汽车悬架设计说明书模板.docx
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1、汽车悬架设计说明书402020年4月19日文档仅供参考摘 要本文从汽车振动学介入,建立二自由度汽车振动模型,在以安全性为主,兼顾舒适性的基础上导出悬架系统最佳阻尼系数(阻尼比)的计算式。结合前人的经验,合理选择悬架簧上、下质量,刚度比等参数,计算悬架系统的刚度、阻尼、挠度等整体性参数。以此为基础,分别设计减震器、螺旋弹簧以及导向结构,并基于CATIA建立三维模型。由振动模型能够得到汽车对路面不平度的响应,车身部分的响应关联舒适性,而车轮的响应直接体现安全性,二者不可得兼,彼此的平衡问题就是阻尼比的选取问题。解决此问题后,由经验选择几个参数作为原始数据,计算得到悬架的整体性能参数,并以此为基础进
2、行减震器的选型、安装布置及计算,接着确定悬架螺旋弹簧的参数尺寸。值得注意是悬架的阻尼、刚度和减震器的阻尼、弹簧刚度存在某种换算关系,取决于各自的安装情况。难点在于导向机构的空间位置复杂,相关因素众多,本文在此做到尽可能详细。关键词:双横臂独立悬架,阻尼匹配,减震器,螺旋弹簧,导向机构AbstractThis paper from the automobile vibration intervention, the establishment of two degree of freedom vehicle vibration model, in order to safety, balance
3、 the basic comfort on the optimal damping coefficient derived suspension system (damping) formula. Combined with previous experience, reasonable selection of suspension spring, mass, stiffness ratio; stiffness, damping, deflection whole parameter calculation of suspension system. On this basis, desi
4、gned shock absorber, helical spring and guide structure. A three-dimensional model based on CATIA Get the response of automobile unevenness of pavement by the vibration model, the response relationship of body part comfort, while the wheels directly reflect the response of the security, the two can
5、not have both, balance each others damping ratio selection problem. To solve this problem, the experience of several parameters as the original data, calculate the performance parameters of the suspension, selection, and use it as the basis for shock absorber mounting arrangement and calculation of
6、parameters; and then determine the size of suspension coil spring. It is interesting to note that the suspension damping, stiffness and shock absorber damping, spring stiffness has a conversion relation, depending on the installation of their. The difficulty lies in the spatial position of steering
7、mechanism is complex, many relevant factors, this paper do as much detail as possible.Keywords: double wishbone suspension, damping matching, shock absorber, helical spring, the guide mechanism of suspension前 言悬架系统是汽车的重要总成之一。汽车悬架系统设计是提高汽车悬架性能的重要方法。悬架系统设计方法是车辆工程专业本科学生应掌握的知识之一。经过毕业设计进行汽车悬架系统设计,是培养学生掌握
