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本科畢業(yè)設(shè)計說明書
本科畢業(yè)設(shè)計說明書
裝有空氣彈簧的越野汽車懸架設(shè)計
學(xué) 院
專業(yè)班級
學(xué)生姓名
學(xué)生學(xué)號
指導(dǎo)教師
摘 要
當(dāng)今社會，汽車工業(yè)的發(fā)展無時不刻都在影響著國家經(jīng)濟的發(fā)展，人類的進步離不開汽車工業(yè)的發(fā)展。在全球經(jīng)濟發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個行業(yè)被其他國家的先進技術(shù)影響的同時，越來越多的外國企業(yè)和品牌傳播到中國已經(jīng)成為現(xiàn)實。在新的市場需求的推動下，對越野車空氣懸架進行改良和優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急。生產(chǎn)越野車空氣懸架的企業(yè)，必須充分考慮到在越野車空氣懸架運行中可能出現(xiàn)的問題，盡量使越野車空氣懸架的標(biāo)準(zhǔn)化程度越高越好，穩(wěn)定和強度越來越好，國內(nèi)越野車空氣懸架的研發(fā)及制造要與全球號召的穩(wěn)固牢靠、性能穩(wěn)定主題保持一致。越野車空氣懸架的發(fā)展與人類社會的進步和科學(xué)技術(shù)的水平密切相關(guān)。
本次畢業(yè)設(shè)計的題目是越野車空氣懸架總成的設(shè)計，通過設(shè)計出越野車空氣懸架總成，來了解它的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對之進行優(yōu)化，使得設(shè)計出來的越野車空氣懸架總成的結(jié)構(gòu)更合理，更安全。
關(guān)鍵詞：汽車；越野車空氣懸架；導(dǎo)向機構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計
II
Abstract
In today's society, the development of automobile industry is affecting the development of national economy all the time. Human progress can not be separated from the development of automobile industry. In the context of global economic development, while China's industries are influenced by advanced technology from other countries, more and more foreign enterprises and brands have spread to China. Under the impetus of the new market demand, it is urgent to improve and optimize the air suspension of off-road vehicles. Enterprises producing off-road vehicle air suspension must take full account of the problems that may arise in the operation of off-road vehicle air suspension, try to make the higher the standardization degree of off-road vehicle air suspension, the better the stability and strength. The research and development and manufacture of domestic off-road vehicle air suspension should be consistent with the global call for stable, reliable and stable performance theme. The development of off-road vehicle air suspension is closely related to the progress of human society and the level of science and technology.
The topic of this graduation project is the design of the air suspension assembly of off-road vehicle. Through the design of the air suspension assembly of off-road vehicle, we can understand its structure and working principle, and optimize it so as to make the structure of the air suspension assembly of off-road vehicle more reasonable and safer.
Key words: automobile; off-road vehicle air suspension; guiding mechanism; optimum design
目 錄
摘 要 II
Abstract III
第一章 緒 論 1
1.1 汽車及機械行業(yè)的發(fā)展 1
1.2課題研究的背景和意義 2
1.2.1研究背景 2
1.2.2研究意義 3
1.3 懸架的設(shè)計要求 4
1.4 懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5
1.4.1國外研究現(xiàn)狀 6
1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 7
1.4.3 懸架的設(shè)計水平 8
1.5懸架系統(tǒng)的自然振動頻率 8
1.6 懸架的分類 9
1.6.1獨立懸架 9
1.6.2 非獨立懸架 15
1.6.3 半獨立懸架 18
1.6.4主動懸架和半主動懸架 19
1.7 主要設(shè)計思路及方法 21
1.7.1研究方法 21
1.7.2研究技術(shù)路線 22
1.8 本課題研究的內(nèi)容 22
第二章 越野車空氣懸架總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 22
2.1空氣懸架結(jié)構(gòu)分析 22
2.2推力桿的設(shè)計計算 23
2.2.1推力桿的直徑確定 23
2.2.2推力桿受力分析 24
2.2.3校核推力桿的強度 25
2.3推力桿的強度計算與校核 27
2.4螺栓的選型計算 28
2.5 空氣彈簧的分析 30
2.6 空氣彈簧力學(xué)性能設(shè)計 32
2.7 高度控制閥設(shè)計 33
第三章 空氣彈簧懸架導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計 34
3.1懸架導(dǎo)向機構(gòu)的概述 34
3.2 導(dǎo)向機構(gòu)的受力分析 34
