松花江微型车前悬架设计

PAGEPAGE1第1章绪论悬架设计的背景及研究意义悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轮弹性地连接起来。悬架需要传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，使汽车获得高速的行驶能力和理想的运动特性。悬架对于整车的意义重大。现代车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须加以改进。舒适性是汽车最重要的使用性能之一。与生产实际结合较紧密。通过对悬架系统中重要零部件的设计、计算和校核；各定位参数涵义及其对整车动力学性能影响的分析，初步达到介绍悬架设计全过程目的，具有很强的操作性，能够为标致轿车的生产实际提供一定意义上的指导。1.2悬架设计的主要内容、要求和研究方法主要内容本文的研究对象是松花江微型车的前悬架。通过对悬架弹性元件的计算、分析，导向机构的核算和校核，可以验证悬架中关键零部件的可行性，掌握悬架的适用范围和使用条件，改善整车的行驶平顺性和操纵稳定性。在此基础上文章还进一步提出和悬架性能有着密切关系的转向横拉杆断开点位置的分析方案，并对结果进行了剖析。具体内容包括：（1）对悬架中的弹性元件、减震器、横向稳定杆等重要部件进行了设计计算和可行性校核；（2）运用空间坐标变换理论和空间刚体运动学原理，通过对悬架的简化和抽象，将实物模型转成可供分析和研究的物理模型和数学模型；（3）提出转向横拉杆断开点位置的设计方案，通过前后干涉量与车轮跳动量关系曲线的对比分析，提出断开点位置方案。设计要求为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还有尽量避免悬架撞击车架（或车身）。在簧上质量变化的情况下，车身高度变化要小，因此，应采用非线性弹性特性悬架。要正确地选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向运动要协调，避免前轮摆振，汽车转向时，应使之稍有不足的转向特性。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，对悬架提出的设计要求有：保证汽车具有良好的行驶平顺性；具有合适的衰减震动的能力；保证汽车具有良好的操纵稳定性；汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾要合适；具有良好的隔声能力；结构紧凑、占用空间尺寸要小；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。研究方法在设计时首先考虑车的总体方案要求，接着根据悬架总体方案，进行悬架系统各零部件的设计计算，在计算时应重点计算对悬架整体性能影响较大的零部件如：螺旋弹簧、横向稳定杆、减振器等。最后，对关键零件进行强度校核麦弗逊式悬架的特点麦弗逊悬架一般用于轿车的前轮。与其它悬架系统相比，麦弗逊式悬架系统具有结构简单，紧凑，占用空间少，性能优越等特点。麦式悬架还具有较为合理的运动特性，能够保证整车性能要求。虽然麦弗逊悬挂在行车舒适性上的表现令人满意，其结构简单体积不大，可有效扩大车内乘坐空间，但也由于其构造为滑柱式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头等性能较差。麦弗逊悬挂通常由两个基本部分组成：支柱式减震器和A字型托臂之所以叫减震器支柱是因为它除了减震还有支撑整个车身的作用，他的结构很紧凑，把减震器和减震弹簧集成在一起，组成一个可以上下运动的滑柱；下托臂通常是A字型的设计，用于给车轮提供部分横向支撑力，以及承受全部的前后方向应力。整个车体的重量和汽车在运动时车轮承受的所有冲击就这两个部件承担。所以麦弗逊的一个最大的设计特点就是结构简单，结构简单能带来两个直接好处那就是：悬挂重量轻和占用空间小。我们知道，汽车悬挂属于运动部件，运动部件越轻，那么悬挂响应速度和回弹速度就会越快，所以悬挂的减震能力也就越强；而且悬挂质量减轻也意味着弹簧下质量减轻，那么在车身重量一定的情况下，舒适性也越好。占用空间小带来的直接好处就是设计师能在发动机仓布置下更大的发动机，而且发动机的放置方式也能随心所欲。在中型车上能放下大型发动机，在小型车上也能放下中型发动机，让各种发动机的匹配更灵活。为了追求运动性，把其重心布置在前轴之后，因此发动机要占用大量的引擎仓空间，那么，选用一款结构简单，占用空间小的悬挂设计就显得由为重要。麦弗逊悬挂在向上行程时，也就是在发生转向侧倾时，车轮外倾角会自动加大，使轮胎能更好的跟路面结合，给整车提供更大的横向力，提高了转向操控极限。拥有出色的操控和响应性再加上紧凑的结构，很显然就成了哈飞设计师设计前悬架时的首选方案。对于小型车和微型车来说，尽可能的在狭小的发动机仓腾出空间布置发动机就更加重要了，所以他们也不得不选择麦弗逊悬挂，况且，如果做出合理的匹配，麦弗逊无论是操控和舒适性都是相当出色的。图1-1麦弗逊悬架也正是因为麦弗逊结构过于简单，造成悬挂的刚度有限。由于麦弗逊悬挂只能下托臂和减震器支柱来承受强大的车轮冲击力，所以较易发生几何变形。这种变形体现到驾驶感受上，就是驾驶者会明显的感觉到车身稳定性较差。无论是转弯侧倾，还是刹车点头现象，都非常明显。当然，设计师们也想了不少办法来解决稳定性问题。我们经常听说的横向稳定杆，防倾杆，平衡杆等等都是用来提高麦福逊悬挂几何刚度和横向稳定性的部件。横向稳定杆是一根拥有一定刚度的扭杆弹簧，他与左右悬挂的下托臂或减震器滑柱相连。当左右悬挂都处于颠簸路面时，两边的悬挂同时上下运动，稳定杆不发生扭转；当车辆在转弯时，由于外侧悬挂承受的力量较大，车身发生一定侧倾。此时外侧悬挂收缩，内侧悬挂舒张，那么横向稳定杆就会发生扭转，产生一定的弹力，阻止车辆侧倾。从而提高了车辆行驶稳定性。而再增加支撑杆部件，则能达到同时提高悬挂纵向刚度的目的。但是，光增加稳定杆所提高的性能是有限的，使用各种稳定杆设计能从一定程度上提高稳定性和悬挂几何刚度。如果要从根本解决这些问题，就必须改变整个悬挂的几何形状，那么多连杆和双摇臂悬挂就成了高性能悬挂的代表。麦弗逊悬挂除了在稳定性和刚度方面要逊色于多连杆以外，在耐用性上也不能与多连杆悬挂相提并论。