轿车双摆臂悬架的设计及产品建模

“远舰”轿车双摆臂悬架的设计及产品建模
摘要：汽车双摆臂悬架是一种常见的悬架形式，合理的选择悬架的结构和几何尺寸是获得满意的汽车行驶性能的重要条件，其运动特性的优劣关系到汽车操纵稳定性，舒适性，转向轻便性和轮胎的使用寿命等性能。本课题来源于东风悦达起亚汽车制造有限公司的远舰款轿车的后悬架，双摆臂悬架可以通过合理的选择空间导向杆系的铰接点的位置及导向臂的长度，使得悬架具有合适的运动特性。在设计中，首先，分析了双摆臂独立悬架的组成和功用；其次，进行双摆臂悬架的上下摆臂及各零部件强度的校核；第三，详细考虑各部件之间的连接关系；最后计算了悬架自然振动频率，悬架静挠度和动挠度以及悬架弹性特性。在分析双摆臂悬架的组成和作用以及确定各零部件的尺寸的基础上，运用CAD软件和Pro/E软件分别进行二维绘图和三维建模。此次课题进行了准确的计算和详细的结构分析，为双摆臂悬架的结构优化提供了依据，从而在运动学和动力学方面提高汽车的性能。

关键词：双摆臂悬架；汽车；设计；建模

The Design and Product modeling
of Double Wishbone Suspension of“Optima”Car
Abstract：The double-wishbone independent suspension is one of the common forms of motor vehicle suspension. Choosing the geometry parameters of the independent suspension reasonably is one of the important conditions to obtain the satisfied character of service. Its state of motion is related to handling stability, comfort ability, handling of steering and the life of tire, ect. The subject comes from the rear suspension of “optima” car which made by DYK Co. Ltd. The double-wishbone suspension can be a reasonable choice of space-oriented bar articulated point. The location and orientation of the suspension arm length can produce suitable motions. This thesis first analyzes the consists and function of the double-wishbone suspension in the design, then checks the up and down of arms of the double-wishbone independent suspension, Thirdly, make a detailed consideration of the various components of the link between relations is made. I calculate the suspension on the basis of the natural vibration frequency, static suspension deflection and dynamic deflection and elastic characteristics of the suspension terms at last. On the basis of Analysis of the composition and role of the size of the components in the double-wishbone independent suspension, with CAD software and Pro / E, respectively, 2D drawings and 3D product Modeling are made. We made an accurate and detailed structural analysis on the design, which provides the reference for optimal design of the double-wishbone suspension. The approach can improve the performance of the double-wishbone independent suspension.

Keyword: double-wishbone suspension; motor vehicle; Design; Modeling

悬架是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、缓和冲击、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[1]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，以保证汽车的行驶平顺性。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。
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，麦克弗逊悬架 (McPherson strut suspension，或称滑柱摆臂式独立悬架)中的减振器柱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。
根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等，各种悬架的结构特点将在以下章节中进一步讨论。
除上述非独立悬架和独立悬架外，还有一种近似半独立悬架，它与近似半刚性的非断开式后支持桥相匹配。当左右车轮跳动幅度不一致时，后支持桥中呈V形断面并与左右纵臂固结在一起的横梁受扭，由于其具有一定的扭转弹性，故此种悬架既不同于非独立悬架，也与独立悬架有别。该弹性横梁还兼起横向稳定杆的作用。
按照弹性元件的种类，汽车悬架又可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等。
按照作用原理，可以分为被动悬架、主动悬架和介于二者之间的半主动悬架。
本课题来源于东风悦达起亚汽车制造有限公司的远舰款轿车的后悬架，按其上下横臂的长短可分为等长双横臂和不等长双横臂两种。等长双横臂悬架在其车轮做上下跳动时，可保持主销倾角不变，但轮距却有较大的变化，会使轮胎磨损严重，多为不等长双摆臂悬架代替，后一种悬架在其车轮上下跳动时候只需要适当的选择上下横臂的长度并合理布置，即可使轮距及车轮定位参数的变化限定在一定的范围之内，这种不大的轮距的改变，不应引起车轮沿路面的滑移，而为轮胎的弹性变形所补偿，因此其保持了汽车良好的行使平顺性，双横臂悬架的突出优点在于其设计的灵活性，可以通过合理选择空间杆系的铰接点的位置及导向臂的长度，使得悬架具有合适的运动特性，并且形成恰当的侧倾中心和纵倾中心。
如前所述，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下几个方面的要求：
A、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，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；
B、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要求；
C、导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能引起转向轮摆振；
D、侧倾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车身纵倾(即所谓“点头”和“后仰”)；
E、悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小；
F、便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间；
G、所有零部件应具有足够的强度和使用寿命；
H、制造成本低；
I、便于维修、保养。
悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。
1.2主要研究内容
对双横臂独立悬架进行运动分析，得出原始参数，计算推导随着车轮的跳动主销内倾角、后倾角、车轮外倾角、前束角、车轮轮距的变化及悬架各点位置的变化情况。用PRO/E软件设计模型，对其进行运动分析，获得最为理想的结果。
A、以双横臂式独立悬架为研究对象，研究基于机构运动学和零部件数据计算方法,使用PRO/E软件给出双横臂独立悬架结构模型；
B、研究悬架结构参数与定位参数之间的关系，进行设计计算，对悬架的主要参数进行分析以及确定主要参数。
C、对悬架进行运动学仿真分析，通过改变悬架有关参数，评价悬架运动学响应特性，得出悬架结构参数对整车性能(操纵稳定性、行驶平顺性等)的影响规律。
2 悬架
2.1 悬架的功用和组成
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。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力(支承力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架(或承载式车身)上，以保证汽车的正常行驶。
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，因此，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，尤其在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将很大，不仅能引起汽车机件的早期损坏，还将使驾驶员感到极不舒适，或使货物受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的元气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架(或车身)与车桥(或车轮)之间作弹性联接。但弹性系统在受到冲击后，将产生振动，持续的振动易使乘员感到不舒适或疲劳，故悬架还具有减振作用,使振动迅速衰减(振幅迅速减小)。为此,在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减振器。
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。
由此可见，汽车悬架的功能是缓冲、导向和减振，然而三者共同的任务则是传力。
在多数轿车和客车上，为了防止车身在转向行驶等情况下发生过大的倾斜，在悬梁中还设有辅助弹性元件—横向稳定器。
为限制弹簧的最大变形并防止弹簧直接撞击车架，在货车上辅助设有缓冲块 。在一些轿车上也设有缓冲块，以限制悬架的最大变形。
应当指出，悬架只有具备上述功能，在结构上并非一定要设置满足上述各功能的单独的装置不可。例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，它本身还能起到传递各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的作用，因而没有必要再另设置导向机构。此外，  —般钢板弹簧是多片叠成的，其本身具有一定的减振能力，因而在对减振要求不高的车辆上，也可以不装减振器。