3.3 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計 37
3.4 穩(wěn)定桿的強度校核 37
3.5懸架及整車的剛度分析 38
3.5.1前軸的側(cè)傾剛度 38
3.5.2后軸的側(cè)傾剛度及側(cè)傾中心 39
總 結(jié) 42
致 謝 44
參考文獻 45
V
第一章 緒 論
1.1 汽車及機械行業(yè)的發(fā)展
機械制造也的設(shè)計水平與制造這水平，預(yù)示著一個國家的科學(xué)技術(shù)水平，其直接影響著國家的經(jīng)濟技術(shù)水平。
近幾年，隨著改革開放的大力發(fā)展，國家不斷的發(fā)展自主產(chǎn)業(yè)，提高我國機械行業(yè)的水平，大力支持制造產(chǎn)業(yè)化的構(gòu)建?，F(xiàn)今為止，我們已經(jīng)逐漸從制造產(chǎn)業(yè)大國轉(zhuǎn)化成制造產(chǎn)業(yè)強國。最近，國家電影總局剛剛上映一部《厲害了，我的國》的電影，其中很形象的描述了中國在近五年的制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。從航海、航天。陸地三個方面進行概括，如建筑行業(yè)、到輪船、船舶行業(yè)，從飛機制造業(yè)，到高鐵的上千個零部件的裝配，還有歷經(jīng)6年高鐵上電子元件自主的研發(fā)，無一不彰顯著我國制造、技術(shù)大幅度的躍進。如同習(xí)主席說的，我們不在是世界制造業(yè)大國，而是制造業(yè)強國。天舟一號與天舟二號的完美對接，實現(xiàn)了中國空間補給的首次勝利，也宣告著，中國有可能成為世界上首個建立太空空間站的國家。從中不僅體現(xiàn)了我國科技水平的提高，機械制造行業(yè)的制造水平提高，同時也體現(xiàn)了我國工人技術(shù)裝配能力的提高。全球最大規(guī)模，技術(shù)最先進的全自動碼頭即生孩洋山四期自動化碼頭的建立，意味著智能化、自動化的機械設(shè)備誕生，讓我們也看到了制造、機械行業(yè)的遠景目標(biāo)，將奔著智能化發(fā)展。
現(xiàn)在，隨著國家政策的逐步推進，人民的生活水平不斷提高，物質(zhì)享受與精神享受的同步發(fā)展，將機械制造行業(yè)中的技術(shù)、工藝、設(shè)備、原材料、人員等都在不斷的優(yōu)化、改善和提高。以滿足現(xiàn)在以及將來人們的要求。通過技術(shù)的引進，消化吸收以及工藝的不斷創(chuàng)新，全面質(zhì)量的不斷把控，將制造行業(yè)的水平提升到很大的一個層次。一些先進的技術(shù)在生產(chǎn)、制造中得到了很廣泛的應(yīng)用，能夠很多應(yīng)用在批量生產(chǎn)中。但是我們同歐美地區(qū)發(fā)達國家相比，還是存在著很大的差距。例如：計算機輔助設(shè)備，其發(fā)達國家工藝覆蓋率可以達到80%，而我們國家僅僅達到30%左右；發(fā)達國家自動化設(shè)備的使用率很高，而我們的企業(yè)往往會因為各種因素所有的是比較落后的設(shè)備。而這些原因往往體現(xiàn)在我們國家技術(shù)人員的開發(fā)以及創(chuàng)新能力上比較薄弱，有些技術(shù)我們只能依靠從國外進口，在其基礎(chǔ)殺那個優(yōu)化或者改進。還有一種原因是缺乏將研究成果應(yīng)用在大批量企業(yè)中，且缺少其管理機制。
未來，機械行業(yè)與制造行業(yè)將逐步向智能化、集成化發(fā)展。其不僅釋放了人的雙手，大大提高生產(chǎn)效率，保證零部件的質(zhì)量，且能提前預(yù)警與預(yù)防各種事故的發(fā)生。智能機器人，全自動汽車生產(chǎn)鏈、無人駕駛汽車的開發(fā)已經(jīng)逐步趨于成型。在以后智能化將逐步走向各行各業(yè)，將成為工業(yè)4.0的主體。
1.2課題研究的背景和意義
1.2.1研究背景
懸架是現(xiàn)代汽車上重要組成部分之一，它把車架與車軸，或者車身與車輪連接起來，是傳遞車身與輪胎之間力與力矩的連接裝置，并且，懸架可以減緩沖擊，衰減系統(tǒng)的振動，從而保證了良好的平順性；在路面不平的時候擁有理想的運動特性，從而保證了汽車的操縱穩(wěn)定性和較高的行駛能力。減振器的功能是吸收懸架垂直振動的能量，并轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使振動迅速衰減。汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力式減震器。其作用原理是，當(dāng)車架與車橋作往復(fù)相對運動時，減震器中的活塞在缸筒內(nèi)業(yè)作往復(fù)運動，于是減震器殼體內(nèi)的油液反復(fù)地從一個內(nèi)腔通過另一些狹小的孔隙流入另一個內(nèi)腔。此時，孔與油液見的摩擦力及液體分子內(nèi)摩擦便行程對振動的阻尼力，使車身和車架的振動能量轉(zhuǎn)換為熱能，被油液所吸收，然后散到大氣中。
減振器大體上可以分為兩大類，即摩擦式減振器和液力減振器。故名思義，摩擦式減振器利用兩個緊壓在一起的盤片之間相對運動時的摩擦力提供阻尼。由于庫侖摩擦力隨相對運動速度的提高而減小，并且很易受油、水等的影響，無法滿足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價低、易調(diào)整等優(yōu)點，但現(xiàn)代汽車上已不再采用這類減振器。液力減振器首次出現(xiàn)于1901年，其兩種主要的結(jié)構(gòu)型式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減減振器振器相比，搖臂式減振器的活塞行程要短得多，因此其工作油壓可高達75-30MPa，而筒式只有2.5-5MPa。筒式減振器的質(zhì)量僅為擺臂式的約1/2，并且制造方便，工作壽命長，因而現(xiàn)代汽車幾乎都采用筒式減振器。筒式減振器最常用的三種結(jié)構(gòu)型式包括:雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。懸架中用得最多的減振器是內(nèi)部充有液體的液力式減振器。汽車車身和車輪振動時，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動阻力，將振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并散發(fā)到周圍空氣中去，達到迅速衰減振動的目的。如果能量的耗散僅僅是在壓縮行程或者是在伸張行程進行，則把這種減振器稱之為單向作用式減振器，反之稱之為雙向作用式減振器。后者因減振作用比前者好而得到廣泛應(yīng)用。
懸架包括彈性元件、導(dǎo)向裝置、減振器和橫向穩(wěn)定器等，如圖1-1所示。
圖1-1轎車懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2.2研究意義
懸架的主要功能是傳遞作用在車輪和車身之間的所有力和力矩，并減小汽車駛過不平路面時所產(chǎn)生的沖擊，衰減承載系統(tǒng)的振動，并且保證了汽車的行駛平順性，保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。平順性是現(xiàn)代高速、高效率汽車的一個主要性能，汽車平順性直接影響到人和車輛。汽車平順性的好壞直接影響到乘員的舒適性、工作效能和身體健康。因此懸架設(shè)計關(guān)系到汽車使用性能的好壞，具有重要的理論和實際應(yīng)用意義。本論文基于凱美瑞轎車，并且結(jié)合實際生產(chǎn)，通過對懸架中重要的零部件進行計算校核，設(shè)計整個懸架系統(tǒng)，對整車運動學(xué)性能的影響進行分析，對實際生產(chǎn)有著重要的意義。
