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技術(shù) 要求 1、零件毛 坯熱鍛軋 制加工， 表面不允 許有尖角 、毛刺、 裂 紋折疊 、夾層； 內(nèi)部不允 許有白點 、裂紋、 殘余縮孔 等 缺陷；2、10%探 傷檢查， 不允許有 鍛造、淬 火裂紋和 損傷,若用 磁力探傷 檢查,探傷 后去磁; 3、熱處理 硬度：不 大于HB21 7； 4未注倒 圓角R2-R 5； 上橫臂前 臂 比例件數(shù)材料球 墨鑄鐵 金陵科技 學(xué)院車輛工程一班羅棟 技術(shù) 要求 1、壓裝襯 套后產(chǎn)品 表面應(yīng)保 持清潔， 無油污； 2在 的過程應(yīng) 做好防護(hù) 措施產(chǎn) 品漆表 面不能有 掉 漆，磕碰 和劃傷. 懸架下橫 臂 比例件數(shù)材料球 墨鑄鐵 金陵科技 學(xué)院車輛工程一班羅棟 技術(shù) 要求 1、點A ：下橫 臂前安 裝中心 點. 點B ：下橫 臂后安 裝中心 點； 2、各零 部件在 裝配前 應(yīng)清洗 干凈， 裝配時 應(yīng)無異 物混入 ， 裝配后 保證總 成無磕 碰等損 傷； 雙橫臂 式空氣 懸架 比例件數(shù)材料 球墨鑄鐵 金陵科 技學(xué)院車輛工程一 班 羅棟 壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
目 錄
摘要 Ⅲ
Abstract Ⅳ
1 緒論 1
1.1雙橫臂式獨(dú)立懸架研究的意義和分類 1
1.2懸架的設(shè)計要求 1
1.3本課題研究的主要內(nèi)容 1
2雙橫臂式懸架結(jié)構(gòu)概述 3
2.1懸架彈性元件選擇 3
2.2雙橫臂式空氣彈簧獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)與功能 3
3雙橫臂式空氣懸架基本參數(shù)的確定 5
3.1懸架基本參數(shù)的意義及確定 5
3.2 前輪外傾的作用及參數(shù)選擇 6
3.3 前輪前束的作用及參數(shù)選擇 6
3.4 主銷內(nèi)傾角的作用及參數(shù)選擇 6
3.5 主銷后傾角的作用及參數(shù)選擇 7
3.6 懸架靜撓度 8
3.7 懸架的動撓度 9
3.8 懸架側(cè)傾角剛度 10
4懸架設(shè)計計算 11
4.1 彈性元件的確定 11
4.1.1彈性元件概述 11
4.1.2彈簧基本參數(shù)確定與剛度計算 12
4.2 減振器設(shè)計計算 13
4.2.1 減振器的作用與結(jié)構(gòu) 13
4.2.2 單筒充氣式液壓減振器外特性和設(shè)計原則 14
4.2.3 單筒充氣式液壓減振器參數(shù)和尺寸的確定 15
III
目錄
4.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 17
4.3.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用 17
4.3.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置參數(shù) 17
4.4 緩沖塊 19
4.5 上下橫臂長度 19
5懸架主要零件 CATIA 建模與分析 20
5.1 上橫臂、減振器、下橫臂等零件的繪制 20
5.1.1 上橫臂前臂的繪制 20
5.1.2 減振器與其他零件的裝配 23
5.2 ANSYS仿真分析優(yōu)化 24
總結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
致謝 31
摘要
雙橫臂式獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析
摘 要
隨著汽車的發(fā)展，懸架的重要性俞顯突出，它的主要作用是對車輪與車身之間的力起傳導(dǎo)作用，并當(dāng)汽車行駛路面凹凸不平時緩和汽車所受沖擊和衰減承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車的行駛平順性。
懸架種類繁多，而雙橫臂懸架在市場運(yùn)用中始終占有一席之地，至今未被市場淘汰，其具有很好的操縱穩(wěn)定性和舒適性，是比較高級的懸架?？諝鈴椈?，因詞生意，其是以空氣為介質(zhì)起彈性作用的一種彈簧。與其他彈性元件相比，其具有獨(dú)特的性能，其中之一便是調(diào)節(jié)車身相對路面高低當(dāng)汽車行駛路況改變和汽車載重發(fā)上變化時。
本次設(shè)計主要內(nèi)容介紹了雙橫臂空氣彈簧獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)與功能，然后根據(jù)車所要滿足的性能要求確定懸架四輪定位參數(shù)及剛度，空氣彈簧的選擇及剛度計算，減震器類型的選用及參數(shù)計算，上下橫臂臂長的確定等，并結(jié)合所得設(shè)計參數(shù)，對雙橫臂空氣彈簧獨(dú)立懸架進(jìn)行3D建模與ANSYS分析優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：雙橫臂懸架；空氣彈簧；匹配設(shè)計；3D建模
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Structure design and performance analysis of Double - Arm Independent suspension.
Abstract
With the development of the automobile, the importance of the suspension is prominent. Its main role is to conduct the force between the wheel and the body, and to ease the impact and attenuation of the car carrying system when the road surface is uneven. Vibration to ensure the smooth running of the car.
There are many kinds of suspensions, and the double wishbone suspension has always occupied a place in the market. It has not been eliminated in the market yet. Because it has good handling stability and comfort, it is a relatively advanced suspension. Air springs, because of the word business, are springs that use air as a medium for elasticity. Compared with other elastic elements, it has unique performance, one of which is to adjust the relative height of the vehicle body when the road conditions of the vehicle change and the load of the vehicle changes.
The main contents of this design introduced the structure and function of the double wishbone air spring independent suspension. Then the four wheel alignment parameters and stiffness of the suspension were determined according to the performance requirements to be satisfied by the vehicle. The selection of the air spring and the stiffness calculation, the type of the shock absorber The selection and parameter calculation, the determination of the arm length of the upper and lower arms, etc., combined with the design parameters, 3D modeling and ANSYS analysis of the double wishbone air spring independent suspension.
