基于小型商用車的懸架系統(tǒng)有限元分析及總成設計

基于小型商用車的懸架系統(tǒng)總成設計基于小型商用車的懸架系統(tǒng)總成設計目錄摘要3前言4第一章 懸架選型及布置71.1 懸架類型的選擇71.2整車參數(shù)確定101.3硬點參數(shù)111.4零件表131.5懸架布置13第二章 垂向運動學152.1偏頻的設計152.2撓度的設計162.3懸架上下跳動行程的設計162.4螺旋彈簧的設計172.4.1懸架杠桿系數(shù)的設計182.4.2彈簧剛度的設計192.4.3空載彈簧長度及彈簧上的載荷設計202.4.4彈簧在上下極限位置的長度設計202.4.5彈簧其他參數(shù)設計212.5減振器設計232.5.1減震器長度設計232.5.2前減震器阻尼力設計242.5.3前減振器其他參數(shù)設計252.5.4后減震器阻尼力設計252.5.5其他參數(shù)設計262.5.6 減震器布置272.6限位塊設計27第三章 側(cè)傾運動學293.1 橫向穩(wěn)定桿設計293.1.2靜強度校核303.1.3穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度計算313.2懸架側(cè)傾剛度323.3整車側(cè)傾角計算323.3.1側(cè)傾中心及側(cè)傾軸線確定323.3.2整車側(cè)傾角計算34第四章 縱傾運動學35第五章 懸架幾何學365.1四輪定位參數(shù)設計365.2導向機構(gòu)設計365.3懸架幾何學385.3.1前束角385.3.2外傾角395.3.3主銷內(nèi)傾角395.3.4主銷后傾角40第六章 總結(jié)41參考文獻42摘要懸架是車輛重要的組成部分，布置于輪胎與車架之間，在車輛各系統(tǒng)中，懸架對整車性能，平順性及操縱穩(wěn)定性的影響最為直接，其中按照車輛的自由度來劃分，我們可以將車輛性能劃分為垂向運動、側(cè)傾運動、縱傾運動、橫擺運動以及側(cè)向移動及縱向移動；此外，懸架還涉及到懸架幾何學跟車輛動力學，在實際的車輛研究中，對以上所述各部分都必須進行研究，本次設計就是基于以上幾點，對車輛懸架進行設計和研究。關鍵字 彈簧、穩(wěn)定桿、減震器、控制臂AbstractSuspension is an important part of the vehicle arrangement between the tire and the frame, the vehicles system, the suspension of performance, the influence of the ride comfort and handling stability is the most direct, which according to the degree of freedom of the vehicle, we can speak vehicle performance is divided into vertical movement, roll movement, trim, yawing motion and lateral and longitudinal movement; In addition, the suspension also involves the suspension geometry with the vehicle dynamics, in the study of the actual vehicle, all parts of the above research must be conducted, the design is based on the above points, for the vehicle suspension design and research.Keywords spring antiroll_bar damper control_arm前言車輛懸架的發(fā)展及運用已經(jīng)有近百年的歷史了，其最初被發(fā)明出來的目的就是為了讓車輛在行駛的過程中，遇到凹凸不平的路面時，不會產(chǎn)生太過明顯的顛簸，同時起初的懸架結(jié)構(gòu)相當簡單，對其他各方面，包括尺寸配合、結(jié)構(gòu)強度和疲勞耐久等方面則沒有太過苛刻的要求，而在后期的發(fā)展中，則對懸架的要求越來越高，其不僅要能夠起到緩和沖擊、隔離振動的功用，部分懸架零件還必須兼?zhèn)鋵驒C構(gòu)的作用，比如鋼板彈簧懸架的鋼板彈簧，與此同時，在此期間懸架的結(jié)構(gòu)也不斷被改進，不斷的發(fā)展，目前行業(yè)內(nèi)運用到的主要懸架類型有以下幾種。