一百多年來汽車懸架從結(jié)構(gòu)型式到作用原理一直在不斷地演進，但從結(jié)構(gòu)功能而言，它都是由彈性元件、減振裝置和導(dǎo)向機構(gòu)三部分組成。在有些情況下，某一零部件兼起兩種或三種作用，比如鋼板彈簧兼起彈性元件及導(dǎo)向機構(gòu)的作用，麥克弗遜懸架 (McPherson strut suspension，或稱滑柱擺臂式獨立懸架)中的減振器柱兼起減振器及部分導(dǎo)向機構(gòu)的作用，有些主動懸架中的作動器則具有彈性元件、減振器和部分導(dǎo)向機構(gòu)的功能。
我國公路條件的改善為汽車空氣懸架創(chuàng)造了基本的使用條件。國內(nèi)高速公路的發(fā)展對汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性、安全性提出了更高的要求，對空氣懸架國內(nèi)市場產(chǎn)生了很大的促進作用。此外，重型汽車對路面破壞機理的研究及認(rèn)識進一步加深，政府對高速公路養(yǎng)護的重視，限制超載逐步在國內(nèi)各地受到重視，使空氣懸架在重型車市場的應(yīng)用也將進一步擴大，為適應(yīng)高速公路運輸?shù)男枰?，高級越野車和大型載貨車都必須使用空氣懸架。
越野車市場的快速發(fā)展將大大拉動空氣懸架的需求增長。近幾年，空氣懸架的需求主要是與高等級越野車的銷售量直接相關(guān)，據(jù)統(tǒng)計，我國高級越野車的市場以每年15％的速度增長。根據(jù)國家汽車行業(yè)“十五規(guī)劃”要求：我國的越野車將“重點發(fā)展適應(yīng)高速公路需要的大中型越野車，專用越野車底盤及關(guān)鍵總成”并“根據(jù)市場需求適當(dāng)發(fā)展高檔旅游越野車”?！笆逡?guī)劃”預(yù)測，2005年大中型越野車年需求量為12～16萬輛(其中大型越野車為3～5萬輛，中型越野車為9～11萬輛)，2002年7月，交通部頒布實施《營運越野車類型劃分及等級評定》(JT/T325-2002)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，新頒布實施的標(biāo)準(zhǔn)里面對大中型越野車配置懸架類型作了規(guī)定，其中高級大中型越野車必須采用空氣懸架，這為空氣懸架產(chǎn)品的推廣使用創(chuàng)造了一個良好的外部環(huán)境。
本論文主要對越野車空氣懸架進行設(shè)計。通過對越野車空氣懸架進行設(shè)計，來了解越野車空氣懸架的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及以后的發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀。
我國生產(chǎn)的越野車空氣懸架結(jié)構(gòu)簡陋，穩(wěn)定系數(shù)始終不高，雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，近期產(chǎn)品的質(zhì)量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質(zhì)量及設(shè)計水平等的影響，我國目前生產(chǎn)的越野車空氣懸架的總體水平與進口產(chǎn)品及港口用戶的要求仍有較大差距，越野車空氣懸架的生產(chǎn)也是如此，為滿足市場需求，開發(fā)出一種新型的越野車空氣懸架勢在必行！本文運用大學(xué)所學(xué)的知識，提出了越野車空氣懸架的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及主要零部件的設(shè)計中所必須的理論計算和相關(guān)強度校驗，構(gòu)建了越野車空氣懸架總的指導(dǎo)思想，從而得出了該越野車空氣懸架的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且校正質(zhì)量高，運行平穩(wěn)的結(jié)論。
通過設(shè)計越野車空氣懸架，要求學(xué)生掌握大學(xué)四年所學(xué)到的知識，了解機械原理，機械設(shè)計，以及傳動機構(gòu)設(shè)計等方面的知識，綜合運用繪圖軟件對越野車空氣懸架進行設(shè)計。通過本次畢業(yè)設(shè)計，綜合提高學(xué)生的實際應(yīng)用水平和設(shè)計能力。
相信此種越野車空氣懸架的出現(xiàn)將會大大提高越野車空氣懸架的穩(wěn)定性和質(zhì)量，為企業(yè)的生產(chǎn)的年產(chǎn)能方面，以及經(jīng)濟效益方面能夠帶來顯著的進步，同時也在某種程度上推進了汽車工業(yè)的不斷發(fā)展。
1.3 懸架的設(shè)計要求
如前所述，汽車懸架和懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成了一個振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)的特性很大程度上決定了汽車的行駛平順性，并進一步影響到汽車的行駛車速、燃油經(jīng)濟性和運營經(jīng)濟性。該振動系統(tǒng)也決定了汽車承載系和行駛系許多零部件的動載，并進而影響到這些零件的使用壽命。此外，懸架對整車操縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設(shè)計懸架時必須考慮以下幾個方面的要求：
A、通過合理設(shè)計懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性，具有較低的振動頻率、較小的振動加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮伸張行程極限點發(fā)生硬沖擊，同時還要保證輪胎具有足夠的接地能力；
B、合理設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動時車輪定位參數(shù)的變化不會過大，并且能滿足汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性要求；
C、導(dǎo)向機構(gòu)的運動應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運動相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運動干涉，否則可能引起轉(zhuǎn)向輪擺振；
D、側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車轉(zhuǎn)向時具有抗側(cè)傾能力，汽車制動和加速時能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動和加速時的車身縱傾(即所謂“點頭”和“后仰”)；
E、懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)量要盡量??；
F、便于布置，在轎車設(shè)計中特別要考慮給發(fā)動機及行李箱留出足夠的空間；
G、所有零部件應(yīng)具有足夠的強度和使用壽命；
H、制造成本低；
I、便于維修、保養(yǎng)。