Key words:Double wishbone suspension；Air spring；Matching design；3D modeling
IX
1 緒 論
1 緒 論
1.1 雙橫臂式獨(dú)立懸架研究的意義和分類
隨著時代的發(fā)展，人們的經(jīng)濟(jì)收入和生活水平越來越高，由此而來的對出行工具汽車的性能要求也越來越高。人們對汽車性能的主觀判斷因素多為乘坐舒適性、行駛穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性。其中汽車的行駛穩(wěn)定性與操縱穩(wěn)定性與汽車的懸架有著直接的聯(lián)系，因此為了提高汽車的性能，懸架系統(tǒng)在汽車各組成系統(tǒng)中得到更加廣泛的重視[1]。
懸架的主要作用是對車輪與車身之間的力（比如支撐力、制動力和驅(qū)動力等）起傳導(dǎo)作用，并當(dāng)汽車行駛路面凹凸不平時緩和汽車所受沖擊和衰減承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車的行駛平順性和乘員的舒適性[2]。
根據(jù)車軸的連接是否，汽車懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩類，非獨(dú)立懸架用一根整體軸連接汽車兩側(cè)車輪，獨(dú)立懸架兩側(cè)車輪通過各自的懸架系與車身相連。獨(dú)立懸架的優(yōu)點是:簧下質(zhì)量小;懸架在汽車底盤結(jié)構(gòu)中所占的空間較小:彈性元件只承受垂直方向作用的力，所以可以降低車身振動頻率通過使用小剛度彈簧，使汽車內(nèi)駕駛員與乘客乘坐感到更加舒適。不僅如此，車輪兩側(cè)車軸斷開使得左、右車輪運(yùn)動互不影響，可使汽車在凹凸不平路面上行駛時有效附著地面并減少車身的傾斜。一般來說，獨(dú)立懸架為絕大多數(shù)汽車前懸架采用的首選模式。
按其結(jié)構(gòu)類型來分，獨(dú)立懸架有麥弗遜式、多連桿、雙橫臂或雙叉臂式等類型。而雙橫臂式獨(dú)立懸架的減振器因為沒有橫向施加的載荷，而且上端高度相對車身來說比其他形式的懸架減振器較低，因此使車身頭部的高度能夠得到降低，以此改進(jìn)車身造型。同時，雙橫臂式獨(dú)立懸架具有很好的操縱穩(wěn)定性和舒適性，因此以比較高級的懸架定位在汽車中得到廣泛運(yùn)用[3]。
1.2 懸架的設(shè)計要求
懸架與汽車的多種使用性能有關(guān)，為達(dá)到懸架所被要求的性能，懸架設(shè)計必須做到以下幾點:首先，懸架的強(qiáng)度要滿足汽車在各運(yùn)動情況下的強(qiáng)度，不能發(fā)生變形等狀況。其次，懸架系統(tǒng)要保證汽車在行駛時能夠盡量保持平穩(wěn)沒有太大的上下振動，對載人汽車而言，其振動加速度要符合國家標(biāo)準(zhǔn)其并不能太大。再次，要能保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性。保證汽車側(cè)傾和縱傾符合汽車規(guī)定的上限。汽車懸架在汽車中起的作用巨大，所以設(shè)計時要綜合考慮各方面因素[4]。
1.3 本課題研究的主要內(nèi)容
本課題要完成雙橫臂式獨(dú)立懸架彈性元件的選擇；確定雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)類型和主要參數(shù)；掌握關(guān)鍵零部件的工作原理并進(jìn)行雙橫臂懸架的匹配設(shè)計，保證汽
34
1 緒論
車有良好的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性；保證汽車合適的衰減振動能力；汽車制動或加速時保證車身穩(wěn)定，防止車身發(fā)生過大“點頭”或“后仰”現(xiàn)象即車身縱傾；轉(zhuǎn)彎時車身側(cè)傾角要符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的側(cè)傾角；同時懸架結(jié)構(gòu)需要緊湊并在汽車底盤中占用空間尺寸盡可能地要少，但必須可靠的傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩。最后，繪制雙橫臂式空氣彈簧獨(dú)立懸架總成圖及主要零部件圖，利用CATIA 軟件對零件進(jìn)行裝配并使用ANSYS對懸架主要零部件進(jìn)行分析并優(yōu)化。
2 雙橫臂式懸架的結(jié)構(gòu)概述
2雙橫臂式懸架的結(jié)構(gòu)概述
2.1 懸架彈性元件的選擇
汽車懸架系統(tǒng)中采用的彈性元件有很多種類，在市場運(yùn)用中廣泛見到的主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、氣體彈簧和橡膠彈簧等。在此，我們選用氣體彈簧中的空氣彈簧作為彈性元件。
在對汽車性能的進(jìn)一步開發(fā)需求中，基于振動主動控制的主動懸架系統(tǒng)逐漸走入各位汽車研究者的眼中。彈性元件中的空氣彈簧是其研究的重點之一。傳統(tǒng)被動式懸架系統(tǒng)因為彈簧剛度與減振器阻尼固定不可調(diào)節(jié)，不能根據(jù)實時路況、汽車載重與乘員需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法同時兼顧汽車乘坐舒適性、行駛平順性以及操縱穩(wěn)定性三方面性能實現(xiàn)最優(yōu)匹配。而空氣彈簧可以做到兼顧[5]。
