设计】 第4版 机械工业出版社3 程耀东 李培玉 【机械振动学】 浙江大学出版社4 余志生 【汽车理论】 第5版 机械工业出版社5 李鹏 【汽车概论】 人民交通出版社6 姜铁均 傅强 【汽车机械基础】 同济大学出版社7 刘维信 【机械最优化设计】第2版清华大学出版社8 哈工大理论力学教研室 【理论力学】 第6版 高等出版社9 中国国家标准10 刘惟信 【汽车设计】 清华大学出版社11 西北工业大学机械原理及机械零件教研室 【机械设计】第八版 高等教育出版社12Martin W.Stockel,Martin T.Stockel.AFundamentalsR.U.S.AGoodheart Wilcox Company,200313 Bryson, George Y. 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