裝有空氣彈簧的越野汽車懸架設計【含CAD圖紙、說明書】

本科畢業(yè)設計說明書I本科畢業(yè)設計說明書裝有空氣彈簧的越野汽車懸架設計學 院 專業(yè)班級 學生姓名 學生學號 指導教師 本科畢業(yè)設計說明書II摘 要當今社會，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)化是當務之急。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準化程度越高越好，穩(wěn)定和強度越來越好，國內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技術的水平密切相關。本次畢業(yè)設計的題目是越野車空氣懸架總成的設計，通過設計出越野車空氣懸架總成，來了解它的結構和工作原理，并對之進行優(yōu)化，使得設計出來的越野車空氣懸架總成的結構更合理，更安全。關鍵詞：汽車；越野車空氣懸架；導向機構；優(yōu)化設計本科畢業(yè)設計說明書IIIAbstractIn todays 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 Chinas 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本科畢業(yè)設計說明書IV目 錄摘 要 .IIAbstractIII第一章 緒 論 11.1 汽車及機械行業(yè)的發(fā)展11.2 課題研究的背景和意義.21.2.1 研究背景.21.2.2 研究意義.31.3 懸架的設計要求41.4 懸架系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀51.4.1 國外研究現(xiàn)狀.61.4.2 國內研究現(xiàn)狀.71.4.3 懸架的設計水平81.5 懸架系統(tǒng)的自然振動頻率.81.6 懸架的分類91.6.1 獨立懸架.91.6.2 非獨立懸架151.6.3 半獨立懸架181.6.4 主動懸架和半主動懸架.191.7 主要設計思路及方法211.7.1 研究方法.211.7.2 研究技術路線.221.8 本課題研究的內容22第二章 越野車空氣懸架總體結構的設計 222.1 空氣懸架結構分析.222.2 推力桿的設計計算.232.2.1 推力桿的直徑確定.232.2.2 推力桿受力分析.242.2.3 校核推力桿的強度.252.3 推力桿的強度計算與校核.27本科畢業(yè)設計說明書V2.4 螺栓的選型計算.282.5 空氣彈簧的分析302.6 空氣彈簧力學性能設計322.7 高度控制閥設計33第三章 空氣彈簧懸架導向機構的設計 343.1 懸架導向機構的概述.343.2 導向機構的受力分析343.3 橫向穩(wěn)定桿的設計373.4 穩(wěn)定桿的強度校核373.5 懸架及整車的剛度分析.383.5.1 前軸的側傾剛度.383.5.2 后軸的側傾剛度及側傾中心.39總 結 42致 謝 44參考文獻 45本科畢業(yè)設計說明書1第一章 緒 論1.1 汽車及機械行業(yè)的發(fā)展機械制造也的設計水平與制造這水平，預示著一個國家的科學技術水平，其直接影響著國家的經(jīng)濟技術水平。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)化的構建?，F(xiàn)今為止，我們已經(jīng)逐漸從制造產(chǎn)業(yè)大國轉化成制造產(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、技術大幅度的躍進。如同習主席說的，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)了我國工人技術裝配能力的提高。全球最大規(guī)模，技術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、自動化的機械設備誕生，讓我們也看到了制造、機械行業(yè)的遠景目標，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、工藝、設備、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。通過技術的引進，消化吸收以及工藝的不斷創(chuàng)新，全面質量的不斷把控，將制造行業(yè)的水平提升到很大的一個層次。一些先進的技術在生產(chǎn)、制造中得到了很廣泛的應用，能夠很多應用在批量生產(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備。而這些原因往往體現(xiàn)在我們國家技術人員的開發(fā)以及創(chuàng)新能力上比較薄弱，有些技術我們只能依靠從國外進口，在其基礎殺那個優(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，保證零部件的質量，且能提前預警與預防各種事故的發(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。在以后智能化將逐本科畢業(yè)設計說明書2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，當車架與車橋作往復相對運動時，減震器中的活塞在缸筒內業(yè)作往復運動，于是減震器殼體內的油液反復地從一個內腔通過另一些狹小的孔隙流入另一個內腔。此時，孔與油液見的摩擦力及液體分子內摩擦便行程對振動的阻尼力，使車身和車架的振動能量轉換為熱能，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，因此雖然具有質量小、造價低、易調整等優(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，其兩種主要的結構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構型式包括: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用。懸架包括彈性元件、導向裝置、減振器和橫向穩(wěn)定器等，如圖 1-1 所示。本科畢業(yè)設計說明書3圖 1-1 轎車懸架系統(tǒng)結構圖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。因此懸架設計關系到汽車使用性能的好壞，具有重要的理論和實際應用意義。本論文基于凱美瑞轎車，并且結合實際生產(chǎn)，通過對懸架中重要的零部件進行計算校核，設計整個懸架系統(tǒng)，對整車運動學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構型式到作用原理一直在不斷地演進，但從結構功能而言，它都是由彈性元件、減振裝置和導向機構三部分組成。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向機構的作用，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向機構的作用，有些主動懸架中的作動器則具有彈性元件、減振器和部分導向機構的功能。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各地受到重視，使空氣懸架在重型車市場的應本科畢業(yè)設計說明書4用也將進一步擴大，為適應高速公路運輸?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，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)展適應高速公路需要的大中型越野車，專用越野車底盤及關鍵總成”并“根據(jù)市場需求適當發(fā)展高檔旅游越野車”?！