在現(xiàn)有市場中，空氣彈簧主要運(yùn)用在大型客車與某些卡車上，漸漸替代原汽車中的鋼板彈簧部件，與此同時，空氣懸架系統(tǒng)漸漸發(fā)展成為某些高檔車關(guān)鍵部件?？諝鈴椈涩F(xiàn)已成為汽車性能提升的主要部件之一,其獨(dú)特的變剛度、低振動頻率等特性,更加有效地提高了汽車系統(tǒng)性能,使得更多的的汽車研究人員將目光放在汽車空氣懸架上面。
2.2 雙橫臂式空氣彈簧獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)與功能
空氣彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器、橫向穩(wěn)定器、緩沖塊、高度控制機(jī)構(gòu)、空氣壓縮機(jī)及儲氣筒等構(gòu)成了雙橫臂式空氣彈簧獨(dú)立懸架的主體。其機(jī)構(gòu)簡圖如圖2.1。
減振器
空氣彈簧
下橫臂
上橫臂
圖2.1 雙橫臂空氣懸架簡圖
空氣彈簧與其控制機(jī)構(gòu)是雙橫臂式空氣彈簧獨(dú)立懸架的特色結(jié)構(gòu)，空氣彈簧在汽車上控制車身高低的工作原理圖如圖2.2。
圖2.2 1、單向閥；2、儲氣筒；3、壓力保護(hù)閥；4、過濾器；
5、高度控制閥；6、空氣彈簧
當(dāng)汽車平順行駛時，空氣彈簧6不充氣也不放氣，車身高度不變。
當(dāng)汽車上裝有的電子控制單元檢測到汽車行駛路面不平或轉(zhuǎn)彎時，其會發(fā)出信號給高度控制閥5使其打開充氣閥門讓儲氣筒2內(nèi)的空氣進(jìn)入空氣彈簧6，使車身恢復(fù)水平。
當(dāng)汽車載荷增加時，汽車整體高度下降，空氣彈簧6被壓縮，此時高度控制閥5打開充氣閥門，彈簧充氣恢復(fù)到原來位置，車身高度亦隨之恢復(fù)。反之則相反[6]。
3 雙橫臂式空氣懸架基本參數(shù)的確定
3雙橫臂式空氣懸架基本參數(shù)的確定
3.1懸架基本參數(shù)的意義及確定
懸架設(shè)計處于整車開發(fā)中的產(chǎn)品開發(fā)階段中底盤布置階段。
在懸架進(jìn)行具體的設(shè)計之前，首先要了解懸架所要安裝的汽車類型、發(fā)動機(jī)驅(qū)動形式、燃油種類、汽車的性能要求等信息，并對其進(jìn)行綜合匹配方能合理布置懸架[7]。
懸架的設(shè)計總是與整車的設(shè)計緊密相連的，懸架的硬點坐標(biāo)是在總布置時就確定了的，不過在后續(xù)的設(shè)計中仍要進(jìn)行不斷的修正以滿足性能要求?，F(xiàn)已選定某一客車車型，其基本技術(shù)參數(shù)如表3-1。
表3-1 整車技術(shù)參數(shù)
項目
理論參數(shù)
1?
外部
尺寸
參數(shù)
?
車輛長
7490
車輛寬
2200
車輛高
2885
軸距
4200
輪距（前/后）
1830/1634.5
2
質(zhì)量
參數(shù)
?
空載前軸質(zhì)量(kg)
2405
空載后軸質(zhì)量(kg)
2555
空載質(zhì)心到前軸距離（mm）
2165
空載質(zhì)心離地高（mm）
880
最大總質(zhì)量(kg)
6751
滿載前軸質(zhì)量(kg)
2868
滿載后軸質(zhì)量(kg)
3883
滿載質(zhì)心到前軸距離（mm）
2420
滿載質(zhì)心離地高（mm）
970
通過點云逆向，運(yùn)動學(xué)分析校核，空載前懸架硬點坐標(biāo)設(shè)定如表3-2所示：
表3-2 前懸架硬點坐標(biāo)
硬點（空載）
X坐標(biāo)
Y坐標(biāo)
Z坐標(biāo)
前車輪輪心
0
±915
55
滑柱上點
30
±535
598
下擺臂球銷中心
-6.2
±690.5
-57
下擺臂前點
6.4
±363.4
-37.1
下擺臂后點
316.1
±346.6
-19.7
車輪滾動半徑為387mm。根據(jù)以上參數(shù)，對懸架進(jìn)行設(shè)計。
3.2 前輪外傾的作用及參數(shù)選擇
前輪外傾是指汽車前輪安裝后，相對地面其上端向外傾斜，車輪的旋轉(zhuǎn)平面與汽車前進(jìn)方向的地面縱向平面之間的夾角為前輪外傾角。假設(shè)沒有外傾角，當(dāng)汽車的載荷增加時，汽車相對于車橋的載荷增加，一方面，會使車橋受力向下彎曲，容易造成斷裂；另一方面，車橋下彎后汽車行駛時車輪受車橋力的作用，車輪容易向汽車內(nèi)部方向傾斜滾動，加劇輪胎磨損，影響汽車操縱穩(wěn)定性等[8]。
因此，在安裝前輪時，通常設(shè)有一個外傾角，不過外傾角也不宜過大，否則在汽車直行行駛時，車輪會產(chǎn)生向外滾動傾向，同時對輪胎會有較大的磨損。
綜合考慮轉(zhuǎn)向性能和直行穩(wěn)定性，及表3-1客車車型參數(shù)取車輪外傾角為0.75°±30＇。
3.3 前輪前束的作用及參數(shù)選擇
汽車的前束角的定義為汽車車輪旋轉(zhuǎn)形成的平面與汽車縱向平面形成的夾角，若車輪相對于汽車前進(jìn)方向的前部靠近汽車中心，則前束角為正，反之，則為負(fù)。在汽車輪心橫向平面內(nèi)，兩前輪的后側(cè)輪距與前側(cè)輪距之差為前束。
