【哈弗H6双横臂独立悬架设计与性能探析7000字（论文）】

哈弗H6双横臂独立悬架设计与性能分析摘要 摘要：悬架是汽车组成中不可或缺的一部分。悬架设计是否合理直接影响汽车在行驶过程中的稳定性。本文把哈弗H6SUV汽车作为研究对象，对它的后悬架进行计算和设计。设计之前首先在图书馆和网络上查阅了许多资料，了解了悬架的基本机构和组成以及工作原理，结合SUV汽车的后悬架实例，确定了采用双横臂独立悬架作为本次设计的后悬架。在设计过程中，先对市场上的哈弗H6SUV汽车原有悬架进行性能分析，得出双横臂独立悬架对汽车行驶和操纵的影响；其次，利用悬架相关性能参数，计算悬架的静挠度、动挠度和悬架刚度；然后，根据相应的设计规则，对导向机构、弹簧、减振进行相应的设计和计算;再对悬架的结构布置进行分析设计，使其占用空间更加合理；最后，绘制了悬架CAD图纸。关键词：悬架；哈弗H6；双横臂；减振器1引言悬架是用来确定车轮或车桥与车辆的承载系统(车架或承载式车身)之间是否存在弹性联系的总称[1]。它的主要作用是传递车架与车轮之间的力和力矩。还能减缓汽车在恶劣路况下的振动和冲击，使汽车平稳行驶[2]。因此，在设计汽车悬架时，应考虑车轮与车架的连接。通常，车身与车轮的连接采用弹性连接，通过弹簧本身的变形、减速引起休克和振动来吸收能量[3]。近年来，随着经济发展，国民收入增加，人们的生活质量大大提高，对于生活用车的需求也相继提高。这就意味着乘用车的乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶平顺性也必须上升到相应水平，于是对于车辆悬架的研究已是迫在眉睫。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧[4]。本设计的研究对象是哈弗H6SUV汽车的后悬架，横臂是悬架中重要的组成，根据长度，它可以分为两种：等长的双叉骨和不等长的双叉骨。其中，相同长度的双叉骨会在车轮上下移动时导致严重的车轮磨损。当不等长的双叉骨在车轮上上下移动时，上，下横臂的长度不同，并且双叉骨的位置合理排列，因此车轮上的磨损量较小，车辆状况良好，稳定性和平顺性较好。为了得到原始参数，对双横臂独立悬架的运动情况进行分析，用车轮轨迹变化、外倾角、前束角、主销后倾角、主销倾角和公式计算得到悬架各点位置。以双横臂式独立悬架为研究对象，通过对悬架各部分的分析与研究，得出双横臂独立悬架的结构；根据悬架结构参数进行计算，对悬架各部分进行分析以确定主要参数。国外研究现状：国外汽车行业起步较早，在汽车工业方面占据了很大优势，对于汽车相关各领域的研究也占得先机。国外在悬架方面的研究已经趋于成熟，在双横臂独立悬架的研究主要集中在独立悬架设计方法、独立悬架对车辆行驶平顺性和操纵稳定性的影响、独立悬架与转向系的匹配、悬架弹性元件的设计、导向机构的硬点坐标优化与运动学分析等，同时随着电子、微机技术的革新，独立悬架正向着智能化、轻量化、小型化、通用化的方向发展[5]。国内研究现状：相对于国外悬架技术的发展已经相当成熟，国内对于双横臂独立悬架的研究还处于起步阶段，因为国内汽车行业起步较晚，与国外已进入实用化阶段相比略显不足，但在参考国外文献和研究之后，国内对于双横臂独立悬架的研究飞速发展。国内许多研究机构和人员利用虚拟样机技术，对悬架进行设计优化与仿真，虽然虚拟样机研究与真实数据之间存在一定误差，但它能反复计算设计研究，节省大量人力物力和时间，为悬架的研究提供了大量参考数据。近年来，国内许多研究机构和人员发表了大量悬架相关的研究论文，从各方面分析研究了悬架的特点。总之国内悬架技术进展不容小觑，追上并超越国外指日可待。双横臂独立悬架的发展趋势：随着汽车工程技术的进步，汽车悬架在乘坐舒适性和操纵稳定性方面得到了广泛重视和深入研究，在汽车工业领域中，双横臂独立悬架受到日益广泛的重视，再加上国民收入增加，已经有了足够支持追求更好性能的生活用车的条件，双横臂独立悬架已成为悬架发展的重要趋势。