8、汽车设计基本功的重要手段之一。以十七座客车为对象,进行前悬架系统参数设计,并完成悬架系统的结构设计。对于独立悬架的设计技术,国内外都进行了研究,这些研究主要集中在以下几个方面:独立悬架设计方法,独立悬架参数对汽车行驶平顺性的影响;独立悬架对汽车操纵稳定性的影响。国内的研究主要表现为:独立悬架和转向系的匹配;独立悬架与转向横拉杆长度和断开点的确定;悬架弹性元件的设计分析;导向机构的运动分析;独立悬架对前轮定位参数的影响;独立悬架的优化设计等。国外除上述研究外,还进入了微观领域的研究,如用原子力学显微镜观察悬架材料内部聚合体的原子转化情况,研究悬架作为弹性介质的流变特性2等,从而使得独立悬架向着智
9、能化、轻量化、小型化、通用化方向发展。同时由于电子、微机技术的发展,使得独立悬架技术向着半主动、主动悬架方向发展。本文首先收集市场上几款十七座客车的主要参数,经过综合对比,选择悬架形式;经过对基于客车的安全性悬架系统最佳匹配阻尼和基于舒适性悬架系统最佳匹配阻尼进行加权,得到十七座客车悬架系统阻尼比。其次,根据悬架系统阻尼比确定减震器的阻尼特性并设计减震器。然后参考已知车型的悬架系统参数或参照经验值确定该悬架主要参数:悬架静挠度、悬架动挠度、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配;确定弹性元件主要参数;弹簧直径、丝径、有效圈数、长度、节距等。最后设计稳定杆,使各组成部分相互协调工作以及使局部的设计符合
10、整体性能的要求。第一章 悬架概述 悬架是现代汽车上的重要总成之一,它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来,并能传递载荷、缓和冲击、衰减震振动以及调节汽车行驶中的称车身位置等,都保证汽车行驶的平顺性。尽管一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直不断的演进,但从结构功能上、它都是有弹性元件、减振装置和到导向机构三部分组成。1.1非独立悬架图1-1 螺旋弹簧非独立悬架两侧车轮安装在一根车轴的两端,车轴经过弹性元件与车架或车身相连,当一侧车轮因道路不平而跳动时,将影响另一侧车轮的工作。其种类主要有钢板弹簧非独立悬架和螺旋弹簧非独立悬架(图1-1)两类。非独立悬架的优点:结构简单、制造容易、
11、维修方便、工作可靠。而其缺点:汽车平顺性较差、高速行驶时操稳性差、轿车不利于安装发动机和行李舱的布置。故适用于货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架。1.2独立悬架型式独立悬架的车轴分成两段,每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面,当一边车轮发生跳动时,另一边车轮不受波及,汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂,承载力小。独立悬架的结构可分为麦弗逊式、连杆式等多种。图1-2 麦克弗逊式悬架麦克弗逊式悬架(图1-2)将螺旋弹簧与减振器组合在一起,减振器可兼做转向主销,转向节能够绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化,这种悬架构造简单,布置紧凑,前轮定位
12、变化小,具有良好的行驶稳定性。可是由于质量较轻,麦克弗逊式悬架的响应速度很快,车轮的主销能够摆动,外倾角度能够调整,这样在车辆转弯时,轮胎的接地面积能够达到最大化。但简单的结构也使得悬架刚性较弱,稳定受到影响,转弯时侧倾会略微明显。 双横臂式悬架分为等长式和不等长式。不等长式上下各有一个不等长摇臂,共同吸收横向力,因此横向刚度大,而且经过合理的布置,能够使轮距和前轮的定位参数在可接受的限定范围内变化,这就克服了等长式双横臂悬架轮胎磨损严重的弊端。路面的适应力好,轮胎接地面大、贴地性好。能够应用在轿车的前后悬架上,运动型轿车、赛车的后轮也采用这一布置。由于存在上摇臂,占用空间大,许多中小型车都放
13、弃了这种选择。图1-3 多连杆式悬架多连杆式悬架(图1-3)是最近比较流行的一种后悬架。当前在中高档轿车上使用的多连杆式后悬架并不新鲜,但随着技术的发展,多连杆式后悬架也开始被用在紧凑型轿车上,成为了厂家宣传的卖点。多连杆式悬架能够更加精确地控制车轮与地面接触的角度,因此它是一种比较先进的后悬架结构方案。当前只有福特福克斯、马自达3、大众速腾等高端紧凑型车才采用这种后悬架设计。它有双横臂悬架的所有性能,在双横臂的基础上经过连杆接抽的约束作用使得轮胎在上下运动时前束角度也能相应改变,这意味着弯道适应性更好,如果用在前驱车的前悬架,能够缓解转向不足,有精确转向的感觉。如果用在后悬架上,在转向侧倾的
14、作用下改变后轮的前束角,这就意味着后轮能够一定的程度地随前轮一同转向,达到舒适操控两不误的目的。 但跟双横臂一样,多连杆悬架同样需要占用较多的空间。多连杆悬架的制造成本、研发成本都是最高的,因此常见在中高级车的后桥上。1.3悬架发展趋势随着技术的进步,生活水平的提高,人们对汽车的舒适性要求越来越高。汽车悬架也不断发展,从非独立悬架到独立悬架,由半主动到主动悬架。所谓的主动悬架系统是在普通悬架系统中附加一个能够控制阻尼作用力的装置,由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况,适时地调节悬架的刚度和阻尼,使悬架系统处于最佳减振状态,使车辆在各种