當(dāng)汽車前輪有了外傾角后，汽車在直向行駛時，車輪會有向前進(jìn)方向外側(cè)滾動的趨勢，然而由于車橋的約束，車輪不可能脫離車身向外滾開，所以會出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)象，加劇輪胎磨損。為了解決這種車輪外傾帶來的車輪磨損，所以在車輪安裝時設(shè)置了前束角，通過前束角與外傾角的共同作用，使得車輪滾動方向接近于正前方。按照國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對于標(biāo)準(zhǔn)車輛，前束值約為5′～20′。對于前輪驅(qū)動者（FDW），前束角可達(dá)20′(為補(bǔ)償驅(qū)動力)。在此選前束角為0°20′。
3.4 主銷內(nèi)傾角和作用及參數(shù)選擇
轉(zhuǎn)向主銷內(nèi)傾角是指在通過兩前輪輪心的地面縱向平面內(nèi)，汽車主銷軸線與地面垂直線之間的夾角,轉(zhuǎn)向主銷偏置距是指主銷軸線延長線與地面的交點B和車輪底部與地面交點A之間的距離(圖 3.4)。
主銷內(nèi)傾角主要作用是當(dāng)車輪偶然受到外力使得轉(zhuǎn)向輪稍有偏轉(zhuǎn)時，內(nèi)傾角使得汽車擁有一個自動回正的作用。然而，內(nèi)傾角也不宜過大，否則駕駛員不僅需要更大的力才能克服輪胎與地面的摩擦阻力使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，還加劇了輪胎磨
損。在對社會中現(xiàn)有車輛主銷傾角的普遍分析，其一般取值在 6°~13°范圍內(nèi)。
在此，根據(jù)車型主銷內(nèi)傾角取 12.5°±30＇，主銷偏置距-2mm。
轉(zhuǎn)向主銷偏置距
轉(zhuǎn)向主銷內(nèi)傾角
轉(zhuǎn)向主銷軸
圖3.4 主銷內(nèi)傾角及偏移距
3.5 主銷后傾角的作用及參數(shù)選擇
主銷后傾角的定義為在汽車縱向平面內(nèi)，主銷軸線的延長線與地面垂直線之間的夾角;后傾拖距是指主銷軸線的延長線與地面交點B和車輪底部與地面交點A之間的距離(圖 3.5)。
其主要作用是當(dāng)汽車行駛時使轉(zhuǎn)向輪偶然受外力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時具有一個自動回正的穩(wěn)定力矩。但主銷后傾角又不宜設(shè)計過大，因為主銷后傾角過大時，駕駛員在轉(zhuǎn)向時需要施加更大的力才能克服穩(wěn)定力矩使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。汽車的主銷后傾角一般為：FF車型 0~ 3°；FR車型 3~10°。
后傾拖距
主銷后傾角
轉(zhuǎn)向主銷軸
圖 3.5 主銷后傾角
后傾拖距的取值應(yīng)符合一定數(shù)值范圍，當(dāng)轉(zhuǎn)向系無助力裝置時?？蛙嚨暮髢A拖距一般為 10~40mm。綜合考慮后主銷后傾角取 4.5°±30＇，后傾拖距為 15.6mm。
3.6 懸架靜撓度
任何一個對汽車行駛平順性有影響的懸架技術(shù)參數(shù)都是需慎重選擇的，而偏頻就是其中的重要技術(shù)參數(shù)之一。汽車的平順性根據(jù)汽車用途的不同要求標(biāo)準(zhǔn)也不同。其中，以運(yùn)人為主的轎車要求最高，其次客車，再其次為貨車[9]。偏頻在前懸架滿載時要求在 1.00~1.45Hz范圍內(nèi)適用在小排量發(fā)動機(jī)的乘用車上。理論上，懸架的偏頻應(yīng)隨著發(fā)動機(jī)排量的增大而減小。由于此次懸架匹配設(shè)計的車型為客車，因此選取前懸架滿載時偏頻n=1.1Hz。
懸架靜撓度是指汽車滿載靜止時懸架承受的載荷力與此時懸架剛度之比，即
（6-1）
式中：指滿載靜止時前懸架上的載荷（N）;
K指前懸架的剛度（N/cm）;
偏頻公式
（6-2）
式中， m為簧上質(zhì)量（Kg）；m=1274Kg.
n指汽車車身的固有頻率（Hz）。
同時，滿載靜止時前懸架上的載荷可用來表示。結(jié)合式（6-1）此時前懸架的靜撓度
（6-3）
式中：g為重力加速度。g=981。
此時將式（6-3）代入式（6-2）= ′可以得到偏頻
（6-4）
此時可得靜撓度 20.661cm
3.7 懸架的動撓度
懸架的動撓度 是指懸架在滿載靜平衡后繼續(xù)對其施加載荷，直到把懸架壓縮至其能夠達(dá)到的最大變形（通常指緩沖塊壓縮到其原來長度的二分之一或三分之一）過程中，車輪中心相對于車身的位移[10]。為避免汽車在糟糕路面上行駛時懸架經(jīng)常碰撞到緩沖塊致使懸架壽命變短，所以懸架設(shè)計要求其應(yīng)有足夠大的動撓度。對乘用車，取在 7～9cm范圍內(nèi)；對客車取在 5～8cm范圍內(nèi)；對貨車， 取在 6～9cm范圍內(nèi)。因為選用車型為客車，所以取=8cm。
3.8 懸架側(cè)傾角剛度
當(dāng)汽車車身相對于車輪發(fā)生側(cè)傾時，懸架會給車身一個彈性恢復(fù)力矩使其恢復(fù)到原來位置。側(cè)傾角過大或過小都不好。汽車內(nèi)乘員會感到危險而缺乏舒適性當(dāng)其乘坐小側(cè)傾角剛度而大側(cè)傾角的汽車時。然而，當(dāng)側(cè)傾角剛度過大而側(cè)傾角過小時，那么在汽車發(fā)生側(cè)翻事故時，汽車內(nèi)乘員和駕駛者就不能及時的感受到風(fēng)險并進(jìn)行自我保護(hù)[11]。參考國家汽車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求在側(cè)向慣性力等于 0.4 倍車重時，一般乘用車車身側(cè)傾角在取在 2°～4°范圍內(nèi)，貨車車身側(cè)傾角最大值不可超過 7°。