由于麦弗逊悬挂的减震器支柱需要承受横向力，同时又要起到上下运动减低震动的目的，所以减震器支撑杆的摩擦很不均匀，减震器油封容易磨损造成液压油泄露降低减震效果。总评：优点：麦弗逊悬挂拥有良好的响应性和操控性，而且结构简单，占用空间小，成本低，适合布置大型发动机以及装配在小型车身上。缺点：稳定性差，抗侧倾和制动点头能力弱，增加稳定杆以后有所缓解但无法从根本上解决问题，耐用性不高，减震器容易漏油需要定期更换。麦弗逊式悬架的经济性分析自20世纪30年代美国通用汽车的一名工程师麦弗逊（McPherson）发明了麦弗逊式悬架以来，麦弗逊式独立悬架已成为使用量最多的悬架结构形式之一。从宝马M3，保时捷911等高性能车，到菲亚特STILO，福特FOCUS，标致和国产的夏利、哈飞面包车等前悬挂采用的都是麦弗逊式悬架。麦弗逊式悬架的有效性和经济型已经得到了无数事实的佐证。随着世界能源的日益匮乏，微型汽车和节能汽车已成为世界汽车工业发展的一个重要方向，小排量汽车和经济型汽车的推广势必会带来麦弗逊式独立悬架更为广泛的运用，麦弗逊式悬架的经济性也将得到充分的体现。麦弗逊式悬架最大的设计特点就是结构简单，结构简单能带来两个直接好处是：悬挂质量轻和占用空间小。我们知道，汽车的质量是影响汽车燃油经济性的一个关键因素，减轻悬架的质量进而减轻整车的质量就可以有效地降低汽车的油耗，从而达到减少能源消耗和降低使用成本的目的；同样，由于麦式悬架有着结构紧凑、占用空间小等结构特点，这就使汽车的前置前驱式布置方案（FF）成为可能。这样，不仅省去了采用前置后驱式布置（FB）时所使用的驱动轴，减轻了汽车的质量降低了油耗，还缩小的整车的尺寸，便于汽车向着微型化方向发展。当然，和其它结构形式的悬架相比从使用经济性角度来讲，麦弗逊式悬架也存在一定的不足。我们知道，悬挂属于运动部件，在汽车运行过程中，悬架将要承受来之路面和车身各个方向的力和力矩。对于麦弗逊式悬架这些冲击载荷将完全由减振器支柱和下摆臂来承受，所以这些部位较易发生几何变形，进而使零件损害造成悬架的失效。第2章麦弗逊式悬架的设计计算2.1悬架的总体布置方案和相关参数的计算悬架的总体布置方案此型车是一款经济型商用车，总体参数要求见表2.1。表2.1总布置参数要求满载轴荷623/787kg空载时的前轴轴载400/280前桥左右悬架的总质量mu73kg前悬架的设计偏频n11.31Hz主销内倾角12°30′主销后倾角2°30′车轮外倾角1°30′整车整备质量870kg麦弗逊悬架的结构分析麦弗逊悬架由多个零件组成，故在悬架机构分析中采用空间机构分析法对其进行分析。在运用此方法进行分析时，将悬架总成中的构件等效成刚体来研究悬架系统的空间运动。图2-2是麦弗逊式悬架的等效机构图，借助图中所示的等效方式，我们可以清楚地看出悬架摆臂和转向节之间的连接通过球副来等效；减振器外套筒和活塞的联接方式被等效成一个移动副；减振器的上支点和车身的联接被等效成一个转动副。这样，麦弗逊式悬架被抽象成一个封闭的空间机构。通过图示的等效方案可以使我们对悬架系统的分析变得简单，且不会在很大程度上影响分析的结果图2-1 麦弗逊悬架的等效机构图悬架总体参数的计算在设计时首先对悬架总体参数进行计算，如悬架的刚度、悬架的挠度等，这样，在下文对零部件的计算时，就可以以悬架的总体参数为依据，根据悬架的结构参数求出相关零部件的受力、刚度等参数。1.悬架的刚度根据设计要求给定的设计状态下的轴荷及簧下质量，可求得前悬架单侧的簧上质量(2.1)于是，前悬架的刚度C为(23.1415926531.31)357=24186.362(N/m)=21.6(N/mm)2.悬架的静挠度悬架的静挠度和悬架刚度之间有如下关系：(2.2)代入数值得：，取3.悬架的动挠度为了防止汽车在坏路面上行使驶时悬架经常碰撞到缓冲块，悬架必须有足够大的动挠度。从结构和使用要求上来考虑选此悬架的动挠度2.2螺旋弹簧的设计计算螺旋弹簧材料的选择螺旋弹簧作为弹性元件的一种，具有结构紧凑、制造方便及高的比能容量等特点，在轻型以下汽车的悬架中运用普遍。根据松花江微型车工作时螺旋弹簧的受力特点和寿命要求（可参考下文的计算分析），选择60Si2MnA为簧丝的材料，以提高弹簧在交变载荷下的疲劳寿命。弹簧的受力及变形根据悬架系统的装配图，对其进行结构分析、计算可以得出平衡位置处弹簧所受压缩力P与车轮载荷的关系式：(2.3)式中，为车轮外倾角，为减振器内倾角，为主销轴线与减振器的夹角式中角度如图2-3所示。弹簧所受的最大力取动荷系数k=1.7，则弹簧所受的最大力Pdmax为：Pdmax=(2.4)图2-2弹簧安装角度示意图2.车轮到弹簧的力及位移传递比车轮与路面接触点和零件连接点间的传递比既表明行程不同也表明作用在该二处的力的大小不同。弹簧的刚度与悬架的线刚度可由传递比建立联系[6]：利用位移传递比便可计算出螺旋弹簧的刚度(2.5)其中分数代表悬架的线刚度。从而，得到如下关系式：当球头支承B由减振器向车轮移动t值时，根据文献[7]，悬架的行程传递比及力的传递比为（其中的参数说明详见图2-4）： (2.6)(2.7)图2-3悬架受力和位移比分析代入数值可得到ix＝1.002 iy＝1.146。所以，位移传递比ixiy为1.1483.弹簧在最大压缩力作用下的变形量由松花江微型前悬给定的偏频f＝1.31Hz，可得到了汽车悬架的线刚度：(2.8)于是可得出弹簧的刚度(2.9)进而可得到弹簧在最大压缩力Pdmax作用下的变形量F：(2.10)所以，弹簧所受最大弹簧力和相应的最大变形为：Pdmax=7310NF=191.9mm2.2.3弹簧几何参数的计算根据已求得的弹簧所受的最大力和相应的变形进行弹簧的设计。1.弹簧的材料许用应力根据其工作条件已经选择簧丝材料60Si2MnA。表2.2材料的性能参数许用切应力[]48kgf/mm2许用剪应力[]100kgf/mm2剪切模量G8000kgf/mm2弹性模量E20000MP强度范围45-50HRC2.选择弹簧旋绕比：旋绕比（弹簧指数）影响着弹簧的加工工艺，当旋绕比过小时将给弹簧的制造带来困难。一般的选择范围是C=4-16,这里初选旋绕比C=8。3.计算钢丝直径d曲率系数(2.11）=14.5mm选d=14.54.弹簧中径D2选择D2=Cd=810.5＝116mm选D2=1165.弹簧圈数n选择(2.12)选n=7圈两端均选0.5圈支承圈，则弹簧总圈数为：n1=n+n2=7+1=8圈6.弹簧的工作极限变形(2.13)工作极限载荷：(2.14)7.