懸架設(shè)計可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細設(shè)計兩個階段，有時還要反復(fù)交叉進行。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總成的布置，因而一般要與總布置共同協(xié)商確定。
1.4 懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
汽車能夠?qū)崿F(xiàn)在道路上行駛，主要使靠可以支撐車輪，吸收地面?zhèn)鬟f的振動的汽車懸架實現(xiàn)的，但是如何降低動力的損失，還有減少燃油的消耗，提高人們乘坐的舒適度這是進行汽車設(shè)計時必須要考慮的問題，同時對于購車的人來說，這也是他們選擇汽車的主要性能指標(biāo)。隨著社會的發(fā)展，近幾年以來人民大眾經(jīng)濟都好起來，對汽車的舒適性方面和動力性方面等要求非常高。
21世紀(jì)以來，微電子技術(shù)的發(fā)展及機電一體化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在人們生活當(dāng)中隨處可見，汽車行業(yè)的發(fā)展，主要是向著多元化和工業(yè)化的方向發(fā)展，其中汽車懸架的設(shè)計和生產(chǎn)在汽車中具有非常重要的位置。目前汽車對車速和燃油量的要求方面很高，所以汽車懸架的使用對性能將會有十分重要的影響。
目前，我國自主汽車的行業(yè)發(fā)展已到達一定的階段，針對主要性能零部件已完成了自主研發(fā)及批量生產(chǎn)。而且隨著近些年汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)主要汽車零部件也競爭激烈。針對汽車懸架就是其中很重要的一部分，因為汽車懸架關(guān)系著整車的性能及運動安全性。
在國外，一方面汽車行駛的路況越來越好，平均車速逐漸提高，另一方面節(jié)約能源，減少對環(huán)境的污染意識使得發(fā)動機正向著大轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展。國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，引領(lǐng)國產(chǎn)汽車邁向一個新的起點，人們生活的提高對于性能的要求越來越高。為適應(yīng)以上情況，提高人們乘坐的舒適性就必須針對汽車懸架進行優(yōu)化設(shè)計。因而目前在國外貨車上廣泛的采用的是麥弗遜獨立懸架，麥弗遜獨立懸架具有成本低，質(zhì)量輕，維修保養(yǎng)簡單，噪音小，溫升低和整車油耗低等優(yōu)點。因此被廣泛應(yīng)用，在本設(shè)計中也主要對汽車麥弗遜獨立懸架行結(jié)構(gòu)的設(shè)計與模型的建立。
汽車懸架系統(tǒng)的主要功用是支撐車身的重量,并且使汽車穩(wěn)定有效的進行轉(zhuǎn)向操縱控制,同時有效的分離路面波動對車身的影響。不同的需要導(dǎo)致設(shè)計的要求不同,半自動懸架由從動彈簧和需要克服不同路面狀況和汽車運行條件的阻尼離的自動減振器組成。由于主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜而傳統(tǒng)的消極式懸架無法滿足不同路面狀況和汽車運行狀況的要求。因此,半自動懸架是目前最常用的懸架系統(tǒng)。半自動懸架系統(tǒng)的優(yōu)點是帶有液壓減振使車身在低動力情況下振動降低。目前,許多控制系統(tǒng)是為半自動懸架系統(tǒng)而開發(fā)的。從Karnoopp的Skyhook方法開始。這個方法主要是使緩沖器承受一定的力的作用,而這個力是與汽車全速時懸架上的質(zhì)量成一定比例的。許多調(diào)查都是用一維模型,它可以推導(dǎo)出模糊的控制點和控制運算法則。如LQG和活躍控制。由于汽車懸架固有非線性特性,導(dǎo)致這種控制方法不能充分發(fā)揮半自動懸架的功用。為充分利用懸架系統(tǒng)的非線性功用。如模糊邏輯控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊神經(jīng)控制等智能化控制方法近來都已被科研人員用于非線性懸架系統(tǒng)控制[。
由于主動式空氣懸架彈簧價格較貴，為降低成本，有的企業(yè)部分車型前橋使用鋼板彈簧，后橋使用空氣懸架彈簧。由此可知懸架正充分關(guān)注這方面的變化，提高綜合開發(fā)能力，以適應(yīng)市場的需求和變化，新型懸架的誕生迫在眉睫。
1.4.1國外研究現(xiàn)狀
國外汽車懸架運動學(xué)的研究起步較早，幾乎是隨著獨立懸架的誕生就開始了。汽車懸架彈性運動學(xué)的研究，在上世紀(jì)80年代興起。Duym用一種代數(shù)形式的經(jīng)驗公式來描述雙橫臂式獨立懸架系統(tǒng)的非線性特性，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合[3]。Kuti以有限元為工具，建立了一種客車懸架系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型[4]。這些研究表明，建立雙橫臂式獨立懸架系統(tǒng)的簡單而又比較準(zhǔn)確的非線性數(shù)學(xué)模型，并將其用于乘坐動力學(xué)的非線性研究具有重要意義。特別是近幾年來，摒棄了傳統(tǒng)設(shè)計方法，比較流行的優(yōu)化設(shè)計方法多是基于空間機構(gòu)運動學(xué)原理及多剛體動力學(xué)理論，采用計算機輔助設(shè)計，獲得了理想的設(shè)計結(jié)果，并有效地提高了工作效率[5]。雙橫臂式獨立懸架的設(shè)計、制造已比較成熟，而且成本低，工作可靠，是當(dāng)今世界汽車工業(yè)中懸架的主導(dǎo)產(chǎn)品。近年來，研究多連桿懸架運動特性的方法不斷涌現(xiàn)，D.M.A. Lee等人推導(dǎo)出轉(zhuǎn)向節(jié)的速度方程，并應(yīng)用逐步線性化方法來求解位置問題，Mohamed和Attia應(yīng)用剛性連桿和轉(zhuǎn)向節(jié)之間的約束方程獲得懸架的運動特性，Knapzyk和Dzierzec提出的拆桿法以及Lee Unkoo等人的位移矩陣法等[6]。
德國Prof.J.Reimell(耶爾森賴姆帕爾)著的《汽車底盤技術(shù)》對各種懸架運動學(xué)及彈性運動學(xué)作了詳細的分析，對車輪定位參數(shù)做了準(zhǔn)確的定義，分析了他們的作用及其對操縱穩(wěn)定性的影響。在懸架運動學(xué)分析中，描述了彈簧變形過程中車輪定位值的變化過程；在彈性運動學(xué)分析中，描述了彈簧各部件及交接處具有彈性，由輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位值的變化，并且給出了一些典型車型的車輪定位參數(shù)的變化曲線，這些變化曲線都是實測得到的，可以用來進行操縱穩(wěn)定性的評價[7]。德國人阿達姆·措莫托所著的《汽車行駛性能》、德國學(xué)者Wolfgang Matschinsky 編寫的《車輛懸架》以及日本學(xué)者安部正人所著的《汽車的運動與操縱》等著作中都對汽車懸架運動學(xué)特性做了深入的討論分析[8]。
1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