双横臂悬架其突出优点在于设计的灵活性,可以通过合理选择空间导向杆系的铰接点的位置及导向臂(或称为控制臂)的长度,使得悬架具有合适的运动特征(亦即当车轮跳动或车身侧倾时,车轮定位角及轮距的变化能尽量满足设计的要求),并且形成恰当的侧倾中心和纵倾中心。
为了隔离振动和噪声并补偿空间导向机构由于上、下横臂摆动轴线相交带来的运动干涉，在各铰接点处一般采用橡胶支承。显然，各点处受力越小，则橡胶支承的变形越小，车轮的导向和定位也越精确。分析表明，为减小铰接点处的作用力，应当尽可能增大、下横臂间的距离，减小下横臂地面的垂向距离和下铰点至车轮接地点之间的横向距离。当然，上、下横臂各铰接点位置的确定还要综合考虑布置是否方便以及悬架的运动特征是否合适。
双横臂悬架可采用螺旋弹簧、空气弹簧、扭转弹簧或钢板弹簧作为弹性元件，最常见的为螺旋弹簧。
双横臂悬架一般作为轿车的前、后悬架，轻型载货汽车的前悬架或要求高通过性的越野汽车的前、后悬架。当双横臂悬架用作前置前驱动轿车的前悬架时，必须在结构上给摆动半径留出位置。一种方法是将弹簧置于上控制臂上方，这样做的缺点在于减小了上、下横臂间的垂直距离和弹簧的行程，并且振动直接传递给车身前端。另一种做法是采用专门的叉形构件为摆动半轴留出空间或者经过特别设计，使弹簧、减振器位于摆动半轴后方。
从20世纪80年代后期开始，为提高行驶安全性，越来越多的高级轿车后悬架采用双横臂结构。其运动特性的优劣关系到汽车操纵的稳定性，舒适性，转向轻便性和轮胎的使用寿命等诸多因素。汽车双横臂独立悬架在空间布置上有较多的自由度，各导向杆件在空间上倾斜布置，再加上悬架不可避免地与转向系统在运动中产生干涉，因此悬架系统运动全过程一般都是复杂的非线性的空间运动过程。双横臂悬架系统导向机构的优化，可以保证车辆在恶劣的行驶条件下既有良好的行驶平顺性，操作稳定性和通过性，同时使悬架和车轮的运动空间最小，车内空间最大，使轮胎的侧向滑移量最小，使用寿命最大 。













目  录
1 前言 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2主要研究内容 2
2 悬架 4
2.1 悬架的功用和组成 4
2.2 悬架系统的自然振动频率 4
2.3 汽车悬架的类型 5
2.4 双横臂独立悬架 6
3．悬架主要参数的确定 8
3.1 悬架静挠度  8
3.2 悬架的动挠度  9
3.3 悬架弹性特性 9
3.4 后悬架螺旋弹簧刚度及应力计算 9
4 独立悬架导向机构设计及强度校核 13
4.1 设计要求 13
4.2 导向机构的布置参数 13
4.3 双横臂式独立悬架导向机构设计 16
5 减振器机构类型及主要参数的选择计算 20
5.1 分类 20
5.2 相对阻尼系数  20
5.3 减振器阻尼系数 的确定 21
5.4 最大卸荷力 的确定 22
5.5 简式减振器工作缸直径D的确定 22
6 Pro/E三维建模 24
6.1 关于Pro/E 24
6.3 应用现状 27
6.4 本章小结 27
7 结论 28
参考文献 29
致    谢 30
附    录 31

附    录
1.双摆臂悬架总装图            YJSBBXJ-00                          A0
2.减振器                      YJSBBXJ-12                          A1
3.上摆臂                      YJSBBXJ-11                          A1
4.下摆臂                      YJSBBXJ-17                          A1
5.转向节                      YJSBBXJ-04                          A1
6.圆柱弹簧                    YJSBBXJ-13                          A3
7.球头销                      YJSBBXJ-20                          A4
8.闷盖                        YJSBBXJ-05                          A4
9.上防尘罩                    YJSBBXJ-10                          A4
10.下防尘罩                   YJSBBXJ-18                          A4
11.上球头座                   YJSBBXJ-09                          A4
12.下球头座                   YJSBBXJ-08                          A4
13.防尘套                     YJSBBXJ-12.09                       A4
14.密封圈                     YJSBBXJ08                          A4

产品建模(1)双(1)