本客車車型取側(cè)傾角為3°。
綜上，懸架基本參數(shù)如表3-3
表3-3 懸架基本參數(shù)
偏頻
1.1Hz
滿載懸架靜撓度
20.661cm
懸架動撓度
8cm
側(cè)傾角
3°
前車輪前束
0°20′
前車輪外傾
0.75°±30′
主銷后傾
4.5°±30′
主銷內(nèi)傾
12.5°±30′
4 懸架設(shè)計計算
4懸架設(shè)計計算
4.1 彈性元件的確定
4.1.1 彈性元件概述
彈性元件的主要作用是支撐垂直載荷，緩和由凹凸不平路面引起的車身振動和沖擊。此處彈性元件選擇空氣彈簧。
空氣彈簧，因詞生意，其是以空氣為介質(zhì)起彈性作用的一種彈簧。其分類有囊式和膜式兩大類。囊式空氣彈簧從外觀上來看像是一個燈籠，其可以通過疊加氣囊從而擴(kuò)大空氣彈簧的體積并通過空氣作用在氣囊的撓曲來獲得彈性。膜式空氣彈簧在無特殊設(shè)計運(yùn)用在高級汽車時一般來說是圓柱形結(jié)構(gòu)，其主要通過氣囊內(nèi)空氣受外力使氣囊卷曲來獲得彈性變形。根據(jù)橡膠氣囊止口與接口的連接方式不同，膜式空氣彈簧又分為約束膜式和自由膜式。約束膜式空氣彈簧的密封通常采用螺栓來完成；自由膜式空氣彈簧則是采用橡膠氣囊內(nèi)空氣與外界的壓力作用使其進(jìn)行自封。
空氣彈簧一般是由橡膠氣囊、上蓋板、底座等主要部件組成，空氣主要儲存在想膠囊皮的空間中并受外界壓縮使其產(chǎn)生的反作用力作為彈性力。其主要結(jié)構(gòu)如圖4.1。
底座
緩沖塊
橡膠囊皮
氣囊上蓋
圖4.1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)簡圖
膜式空氣彈簧的特點是剛度低，可以根據(jù)需要通過改變彈簧底座形狀的方法來獲得較為理想的彈性特性。在此選用壓力膜式空氣彈簧.
4.1.2 彈簧基本參數(shù)確定與剛度計算
根據(jù)參閱資料，設(shè)定參數(shù)如表4-1。
表4-1 空氣彈簧基本參數(shù)
在空氣彈簧參數(shù)設(shè)定如上表4-1時，當(dāng)達(dá)到靜平衡位置時，空氣彈簧的剛度計算公式（N/mm）為
（4-1）
式中，為空氣彈簧內(nèi)氣體的絕對壓力當(dāng)懸架處于滿載靜平衡位置時（N/mm2）；為氣囊內(nèi)氣體的容積（mm3）;K為多變指數(shù)，在汽車振動緩慢時，可以假設(shè)氣體狀態(tài)變化接近等溫過程，取K=1，當(dāng)汽車進(jìn)行激烈震蕩時，可以假設(shè)氣體狀態(tài)變化接近絕熱過程，取K=1.4，一般情況下取K=1.3；為空氣彈簧在軸線方向上的微小變形量（mm）；A是空氣彈簧的有效面積（mm2），；D為空氣彈簧的有效直徑（mm），取D=100mm；由上述可知，為空氣彈簧有效面積變化率。
代入表4-1中的參數(shù)，可得出空氣彈簧剛度
=103（N/mm） （4-1）
汽車處于滿載靜平衡位置時，空氣彈簧的振動頻率可由下式（4-2）得出
=1.20Hz （4-2）
經(jīng)計算，空氣彈簧其振動頻率在在懸架偏頻1.0~1.45Hz之內(nèi)，設(shè)計符合要求。
4.2 減振器設(shè)計計算
4.2.1 減振器的作用與結(jié)構(gòu)
減振器的主要功能產(chǎn)生阻尼力，其在懸架中的作用是在汽車振動時迅速衰減振動，改善汽車行駛平順性，當(dāng)汽車在凹凸不平路面上行駛時提高車輪和地面附著能力，提高汽車操縱性和人員乘坐舒適性。懸架中彈性元件通常與減振器并聯(lián)安裝，他們在緩和汽車振動時起功能互相彌補(bǔ)與促進(jìn)作用。
減振器分為搖臂式和筒式兩大類根據(jù)其結(jié)構(gòu)型式的不同。不過隨著近代汽車技術(shù)的發(fā)展，搖臂式減振器因工作特性受活塞磨損和工作溫度變化影響大這一劣勢而逐漸遭到淘汰。雖然筒式減振器工作壓力相較搖臂式減振器略小，但是因其工作性能的穩(wěn)定而在現(xiàn)代懸架系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。筒式減振器根據(jù)筒的多少與筒內(nèi)介質(zhì)又可細(xì)分為單筒式、雙筒式和充氣筒式三種。因為單筒充氣式液壓減振器具有工作性能穩(wěn)定、干摩擦阻力小、噪聲低等優(yōu)點，所以本次雙橫臂式空氣懸架選用單筒充氣式液壓減振器。
單筒充氣式液壓減振器主要部件有油缸，活塞和活塞桿等構(gòu)件（如圖 4.2）?；钊延透追譃閺?fù)原腔和壓縮腔，并在減振器底部設(shè)有一氣室，該氣室內(nèi)沖有 2~3Mpa的氮?dú)?，其主要作用是用來補(bǔ)償活塞工作時壓縮腔的油液體積變化，減少氣穴現(xiàn)象的發(fā)生。
減振器的工作原理：當(dāng)主活塞向下移動時，壓縮腔油液受壓，壓縮閥打開，油液進(jìn)入復(fù)原腔，與此同時液壓腔壓力增大推動浮動活塞向下運(yùn)動，氣室隨著的容積減小而氣壓升高。而阻尼器在復(fù)原行程則與之相反。
復(fù)原腔
壓縮閥
缸筒
復(fù)原
活塞
浮動活塞
氣室
復(fù)原閥
活塞桿
壓縮腔
壓縮
圖4.2 單筒充氣式液壓減振器結(jié)構(gòu)簡圖
