1、轿车悬架系统的三维设计与仿真摘要随着汽车工业的发展，人们对汽车的行驶平顺性，操纵稳定性以及乘坐舒适性和安全性的要求越来越高。汽车行驶平顺性反映了人们的乘坐舒适性，而舒适型与悬架密切相关。因此，悬架系统的开发与设计具有很远大的实际意义。本次设计主要研究的是奥迪 A6L 轿车的前、后悬架系统的硬件选择设计，计算出悬架的刚度、静挠度和动挠度及选择出弹簧的各部分尺寸，并且通过阻尼系数和最大载荷力确定了减振器的主要尺寸，最后进行了横向稳定杆的设计以及汽车平顺性能的分析。本设计在轿车前后悬架的选型中均采用独立悬架，后悬架采用双 A 臂悬架系统。其中前悬架采用当前家庭轿车前悬流行的麦弗逊悬架。前、后悬架的减
2、振器均采用双向作用式筒式减振器，后悬架则采用半拖拽臂式独立悬架减震器。这种结构的设计，有效的提高了乘坐的舒适性和驾驶稳定性。采用 UG 三维设计与仿真软件分别绘制前后悬架的零件图和装配图，以及需要的部分轿车部件图，然后用装配图进行轿车悬架系统的仿真。关键词：独立悬架； 平顺性； 弹性元件； 阻尼器；仿真；目 录摘 要.Abstract.目 录.第 1 章 绪 论.11.1 悬架系统的概述.11.2 悬架的构成和类型31.2.1 构成31.2.2 分类31.3 课题研究的目的及意义.4第 2 章 前、后悬架结构的选择52.1 悬架的结构形式.52.2 非独立悬架 .52.3 独立悬架.62.4
3、前后悬架方案选择.72.5 主要元件.82.5.1 弹性元件82.5.2 减振器.92.6 辅助元件.92.6.1 横向稳定器92.6.2 缓冲块.10第 3 章 技术参数确定与计算 .113.1 悬架性能参数的选择113.2 悬架的自振频率 11 3.3 侧倾角刚度123.4 悬架的动、静挠度选择12第 4 章 弹性元件的设计计算144.1 前悬架弹簧144.2 后悬架弹簧15第 5 章 悬架导向机构的设计 .175.1 导向和机构设计要求.175.2 麦佛逊独立悬架示意图175.3 导向机构受力分析.185.4 横臂轴线布置方式.205.5 导向机构的布置参数.205.5.1 侧倾中心 2
4、0第 6 章 减振器设计.226.1 减振器的概述.226.2 减振器的分类.226.3 减振器参数选取236.4 减振器阻尼系数236.5 最大载荷力.246.6 筒式减振器主要尺寸.246.6.1 筒式减振器工作直径246.6.2 油筒直径 25第 7 章 横向稳定杆的设计.26第 8 章 平顺性分析.278.1 平顺性概念.278.2 汽车的等效振动分析 .278.3 车身加速度的幅频特性.288.4 相对动载的幅频特性 .298.5 悬架动挠度的幅频特性.318.6 影响平顺性的因素.328.6.1 结构参数对平顺性的影响.328.6.2 使用因素对平顺性的影响.33第 9 章 总结.