2悬架主要参数的确定2.1确定参考车型的主要参数本次设计选用的车型为哈弗H6SUV汽车。主要参数如下表2-1所示。表2-1参考车型主要参数参数数值车身长/宽/高（mm）整车整备质量（kg）总质量（kg）前轮距（mm）后轮距（mm）轮胎规格最小离地间隙（mm）2.2悬架静挠度计算悬架的静挠度是指汽车在满载静止状态下悬架上的载荷与悬架刚度c之比，即。汽车前部分车身的固有频率可以用下式表示：(2.1)汽车后部分车身的固有频率可以用下式表示：(2.2)式中，为汽车前悬架的刚度、为汽车后悬架的刚度；为前悬架的簧上质量、为后悬架的簧上质量。根据《汽车设计手册》可知，汽车前悬架的静挠度可用下式表示(2.3)汽车后悬架的静挠度可用下式表示：=(2.4)为重力加速度。把和代人到（2.1）和（2.2）得到：(2.5)(2.6)由式(2.5)和式(2.6)可知，汽车悬架的动扰度与汽车前部分的车身的固有频率和后部分的车身的固有频率有直接关系，为了保证汽车能够在道路上安全且平稳的进行行驶，并根据《汽车设计手册》选取汽车前部分的车身的固有频率和汽车后部分的车身固有频率分别为和。将固有频率分别带入式(2.5)和式(2.6)可得前、后悬架的静挠度分别为和,为了方便计算将前、后悬架的静挠度分别取整，即，。2.3悬架的动挠度悬架的动挠度指的是当汽车的悬架被压缩到结构允许的最大变形时，车轮中心相对于车架(或车身)从满载静平衡位置的垂直位移。查阅资料得知一般SUV和轿车在工作行程中其静挠度与动挠度之和应该大于160mm，才能保证汽车拥有良好的行驶性能。悬架动挠度：符合要求。2.4悬架刚度计算整车装备质量为，簧上质量为，簧下质量为，满载时总质量为：。哈弗H6SUV汽车车型为前置前驱，从轴荷分配范围表2-2可以得到：空载后轴单轴负荷：满载后轴单轴负荷：表2-2轴荷分配范围车型空载满载前轴后轴前轴后轴前置前驱前置后驱后置后驱则后悬架满载的刚度为：(2.7)后悬架空载刚度为：(2.8)2.5悬架侧倾角刚度在前后轴的分配悬架侧倾角不是很大的情况下，车身发生单位角度倾斜时所需的弹性恢复力矩就是悬架的侧倾角刚度。侧倾角刚度要在合适范围，如果过大，驾驶员受到车辆行驶状况反馈不明显，不能及时对突发情况作出处理；若过小，乘车舒适性则降低。此外，前后悬架侧倾角刚度的分配会对前后轮侧倾角造成影响，从而改变转弯特性，所以设计时要考虑悬架侧倾角刚度在前后轴的分配。通常情况乘用车前后悬架侧倾角刚度比为。3双横臂独立悬架导向机构的设计3.1侧倾中心双横臂悬架的侧倾中心如图3-1所示。通过延长连接横臂的内部和外部转折点的线，可得到和的高度。通过把连接到车轮接地点，可以在车辆轴线作出侧倾中心。两臂相互平行时，在无穷远。通过绘制一条平行线，可获得侧倾中心。原理图如图3-2所示。图3-1侧倾中心W的确定图3-2侧倾中心W的确定本文采用不等长双横臂式独立悬架。3.2侧倾轴线独立悬架中，侧倾轴线连接了前后侧倾中心。前、后悬架的侧倾轴线值不易过大也不宜过小，为了保证车身的倾侧值在允许范围内，查阅相关资料并结合实际汽车使用情况前后悬架的倾侧范围值选取和。3.3纵倾中心纵倾中心如图3-3所示。图3-3双横臂式独立悬架的纵倾中心3.4纵向平面内上、下横臂的布置方案上下横臂轴抗前俯角的匹配对主销后倾角的变化有较大影响[6]。给出了六种布置方案的主销后倾角随车轮跳动的曲线如图3-4。图3-4β1、β2的匹配对λ的影响通常预期主销后倾角将发生如下变化：当悬架弹簧被压缩时后倾角增加，而当弹簧被拉伸时后倾角减小。当主销的后倾角增加时，控制臂支架中会产生力矩，以防止制动前俯。3.5横向平面内上、下横臂的布置方案在横向平面中上下横臂的布置如图3-5，比较者三种方案，结合实际侧倾中心选择第一种方案。图3-5布置方案3.6水平面内上、下横臂摆动轴线的布置方案水平面内上下横臂轴线三种布置方案如图3-6：图3-6布置方案为满足使用需求，使汽车具有良好的行驶性能，已有一套列线图，如图3-7所示。图3-7列线图由容许前俯角确定，再找相应，在图中选取,求主销后倾角变化率。由在图中选取球销中心距与再在图中找到上下横臂轴夹角。