弹簧的几何尺寸节距自由高度H0 H0=nt+1.5d选 H0=329螺旋角：外径D： D=D2+d=116+14.5=1进而需将原有弹簧座的尺寸作相应的改变（实际尺寸根据弹簧的外径尺寸而定）。内径D1： D1=D2-d=116-14.5=101.52.2.4计算结果的处理上述对螺旋弹簧的计算的结果如下表2.3所示。表2.3螺旋弹簧参数自由高度H0329弹簧圈数n8圈螺旋角6.88°内径D1101外径D1节距t43.9在AUTOCAD软件环境下绘制螺旋弹簧的工程图（如图2-5）所示。为了改善弹簧在安装后的受力状况，螺旋弹簧的两端需作端平处理，在装配时此处的配合精度选为七级精度，又因为弹簧的外径为13图2-4螺旋弹簧的零件图2.3横向稳定杆的设计计算2.3.1横向稳定杆的作用汽车在高速行驶时，车身会产生很大的横向倾斜和横向角振动。因此，悬架中需添设横向稳定杆。采用横向稳定杆除了可减轻车身倾斜外，还会影响汽车的操纵稳定性。主要包括以下两点：（1）前悬架中采用较硬的横向稳定杆有助于汽车的不足转向性，并能改善汽车的蛇形行驶性能；（2）增大后悬架的稳定性，会使前轮驱动汽车具有中性转向性能，使后轮驱动车具有更大的过度转向性。2.3.2横向稳定杆的设计计算松花江微型车采用的前置前驱（FF）方案，因此汽车总布置对空间的要求比较严格，可利用的空间不大。基于这样的布置要求和使用条件，这里选用Ⅱ型稳定器。确定横向稳定杆杆径d0的公式如下：其中：Cs=9.52N/mm; E=196Gpa; G=80Gpa;k——对于圆截面杆段，所采用的修正系数；=523mm; =363mm; =200mm; =210mm;=500mm; ls=1145mm.各参数的含义如图2-6所示，其数值可参考横向稳定杆的零件图。图2-5 横向稳定杆示意图于是可以求得横向稳定杆的杆径d0=20.9，选择整数标准值d1＝21mm，横向稳定杆的形状应由它的空间布置要求来定。在AUTOCAD软件环境下绘制螺旋弹簧的工程图（如图2-8）所示。为了使横向稳定杆在拐角处的半径值不至于过小，此处取最小半径R＝18mm。图2-6横向稳定杆零件简图2.4减震器的选型与设计2.4.1减振器类型的选择悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。汽车车身和车轮振动时减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和粘性液体的摩擦形成了振动阻尼，将振动能量转化为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的。如果能量的消耗仅仅只是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称为单向作用减振器；反之称为双向作用减振器。后者因为减振作用比前者好而得到广泛应用。减振器大体上分为两大类，即摩擦式减振器和液力减振器。摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间相对运动时的摩擦力提供阻尼。但是由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很容易受到油、水等的影响，无法正常工作，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、容易调整等优点，但现在汽车上已经不再采用这类减振器。液力减振器最早出现于1901年，有两种主要的结构形式分别是摇臂式和筒式。悬架中用的最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。松花江微型车的工作工况一般为城市道路工况，总体来说，它所行驶的路面较为平缓。悬架的减振器在这样的路面上工作时，振动的幅值不大，但频率较高。所以我选择筒式减振器。而在筒式减振器中，常用的三种形式是：双筒式、单筒充气式和双筒充气式。我选择双筒式液力减振器。使用双筒式液力减振器后，当车架与车桥作往复相对运动时，减振器能够通过内部粘性油液的流动，将车身和车架的振动能量转化为热能，最终散到大气中，从而达到使振动迅速衰减的目的。图2-7减振器2.4.2汽车悬架与减震器的匹配与减震器的放置结构如右图，特性：侧倾中心高度较高；车轮外倾角与主销内倾角变化小；轮距变化很小，故轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较大可不装横向稳定器；横向刚度大；占用空间尺寸小；结构简单、紧凑乘用车上用得较多。(2-8)2.4.3双筒式液压减振器的外特性悬架减振器的外特性，是指减振器伴随（相对）运动的位移或（相对）运动的速度，与相应产生的工作阻力之间的关系，通常我们分别称之为示功特性和速度特性。外特性能良好的匹配悬架的性能需要，就能获得良好的振动特性。设计的减振器在实际使用中，其外特性必须保证良好的相对稳定性。减振器外特性的畸变往往会使预期设计的外特性出现某些缺陷，因此，减振器的设计有两个基本质量要求：一是外特性必须满足车辆悬架的性能需求；二是无畸变，即这种外特性要有稳定而持久的工作质量。减振器的外特性即为其速度特性，如图2-9所示。图2-9减振器特性阻力一位移特性b)阻力一速度特性减振器的特性可以用下图所示的示功图和阻尼力-速度曲线描述。减振器特性曲线的形状取决于阀系的具体结构和各阀开启力的选择。一般而言，当油液流经某一给定的通道时，其压力损失由两部分构成。其一为粘性阻力损失，对一般的湍流而言，其数值近似地正比于流速。其二为进入和离开通道时的动能损失，其数值也与流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影响。由于油液粘性随温度的变化远比密度随温度的变化显著，因而在设计阀系时若能尽量利用前述的第二种压力损失，则其特性将不易受油液粘性变化的影响，也即不受油液温度变化的影响。不论是哪种情形，其阻力都大致与速度的平方成正比。图中曲线A所示为在某一给定的A通道下阻尼力F与液流速度v的关系，若遇通道A并联一个直径更大的通道B，则总的特性将如图中曲线A+B所示。如果B为一个阀门，则当其逐渐打开时，可获得曲线A与曲线A+B间的过渡特性。恰但选择A、B的孔径和阀的逐渐开启量，可以获得任何给定特性曲线。阀打开的过程可用三个阶段来描述，第一阶段为阀完全关闭，第二阶段为阀部分开启，第三阶段为阀完全打开。