獨立懸架系統(tǒng)的研究在國內(nèi)也有較長的歷史。近幾年來，北京理工大學(xué)，浙江大學(xué)等高校正在開展此方面的研究，并發(fā)表了一些論文。對于獨立懸架系統(tǒng)的研究，主要是應(yīng)用線性理論研究汽車乘坐動力學(xué)[9]。目前，獨立懸架產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。但從總體上來看，國內(nèi)對于獨立懸架系統(tǒng)的研究相對較少，產(chǎn)品主要是仿造國外，自主開發(fā)能力差，并且缺少具有自主版權(quán)的專用軟件。在獨立懸架系統(tǒng)的研究中，國內(nèi)基于線性理論的建模與仿真仍處于主導(dǎo)地位，而基于非線性理論的非數(shù)學(xué)建模與分析也已經(jīng)引起重視，并有了一定的研究成果[10]。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，懸架研究方法不斷涌現(xiàn)，對于雙橫臂式懸架、麥弗遜式懸架等的運動學(xué)分析做過大量工作，而對于多連桿懸架系統(tǒng)，清華大學(xué)呂振華等利用機械原理中的拆桿法，對五連桿懸架進行了運動分析和受力分析，并應(yīng)用一種迭代算法分析了考慮橡膠襯套彈性的懸架運動特性，討論了襯套彈性對車輛性能的影響，清華大學(xué)宋健等和同濟大學(xué)祁宏鐘等分別采用瞬時軸線法和近似數(shù)值方法確定多連桿懸架的主銷軸線，該方法簡單可靠，對多連桿運動學(xué)理論分析打下基礎(chǔ)[11]。
上世紀(jì)80 年代起，多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論和方法已經(jīng)較廣泛應(yīng)用于汽車技術(shù)領(lǐng)域，一些優(yōu)秀的多體動力學(xué)分析的商業(yè)化軟件(如MSC.ADAMS 等)使得汽車懸架系統(tǒng)運動學(xué)分析技術(shù)日臻成熟和完善。吉林大學(xué)楊樹凱在其發(fā)表的《多連桿懸架與雙橫臂懸架運動學(xué)和彈性運動學(xué)特性分析》中，利用ADAMS/CAR 軟件對兩種懸架系統(tǒng)進行了運動學(xué)特性仿真對比分析[12]。
1.4.3 懸架的設(shè)計水平
汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計主要是為了提高汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計的領(lǐng)域也相應(yīng)地分為兩大部分：一是對汽車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性；另一是對汽車操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生主要影響的懸架特性。
長期以來，國內(nèi)汽車行業(yè)，特別是轎車、微型車行業(yè)基本上依靠國外技術(shù)生存。雖有眾多專家、學(xué)者、業(yè)內(nèi)人士不斷強調(diào)培育本土設(shè)計開發(fā)能力的重要性，但在缺乏競爭力的環(huán)境下，相關(guān)企業(yè)往往出于短期利益考慮，不愿在此方面進行大規(guī)模投入，致使這項工作難以真正落實到位。因此，迄今為出，國內(nèi)汽車行業(yè)對包括懸架系統(tǒng)在內(nèi)的汽車底盤系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品的設(shè)計機理，仍然知之甚少，重復(fù)引進到處可見與浪費驚人，而且也往往受制于人。
1.5懸架系統(tǒng)的自然振動頻率
由懸架剛度和懸架彈簧支承的質(zhì)量(簧載質(zhì)量)所決定的車身固有頻率(亦稱振動系統(tǒng)的自由振動頻率)，是影響汽車行駛平順性的懸架重要性能指標(biāo)之一。人體所習(xí)慣的垂直振動頻率是步行時身體上下運動的頻率，約為1-1.6Hz。車身固有頻率應(yīng)當(dāng)盡可能地處于或接近這—頻率范圍。根據(jù)力學(xué)分析，如果將汽車看成—個在彈性懸架上作單自由度振動的質(zhì)量，則懸架系統(tǒng)的固有頻率[2]為
n== (2-1)
式中，g為重力加速度；f為懸架垂直變形(撓度)；M為懸架簧裁質(zhì)量；K (K＝Mg/f)為懸架剛度(不—定等于彈性元件的剛度)，是指車輪中心相對于車架和車身向上移動的單位距離(即使懸架產(chǎn)生單位垂直壓縮變形)所需要加于懸架上的垂直載荷。
由上式可見：
A、在懸架所受垂直載荷一定時，懸架剛度越小，則汽車固有頻率越低。但懸架剛度越小，在—定載荷下懸架垂直變形就越大，即車輪上下跳動所需要的空間越大。這對于簧載質(zhì)量大的貨車，在結(jié)構(gòu)上是難以保證的，故實際上貨車的車身固有頻率往往偏高，而大大超過了上述理想的頻率范圍。
B、當(dāng)懸架剛度—定時，簧載質(zhì)量越大，則懸架垂直變形越大，而固有頻率越低，故空車行駛時的車身固有頻率要比滿載行駛時的高。簧載質(zhì)量變化范圍越大，則頻率變化范圍也越大。
為了使簧載質(zhì)量從相當(dāng)于汽車空載到滿載的范圍內(nèi)變化時，車身固有頻率保持不變成變化很小，就需要將懸架剛度做成可變的，即空車時懸架剛度小。而載荷增加時，懸架剛度隨之增加。
有些彈性元件本身的剛度就是可變的，如氣體彈簧；有些懸架所用的彈性元件的剛度雖然是不變的，但是安裝在懸架中之后，可使整個懸架具有可變的剛度，例如扭桿彈簧懸架。
懸架一般安裝在汽車的底部，其是汽車設(shè)計過程中不可缺少的一部分，同時也是整車NVH的關(guān)鍵。其主要功用如下：
(1) 支撐車輪，用于傳遞車輪的力矩。
(2）為保證汽車良好的平順性，需要吸收不平路面所引起的振動和沖擊。
(3）為整車的NVH降低提供保障。
(4）保證乘車人員的舒適性。
綜述所述正確的選擇懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)，是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性的直接因素。因此本設(shè)計中對轎車的麥弗遜獨立懸架進行設(shè)計。
1.6 懸架的分類
1.6.1獨立懸架
獨立懸架系統(tǒng)是每一側(cè)的車輪都是單獨地通過彈性懸架系統(tǒng)懸架在車架或車身下面的。
優(yōu)點：
1. 質(zhì)量輕，減少了車身受到的沖擊，并提高了車輪的地面附著力；
2. 可用剛度小的較軟彈簧，改善汽車的舒適性；
3. 可以使發(fā)動機位置降低，汽車重心也得到降低，從而提高汽車的行駛穩(wěn)定性；
4. 左右車輪單獨跳動，互不相干，能減小車身的傾斜和震動。
缺點：
1. 獨立懸架系統(tǒng)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜維修不便的缺點
2. 成本高
3. 因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會侵占一些車內(nèi)乘坐空間。
現(xiàn)代轎車大都是采用獨立式懸架系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)形式的不同，獨立懸架系統(tǒng)又可分為橫臂式、縱臂式、多連桿式、燭式以及麥弗遜式懸架系統(tǒng)等。
1,、單橫臂式
橫臂式懸架指車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動的獨立懸掛系統(tǒng)，一般和斷開式車橋配合使用。按橫臂數(shù)量又可分為單橫臂式懸架和雙橫臂式懸架。
單橫臂式具有結(jié)構(gòu)簡單，側(cè)傾中心高，有較強的抗側(cè)傾能力的優(yōu)點，缺點是輪距變化大，輪胎磨損加劇。