充分考虑设计需求与汽车行驶过程中具有良好性能，上横臂和下横臂的摆动轴线在水平面内的布置方案选择图3-6b的方案进行布置。3.7上、下横臂长度的确定上、下横臂长度之比L1/L2变化时的悬架运动特性如图3-8。图3-8悬架运动特性下横臂不变，改变上横臂，计算得到时的悬架运动特性曲线。根据图3.8所示的悬架运动特性，以及我国SUV汽车设计经验和标准，本次设计选取0.65。3.8横向稳定杆的设计与计算3.8.1横向稳定杆的作用许多轿车和SUV等车型的后悬架上都装有横向稳定杆。横向稳定杆是为了减小车身在转向过程中的侧倾角，增加悬架的侧倾角刚度，提高汽车的行驶稳定性的装置，是汽车悬架中的一种辅助弹性元件，它的作用是使车身保持平衡。大部分安装方式如图3-9所示。图3-9安装方式示意图如果左右车轮以相同的幅度和相同的方向振动，则水平稳定杆将无能为力，并且将无法正常工作。当左右车轮有相对位移时，稳定杆变形，帮助车辆快速稳定。稳定杆通常放在车辆的前悬架和后悬架上，以增加侧倾角的刚度。当然，一切都有积极的和消极的。不利之处在于，当车辆在崎岖不平的道路上行驶时，左右车轮在垂直方向上有相对位移时，稳定杆增加了车轮的垂直刚度，降低了乘坐舒适性。设计中还要注意避免与悬架的导向系统发生干涉。3.8.2横向稳定杆参数的选择横向稳定杆结构如图3-10:图3-10稳定杆结构选取:横向稳定杆角刚度：（3.1)式中：—剪切弹性模数，—稳定杆直径，取—稳定杆有效工作长度,取将数据带入公式（3.1）得:横向稳定杆上的扭矩：（3.2）式中：—稳定杆最大工作扭转角：取值为由公式（3.2）得：横向稳定杆扭转应力：(3.3)4螺旋弹簧的设计计算4.1螺旋弹簧材料的选择独立悬架通常采用螺旋弹簧作为弹性元件。螺旋弹簧通常采用弹簧钢丝绕制。根据汽车工作时螺旋弹簧的寿命要求和受力特点选择60Si2MnA作为簧丝材料。弹簧材料特性如下表4-1：表4-1特性许用切应力[]许用剪应力[]剪切模量G弹性模量E强度范围4.2弹簧几何参数的计算根据表4-2结合实际，可以计算悬架弹性元件相关参数。表4-2设计参数满载荷QUOTE空载荷QUOTE总质量QUOTE设计偏频n4.2.1弹簧所受的压力弹簧受到压力：(4.1)式中：—弹簧所受压力满载荷—重力加速度，取弹簧所受到的最大的力：(4.2)式中：—弹簧动荷系数，取则：4.2.2位移传递比及弹簧的刚度计算弹簧的刚度QUOTE可通过传递比建立联系：利用传递比i可计算螺旋弹簧的刚度QUOTE：(4.3)QUOTE代表悬架的线刚度，用表示。从而，得到如下关系式：(4.4)根据参考文献[10]，可以得出,,将上述参数带入式（4.4）可以得出，弹簧位移传递比是。由后悬架偏频，代入式（4.3）可得：(4.5)得出弹簧的刚度。(4.6)4.2.3弹簧的最大变形量及后悬架的刚度弹簧的最大形变量为：(4.7)根据公式(4.7)得后悬架刚度：QUOTE(4.8)式中；QUOTE指汽车后悬架刚度，QUOTE指汽车单个后悬架的簧上质量，指汽车后悬架的偏频，当汽车空载时：代入公式（4.8）得：（4.9）汽车满载时：带入公式计算得：（4.10）4.2.4满载时弹簧钢丝的几何参数满载时弹簧钢丝的几何参数可根据（4.8）公式计算：(4.11)得出：(4.12)式中：指弹簧有效工作参数，取指弹簧剪切弹性模量，取QUOTE指弹簧中径弹簧螺旋比：（4.13）弹簧丝直径与螺旋的选取范围如表4-3所示:表4-3选取范围参数取值弹簧丝直径d(mm)螺旋比C初选螺旋比为，为，QUOTE为。弹簧总圈数为：（4.14）式中：—工作圈数弹簧节距的计算公式如下：(4.15)弹簧自由高度：(4.16)式中：—工作圈数，取—弹簧钢丝工作间隙，—弹簧总圈数,取—弹簧的直径，将上述参数代入式(4.16)中，可得。弹簧螺旋升角：（4.17）4.3弹簧的校核4.3.1弹簧的刚度校核计算弹簧刚度：QUOTE(4.18)式中：—弹簧的有效工作参数，—弹簧材料的剪切弹性模量，取—弹簧中经，—弹簧直径,将上述参数代入式(4.18)可以得到：符合要求。