笆逡?guī)劃”預測，2005 年大中型越野車年需求量為 1216 萬輛(其中大型越野車為 35 萬輛，中型越野車為 911 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)標準，新頒布實施的標準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計。通過對越野車空氣懸架進行設計，來了解越野車空氣懸架的結構組成、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構簡陋，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)品的質量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質量及設計水平等的影響，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！本文運用大學所學的知識，提出了越野車空氣懸架的結構組成、工作原理以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗，構建了越野車空氣懸架總的指導思想，從而得出了該越野車空氣懸架的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且校正質量高，運行平穩(wěn)的結論。通過設計越野車空氣懸架，要求學生掌握大學四年所學到的知識，了解機械原理，機械設計，以及傳動機構設計等方面的知識，綜合運用繪圖軟件對越野車空氣懸架進行設計。通過本次畢業(yè)設計，綜合提高學生的實際應用水平和設計能力。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 懸架的設計要求如前所述，汽車懸架和懸掛質量、非懸掛質量構成了一個振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)的本科畢業(yè)設計說明書5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。因而在設計懸架時必須考慮以下幾個方面的要求：A、通過合理設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、合理設計導向機構，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、導向機構的運動應與轉向桿系的運動相協(xié)調，避免發(fā)生運動干涉，否則可能引起轉向輪擺振；D、側傾中心及縱傾中心位置恰當，汽車轉向時具有抗側傾能力，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、懸架構件的質量要小尤其是其非懸掛部分的質量要盡量??；F、便于布置，在轎車設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)。懸架設計可以大致分為結構型式及主要參數(shù)選擇和詳細設計兩個階段，有時還要反復交叉進行。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)的國內外研究現(xiàn)狀汽車能夠實現(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。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 世紀以來，微電子技術的發(fā)展及機電一體化技術的發(fā)展已經(jīng)在人們生活當中隨處本科畢業(yè)設計說明書6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)動機正向著大轉矩和低轉速的方向發(fā)展。國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，引領國產(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。因此被廣泛應用，在本設計中也主要對汽車麥弗遜獨立懸架行結構的設計與模型的建立。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。不同的需要導致設計的要求不同,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。由于主動懸架結構復雜而傳統(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量成一定比例的。許多調查都是用一維模型,它可以推導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注這方面的變化，提高綜合開發(fā)能力，以適應市場的需求和變化，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的研究，在上世紀 80 年代興起。Duym 用一種代數(shù)形式的經(jīng)驗公式來描本科畢業(yè)設計說明書7述雙橫臂式獨立懸架系統(tǒng)的非線性特性，仿真結果與實驗結果基本吻合 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)的簡單而又比較準確的非線性數(shù)學模型，并將其用于乘坐動力學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)設計方法，比較流行的優(yōu)化設計方法多是基于空間機構運動學原理及多剛體動力學理論，采用計算機輔助設計，獲得了理想的設計結果，并有效地提高了工作效率 5。雙橫臂式獨立懸架的設計、制造已比較成熟，而且成本低，工作可靠，是當今世界汽車工業(yè)中懸架的主導產(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 等人推導出轉向節(jié)的速度方程，并應用逐步線性化方法來求解位置問題，Mohamed 和 Attia 應用剛性連桿和轉向節(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)著的汽車底盤技術對各種懸架運動學及彈性運動學作了詳細的分析，對車輪定位參數(shù)做了準確的定義，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、德國學者 Wolfgang Matschinsky 編寫的車輛懸架以及日本學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特性做了深入的討論分析 8。1.4.2 國內研究現(xiàn)狀獨立懸架系統(tǒng)的研究在國內也有較長的歷史。近幾年來，北京理工大學，浙江大學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，主要是應用線性理論研究汽車乘坐動力學 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的專用軟件。