2、雙橫臂式
按上下橫臂是否等長又可分為等長雙橫臂式和不等長雙橫臂式。
等長雙橫臂式懸架在車輪上下跳動時，能保持主銷傾角不變，但輪距變化大，造成輪胎磨損嚴(yán)重。
不等長雙橫臂的橫向剛度大，只要適當(dāng)選擇、優(yōu)化上下橫臂的長度，并通過合理的布置、就可以使輪距及前輪定位參數(shù)變化均在可接受的限定范圍內(nèi)，保證汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性。雙橫臂的上下臂不能起到縱向?qū)蜃饔?，還需要另加拉桿導(dǎo)向。
這種結(jié)構(gòu)較雙叉臂更簡單的雙橫臂懸掛性能介于麥弗遜懸掛和雙叉臂懸掛之間，擁有不錯的運動性能。
3、雙叉臂式
用A字或者V字形結(jié)構(gòu)替代雙橫臂式的單臂。
優(yōu)點：橫向剛度大有較好的方向穩(wěn)定性、抗側(cè)傾性能優(yōu)異、抓地性能好、路感清晰；
缺點：制造成本高、懸架定位參數(shù)設(shè)定復(fù)雜。缺點是響應(yīng)速度較其他形式懸架要緩慢，橫向安裝空間大。
4、單縱臂式
縱臂式懸架是指車輪在汽車縱向平面內(nèi)擺動的懸架，根據(jù)縱臂的數(shù)量，縱臂式懸架可分為單縱臂式和雙縱臂式兩種。
單縱臂式懸架當(dāng)車輪跳動時，縱臂以套管的軸線為中心擺動，使扭桿彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，以緩和不平路面產(chǎn)生的沖擊，因為車輪上下運動時，主銷后傾角會產(chǎn)生很大變化。
5、雙縱臂式
雙縱臂式懸架是有兩個縱臂，而且其兩個縱臂長度一般做成相等，形成平行四連桿機構(gòu)。這樣可使車輪上下運動時，主銷后傾角不變，因而這種型式的懸架可以用作轉(zhuǎn)向懸架。
6、多連桿懸架
連桿式懸架是由多根桿件組合起來控制車輪的位置變化的懸架。適當(dāng)?shù)剡x擇擺臂軸線與汽車縱軸線所成的夾角，可不同程度地獲得橫臂式與縱臂式懸架的優(yōu)點，能滿足不同的使用性能要求，舒適性能和操控性能較好。
主要優(yōu)點是：車輪跳動時輪距和前束的變化很小，不管汽車是在驅(qū)動、制動狀態(tài)都可以按司機的意圖進行平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向。多連桿式懸架舒適性能是所有懸架中最好的，操控性能也和雙叉臂式懸架難分伯仲，高檔轎車由于空間充裕、且注重舒適性能和操控穩(wěn)定性，所以大多使用多連桿懸，可以說多連桿懸架是高檔轎車的絕佳搭檔。
缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，材料成本、研發(fā)實驗成本以及制造成本遠高于其它類型的的懸掛，而且其占用空間大。
多連桿獨立懸架，可分為多連桿前懸架和多連桿后懸架系統(tǒng)。其中前懸架一般為3連桿或4連桿式獨立懸架；后懸架則一般為4連桿或5連桿式后懸架系統(tǒng)，其中5連桿式后懸架應(yīng)用較為廣泛。
7、燭式懸架
燭式懸架的主銷通過上、下支承板固定在車架上，轉(zhuǎn)向節(jié)小巧。彈簧裝在主銷上，車輪沿著剛性地固定在車架上的主銷軸線上下移動，車輪上傳的力由主銷承受并傳遞至車架，不用裝導(dǎo)向機構(gòu)。
燭式懸架的優(yōu)點是：當(dāng)懸架變形時，主銷的定位角不會發(fā)生變化，僅是輪距、軸距稍有變化，因此特別有利于汽車的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定和行駛穩(wěn)定。
但燭式懸架有一個大缺點：就是汽車行駛時的側(cè)向力會全部由套在主銷套筒的主銷承受，致使套筒與主銷間的摩擦阻力加大，磨損也較嚴(yán)重。
8、 麥弗遜懸架
麥弗遜式懸架由螺旋彈簧、減震器、A字形下擺臂組成，絕大部分車型還會加上橫向穩(wěn)定桿。麥弗遜式獨立懸架的物理結(jié)構(gòu)為支柱式減震器兼作主銷，承受來自于車身抖動和地面沖擊的上下預(yù)應(yīng)力，轉(zhuǎn)向節(jié)（也可說車輪，因為轉(zhuǎn)向節(jié)作用于車輪）則沿著主銷轉(zhuǎn)動；此外，其主銷可擺動，特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，且前輪定位變化小，擁有良好的行駛穩(wěn)定性。
弗遜懸架的構(gòu)造其實非常簡單，而這種簡單帶來的最大好處就是其質(zhì)量很輕，并且體積很小，對于很多前置發(fā)動機前輪驅(qū)動的車輛來說，車頭部分的大部分空間都要用來布置橫置的發(fā)動機以及變速箱，留給懸架的空間并不大，因此麥弗遜懸架體積小質(zhì)量輕的優(yōu)勢就會表現(xiàn)的非常明顯。
而結(jié)構(gòu)簡單也是麥弗遜懸架最大的軟肋。與雙叉臂以及多連桿懸架相比，由于減震器和螺旋彈簧都是對車輛上下的晃動起到支撐和緩沖，因此對于側(cè)向的力量沒有提供足夠的支撐力度。這樣就使得車輛在轉(zhuǎn)向的時候車身有比較明顯的側(cè)傾，并且在剎車的時候有比較明顯的點頭現(xiàn)象。很多采用麥弗遜懸架的小型車為了控制成本，也只能將這樣的缺陷保留。雖然通過增加防傾桿能減小車輛側(cè)傾，但是卻不能根治這種情況。
1.6.2 非獨立懸架
非獨立懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是兩側(cè)車輪由一根整體式車架相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸架系統(tǒng)懸架在車架或車身的下面。非獨立懸架系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、強度高、保養(yǎng)容易、行車中前輪定位變化小的優(yōu)點，但由于其舒適性及操縱穩(wěn)定性都相對較差，在現(xiàn)代轎車中只有成本控制比較嚴(yán)格的車型才會使用，更多的用于貨車和大客車上。
優(yōu)點：
1.左右輪在彈跳時會相互牽連，輪胎角度的變化量小使輪胎的磨耗小。
2.在車身高度降低時還不容易改變車輪的角度，使操控的感覺保持一致。
3.構(gòu)造簡單，制造成本低，容易維修。
4.占用的空間較小，可降低車底板的高度。
缺點：
1.左右輪在彈跳時，會相互牽連，而降低乘坐的舒適性及操控的安定性。
2.因構(gòu)造簡單使設(shè)計的自由度小，操控的安定性較差。
1、鋼板彈簧懸架
鋼板彈簧懸架承載能力大，并且可兼做導(dǎo)向機構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)極為簡單，一般和整體橋配合使用。
2、扭桿彈簧懸架
扭桿彈簧(通常簡稱為扭桿)是用其自身扭轉(zhuǎn)彈性抵抗扭曲力的彈簧鋼桿。扭桿的一端固定在車架或車身其他構(gòu)件上，另一端連在受到扭力載荷的部件上。 扭桿彈簧也用于制造穩(wěn)定桿。優(yōu)點是：與其他彈簧相比，真單位重量的能量吸收率較高，所以可減輕懸架的重量，還能簡化懸架系統(tǒng)的配置，；缺點是不能控制振蕩，所以要配合減震器使用。
3、空氣彈簧懸架
其優(yōu)點是固有振動頻率低，可保持車高一定；高頻絕緣性較好；由于氣體的可壓縮性，容易獲得非線性彈簧特性；
缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。
1.6.3 半獨立懸架