通常情况下，当减振器活塞相对于缸筒的运动速度达到0.1m/s时阀就开始打开，完全打开则需要速度达到数米每秒。2.4.4双筒式减振器的外特性设计原则对外特性的基本设计依据，需要研究车身的振动。车身的振动又取决与轮轴的振动。轮轴的振动同时受上、下两端的影响，与车轮的阻尼有关。车轮的激振力等于悬架质量的惯性力和轮轴质量的惯性力之和。同时车轮的激振力又决定了车轮的接地性能，是行驶安全性的重要尺度，在悬架系统中配置适当的减振器，能有效的阻尼车身振动，保证良好的平顺性。通过查阅资料可以知道，增大相对阻尼系数将有效的抑制车身加速度和车轮动栽增大，但是增大相对阻尼系数虽然有利于降低车身动载，但车身的加速度会相对于阻尼系数的增大而增大。因此在高的激振情况下，减振器的作用加剧了车身的振动，降低了舒适性，但减振器此时由于对车轮动载有抑制作用，却能提高行驶的安全性。因此外特性的设计应该有两个基本方面的意义：一是使减振器的外特性与车辆悬架振动特性相匹配；二是在复杂的运行工况下，能较稳定的保持这种相适应的外特性。车辆在复杂的运行工况下，减振器的相对稳定地保持其外特性的预期设计能力，是评价悬架减振器减振效能和等级质量的决定性标志。2.4.5主要性能参数的选择筒式减振器设计中涉及的参数较多，大致可以分为如下几类：（1）整车参数包括车辆全重、悬置质量、车辆纵向的转动惯量、车辆悬架刚度、车辆振动固有频率（圆频率）、减振器个数等。（2）几何布置参数包括减振器的位置、弹性元件位置、安装杠杆角度等。（3）减振器结构参数包括减振器长度、减振器活塞直径、活塞杆直径、阀孔位置、阀孔个数、阀孔直径、减振器筒径、工作缸直径与长度、储液筒直径与长度等。（4）减振器工作参数包括减振器的工作长度、限压阀阀门弹簧的刚度、弹簧预紧压缩量、阀门附加最大行程、活塞行程、活塞最大线速度、活塞正反最大阻力、开阀压力、减振器阻尼系数等。这些参数在设计中有的是作为已知量，有的是作为待确定量，所以选择参数时，要考虑的情况比较多，但一般来说，主要包括活塞面积计算、阀门机构设计计算、阻尼比或者阻尼系数，最大卸荷力等参数的计算，尺寸设计计算，强度校合，寿命计算等。活塞面积按反行程的最大阻力来确定，反行程最大阻力与活塞最大线速度有关，活塞最大线速度取决于悬架装置结构。阀门机构设计主要包括常通孔面积计算和阀门弹簧的计算。减振器内通常有两个常通孔，活塞上常通孔和补偿阀座上的常通孔。活塞上常通孔面积按压缩行程最大活塞线速度即开阀速度计算。设计减振器时，阻尼比的确切值是未知的，它只能通过测定减振器工作时的衰减振动情况计算求得。但是阻尼比的大小又关系到活塞最大线速度、减振器阻尼力等物理量的值，所以，在设计过程中通常从减振器吸收振动能量的角度来估计阻尼比的值。表2.4松花江微型技术参数车型松花江微型HFJ1010系列长×宽×高（mm）3215×1405×1660轴距（mm）1840轮距前/后（mm）1300/1310最小离地间隙（mm）180最小转弯直径（m）8.2行李箱容积（L）油箱容积（L）36整备质量（kg）870最大功率（PS(kW)/rpm）35.5/5000最大扭矩（N·m/rpm）74/3500发动机型式水冷直列斜置四缸四冲程排量（ml）797（870）压缩比10燃料要求93号及以上无铅汽油，可使用符合国家标准的乙醇汽油悬架前：麦克弗逊式独立悬架，螺旋弹簧，带三角型下横臂及横向稳定杆转向系统循环球齿条齿扇式制动系统双领蹄式制动最高车速（km/h）1202.4.6主要尺寸的确定1.筒式减振器工作缸半径径D的确定根据伸张行程的最大卸荷力F0计算工作缸半径D为式中，p最大允许压力，取3Mpa；为连杆半径与缸筒直径之比，取＝0.48根据求得的工作缸半径，查汽车筒式减振器的有关国标(JB1459—85)，就可以就近选用一个标准尺寸。这里我们选用的工作缸半径D=25mm。2.最大卸荷力F0的确定（4）悬架刚度的分配为保证悬架有良好的平顺性，要求固有频率变化小。整个负荷变化范围内频率的变化应最小。可求得：(4.1)总刚度为：=267.3——挂车满载时的固有频率。4.2悬挂的基本参数计算该载货汽车后悬挂的总负荷空载时，满载时；；；(3)钢板弹簧主要参数的确定式中：、分别为满载时钢板弹簧主簧、副簧承受的载荷。钢板弹簧长度L的确定：在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。推荐挂车悬挂后钢板弹簧主簧长度轴距；取；钢板断面尺寸及片数的确定：平均厚度：(4.2)式中：——考虑U形螺栓夹紧板簧后的无效长度系数（刚性夹紧时=0.5，挠性夹紧时=0）；S——U形螺栓中心距；——为挠度增大系数；——材料的弹性模量，；——许用弯曲应力，采用的55SiMnVB材料，表面经喷丸处理后，推荐的后主簧为450～550，后副簧为220～250。主簧：片宽b：推荐片宽与片厚的比值在6～10范围内选取，取前后钢板弹簧主副簧=4.3cm。钢板断面形状弹簧采用矩形断面形状，其中性轴在钢板断面的对称位置上，工作时，一面受拉应力、另一面受压应力作用，并且应力绝对值相等。钢板弹簧片数：根据挂车的总质量，选取的片数为=6片(4)钢板弹簧各片长度的确定钢板弹簧各片长度就是基于实际钢板各片展开图接近梯形梁的形状这一原则来作图确定的，具体进行步骤如下：先将各片厚度的立方值按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上，再沿横坐标量出主片长度的一半和U形螺栓中心距的一半，得到A、B两点，连接A、B既得到三角形的钢板弹簧展开图。AB线与各叶片的上侧边交点既为各片长度。各片实际长度尺寸需经过圆整后确定。L/2L/2s/2ABh33图4-1确定钢板弹簧各片长度的作图法钢板弹簧各片长度：1012mm、865mm、715mm、542mm、408mm、255mm4.3悬挂的强度校核计算(1)钢板弹簧的刚度验算根据悬架布置的可能性及生产工艺的允许条件，最后决定的弹簧刚度为： (4.3)其中：；；。式中：——经验修正系数，=0.83～0.93；E——材料弹性模量；、——主片和第片的一半长度。代入已知数据可得：；钢板弹簧总截面系数：(4.4)满载平均静应力：=37.26Mpa(4.5)比应力：(4.6)（2）从实际规格尺寸及应力规范修正设计参数钢板橡胶垫块高度为3cm，压缩量为1.4cm，极限动行程计算值应取为7.4+1.48.8cm。