1、摘 要本次毕业设计课题来自企业的生产实际课题，是在原有车型平台基础上针对企业新开发的一款中高档 SUV 汽车。该车型前悬架结构形式采用双横臂式独立悬架。在车轮上下跳动时，这种结构的悬架可以减少车轮沿路面的位移，使主销内倾角、主销后倾角以及轮距的变化相对较小，从而保证四轮定位参数在理想的变化范围内。本文针对该款 SUV 汽车的前悬架系统进行设计，计算和设计的主要内容是：螺旋弹簧和横向稳定杆。先通过计算力的传递比及行程传递比，得出螺旋弹簧的刚度，随后对螺旋弹簧进行设计及计算，经过三套方案的分析比较后，确定出最合理的弹簧直径。在横向稳定杆的设计中，在难以利用材料力学方法求解的情况下，利用有限元分析法
2、求出其扭转刚度。前悬架系统运用 CATIA 软件进行三维建模，模型建立后用 ADAMS 软件对其进行运动学仿真分析，得出主销内倾角、主销后倾角、前轮前束及轮距与车轮跳动量之间的变化关系，并与理想值进行比较。考虑前悬架在不平路面上，受冲击较大，前悬架各部件受载也较大，最后对其各部件用 CAE 软件进行应力分析，以保证其强度要求。关键词：前悬架，SUV，分析，四轮定位The Design of SUV Front SuspensionABSTRACTThis graduation design is an actual issue from some enterprise,and is the d
3、esign 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 suspe
4、nsion 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
5、 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
6、 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, t
7、he 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 汽车前悬架设计袁佳 0611032620 引言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)弹性地连接在一起。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；缓和路面传给车架( 或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的
8、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时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。对悬架提出的设计要求有：(1) 保证汽车有良好的行驶平顺性。(2) 具有合适的衰减振动的能力。(3) 保证汽车具有良好的操纵稳定性。(4) 汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。(5) 有良好的隔声能力。(6) 结构紧凑、占用空间尺寸小。(7) 可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。1 悬架系统的发展1.1 悬架系统的发展历史和现状科技进步是人类永恒的追求。在马车出现的时候
9、，为了乘坐更舒适，人类就开始对马车的悬架叶片弹簧进行孜孜不倦地探索。在 1776 年，马车用的叶片弹簧取得了专利。并且一直使用到二十世纪 3O 年代，叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧代替。汽车诞生后，随着对悬架研究的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性元件。1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变。它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况，减振的效果较差。为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前
10、悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、赛欧等车，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架等 。随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适性和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是1954年美国通用汽车司在悬架设计中率先提出的。主动悬架是在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。控制装置通常由测量系统、反馈控制系统、能源系统等组成。20世纪80年代，世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发这种悬架。丰田、洛特斯、沃尔沃、奔驰等在汽车上进行了较为
11、成功的试验。装置主动悬架的汽车，即使在不良路面高速行驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平。特点是乘坐非常舒服，但结构复杂、能耗高，成本昂贵，可靠性存在问题。由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在半主动和主动悬架的研究方面起步晚，与国外的差距大。在西方发达国家，半主动悬在8O年代后期趋于成熟，福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果。主动悬架虽然提出早，但由于控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。到上世纪9O年代，仍仅应用于排气量大的豪华汽车。1.2 悬架系统的发展趋势由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬
12、架将是今后汽车悬架发展的趋势。(1)被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面：通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高 (2)半主动悬架的研究集中在两个方面：执行策略的研究；执行器的研究
13、。阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼；一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。(3)主动悬架研究也集中在两个方面：可靠性；执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今
14、后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架。使主动悬架由理论研究转化为实际应用。悬架技术的每一次跨越，都和相关学科的发展密切相关。计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障。同时，悬架的发展也给这些相关学科提出更高的理论要求，使人类的认识迈向新的、更高的境界。2 汽车悬架系统 2.1 悬架系统概述悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称。悬架具有以下功能：(1)对不平整路面所造成的汽车行驶中的各种颤动、摇摆和振动等，与轮胎一起，予
15、以吸收和减缓，从而保障乘客和货物的安全，并提高驾驶稳定性。(2)将路面与车轮之间的摩擦所产生的驱动力和制动力传输至底盘和车身。(3)支承车桥上的车身，并使车身与车轮之间保持适当的几何关系。现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车架和车身时，可能引起汽车机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎外，在悬架中还必须装有弹
16、性元件，使车架(或车身)与车桥(或车轮)之间作弹性联系。但弹性系统受到冲击后将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳，故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减(振幅迅速减小)。因此，在许多结构形式的悬架的汽车悬架中设有专门的减振器。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，否则对汽车的某些行驶性能(特别是操纵稳定性)有不利的影响。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。在多数轿车上，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。2.