拖曳臂式懸架我們姑且稱之為半獨立懸架，從懸架的大分類來看，所有的懸架可以被分成兩大類，即：獨立懸架和非獨立懸架。但是在但縱臂扭轉(zhuǎn)梁懸架上，這兩個分類變得有些模糊。從懸架結(jié)構(gòu)來看屬于不折不扣的非獨立懸架，因為左右縱向搖臂被一跟粗大的扭轉(zhuǎn)梁焊接在一起，但是從懸架性能來看，這種懸架實現(xiàn)的是具有更高穩(wěn)定性的全拖式獨立懸架的性能。
『典型的拖曳臂式后懸架』
『加裝了防傾桿拖曳臂式懸架』
『大眾甲殼蟲采用拖曳臂式后懸架』
拖曳臂式懸架本身具有非獨立懸架的存在的缺點但同時也兼有獨立懸架的優(yōu)點，拖曳臂式懸架的最大優(yōu)點是左右兩輪的空間較大，而且車身的外傾角沒有變化，避震器不發(fā)生彎曲應(yīng)力，所以摩擦小。拖曳臂式懸架的舒適性和操控性均有限，當(dāng)其剎車時除了車頭較重會往下沉外，拖曳臂懸架的后輪也會往下沉平衡車身，無法提供精準(zhǔn)的幾何控制。
不同廠家對這種懸架的稱謂不同：如：縱臂扭轉(zhuǎn)梁獨立懸架，縱臂扭轉(zhuǎn)梁非獨立懸架，H型縱向擺臂懸架等等。歸根結(jié)底他們都是同一種懸架結(jié)構(gòu)——拖曳臂式懸架，只是調(diào)教稍有不同。
1.6.4主動懸架和半主動懸架
懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼特性能根據(jù)汽車的行駛條件（車輛的運動狀態(tài)和路面狀況等）進行動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使懸架系統(tǒng)始終處于最佳減振狀態(tài)，稱為主動懸架。
分類
主動懸架系統(tǒng)按其是否包含動力源可分為全主動懸架（有源主動懸架）和半主動懸架（無源主動懸架）系統(tǒng)兩大類。
全主動懸架就是根據(jù)汽車的運動和路面狀況，適時地調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。
半主動懸架
半主動懸架不考慮改變懸架的剛度，而只考慮改變懸架的阻尼，因此它是由無動力源且只有可控的阻尼元件組成。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，工作時幾乎不消耗車輛動力，而且還能獲得與全主動懸架相近的性能，故有較好的應(yīng)用前景。
半主動懸架按阻尼級又可分成有級式和無級式兩種。
有級式半主動懸架
它是將懸架系統(tǒng)中的阻尼分成兩級、三級或更多級，可由駕駛員選擇或根據(jù)傳感器信號自動進行選擇所需要的阻尼級。
無級式半主動懸架
它是根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對懸架系統(tǒng)的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小變到最大進行無級調(diào)節(jié)。
1.7 主要設(shè)計思路及方法
1.7.1研究方法
（1）通過查閱相關(guān)資料，掌握空氣彈簧懸架主要參數(shù)。
（2）充分考慮已有麥弗遜獨立空氣彈簧懸架的優(yōu)缺點來確定空氣彈簧懸架的總體設(shè)計方案，對現(xiàn)有裝置的不足進行分析。
（3）對設(shè)計的空氣彈簧懸架進行修改和優(yōu)化，最終設(shè)計出能滿足要求的空氣彈簧懸架。
1.7.2研究技術(shù)路線
（1）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關(guān)資料，了解當(dāng)今國內(nèi)外空氣彈簧懸架的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，撰寫文獻綜述和開題報告。
（2）根據(jù)產(chǎn)品功能和技術(shù)要求提出多種設(shè)計方案，對各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案，再對所選擇的方案做進一步的修改或優(yōu)化，最終確定總體設(shè)計方案。
（3）具體設(shè)計空氣彈簧的驅(qū)動裝置、工作裝置等。
（4）對所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)中的重要零件進行校核計算，保證設(shè)計的合理性和可行性。；
（5）繪制零件圖、裝配圖，完成要求的圖紙量；
（6）整理各項設(shè)計資料，撰寫論文。
1.8 本課題研究的內(nèi)容
本次設(shè)計主要針對越野車空氣懸架進行設(shè)計，從越野車空氣懸架的整體方案出發(fā)，然后具體細化出具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個方面：
（1）通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館查找各種關(guān)于越野車空氣懸架的相關(guān)資料，對越野車空氣懸架進行方案的比較和預(yù)定。
（2）分析越野車空氣懸架的結(jié)構(gòu)與參數(shù)
（3）確定設(shè)計總體方案
（4）確定具體設(shè)計方案
（5）越野車空氣懸架圖紙的繪制。
（6）說明書的整理
第二章 越野車空氣懸架總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
2.1空氣懸架結(jié)構(gòu)分析
空氣彈簧懸架具有變剛度、剛度小、振動頻率低、車身高度不變等優(yōu)點。典型的機械式空氣懸架主要包括以下幾個部分：
(1)空氣彈簧
空氣彈簧是由橡膠囊所圍成的一個密閉容器，在其中貯入壓縮空氣，利用空氣的可壓縮性實現(xiàn)其彈簧的作用。這種彈簧的剛度是可變的，因為作用在彈簧上的載荷增加時，容器內(nèi)的定量氣體氣壓升高，彈簧剛度增大。反之，當(dāng)載荷減小時，彈簧內(nèi)的氣壓下降，剛度減小，故空氣彈簧具有較理想的彈性特性。
(2)導(dǎo)向機構(gòu)
導(dǎo)向機構(gòu)是承受汽車的縱向力、力矩及橫向力。由于空氣懸架只能承受垂直載荷，所以需要安裝導(dǎo)向機構(gòu)以承受橫向力、縱向力及力矩以使車橋(或者車輪)按一定的軌跡相對車身或車架跳動。
(3)減振裝置
減振裝置主要是用來消耗振動能量，衰減振動?？諝庾鳛榭諝鈴椈傻墓ぷ鹘橘|(zhì)，內(nèi)摩擦極小，與板簧相比空氣彈簧本身只有少量阻尼，所以空氣懸架必須裝有阻尼器，而且其阻尼要相應(yīng)增加以達到迅速衰減振動的目的。但如果阻尼過大又會使反應(yīng)遲鈍并向車身傳遞過多的高頻振動和沖擊，所以減振器阻尼的匹配是否合理將影響懸架的性能。
(4)高度控制閥
高度控制閥是空氣彈懸架系統(tǒng)的一個重要組成部分，其主要功能是：①隨整車載荷變化保持合理的懸架行程；②高速時降低車身高度，保持車身穩(wěn)定性，減少空氣阻力；⑨在起伏不平的路面上，可以提高車身高度從而提高了汽車的通過性，空氣彈簧的優(yōu)越性通過安裝高度控制閥充分的顯現(xiàn)出來。
(5)其它附屬裝置
空氣彈簧以壓縮空氣作為介質(zhì)，所以必須裝有壓氣機以產(chǎn)生壓縮空氣，另外為了進一步提高空氣彈簧的性能大部分空氣懸架還裝有輔助氣室。現(xiàn)如今，隨著科技的迅速發(fā)展，很多高檔的客車、轎車以及商用車上已經(jīng)成功的使用了電控空氣懸架，這種懸架使用高度傳感器和電子控制單元來控制空氣彈簧的充氣和排氣，從而更加提高了空氣懸架的控制精度和反應(yīng)速度。但在功能好的同時也有其缺點：這種汽車懸架的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，而且成本非常高。所以在國內(nèi)應(yīng)用的還不是很廣泛，但是這是汽車懸架發(fā)展的必然趨勢。
2.2推力桿的設(shè)計計算