（3）主副钢板弹簧负荷分配和应力核算满载主簧挠度：(4.7)满载极限应力：(4.8)钢板弹簧采用的是55SiMnVB材料，表面经喷丸处理后，推荐的为450～550，由上述计算结果可知，满载平均静应力和极限应力都在许用值范围内，故满足使用条件。4.4本章小结叙述了在钢板弹簧式悬架的设计中需要的各种设计参数与校核。介绍了钢板弹簧式减振器各类参数的选用方法和在设计过程中需要的各种公式以及对重要参数的确定。结论本毕业设计根据松花江微型车给定的设计要求，分别从设计、制造、分析设计等方面着手，完成了悬架中关键零部件的设计计算和校核、导向机构的分析、转向断开点的设计等工作。从而较系统地阐述了松花江微型车用麦弗逊式前悬架和钢板弹簧式后悬架的设计优化过程，这对生产实际具有一定的指导意义。作为本科毕业设计，其设计目的重在对课本知识的巩固和运用。因此，文章从和书本知识结合较紧密的计算开始，分别从零件的结构形式和受力分析两方面，对悬架中关键零部件进行了设计，并对它们的可行性进行了校核。然后，文章又不拘泥于课本知识，在对悬架导向机构进行分析时，从运动学角度对悬架进行了分析。我的毕业设计是在黑龙江工程学院完成的，在此过程中我遇到了很多以前没有接触过的问题，在查阅大量资料的基础上和老师、同学的帮助下这些问题基本得到了解决。但限于篇幅和设计时间，尚有很多值得深入研究和改进的地方。如本文在建立物理模型和数学模型时，对左前车轮和悬架单独考虑，而没有考虑左右车轮在转向时的联动关系，尽管对结果不会产生较大影响，但总的来说存在一定偏差。如果同时对左右两侧的转向横拉杆断开点位置进行分析，需要先确定内侧或者外侧的车轮转角，然后按照阿克曼原理计算出另外一侧车轮的理想转角，将理想转角和实际转角之差的绝对值作为另一个目标函数，这样，对左右两侧横拉杆断开点进行分析就变成了一个多目标函数的问题。参考文献[1]刘惟信主编.汽车车桥设计[M].北京：清华大学出版社，2004,4.[2]刘惟信主编.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001,7.[3]陈家瑞主编.汽车构造第四版[M].北京：人民交通出版社，2006,1.[4]刘惟信.机械最优化设计[M].北京:清华大学出版社，1994.[5]王望予编.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2000,5.[6]陈家瑞.汽车构造(下册)[M].第三版.北京:人民交通出版社，1994.[7]清华大学汽车工程系本书编写组编著.汽车构造[M].北京：人民邮电出版社，2000,3.[8]余志生.汽车理论[M].第5版.北京:机械工业出版社，2010.[9]陆克久.松花江微型客车[M].福建:福建科学技术出版社，2001.[10]哈飞机车股份有限公司.松花江牌HFJ1010系列微型汽车零配件目录[M].第1版，人民交通出版社，1998.[11]赵新红.麦弗逊悬架在车轮转向和跳动时的分析[D]:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,1997.[12]刘子键.现代CAD设计基础.长沙[M]:湖南大学出版社,1999.[13]陈启发、谈胜利、梁桦.微型汽车使用与维修[M]。北京理工大学出版社，2001.[14]陆克久蒙留记。新编国产微型客车使用与维修[M]。金盾出版社，2004.[15]王敏.周恒昌.微型汽车构造与维修(底盘及电器辑)[M].第1版.北京:人民交通出版社，1995.[16]曹立田.林颖.陈明宇.非独立悬架汽车转向轮运动分析[J].机械设计与制造，1998.[17]DuymSWRSimulationtolls.Modelinganddentificationforanautomotiveshockabsorberinthecontestofvehicle.vehicle,ynamics，2000(33)[18]WTThomsonMDDehleh.TheoryofVibrationwithApplicationwithApplications.Prentice-Hall，1998[19]陆波.麦氏悬架系统运动分析.汽车技术[J]，1994.[20]许早龙.UG在麦克弗逊式前悬架运动分析中的运用.计算机辅助设计与制造[J]，2001.致谢随着毕业设计的完成，我们的大学生活接近了尾声。虽然几个月的时间忙碌而又紧张，但我感受到更多的是充实和快乐。在本次设计中，非常感谢我的导师吕德刚老师在繁忙的工作中抽出时间对我的设计进行指导，在我不会的时候为我引路；在我迷茫的时候，为我拨开迷雾。为了我们的毕业设计，牺牲出自己的休息时间。在这里衷心的对他说一声谢谢。同时，也非常感谢汽车工程与交通学院的所有老师，在我不会的时候为我指点，对我论文悉心的指导、对我生活无微不至的关照。没有你们的帮助、理解和支持，我决然不能够按时完成这次设计。当然，也非常感谢我的同学，在毕业设计期间，我们相互帮助，互相支持，我们才能保质保量的完成任务。最后，衷心的祝愿我的老师和同学身体健康，工作顺利。附录附录ABasicPartsandTypesoftheSuspensionandSteeringSystemsSuspensionSystemIfavehicle'saxleswerebolteddirectlytoitsframeorbody,everyroughspotintheroadwouldtransmitajarringforcethroughoutthevehicle.Ridingwouldbeuncomfortable,andhandlingatfreewayspeedswouldbeimpossible.Thefactthatthemodernvehicleridesandhandleswellisadirectresultofasuspensionsystem.Eventhoughthetiresandwheelsmustfollowtheroadcontour,thebodyshouldbeinfluencedaslittleaspossible[1].Thepurposeofanysuspensionsystemistoallowthebodyofthevehicletotravelforwardwithaminimumamountofup-and-downmovement.Thesuspensionshouldalsopermitthevehicletomaketurnswithoutexcessivebodyrollortireskidding.SuspensionSystemComponentsVehicleFrameAvehicle'sframeorbodymustformarigidstructuralfoundationandprovidesolidanchoragepointsforthesuspensionsystem.Therearetwotypesofvehicleconstructionincommonusetoday:body-over-frameconstruction,whichusesaseparatesteelframetowhichthebodyisboltedatvariouspointsandunibodyconstruction,inwhichthebodysectionsserveasstructuralmembers.Unibodyconstructionisthemostcommon,butbody-over-frameconstructionisstillusedonpickuptrucksandlargecars.SpringsThespringsarethemostobviouspartofthesuspensionsystem.Everyvehiclehasaspringofsomekindbetweentheframeorbodyandtheaxles.Therearethreetypesofspringsingeneralusetoday:leafspring,coilspring,andtorsionbar.Twodifferenttypesofspringscanbeusedononevehicle.Airspringswereonceusedinplaceoftheothertypesofsprings,butarenowobsolete.Manymodernvehicleshaveair-operatedsuspensions,buttheyareusedtosupplementthesprings.ShockAbsorbersWhenthevehicleistravelingforwardonalevelsurfaceandthewheelsstrikeabump,thespringisrapidlycompressed(coilsprings)ortwisted(leafspringsandtorsionbars).Thespringwillattempttoreturntoitsnormalloadedlength.Insodoing,itwillrebound,causingthebodyofthevehicletobelifted.Sincethespringhasstoredenergy,itwillreboundpastitsnormallength.Theupwardmovementofthevehiclealsoassistsinreboundingpastthespring'snormallength.Theweightofthevehiclethenpushesthespringdownafterthespringrebounds.Theweightofthevehiclewillpushthespringdown,butsincethevehicleistravelingdownward,theenergybuiltupbythedescendingbodywillpushthespringbelowitsnormalloadedheight.Thiscausesthespringtoreboundagain.Thisprocess,calledspringoscillation,graduallydiminishesuntilthevehicleisfinallystill.Springoscillationcanaffecthandlingandridequalityandmustbecontrolled.AirShockAbsorbersSomesuspensionsystemsincorporatetwoadjustableairshockabsorbersthatareattachedtotherearsuspensionandconnectedtoanairvalvewithflexibletubing.Airoperatedshockabsorbershavehydraulicdampeningsystemswhichoperateinthesamemannerasthoseonconventionalshocks.Inaddition,theycontainasealedairchamber,whichisactedonbypressurefromaheightcontrolsensor.Varyingthepressuretotheairchambercausestheairshocktoincreaseordecreaseitslengthoroperatingrange.Airpressureisdeliveredtotheairshocksthroughplastictubing.Thetubingconnectstheshockstoanairvalve.Airpressureforraisingtheshocksisgenerallyobtainedfromanoutsidesource,suchasaservicestationcompressor,andisadmittedthroughtheairvalve.Todepletetheshocksofunwantedair(lowervehiclecurbheight),theairvalvecoreisdepressed,allowingairtoescape.ControlArmsAllvehicleshaveeithercontrolarmsorstrutstokeepthewheelassemblyintheproperposition.Thecontrolarmsandstrutsallowthewheeltomoveupanddownwhilepreventingitfrommovinginanyotherdirection.Thewheelwilltendtomoveinundesirabledirectionswheneverthevehicleisaccelerated,braked,orturned.Vehiclesuspensionsmayhavecontrolarmsonlyoracombinationofcontrolarmsandstruts.TypesoftheSuspensionFrontSuspensionSystemsAlmostallmodernfrontsuspensionsystemsareindependent.Withanindependentsuspension,eachfrontwheelisfreetomoveupanddownwithaminimumeffectontheotherwheel.Inanindependentsuspensionsystem,thereisalsofarlesstwistingmotionimposedontheframethaninasystemwithasolidaxle.Nevertheless,afewoff-road,fourwheeldrivevehiclesandlargetruckscontinuetouseasolidaxlefrontsuspension.ThetwomajortypesofindependentfrontsuspensionaretheconventionalfrontsuspensionandtheMacPhersonstrutfrontsuspension.ConventionalFrontSuspensionIntheconventionalfrontsuspensionsystem,oneortwocontrolarmsareusedateachwheel.Inmostsystems,thecoilspringsaremountedbetweenthevehicle'sframeandthelowercontrolarm.Inoldersystems,coilspringsaremountedbetweentheuppercontrolarmandvehiclebody.Inatorsionbarfrontsuspensionsystem,thelowerarmmovesupward,ittwiststhetorsionbar.CoilSpringFrontSuspensionFig.11-1showsatypicalindependentfrontsuspensionthatusesrubberbushingcontrolarmpivots.Thetopofthecoilspringrestsinacup-likespotagainsttheframe(unshown).Thebottomofthecoilspringissupportedbyapadonthelowercontrolarm.Thetopofeachshockabsorberisfastenedtotheframe;thebottomisattachedtothelowercontrolarm.TorsionBarFrontSuspensionAtorsionbarislocatedoneachsideoftheframeinthefrontofthevehicle.Thelowercontrolarmisattachedtothefreeendofthetorsionbar.Whenthewheelisdrivenupward,thelowercontrolarmmovesupward,twistingthelongspringsteelbar.MacphersonStrutFrontSuspensionMostmodernvehicles,especiallythosewithfront-wheeldrive,usetheMacPhersonstrutfrontsuspensionsystems,Fig.11-2.NotethattheMacPhersonstrutcontainsacoilspring,whichismountedontopoftheheavystrut-and-pedestalassembly.TheentireMacPhersonstrutassemblyisattachedtothesteeringknuckleatthelowerpartofthepedestal.ThebottomoftheMacPhersonstrutassemblyisattachedtothesinglecontrolarmthroughaballjoint.Theentirestrutassemblyturnswhenthewheelisturned.Abearingorthrustplateatthetopofthestrutassemblyallowsrelativemovementbetweentheassemblyandthevehiclebody.Theballjointallowsthestrutassemblytoturninrelationtothecontrolarm.Thestrutcontainsadamper,whichoperatesinthesamemannerasaconventionalshockabsorber.Mostdamperassemblieshaveaprotectivecoverthatkeepsdirtandwaterawayfromthedamperpistonrod.TheadvantageoftheMacPhersonstrutisitscompactdesign,whichallowsmoreroomforserviceonsmallcarbodies.SolidAxleFrontSuspensionTheuseofthesolidaxlefrontsuspension(ordependentsuspension)isgenerallyconfinedtotrucksandoff-roadvehicles.Thissystemusesasolidsteeldead.RearSuspensionSystemsRearsuspensionsonvehicleswithasolidrearaxlehousinggenerallyutilizecoilspringsorleafsprings.Whenthevehiclehasanindependentrearsuspensionsystem,coilsprings,MacPhersonstruts,asingletransverseleafspring,oreventorsionbarscanbeused.SteeringSystemThesteeringsystemisdesignedtoallowthedrivertomovethefrontwheelstotherightorleftwithaminimumofeffortandwithoutexcessivemovementofthesteeringwheel.Althoughthedrivercanmovethewheelseasily,roadshocksarenottransmittedtothedriver.Thisabsenceofroadshocktransferisreferredtoasthenonreversiblefeatureofsteeringsystems.Thebasicsteeringsystemcanbedividedintothreemainassemblies:Thespindleandsteeringarmassemblies.Thelinkageassemblyconnectingthesteeringarmsandsteeringgear.Thesteeringwheel,steeringshaft,andsteeringgearassembly.SteeringGearThesteeringgearisdesignedtomultiplythedriver'sturningtorquesothefrontwheelsmaybeturnedeasily.Whentheparallelogramlinkageisused,thetorquedevelopedbythedriverismultipliedthroughgearsandisthentransmittedtothewheelspindleassembliesthroughthelinkage.Ontherack-and-pinionsteeringsystem,thesteeringshaftisconnecteddirectlytothepinionshaft.Turningthepinionmovestheracksection,witchmovesthelinkage.Late-modelvehiclesuseeithermanualsteeringgearsorpowersteeringgears.Therearethreetypesofthesteeringgearsinuse:recirculatingballsteeringgear,worm-and-rollersteeringgearandrack-and-pinionsteeringgear.PowerSteeringPowersteeringisdesignedtoreducetheeffortneededtoturnthesteeringwheelbyutilizinghydraulicpressuretobolster(strengthen)thenormaltorquedevelopedbythesteeringgear.Powersteeringsystemsshouldeasesteeringwheelmanipulationand,atthesametime,offerenoughresistancesothatthedrivercanretainsomeroadfeel.Powersteeringisusedwithbothconventionalandrack-and-pinionsystems(Fig.11-3).Theself-containedsteeringgearcontainsthecontrolvalvemechanism,thepowerpiston,andthegears.PressuredevelopedbytheunitisappliedtothepitmanshaftThepowerrack-and-pinionsteeringsystemalsousesarotarycontrolvalvethatdirectsthehydraulicfluidfromthepumptoeithersideoftherackpiston.AnoverallviewofthissetupisshowninFigure11-3.Steeringwheelmotionistransferredtothepinion.Fromthere,itissentthroughthepinionteeth,whichareinmeshwiththerackteeth.Theintegralrackpiston,whichisconnectedtotherack,changeshydraulicpressuretoalinearforce(backandforthmovementinastraightline).This,inturn,movestherackinarightorleftdirection.Theforceistransmittedbytheinnerandoutertierodstothesteeringknuckles,which,inturn,movethewheels.附录B悬架与转向系统悬架与转向系统的基本组成与类型1.悬架系统如果将一辆汽车的车桥直接固定到车架或车身上，道路上的每个凹凸不平的点都会将一个冲击力传递给车辆。乘客会觉得不舒适，高速操纵极为困难。现代汽车乘坐舒适、操控性好就是悬架系统的直接作用结果。尽管轮胎和车轮必须随着道路的凹凸不平而上、下跳动，但对车身的影响应尽可能小。采用任何一种悬架系统的目的都是允许车身向前移动，而将上、下运动减到最小程度。悬架还应允许汽车转弯，但不能有过大的车身横摇或轮胎侧滑。2.悬架系统的组成1）车架汽车的车架或车身应为悬架系统形成一个刚性结构基础，并未该系统提供坚固的锚固点。今天常见的车身结构有两种：车身在车架上的结构（非承载式车身）和整体式结构（承载式车身）。前者采用了单独的钢车架，车身的