17、2 悬架结构形式分析2.2.1 非独立悬架和独立悬架悬架可分为非独立悬架和独立悬架两类。非独立悬架的结构特点是：左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架(或车身)连接；独立悬架的结构特点是：左、右车轮通过各自的悬架与车架(或车身)连接,如图 2.1 所示。（ a） 非 独 立 悬 架 （ b） 独 立 悬 架图 2.1 悬架结构形式简图以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，其主要优点是：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度(特别对前悬架而言)，使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮
18、相互影响，并使车轴(桥)和车身发生倾斜；当两侧车轮不同步跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振；前轮跳动时，悬架易于转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；车轴(桥)上方要求有与弹簧行程相适应的空间。这种悬架主要用于总质量大些的商用车前、后悬架以及某些乘用车的后悬架上。独立悬架可提供多种方案供设计人员选用，以满足不同的设计要求。独立悬架的缺点是：结构复杂，制造成本较高，维修困难；在一般情况下，车轮跳动时，由于车轮外倾角与轮距变
19、化较大，轮胎磨损较严重。这种悬架主要用于乘用车和部分总质量不大的商用车上。2.2.2 独立悬架特点随着高速公路网的发展，促使汽车速度的不断提高使得非独立悬架已不能满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等方面的要求。因此，在现代汽车悬架系统中，尤其是在轿车的前悬架中已无例外地采用了独立悬架。前已述及，独立悬架的结构特点是两侧的车轮各自独立地与车架或车身弹性连接，因而具有以下优点：(1)在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以单独运动，而互不影响，这样在不平道路上行驶时，可减少车架和车身的振动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。(2)减少了汽车的非簧载质量（即不由弹簧支承的质量） 。在非独立悬架
20、的情况下，整个车桥和车轮都属于非簧载质量部分。在用独立悬架时，对驱动桥而言，由于主减速器、差速器及其外壳都固定在车架上，成了簧载质量；对转向桥而言，它仅具有转向主销和转向节，而中部的整体梁不再存在。所以在采用独立悬架时，非簧载质量只包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质量，显然比用非独立悬架时的非簧载质量要小得多。在道路条件和车速相同时，非簧载质量越小，则悬架所受到的冲击载荷也越小。故采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度。(3)采用断开式车桥，发动机总成的位置便可以降低和前移，使汽车重心下降，提高了汽车行驶稳定性。同时能给予车轮较大的上下运动的空间，因而可以将悬架刚度设计得较小，
21、使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性。(4)保证汽车在不平路面上行驶时，所有车轮与路面有良好接触，从而增大牵引力和汽车的离地间隙，大大提高越野汽车的通过性能。2.2.3 独立悬架结构形式分析独立悬架的结构类型很多，可分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式和麦弗逊式等几种类型。(1)双横臂式独立悬架双横臂式独立悬架的两个摆臂长度可以相等，也可以不相等。图2.2 表明两摆臂等长的悬架当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但轮距去发生了较大的变化，这将增加车轮侧向滑移的可能性。在摆臂不等长的独立悬架中，如将两臂长度选择适当，可以使车轮和主销的角度以及轮距的变化都不太大。不大的轮距变化在轮胎较软时可以由轮胎变形来适应。目前轿车的轮胎可容许轮距的改变在每个车轮上达到而不致使车轮沿路面滑移。因此，不等长的双横臂式独立悬架在m54轿车的前轮上应用得较为广泛。 (a)b图 2.2 双横臂式独立悬架示意图(2)单横臂式独立悬架单横臂式独立悬架的特点是：当悬架变形时，车轮平面将产生倾斜而改变两侧车轮与路面接触点间的距离(轮距)，致使轮胎相对于地面侧向滑移，破坏轮胎和地面的附着。此外，这种悬架用于转向轮时，会使