在獨立懸架系統(tǒng)的研究中，國內基于線性理論的建模與仿真仍處于主導地位，而基于非線性理論的非數(shù)學建模與分析也已經(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分析做過大量工作，而對于多連桿懸架系統(tǒng)，清華大學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，并本科畢業(yè)設計說明書8應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，清華大學宋健等和同濟大學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，對多連桿運動學理論分析打下基礎 11。上世紀 80 年代起，多剛體系統(tǒng)動力學理論和方法已經(jīng)較廣泛應用于汽車技術領域，一些優(yōu)秀的多體動力學分析的商業(yè)化軟件(如 MSC.ADAMS 等)使得汽車懸架系統(tǒng)運動學分析技術日臻成熟和完善。吉林大學楊樹凱在其發(fā)表的多連桿懸架與雙橫臂懸架運動學和彈性運動學特性分析中，利用 ADAMS/CAR 軟件對兩種懸架系統(tǒng)進行了運動學特性仿真對比分析 12。1.4.3 懸架的設計水平汽車懸架系統(tǒng)的研究與設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)的研究與設計的領域也相應地分為兩大部分：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生存。雖有眾多專家、學者、業(yè)內人士不斷強調培育本土設計開發(fā)能力的重要性，但在缺乏競爭力的環(huán)境下，相關企業(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，國內汽車行業(yè)對包括懸架系統(tǒng)在內的汽車底盤系統(tǒng)關鍵產(chǎn)品的設計機理，仍然知之甚少，重復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量(簧載質量)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之一。人體所習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。車身固有頻率應當盡可能地處于或接近這頻率范圍。根據(jù)力學分析，如果將汽車看成個在彈性懸架上作單自由度振動的質量，則懸架系統(tǒng)的固有頻率 2為n= = (2-1)21MKfg式中，g為重力加速度；f為懸架垂直變形(撓度)；M為懸架簧裁質量；K (KMg/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。但懸架剛度本科畢業(yè)設計說明書9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。這對于簧載質量大的貨車，在結構上是難以保證的，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、當懸架剛度定時，簧載質量越大，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?；奢d質量變化范圍越大，則頻率變化范圍也越大。為了使簧載質量從相當于汽車空載到滿載的范圍內變化時，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，其是汽車設計過程中不可缺少的一部分，同時也是整車 NVH 的關鍵。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構形式和性能參數(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。因此本設計中對轎車的麥弗遜獨立懸架進行設計。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)存在著結構復雜維修不便的缺點2. 成本高3. 因為結構復雜，會侵占一些車內乘坐空間?，F(xiàn)代轎車大都是采用獨立式懸架系統(tǒng)，按其結構形式的不同，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擺動的獨立懸掛系統(tǒng)，一般和斷開式車橋配合使本科畢業(yè)設計說明書10用。按橫臂數(shù)量又可分為單橫臂式懸架和雙橫臂式懸架。單橫臂式具有結構簡單，側傾中心高，有較強的抗側傾能力的優(yōu)點，缺點是輪距變化大，輪胎磨損加劇。本科畢業(yè)設計說明書112、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，造成輪胎磨損嚴重。不等長雙橫臂的橫向剛度大，只要適當選擇、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，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導向作用，還需要另加拉桿導向。這種結構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 字形結構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)設定復雜。缺點是響應速度較其他形式懸架要緩慢，橫向安裝空間大。本科畢業(yè)設計說明書124、單縱臂式縱臂式懸架是指車輪在汽車縱向平面內擺動的懸架，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。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向懸架。本科畢業(yè)設計說明書136、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?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，不管汽車是在驅動、制動狀態(tài)都可以按司機的意圖進行平穩(wěn)地轉向。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。缺點是結構相對復雜，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連桿式后懸架應用較為廣泛。本科畢業(yè)設計說明書147、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，不用裝導向機構。燭式懸架的優(yōu)點是：當懸架變形時，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構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應力，轉向節(jié)（也可說車輪，因為轉向節(jié)作用于車輪）則沿著主銷轉動；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。弗遜懸架的構造其實非常簡單，而這種簡單帶來的最大好處就是其質量很輕，并且體積很小，對于很多前置發(fā)動機前輪驅動的車輛來說，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量輕的優(yōu)勢就會表現(xiàn)的非常明顯。而結構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，因此對于側向的力量沒有提供足本科畢業(yè)設計說明書15夠的支撐力度。這樣就使得車輛在轉向的時候車身有比較明顯的側傾，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)的結構特點是兩側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)具有結構簡單、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.