按照左右車輪對彼此的影響特性，可分為非獨立懸架，獨立懸架及半獨立懸架，非獨立懸架的特點是由一根剛性車軸對左右車輪進行連接，車輛行駛時，左右車輪之間會互相干擾，所以在凹凸不平的路面上行駛時，車輛的舒適性較差，同時大多數(shù)非獨立懸架占用的布置空間也比較大，一般在小型乘用車中配置較少；而獨立懸架剛好相反，左右車輪的運動基本是互不影響的，在凹凸不平的路面上行駛時，車輛的舒適性較好，同時所占用的布置空間較小，大多數(shù)小型車輛則比較青睞這種懸架；而半獨立懸架一般是一根變形量較大的扭梁來連接左右車輪，在車輛運動過程中，由于扭梁會出現(xiàn)適度的扭轉(zhuǎn)特性，會對左右車輪的運動造成適當?shù)挠绊?，但其舒適性比非獨立懸架要好，同時需要的布置空間也沒有那么多，成本較低，因此也被很多工程師選擇在后懸架上，明顯的代表則是法系的標致系列。按照導向機構(gòu)的布置形式，懸架可分為橫臂式懸架、縱臂式懸架及斜臂式懸架，橫臂式懸架一般都是獨立懸架，由于車輪運動時，懸架的導向機構(gòu)帶動車輪在橫向平面內(nèi)擺動，故成橫臂式懸架，這種懸架由于受懸架幾何學的影響，車輪的前束、外傾角變化較大，對輪胎壽命會有一定不同程度的影響，另外，對懸架的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向也影響較大，所以在設計時，對懸架幾何學的要求則比較高；同理，縱臂式懸架懸架的導向機構(gòu)帶動車輪在縱向平面內(nèi)擺動，這種懸架的前束及外傾角在車輪運動過程中基本不會變化，懸架跳動對輪胎壽命則沒有任何損傷；斜臂式懸架的導向機構(gòu)基本都是斜置式，這種布置形式單獨出現(xiàn)的較少，斜臂一般會出現(xiàn)在多連桿獨立懸架中。按照懸架在受到路面沖擊時，隔離振動的主動特性，懸架又可分為主動懸架、半主動懸架及被動懸架，對一般的車輛，在平整路面上直行時，由于沒有路面沖擊，懸架的軟硬對車輛的舒適性幾乎沒有影響，甚至說車輛基本不需要隔振能力，此外在高速時，懸架越硬，車輛的穩(wěn)定性越好，而在凹凸不平的路面上行駛時，由于路面對車輪的沖擊較大，這是我們要求車輛有極好的隔振能力，而按照路面凹凸不平程度的大小，對懸架隔震能力的要求不盡相同，路面越為惡劣，需要的隔振能力越強；所以說對于不同的路面，我們對懸架有不同的要求，但實際上，一個傳統(tǒng)懸架設計完成之后，其抗沖擊能力基本是固定的，也就是我們俗稱的軟硬程度已經(jīng)定了，軟懸架無法隔離大振動，硬懸架無法隔離小振動，此為被動懸架，而主動懸架則會配備一系列的傳感器來采集路面型號，之后將路面信號傳遞至控制器，控制器會自動調(diào)節(jié)懸架的抗沖擊能力，即一個懸架會擁有不同的隔振能力及特性，從而影響車輛性能，此為主動懸架；而半主動懸架則同樣配備了隔振能力可以變化的零件，與主動懸架的區(qū)別在于缺少了采集路面信息的傳感器，車輛無法自動調(diào)節(jié)懸架的隔振能力，這種車輛一般會對懸架的隔振能力設置成不同的檔位，通過人工手動選擇不同的檔位使車輛擁有不同的減振能力，以上為主動減震器型的主動懸架，另一種比較典型的主動懸架為空氣彈簧類的主動懸架，其通過控制氣囊內(nèi)氣體的氣壓，來控制懸架亦即空氣彈簧的軟硬，從而根據(jù)路況及形式條件來控制車輛的行駛平順性和操控穩(wěn)定性，其中，典型的代表車型是曾經(jīng)的奧迪系列車型，奧迪所配備的空氣彈簧主動懸架，是通過車輛的行駛速度、車輛轉(zhuǎn)彎等檢測傳感器，來控制其所搭配的空氣彈簧的軟硬剛度，當車輛的形勢速度較快時，車輛就會通過算法判斷車輛所行駛的路面為平坦路況，此時，車輛會自動增大空氣彈簧的剛度，使懸架變得比較硬，使得車輛高速行駛時，穩(wěn)定性較好，避免出現(xiàn)“發(fā)飄”等失穩(wěn)情況出現(xiàn)，同時，當車輛行駛速度較低時，算法就會默認車輛在顛簸路面行駛，此時，ECU控制單元會自動降低空氣彈簧的剛度，使懸架變軟，以獲得良好的隔振能力，以使車輛具備優(yōu)秀的舒適性。