4.3.2弹簧表面的剪切应力校核弹簧在压缩时靠材料的剪切变形吸收能量，表面切应力为：(4.19)式中：指弹簧的螺旋比，QUOTE指曲度系数，是考虑弹簧圈数曲率对强度的影响的系数，(4.20)指弹簧所受的压力，将上述参数带入式(4.20)得到弹簧剪切应力:弹簧许用剪切应力为：（4.21）可知QUOTE，所以弹簧满足要求。经过上述计算可确定所选弹簧的最终参数如表4-4所示：表4-4最终弹簧选定的参数参数数值弹簧高度弹簧圈数螺旋角内径外径节距5减振器的设计计算5.1相对阻尼系数ψ的确定相对阻尼系数是指减振器的阻尼在不同刚度和不同弹簧质量时产生不同阻尼效果的。数值越大，振动衰减越迅速，传递到车身的路面冲击越大，反之亦然。在压缩行程期间应较小，在伸张行程期间应较大，两者之间的关系为。设计时，先选取与的平均值。无内摩擦弹性元件悬架取；有内摩擦弹性元件悬架值取的较小。本次设计选取，则有：，计算得：，5.2减振器阻尼系数的确定减震器阻尼系数，悬架固有频率，理论上。减振器阻尼系数应根据减振器布置特性确定。本次设计选择图5-1所示的安装形式，阻尼系数为：(5.1)图5-1减震器安装形式根据公式，可得出：由章节2.2知，,故：按满载计算有簧上质量:，下横臂b长度为，减振器安装点到悬架的右端点距离a为，代入公式（5.1）得：5.3减振器最大卸荷力的确定减振器振动达到一定值时，减振器中的活塞将会运动，减振器的卸荷阀打开，此时活塞的运动速度称为卸荷速度，按照图5-1有：(5.2)式中，为卸荷速度，一般为为车身振幅，取为悬架振动固有频率，为代入数据计算得卸荷速度为：在之间，卸荷速度符合要求。最大卸荷力公式为：（5.3）伸张时的阻尼系数：(5.4)带入数据得:将上述参数带入式（5.3）得：5.4减振器工作缸直径D的确定减振器工作缸直径与减振器的最大卸载力有以下关系:(5.5)式中，为工作缸的最大允许压力，取，这里取为连杆直径与缸径的比值，双筒式减振器取，单筒式减振器取，此处取。将上述参数带入式(5.5)中可以得到：根据我国标准规定，减振器的工作缸直径D主要有：，，，，，等几种。根据经验设计与实际选取贮油筒直径:壁厚取，材料选取20钢。在这里，选取贮油筒直径为：活塞杆的直径可以按照图5-2选取。图5-2工作缸和活塞杆直径工作缸直径为，选择活塞杆直径为：活塞行程：减振器压缩到底长度：减振器最大拉伸长度：总结本次双横臂独立悬架的设计，首先收集了相关资料认真阅读分析，思考SUV后悬架主要有哪些类型以及其各自的运动原理。然后查阅了当前市场上各类型SUV后悬架的数据资料以及照片视频，参照其设计思路、悬架结构和悬架布置型式。借鉴市场上先进SUV的技术，按照其经济性、实用性、耐用性为原则，在一般车型上进行改进计算设计，达到设计要求目的。设计时按照先确定悬架布置型式，再计算相关设计参数，设计和校核主要零部件，最后对参数进行校核。设计主要内容有：1.后悬架设计①参数选择：固有频率、刚度、阻尼系数及缸径。②悬架参数的计算：静挠度、动挠度、刚度和侧倾角刚度。③悬架结构、稳定杆计算及结构设计。2.弹性元件设计螺旋弹簧参数的计算及校核。3.减振器的设计阻尼系数确定、载荷力确定及缸径确定。绘制后悬架二维机械总装配图和主要零部件图运用AutoCAD软件对双横臂独立悬架绘制装配图和主要零部件图。该课题是以哈弗H6SUV汽车为对象，对其进行后悬架设计，以该课题为题进行设计研究，既能巩固所学知识，熟悉设计流程，提高设计本领，解决实际问题，也为以后走上工作岗位做好铺垫。完成本次设计进一步加深了对所学知识的印象，并提高了灵活运用所学知识的能力。参考文献[1]刘惟信.汽车设计.北京：青华大学出版社.2001[2]宁厚于,杨献学,张军伟,郭文天.油气弹簧独立悬架横臂拓扑优化设计[J].汽车实用技术,2021,46(01):36-39.[3]何名基.汽车双横臂独立悬架动力学建模与优化设计[J].时代汽车,2020(18):137-138.[4]林群.基于Kriging模型和粒子群算法的双