5、34参考文献.35第 1 章 绪 论1.1 悬架系统概述近年来,舒适性问题对于汽车企业的要求逐年提高,影响舒适性的主要因素有操纵稳定性和乘坐舒适性对于这些因素,起着主要作用.作为悬架的基本性能,首先是为了保护车辆、乘员、货物等,防止由于路面的凸凹不平而引起的振动和噪声。其次,为了把车轮和路面间产生的驱动力、制动力、横向力等的前后、左右载荷有效地传递给车体,用最佳的状态使轮胎与路面接地,达到理想的汽车运动状态。并且现代汽车悬架是重要总成之一，它把悬架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性的连接在一起。其作用为：保证车轮或车桥与汽车承载系统(车架或承载式车身)之间具有弹性联系并能传递载荷递载荷、缓和冲击、
6、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性。保证车轮在路面不平和载荷变化有理想的运动特性，保证汽车的操作稳定性，使汽车获得高速行驶能力。为此，必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量(即簧载质量)、非悬挂质量(即非簧载质量)和弹簧（弹性元件)组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发
7、动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。尽管一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进，但从结构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件及导向机构的作用，麦克弗逊悬梁(M
8、cPherson strut suspension，或称滑枝摆臂式独立悬架)中的减振器枝兼起减振器及部分导向机构的作用，有些主动悬架中的作动器则具有弹性元件、减振器和部分导向机构的功能。悬架是汽车几大系统当中主要总成之一，悬架的设计是否合理直接关系到汽车的使用性能的好坏，并且汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统。该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑以
9、下几个方面的要求：(1)通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，即具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩或伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力；(2)合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性的要求；(3)导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动十涉，否则可能引发转向轮摆振；(4)侧摆中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的
10、车身纵倾(即所谓“点头”和“后仰”)；(5)结构紧凑、占用空间尺寸要小。(6)在保证零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。为了满足汽车具有良好的行使平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应适应于合适的频段，并尽可能的低。前后悬架的固有频率的匹配应合理，对轿车，要求前悬架的固有频率略低于后悬架的固有频率，还要求尽量避免悬架撞击悬架。在簧上质量变化的情况下，车身的高度变化要小，因此，要用非线性弹性特性的悬架。汽车在不平的路面上行使时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动，为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻
11、尼。利用减振器的阻尼作用，使汽车的振动幅度连续减小，直至振动停止。要正确的选择悬架的方案参数，在车轮上下跳动时，使主销的定位参数变化车架、车轮运动与到导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之具有不足转向特性。独立悬架导向杆系数铰接处多用橡胶的衬套，能隔绝车轮来自不平路面上的冲击向车身的传递。 舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架(或车身)与车轴( 或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技
12、术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。 汽车车架（或车身）若直接安装于车桥（或车轮）上，由于道路不平，由于地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。它的作用是弹性地连接车桥和车架（或车身），缓和行驶中车辆受到的冲击力。保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架（或车身）上，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的
13、要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。 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 悬架的构成和类型1.2.1 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。（2）阻尼元件具有衰减振动的作用。常见的阻尼元件有：筒式液力减振器、摇臂式液力减振器、充气式减震器、阻尼可调式减振器等。（3）导向装置其作用是传递除垂直力外的其它力和全部力矩、保证车轮按最佳轨迹相对于车身运动。常见的导向装置有：斜置单臂式