因構造簡單使設計的自由度小，操控的安定性較差。1、鋼板彈簧懸架本科畢業(yè)設計說明書16鋼板彈簧懸架承載能力大，并且可兼做導向機構，因此結構極為簡單，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；缺點是結構復雜，成本較高。本科畢業(yè)設計說明書17本科畢業(yè)設計說明書181.6.3 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。但是在但縱臂扭轉梁懸架上，這兩個分類變得有些模糊。從懸架結構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本科畢業(yè)設計說明書19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)生彎曲應力，所以摩擦小。拖曳臂式懸架的舒適性和操控性均有限，當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，無法提供精準的幾何控制。不同廠家對這種懸架的稱謂不同：如：縱臂扭轉梁獨立懸架，縱臂扭轉梁非獨立懸架，H 型縱向擺臂懸架等等。歸根結底他們都是同一種懸架結構拖曳臂式懸架，只是調教稍有不同。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)自適應調節(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，適時地調節(jié)懸架的剛度和阻尼，使其處于最佳減振狀態(tài)。本科畢業(yè)設計說明書20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。由于半主動懸架結構簡單，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)傳感器信號本科畢業(yè)設計說明書21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)的阻尼在幾毫秒內由最小變到最大進行無級調節(jié)。1.7 主要設計思路及方法1.7.1 研究方法（1）通過查閱相關資料，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計方案，對現(xiàn)有裝置的不足進行分析。（3）對設計的空氣彈簧懸架進行修改和優(yōu)化，最終設計出能滿足要求的空氣彈簧懸本科畢業(yè)設計說明書22架。1.7.2 研究技術路線（1）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關資料，了解當今國內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)品功能和技術要求提出多種設計方案，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，最終確定總體設計方案。（3）具體設計空氣彈簧的驅動裝置、工作裝置等。 （4）對所設計的機械結構中的重要零件進行校核計算，保證設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）整理各項設計資料，撰寫論文。1.8 本課題研究的內容本次設計主要針對越野車空氣懸架進行設計，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部結構，其具體內部結構主要包括以下幾個方面：（1）通過網(wǎng)絡和圖書館查找各種關于越野車空氣懸架的相關資料，對越野車空氣懸架進行方案的比較和預定。（2）分析越野車空氣懸架的結構與參數(shù)（3）確定設計總體方案（4）確定具體設計方案（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構的設計 2.1 空氣懸架結構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，容器內的定量氣體氣壓升高，彈簧剛度增大。反之，當載荷減小時，彈簧內的氣壓下降，本科畢業(yè)設計說明書23剛度減小，故空氣彈簧具有較理想的彈性特性。(2)導向機構導向機構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，所以需要安裝導向機構以承受橫向力、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|，內摩擦極小，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：隨整車載荷變化保持合理的懸架行程；高速時降低車身高度，保持車身穩(wěn)定性，減少空氣阻力；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，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?，F(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速度。但在功能好的同時也有其缺點：這種汽車懸架的結構更為復雜，而且成本非常高。所以在國內應用的還不是很廣泛，但是這是汽車懸架發(fā)展的必然趨勢。32.2 推力桿的設計計算本次設計的越野車空氣懸架的轉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）3.81795130npAd本科畢業(yè)設計說明書24根據(jù)工作條件，取 mm60d2.2.2 推力桿受力分析N （2.2） 4.513602.91mtdTFN （2.3） 54.173062cos0.cos 1 tgtgrN （2.4）2in4.52in ta求支座反力垂直面支反力：由 ，得：0CM（2.5）025732arBYFLRNr 13.6295.761/3024.1/62 由 ，得：0YN （2.6）.230.954.173BYrCRF水平面支反力：由 ，得：0CM（2.7）32LFRtBZN02.13685.762412t由 ，得：0ZN （2.8） .3092.184.3BrCRF作彎矩圖：垂直面彎矩 圖：YMC 點Nmm （2.9）495.70825.613.29LRBY本科畢業(yè)設計說明書25水平面彎矩 圖：ZMC 點Nmm （2.10）675.48035.267.302LRBZ合成彎矩 圖：C 點Nmm （2.11）153.6785.4780395.470222 CZYM作轉矩 T 圖：Nmm61.32.2.3 校核推力桿的強度按彎扭合成應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 ，推力桿的計算應力6.0MPa （2.12）3.14150.)26.9(3768)( 3252232 WTMc選定推力桿的材料為 45 鋼，調質處理，由文獻1表 可知， MPa。因此，601，故安全。1ca判斷危險截面從應力集中對推力桿的疲勞強度的影響來看，截面 IV 和 V 引起的應力集中最嚴重，而 V 受的彎矩較大；從受載的情況來看，截面 C 的應力最大，但應力集中不大，故 C 面不用校核。只需校核截面 V。截面 V 左側抗彎截面系數(shù) mm （2.13）27401.0.33dW3抗扭截面系數(shù) mm （2.14）582T截面 V 左側的彎矩 M 為Mpa （2.15）62.70.6153.678截面 V 上的扭矩 T 為 MPa 201