4.2.2 單筒充氣式液壓減振器外特性和設(shè)計原則
在減振器卸荷閥打開前，其中的阻力F與減振器振動速度之間的關(guān)系可用
下式（4-3）來表示
（4-3）
式中，--減振器阻尼系數(shù)。圖4.3示出減振器的阻力-速度特性圖。通過該圖，我們可以了解: 四段近似直線的線段組成了該阻力-速度圖的主體，其中x軸上下兩部分特性圖線段分別表示為減振器壓縮與復(fù)原行程的阻力速度關(guān)系;減振器的阻尼系數(shù)在圖中表示為各段線段的斜率,據(jù)圖可知在減振器運(yùn)行過程中減振器有四個阻尼系數(shù)。不過在談到減振器阻尼系數(shù)時，若沒有明指是四個中的哪一個，可以理解就是卸荷閥開啟前的阻尼系數(shù)。壓縮行程的阻尼系數(shù)用來表示，伸張行程的阻尼系數(shù)用來表示，他們并不相等。
圖 4.3 減振器特性 阻力一速度特性
通過查閱相關(guān)資料可知，想要有效的抑制車輪動載增大可以通過增加減振器相對阻尼系數(shù)來做到，但是隨著相對阻尼系數(shù)的增大車身的加速度也會隨之增大。因此在路面不平車身震蕩激烈時，減振器會加劇車身振動，降低了乘坐人員的舒適性，只不過抑制了車輪的動載增大可以提高行駛的安全性。在某些情況中得到需求應(yīng)用（如越野車減振器）。因此，減振器阻力-速度特性的設(shè)計應(yīng)該有兩個基本要求：一是使減振器的阻力-速度特性與車輛懸架振動特性相匹配；二是在運(yùn)行工況復(fù)雜多變的情況下，能較穩(wěn)定的保持這種相適應(yīng)的特性。
4.2.3 單筒充氣式液壓減振器參數(shù)和尺寸的確定
（1）相對阻尼系數(shù)的確定
汽車有了減振器相對于懸架的阻尼力后，空氣彈簧承受的振動是呈現(xiàn)周期衰減的，為了評定衰減的快慢速度，在此引入相對阻尼系數(shù)。的表達(dá)式為：
（4-4）
式中： k--懸架系統(tǒng)的剛度，N/mm； --簧上質(zhì)量，kg；
--阻尼系數(shù)，N?s?mm。
由式（4-4）表明，相對阻尼系數(shù)的物理意義是：減振器的阻尼在彈簧剛度k和簧載質(zhì)量 m 發(fā)生變化時會產(chǎn)生不同的阻尼效果。值大，振動衰減迅速，車身承受較大的沖擊力；反之值小，懸架振動衰減正常，車身承受的路面沖擊力小。通常情況下，伸張行程的相對阻尼系數(shù)取得比壓縮行程時的相對阻尼系數(shù)大。兩者之間保持=(0.2 ~ 0.50)的關(guān)系[9]。
設(shè)計時，通常第一步先選取壓縮行程相對阻尼系數(shù)與伸張行程的相對阻尼系數(shù)的平均值。對于不同懸架所選取的彈性元件,有些彈性元件無內(nèi)摩擦力時，需取=0.25～0.35；反之，值應(yīng)取小點。當(dāng)設(shè)計專門用于行駛在非良好路面上的汽車時，值應(yīng)取大些，一般取>0.3；為避免懸架碰撞車架，取=0.5。
取Ψ=0.3，則有 （+）/2=0.3,=0.5。
解得：伸張行程的相對阻尼系數(shù)=0.4
壓縮行程的相對阻尼系數(shù)=0.2
（2）減振器阻尼系數(shù)的確定
減振器阻尼系數(shù):
（4-5）
因懸架系統(tǒng)固有振動頻率:
(4-6)
根據(jù)式（4-5）和式（4-6），所以理論上.然而實際上，阻尼還與減振器的布置方位有關(guān)，如圖4.3
圖4.4 （a） (b) (c)
在采用圖4.4（b）安裝時，其阻尼系數(shù)
（4-7）
式中：角度α指減振器軸線與地面垂直線之間的夾角。
按滿載計算有：簧上質(zhì)量=1274kg 代入式（4-6）解得：ω＝7.6Hz ；
代入上式得減振器的阻尼系數(shù)為：=2×0.3×1274×7.6÷(0.99)2=5927 N·s/m
（3）最大卸荷力F0 的確定
當(dāng)減振器活塞振動速度達(dá)到某一定值時，減振器打開卸荷閥時的活塞速度稱為卸荷速度,一般取在0.10～0.30m/s范圍內(nèi),取=0.2m/s。
所以伸張行程的最大卸荷力是：
=5927*0.2=1185.4 N
4）減振器工作缸直徑D的確定
若已知伸張行程的最大卸荷力F0，可以此計算出減振器工作缸直徑 D 為：
（4-8）
式中：[p]--減振器工作缸允許的最大壓力，一般取在3～4Mpa范圍內(nèi)，取[p]=3Mpa；
--連桿直徑與缸筒直徑之比，一般單筒式減振器取λ=0.2~0.4，取λ的數(shù)值為0.35。
據(jù)式（4-8）得
=23.95 mm
由上式可得出理論上工作缸直徑的值，根據(jù)查閱資料得出減振器工作缸直徑的規(guī)格表如表4-2。將工作缸直徑 D 圓整為 30mm；初選壁厚為 7.5mm，材料選用 45 鋼。
表4-2 筒式減振器工作缸直徑
4.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
4.3.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用
獨(dú)立懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承擔(dān)著傳遞車輪與車身之間一切除了垂直方向的力和力矩的作用，并且決定了懸架跳動時車輪的運(yùn)動軌跡和車輪定位角的變化。
4.3.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置參數(shù)
1）側(cè)傾中心