15、路面状况下都会有良好的舒适性。主动悬架的关键部位是其执行机构,也就是能够调节的悬架阻尼系统,研究重点是控制方法。近年来 ,Nissan(日产 )和 Toyota(丰田 )公司宣布在轿车上成功地应用了液力主动悬架。至今已发展了三类典型的液力主动控制系统。第一种由 Lotus(莲花 )公司开发 ,它的双作用油缸和高速响应液力控制阀直接耦合。这个系统的控制能力较强 ,但能耗很大 ,特别是在粗糙路面上非悬挂质量共振时这一问题尤为突出 。第二种由 AP公司发展的气液悬架 ,它经过一个流量控制阀把油液输送到单作用油缸和充填蓄能器执行主动控制 ,这种控制装置同样需要消耗较高的能量 。 第三种由 Nissan
16、公司开发 ,它的主要特征之一是压力控制阀同小型蓄能器和液压油缸相结合 ,在不平路面上的振动输入被蓄能器吸收 ,从而减少整个系统所需要的流量。悬挂质量的振动控制由液力系统的主动阻尼和被动阻尼共同完成。同前两种主动控制相比 ,该类主动控制的耗能较少。 最早的主动悬架控制策略是天棚原理,假设车身上方有一固定的惯性参考,在车身和惯性参考之间有一阻尼器,作动器模拟此阻尼器的作用力来衰减车身的振动。这种控制算法简单,在国外某些车型上已经得到了应用。随着现代控制理论的发展,提出了主动悬架的最优控制方法,它比天棚原理考虑了更多的变量,控制效果更好。当前最优控制规律有三种:线性最优控制、HQ最优控制和最优预见控
17、制。由于实际悬架系统中有许多非线性的、时变的、高阶动力系统,使最优控制方法变得不稳定,为此又发展了自适应控制方法。自适应控制方法具有参数识别功能,能适应悬架载荷和元件特性的变化,自动调整控制参数,保持性能最优。自适应控制方法也有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类。在德国大众汽车公司的底盘上应用了自适应控制规律。综上所述,汽车悬架逐渐趋向于主动悬架,并结合先进的电控设备,使悬架系统自动化、智能化。第二章 悬架系统的阻尼匹配汽车悬架系统阻尼匹配决定悬架的特性,对汽车行驶平顺性和安全性具有重要的影响。因此本章对汽车悬架系统阻尼匹配进行分析:首先建立汽车振动模型,对汽车振动简要阐述;然后
18、分别基于安全性与舒适性设计最佳阻尼比;最后合理加权得到悬架系统最佳阻尼比的计算式。2.1双质量车身车轮振动分析对于双轴汽车4个自由度的振动模型,悬挂质量分配系数,其中为车身绕y轴回转半径的平方;a、b为前后轴距;当的值接近1时,前后悬挂系统的垂直振动几乎是独立的,于是汽车能够简化为1/4汽车双质量二自由度系统振动模型,如图2-1所示。该模型由簧上质量(车身质量)、弹簧刚度k、减震器阻尼系数C、簧下质量(车轮质量)和轮胎刚度kt组成,q为路面不平度函数,它是沿路面前进方向的坐标x为参数的随机过程。取车身垂直位移坐标Z的原点在静力平衡位置,可得到系统运动微分方程为 (2-1)为简化微分方程和下文讨
19、论的方便,引入几个量:图2-1 单轮双质量二自由度模型令,;其中p为系统固有圆频率,为阻尼比,决定阻尼对系统的影响。无阻尼自由振动时,运动方程变成 (2-2)由运动方程能够看出,m2 与m1的振动是相互耦合的。若m1不动,则得 (2-3)这相当于只有车身质量m2作单质量无阻尼自由振动,其固有频率为 (2-4)同样,若m2不动,相当于只有车轮质量m1作单质量无阻尼自由振动,于是可得 (2-5)车轮部分固有频率为 (2-6)固有频率p0和pt是只有一个质量(车身质量或车轮质量)振动时的部分频率,成为偏频。无阻尼自由振动时,设两个质量以相同的圆频率和相角做简谐振动,振幅为和,则它们的振动响应分别为
20、(2-7)以上代入微分方程(2-2)得 (2-8)将,代入方程(2-8),可得 (2-9)次方程组有非零解的条件是和的系数行列式为零,即得系统的特征方程 (2-10)方程(2-10)的两个根即为二自由度系统的两个主频率和的平方。 (2-11)将和代入式(2-9)中的任何一式,可得一阶主振型和二阶主振型,即一阶主振型 (2-12)二阶主振型 (2-13)假设(于志生.汽车理论(第五版)P223),代入式(2-11)得。即低的主频与接近,高的主频与接近。将代入式(2-8)得可得到如下结论:在强迫振动情况下,激振频率接近时产生低频共振,按一阶主振型振动,车身质量的振幅比车轮质量的振幅大将近10倍,因
21、此主要是车身质量在振动,称车身型振动。当激振频率接近时产生高频共振,按二阶主振型振动,此时车轮质量的振幅比车身质量的振幅大将近100倍,称车轮型振动。2.2基于舒适性和安全性的悬架系统阻尼最佳匹配2.2.1单轮二自由度悬架系统响应函数二自由度悬架系统的振动微分方程如式(2-1)所示,对其进行拉普拉斯变换,可得 (2-14)为使讨论的物理意义更加明确,引入以下辅助变量式中,为刚度比;为质量比;为车身固有频率。令,代入式(2-14),求得和对路面不平度输入q的频响函数分别为 (2-15) (2-16)式中=/,为频率比。根据振动响应与输入量之间的频率响应函数之间的关系,可求得车轮和车身振动响应加速
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