本次設(shè)計的越野車空氣懸架的轉(zhuǎn)推力桿主要是起到推動的功能，所以它的尺寸和強度的校核計算非常重要。
2.2.1推力桿的直徑確定
mm （2.1）
根據(jù)工作條件，取mm
2.2.2推力桿受力分析
N （2.2） N （2.3） N （2.4）
求支座反力
①垂直面支反力：
由，得：
（2.5）
由，得：
N （2.6）
②水平面支反力：
由，得：
（2.7）
N
由，得：
N （2.8）
作彎矩圖：
①垂直面彎矩圖：
C點
N·mm （2.9）
②水平面彎矩圖：
C點
N·mm （2.10）
③合成彎矩圖：
C點
N·mm （2.11）
作轉(zhuǎn)矩T圖：
N·mm
2.2.3校核推力桿的強度
按彎扭合成應(yīng)力校核推力桿的強度
校核推力桿上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。由文獻[1，15-5]可知，取，推力桿的計算應(yīng)力
MPa （2.12）
選定推力桿的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻[1]表可知，MPa。因此，，故安全。
①判斷危險截面
從應(yīng)力集中對推力桿的疲勞強度的影響來看，截面IV和V引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，而V受的彎矩較大；從受載的情況來看，截面C的應(yīng)力最大，但應(yīng)力集中不大，故C面不用校核。只需校核截面V。
②截面V左側(cè)
抗彎截面系數(shù) mm （2.13）
抗扭截面系數(shù) mm （2.14）
截面V左側(cè)的彎矩M為
Mpa （2.15）
截面V上的扭矩T為 MPa
截面上的彎曲應(yīng) Mpa （2.16）
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力MPa （2.17）
推力桿的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由文獻[1]表可知，MPa，MPa，MPa。
由文獻[1] 附表可知，用插入法求出
，
推力桿按精車加工，由文獻[1] 附圖可知，表面質(zhì)量系數(shù)為：
推力桿未經(jīng)表面強化處理，
固得綜合系數(shù)為
（2.18）
由文獻[1] §，§可知，碳鋼的特性系數(shù)
取
取
所以推力桿在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為
（2.19）
（2.20）
（2.21）
故該推力桿在截面V左側(cè)的強度是足夠的。
2.3推力桿的強度計算與校核
截面V右側(cè)
抗彎截面系數(shù) mm
抗扭截面系數(shù) mm
截面V左側(cè)的彎矩M為
MPa
截面V上的扭矩T為 MPa
截面上的彎曲應(yīng)力 MPa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 MPa
截面上由于推力桿肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及按文獻[1]附表查取。因，，
，
又由文獻[1]附圖可得推力桿的材料的敏感系數(shù)為
，
故有效應(yīng)力集中系數(shù)按文獻[1，附]為
（2.22）
由文獻[1]附圖可得推力桿的截面形狀系數(shù)為
由文獻[1]附圖可得推力桿的材料的敏感扭轉(zhuǎn)剪切尺寸系數(shù)為
綜合系數(shù)為
所以推力桿在截面V左側(cè)的安全系數(shù)為
故該推力桿在截面V左側(cè)的強度是足夠的。
2.4螺栓的選型計算
螺栓的強度在機械聯(lián)接中至關(guān)重要，特別是在重要的場合，其強度校核和計算尤其重要。其受力簡圖如上圖所示，圖中以合力代替均勻分布的作用力假設(shè)應(yīng)力在剪切面內(nèi)是均勻分布的，若為剪切面面積，則應(yīng)力為：?
與剪切面相切，故為剪應(yīng)力。
2、擠壓實用計算
在工程上也使用相似剪切的計算方法，假設(shè)擠壓應(yīng)力是均勻分布的，則?
擠壓面面積為擠壓面的正投影面積。對于平鍵接觸面面積就是擠壓面面積；對于螺栓擠壓面面積就是直徑平面面積，其值為。?
3、強度條件?
剪切和擠壓的強度條件如下：?
剪切強度條件：≤
擠壓強度條件：≤
式中
塑性材料：
?
脆性材料：
?先按剪切強度設(shè)計：?
≤??≤
d≥
再用擠壓強度條件設(shè)計，擠壓力為，所以?
≤? ?≤
d≥
最后得到螺栓的抗大強度和抗剪強度是合適的。
2.5 空氣彈簧的分析
空氣懸架多應(yīng)用于大型客車和無軌電車上，在高級轎車、長途運輸重型越野車和掛車上有所應(yīng)用。其彈性元件是由夾有簾線的橡膠囊或模和充入其內(nèi)腔的壓縮空氣所組成的。這種懸架除彈性元件、減振器和導(dǎo)向機構(gòu)外，一般還裝有車身高度調(diào)節(jié)裝置。
由于空氣彈簧可以設(shè)計的比較柔軟，因而空氣懸架可以得到較低的固有頻率，同時空氣彈簧的變剛特性使得這一頻率在較大的載荷變化范圍內(nèi)保持不變，從而提高了汽車的平順性。空氣懸架的另一個優(yōu)點在于通過調(diào)節(jié)車身高度使得大客車的地板高度和越野車的貨箱高度哦隨載荷的變化基本保持不變。此外，空氣懸架還具有空氣彈簧壽命長、質(zhì)量小以及噪音低等一些優(yōu)點。
按照結(jié)構(gòu)特點，空氣彈簧可以分為囊式和膜式兩大類，囊式空氣彈簧結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，制造方便，但剛度較高，因而常用于大型客車、無軌電車和越野車，并且常配有輔助氣室以降低彈簧剛度，膜式空氣彈簧剛度小，適應(yīng)于用作轎車懸架，但同等空氣壓力和尺寸下其承載能力小，并且動剛度會增大。
本設(shè)計的膜式的空氣彈簧。
圖5.1 空氣彈簧
46
2.6 空氣彈簧力學(xué)性能設(shè)計
空氣彈簧的支承、彈性作用取決于空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣。容積比、氣體壓縮系數(shù)基本上決定了理想空氣彈簧的力學(xué)性能。
空氣彈簧是利用橡膠氣囊內(nèi)壓縮空氣的反作用力作為彈性恢復(fù)力的彈性元件。剛度是空氣彈簧的重要性能參數(shù)，用如下理論公式空氣彈簧垂直剛度K計算：
(5.1)
式中γ為剛度比，Pa為絕對壓力（/），A為空氣彈簧的有效面積，V為彈簧的體積，P為示壓強
由式（4一l）可知，空氣彈簧的有效承壓面積及其交化率對空氣彈簧剛度的影響顯著。囊式空氣彈簧工作時有效承壓面積交化率較大，彈簧剛度較大。由于分擔(dān)氣囊形變的曲囊越多，氣囊有效承面積變化率越小，因此曲囊增多可減小囊式空氣彈簧的剛度。在橡膠氣囊正常工作氣壓范圍內(nèi)，膜式空氣彈簧的有效承壓積面變化率比囊式氣彈簧小，即膜式空氣彈簧的剛度比囊式空氣簧小。同時，膜式空氣彈簧可以通過改變活塞底部形狀來控制有效承壓面積變化率，以獲得理想彈性特性。另外，囊式空氣彈簧可以通過添加輔助氣室，膜式空氣彈簧可利用活塞底座空心內(nèi)腔作為輔助氣室來增大氣體體積，從而降低彈簧剛度。
前懸的空氣彈簧剛度K計算:
=10600
=114γ+17.78
當(dāng)靜剛度比γ=1時 131.78
當(dāng)動剛度比γ=1.4時 177.38
用下式計算固有頻率：
（5.2）
式中g(shù)為重力加速度980;W為簧上質(zhì)量
當(dāng)用靜剛度比時則 合格
當(dāng)用動剛度比時則 合格
彈簧的剛度公式為
從中可