雙橫臂式獨(dú)立懸架的側(cè)傾中心由如圖4.5所示方式得出。將上橫臂EP所在直線延長，將下橫臂GP所在直線延長，可以得到極點P，并可計算出P點的高度。將P點與車輪接地點N連接?？色@得側(cè)傾中心點W。
圖4.5 側(cè)傾中心hw的確定
懸架的側(cè)傾中心高度為
（4-9）
式中 （4-10） （4-11）
根據(jù)式（4-9）（4-10）（4-11）和表3-3懸架基本參數(shù)
前車輪前束
0°20′
前車輪外傾
0.75°±30′
主銷后傾
4.5°±30′
主銷內(nèi)傾
12.5°±30′
由此可計算出hw=224.32 mm
3）縱傾中心
雙橫臂式獨(dú)立懸架的縱傾中心的計算方法極為簡易，用作圖法即可得出，如下圖4.6所示。作兩橫臂轉(zhuǎn)動軸C和D的延長線并使其相交，其交點O便是縱傾中心。
圖4.6 縱傾中心的確定
通過對標(biāo)桿車的測量及硬點坐標(biāo)，確定縱傾中心O 距離 G 點的水平距離為 2813.5 mm。
4 懸架設(shè)計計算
4.4 緩沖塊
緩沖塊實質(zhì)上是一種來限制懸架行程、吸收從車輪傳到車身上的沖擊載荷的與主彈性元件并聯(lián)的非線性程度很強(qiáng)的彈性元件。
緩沖塊采用的材料主要有多孔聚氨脂和橡膠兩大類。而多孔聚氨脂兼有輔助彈性元件的作用。在此，選用多孔聚氨脂緩沖塊。
4.5 上下橫臂的長度
雙橫臂式獨(dú)立懸架的兩橫臂的長度影響著前輪跳動時的定位參數(shù)。根據(jù)汽車工業(yè)長期的發(fā)展經(jīng)驗，雙橫臂式懸架的上橫臂一般較下橫臂短，上橫臂與下橫臂的比值普遍取在0.6~1.0之間；這樣一方面可以更好地布置發(fā)動機(jī)，還能使懸架特性較為理想。參考國外轎車獨(dú)立懸架的一些參數(shù)，再根據(jù)我國汽車設(shè)計的經(jīng)驗，此次懸架設(shè)計選取下橫臂的長度為338.5mm，上橫臂的長度為220mm，其比值為0.65。另外選擇兩橫臂間的鉸點距離為300mm。
5 懸架主要零件 CATIA 建模與分析
5 懸架主要零件 CATIA 建模與分析
在國內(nèi)汽車設(shè)計行業(yè)中，CATIA 是汽車工業(yè)設(shè)計建模最為常見的應(yīng)用軟件。因為CATIA在汽車行業(yè)里巨大的影響力，所以此次設(shè)計主要是運(yùn)用 CATIA 的實體模塊進(jìn)行雙橫臂空氣懸架的3D模型建立。
5.1 上橫臂、減震器、下橫臂等零件的繪制
5.1.1上橫臂前臂的繪制。
首先通過CATIA的創(chuàng)成式設(shè)計界面，打開草圖界面，繪制出上橫臂前臂的輪廓曲線，然后使用曲面拉伸命令，得出曲面。因為前臂的上下兩側(cè)不等寬，所以還要在兩側(cè)做曲面對其進(jìn)行分割，如圖5.1.1。
圖5.1.1 上橫臂前臂輪廓曲面
再轉(zhuǎn)至零件設(shè)計界面，使用曲面加厚命令，即可得出其基本輪廓，如圖5.1.2。
圖5.1.2 上橫臂前臂實體輪廓
然后然后回到創(chuàng)成式外形設(shè)計，對輪廓曲面進(jìn)行偏移命令，使其貼合零件另一側(cè)曲面，然后，對其進(jìn)行分割命令，得到如下曲面，再對其進(jìn)行曲面加厚命令。步驟如圖5.1.3。
圖5.1.3 上橫臂前臂不規(guī)則凹槽實體
然后回到零件設(shè)計中，使用布爾操作中的移除命令，用大的實體，移除該小的特征。得到上側(cè)凹槽特征，同理，可得到下側(cè)凹槽特征。如下圖5.1.4。
圖5.1.4 上橫臂前臂凹槽
再在零件設(shè)計界面，對前臂進(jìn)行凸臺和凹槽命令，作出如下圖5.1.5各孔位特征：
圖5.1.5 上橫臂各孔位特征
最后，對上橫臂前臂進(jìn)行上側(cè)圓曲面分割，同時畫出外套筒，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)命令畫出內(nèi)部硫化橡膠等結(jié)構(gòu)，最后對其進(jìn)行倒角。得上橫臂前臂如圖5.1.6。
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圖5.1.6 上橫臂前臂成品
5.1.2 減振器與其他零件的裝配。
在CATIA 零件設(shè)計界面，可通過旋轉(zhuǎn)，拉伸，凹槽，倒圓角等命令畫出減震器套筒和減振器活塞桿如圖5.1.7。以及上橫臂后臂和下橫臂總成如圖5.1.8。
圖5.1.7 減振器套筒及活塞桿
圖5.1.8 上橫臂后臂和下橫臂總成
最后，通過各零件的裝配，可以得到基本的雙橫臂空氣懸架外形如下圖5.1.9。
5 懸架主要零件 CATIA 建模與分析
圖5.1.9 雙橫臂空氣懸架外形
5.2 ANSYS仿真分析優(yōu)化
利用CATIA畫出空氣懸架如上圖，因為下橫臂在懸架中占有大量空間，并承受大量軸向載荷力，在懸架中起著重要作用。在此對其進(jìn)行仿真分析。在CATIA中將下橫臂圖轉(zhuǎn)化成igs格式，打開ANSYS,導(dǎo)入下橫臂[12]。并對其進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)置，因為下橫臂材料選的是球墨鑄鐵，其彈性模量為173Gpa,泊松比為0.3，密度為7.3.根據(jù)下橫臂的長度，導(dǎo)入后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元網(wǎng)格類型為三角形，單元邊長為5mm;如圖5.2.