14、、单横臂式、双横臂式、双纵臂式、烛式、麦弗逊式等。1.2.2 类型（1）非独立悬架其特点是左右车轮由一整体式车桥相联接，具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但其舒适性及操纵稳定性都较差。（2）独立悬架每个车轮单独通过一套悬挂安装于车身或者车桥上，车桥采用断开式，中间一段固定于车架或者车身上；此种悬挂两边车轮受冲击时互不影响，而且由于非悬挂质量较轻；缓冲与减震能力很强，乘坐舒适。各项指标都优于非独立式悬挂，但该悬挂结构复杂，而且还会使驱动桥、转向系变得复杂起来。1.3 课题研究的目的及意义随着人们对汽车舒适性的要求逐渐提高，悬架的设计和改进变得越来越重要。悬架是汽
15、车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和扭矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。故进行比亚迪 F3悬架设计可使汽车具有良好的平顺性和可靠性。第 2 章 前、后悬架结构的选择2.1 悬架的结构形式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，总体可分为独立悬架和非独立悬架。而独立悬架的结构又可分为横臂式、纵臂式、烛式、麦弗逊式、连杆式、半拖曳臂式等多种形式。2.2 非独立悬架非独立悬挂系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车
16、轮连同车桥一起通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架的优点：(1)结构简单，制造、维护方便，经济性好； (2)工作可靠，使用寿命长；(3)车轮跳动时，轮距、前束不变，因而轮胎磨损小； (4)转向时，车身例倾后车轮的外倾角不变，传递侧向力的能力不降低；(5)侧倾中心位置较高，有利于减小转向时车身的侧倾角。非独立悬架的缺点是：(1)由于车桥与车轮一起跳动，因而需要较大的空间，影响发动机或行李箱的布置。用于轿车或载货汽车的前悬架时，一般需要拾高发动机或是将车桥(轴)做成中间下凹的形状以利发动机布置，这将增加制造成本；用于轿车后悬架时，会导致行李箱容积减小，备胎的布置也不方便； (2)用于
17、驱动桥时，会使得非悬挂质量较大，不利于汽车的行驶乎顺性及轮胎的接地性能；(3)当两侧车轮跳动高度不一致时(例如左右车轮驶过的凸起高度不同)，整根车桥会倾斜，使左右车轮直接相互影响；(4)在不平路面直线行驶时，由于左右车轮跳动不一致而导致的轴转向会降低直线行驶的稳定性；然而由于非独立悬架结构简单、便于维护以及可使用多种类型的弹性元件等优点，非独立悬架广泛应用于载货汽车以及大客车的前、后悬架。一些全轮驱动的多用途车(MPV,multiple purpose vehicle)也采用非独立悬架作为其前、后悬架。随着弹性元件、减振器及其他结构件的设计、制造技术的不断进步，非独立悬架的性能也日益得到改善，
18、在一些大批量生产的高级轿车和运动型轿车中，仍采用非独立悬梁用于其后悬架。对于前置前驱动汽车尤其是轻型载货汽车而言，由于后桥没有笨重的主减速器与差速器，其非独立悬架与独立悬架的非悬挂质量相差不太大，因而非独立后悬架具有很好的应用前景。2.3 独立悬架现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。独立悬架的结构可分有横臂式、纵臂式、烛式、麦弗逊式、连杆式、半拖曳臂式等多种形式。双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大(与单横臂式相类似)，造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横
19、臂式悬架，需要适当选择、优化上下横臂的长度，以及合理的布置、才可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，从而能保证汽 图 2-1麦弗逊式独立悬架车具有良好的行驶稳定性。多连杆悬架能使车轮绕着汽车纵轴线成一定角度的轴线摆动，是横臂式和纵臂式悬架的折中方案，适当选择横臂轴线和汽车纵轴线所成的夹角，它虽能够较好的消除对地外倾角的变化，即使车身晃动时，也能让车轮胎保持垂直，这在目前低扁平比的趋势中，是非常重要的特性；同样它对轮跳时车轮前束和轮距的变化有较好的抑制作用；能较好的消除转弯时重心升高、对地外倾角减少引起的顶起现象；还能提高悬架系统的刚性，使其不易受横向力影响而产生几何变化。然而由于
20、结构复杂造成它占用的空间较大，另外对于连杆的材质要求也较高，零件较多，组装复杂也就导致了多连杆的制造成本较高，故多连杆悬架只是在高档轿车中越来越多的使用。麦弗逊式独立悬挂通常在轿车前悬上应用最广泛，麦弗逊式独立悬架有结构简单、成本低廉、舒适性尚可的优点且其主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，且前轮定位变化小，拥有良好的行驶稳定性。在麦弗逊式独立悬架中，支柱式减震器除具备减震效果外，还要担负起支撑车身的作用，所以它的结构必须紧凑且刚度足够，并且套上螺旋弹簧后还要能减震，而弹簧与减震器一起，构成了一个可以上下运动的滑柱，节省汽车前部空间，有利于发动机布置。与双横臂独立悬架相比麦弗逊式悬架的
21、优点是：结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂的缘故，给发动机及转向系统的布置带来方便，麦弗逊式独立悬架简图如图 2-1所示。 半拖曳臂式悬架是专为后轮而设计的悬架结构，它的构成非常简单以上下摆动式拖臂实现车轮与车身或车架的硬性连接，并且通过横梁或支架连接两车轮，然后以液压减震器和螺旋弹簧充当软性连接，起到吸震和支撑车身的作用。半拖曳臂式悬挂本身具有非独立悬挂的存在的缺点但同时也兼有独立悬挂的优点， 半拖曳臂式悬挂的最大优点是左右两轮的空间较大， 而且车身的外倾角没有变化， 避震器不发生弯曲 应力，所以摩擦小，并且与多连杆独立悬架相比有结构简单，造价较低的优点，故半拖曳臂式独立悬架更适合作为中级轿车后悬架。半拖曳臂是独立悬架简图如图 2-2所示。 2.4 前后悬架方案的选择 图 2-2半拖曳臂式独立悬架目前轿车的前后悬架采用的方案有：前轮和后轮均采用独立悬架；前轮用独立悬架，后轮用非独立悬架。本设计要求是前后均是独立悬架，因为独立悬架具有如下优点：非簧下质量小，悬架所受到并传给车身的冲击载荷小，有利于提高汽车的行驶平顺性及轮胎的接地性能；悬架占用的空间小，便于发动机布置，可以降低发动机的安装位置，从而降低汽车质心位置，有利于提高汽车的行驶稳定性；左右车轮各自独立