圖5.2 下橫臂網(wǎng)格劃分
將其網(wǎng)格劃分完需根據(jù)工況對其節(jié)點進(jìn)行固定，根據(jù)下橫臂工作情況，因其兩球頭銷與車橋連接，將下橫臂兩球頭銷部分進(jìn)行固定[13]，如圖5.3。
圖5.3 下橫臂節(jié)點固定
節(jié)點固定后，需對下橫臂進(jìn)行受力分析[14]，當(dāng)汽車滿載時，懸架其單邊簧載質(zhì)量m=1274Kg;所以傳遞到懸架下橫臂上的力有F=12485N；在此，對下橫臂端部即與汽車主銷連接位置處施加12485N的作用力，下橫臂位移變形圖與等效應(yīng)力云圖如圖5.4與圖5.5[15]。
圖5.4 下橫臂位移變形圖
圖5.5 等效應(yīng)力云圖
從圖4.4與圖4.5可知，下橫臂在滿載受力后最大位移為8.27mm左右,沒有過大變形，應(yīng)力云圖分布合理，其符合懸架所要求性能。當(dāng)下橫臂滿足懸架強(qiáng)度要求時，我們還可以對其形狀進(jìn)行簡單的一些優(yōu)化，使用ANSYS中的優(yōu)化模塊，對其施加重力影響后，下橫臂形狀優(yōu)化如圖5.6。
圖5.6 形狀優(yōu)化圖
圖中紅色部分為下橫臂結(jié)構(gòu)中可去除而對下橫臂強(qiáng)度性能影響不大的部件，由圖5.6可以得出，紅色部位有兩大部分，一個是下橫臂上部凸起部分，因其為與減振器連接部分，所以不可削減，而另一部分為下橫臂端部的下端，綜合懸架工作部位，可以對其進(jìn)行適當(dāng)削減。以此為思路，我們對其進(jìn)行減厚設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化圖，我們在下橫臂端部削減20mm的厚度。如圖5.7所示。
圖5.7 下橫臂端部減厚圖
削減后，我們可以再去和原結(jié)構(gòu)對比，看起性能是否還符合要求。在此，我們再度將其導(dǎo)入ANSYS并在原來的受力狀況下進(jìn)行分析，受力分析如下圖5.8。
圖5.8 優(yōu)化后下橫臂位移變形圖
通過此圖，我們可以可以看出優(yōu)化后的下橫臂最大位移相較于原來的位移只擴(kuò)大了0.25mm左右，可忽略不計。所以可以替代原下橫臂機(jī)構(gòu)，優(yōu)化后根據(jù)密度我們可以算出其減少的材料約有0.5kg，有效減少了雙橫臂懸架的材料消耗，并減少了懸架在汽車底盤中占有的空間。使懸架得到綜合優(yōu)化。
總結(jié)
總結(jié)
本課題根據(jù)給定的整車參數(shù)要求，以及標(biāo)桿車的3D數(shù)模對乘用車前雙橫臂懸架進(jìn)行匹配設(shè)計，并且通過CATIA軟件將雙橫臂懸架的3D模型表達(dá)出來。本文的主要工作可以歸納如下幾點：
1) 對雙橫臂空氣懸架結(jié)構(gòu)作了具體介紹，以及它的應(yīng)用范圍，闡述了本次課題研究的目的及現(xiàn)實意義。
2) 懸架基本參數(shù)的選擇，包括影響整車平順性參數(shù)，如偏頻、靜撓度、動撓度；影響操縱穩(wěn)定性參數(shù)，如側(cè)傾中心高度；影響縱向穩(wěn)定性的參數(shù)，如縱傾
中心高度等。
3）利用以上設(shè)計得出的數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)型式以及標(biāo)桿車的數(shù)模，通過 CATIA 軟件建立雙橫臂空氣懸架的 3D 模型并使用ANSYS進(jìn)行受力分析并簡單優(yōu)化。
本文這種設(shè)計方法在工程上是行之有效的并且正在運(yùn)用，逆向設(shè)計思路與正向設(shè)計思路相結(jié)合不僅提高了產(chǎn)品開發(fā)效率，而且降低了技術(shù)開發(fā)風(fēng)險，為汽車企業(yè)節(jié)省開銷，同時也使廣大消費(fèi)者受益。
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致謝
致 謝
首先，在本文完成后，要向李鴻秋老師表示衷心的感謝并致以崇高的敬意。在本論文課題撰寫過程中，李鴻秋老師對我進(jìn)行了細(xì)心的指導(dǎo)和幫助。然后是我的同學(xué)和宿舍的舍友們，在論文學(xué)習(xí)階段，他們提出了很多寶貴的意見和指導(dǎo)，對我的論文大有幫助。
同時也感謝實習(xí)期間在實習(xí)公司學(xué)習(xí)的CATIA畫圖技能和汽車方面的相關(guān)理論知識，使我能夠利用實習(xí)工作之余完成學(xué)業(yè)，提高自身能力。
最后，我要感謝在大學(xué)四年期間，識得的所有老師與同學(xué)，在四年期間所有遇到的事情和經(jīng)歷的時光，使我得到了很大的成長。
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