此外，無論懸架類型為上述何種，其都是由彈性元件、阻尼元件、導向機構(gòu)和限位器，甚至，大多數(shù)懸架都會布置橫向穩(wěn)定器，其目的就是為了減小車輛轉(zhuǎn)彎時的車身的側(cè)傾角，增加懸架的抗側(cè)傾能力，另外，有些情況向下，某些零件既充當彈性元件，又充當導向機構(gòu)，最典型的就是鋼板彈簧，在車輛駛過顛簸路面時，鋼板彈簧就會配合減震器起緩沖功用，隔離路面帶來的沖擊和振動，另外，在車輛制動點頭或加速仰頭時，則控制俯仰角的大小，此為導向功用，另外，我們知道，在鋼板彈簧非獨立懸架中，鋼板彈簧還決定著后橋（軸）的運動瞬心，亦即導向作用。以上，懸架的種類豐富多彩，其實遠不止如上所述的幾種，如上所出現(xiàn)的幾種只是比較常見的幾種而已，此外，不得不提的一種懸架是麥弗遜式獨立懸架，其因為結(jié)構(gòu)簡單、成本低、占用的布置空間小和優(yōu)良的懸架性能而受到大多數(shù)中低端轎車、SUV、MPV和越野車等車型前懸架的青睞，而多數(shù)中高端轎車的前懸架選雙橫臂或多連桿的較多，相比麥氏懸架，此類懸架的操縱穩(wěn)定性則更好控制，舒適性更為優(yōu)良；輕型貨車一般會選擇鋼板彈簧懸架，其目的是使車輛具備較好的承載能力；中低端轎車和SUV后懸架多會選配扭力梁懸架，而五連桿非獨立懸架自五菱宏光車型脫胎而出之后，此懸架已成為了這種小型商用車的標配，而部分越野車和SUV也有選用該懸架的，所以此次設計，基本會在如上所述的幾種類型中來選擇。第一章 懸架選型及布置1.1 懸架類型的選擇本次懸架系統(tǒng)的設計，其所選用的設計對象為五座的小型商務車，對抗沖擊特性明顯要求不是太高，可謂一般，另外，由于車輛的用途為商務車，需要具備一定的承載能力，市場上比較常見的商用車有五菱宏光、榮光和之光系列，其懸架類型為前麥弗遜式獨立懸架，后五連桿非獨立懸架，寶駿730系列，其所配置的懸架類型為前麥弗遜式獨立懸架，后扭力梁式非獨立懸架，東風風光330，其所搭配的懸掛類型為前麥弗遜式獨立懸架，后五連桿式非獨立懸架，北汽銀翔幻速H2，其所搭配的懸掛類型為前麥弗遜式獨立懸架，后五連桿式非獨立懸架，此外，還有一些市場上常見的小型商務車，如北汽昌河M50、華晨金杯750等車型，其懸架類型基本也是前麥弗遜獨立懸架、后五連桿式非獨立懸架，可見這類小型商務車后懸架一般都會布置成非獨立懸架，目前汽車行業(yè)內(nèi)，非獨立懸架運用比較多的有三大類，一是以五菱宏光為代表的五連桿非獨立懸架，二是以寶駿730為代表的扭力梁式非獨立懸架，三是以江鈴皮卡為代表的鋼板彈簧非獨立懸架，而此次設計則選擇螺旋彈簧五連桿非獨立懸架（圖1），該懸架因其結(jié)構(gòu)簡單、承載能力好、成本低而被大多數(shù)的小型商務車所選用；而前懸架基于舒適性考慮，則可布置成獨立懸架，獨立懸架最通用的莫過于麥弗遜獨立懸架了，其因結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省布置空間、低成本和較好的舒適性被大多數(shù)車輛所親睞，所以此次設計將前懸架設計成麥弗遜獨立懸架（圖2），以上，本次設計的懸掛類型我們選擇前懸架為麥弗遜式獨立懸架，后懸架類型我們選擇五連桿式非獨立懸架。圖1 五連桿非獨立懸架圖2 麥弗遜式獨立懸架 麥弗遜懸架（MacPherson），是現(xiàn)在非常常見的一種獨立懸架形式，大多應用在車輛的前輪。簡單地說，麥弗遜式懸架的主要結(jié)構(gòu)即是由螺旋彈簧加上減震器以及A字下擺臂組成，減震器可以避免螺旋彈簧受力時向前、后、左、右偏移的現(xiàn)象，限制彈簧只能作上下方向的振動，并且可以通過對減震器的行程、阻尼以及搭配不同硬度的螺旋彈簧對懸架性能進行調(diào)校。 麥弗遜懸架最大的特點就是體積比較小，有利于對比較緊湊的發(fā)動機艙布局。不過也正是由于結(jié)構(gòu)簡單，對側(cè)向不能提供足夠的支撐力度，因此轉(zhuǎn)向側(cè)傾以及剎車點頭現(xiàn)象比較明顯。下面就為大家詳細的介紹一下麥弗遜懸架的構(gòu)造以及性能表現(xiàn)。 麥弗遜式懸架是應前置發(fā)動機前輪驅(qū)動(ff)車型的出現(xiàn)而誕生的。ff車型不僅要求發(fā)動機要橫向放置，而且還要增加變速箱、差速器、驅(qū)動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機，以往的前懸架空間不得不加以壓縮并大幅刪掉，因此工程師才設計出節(jié)省空間、成本低的麥弗遜式懸架，以符合汽車需求。 麥弗遜（Macpherson）是這套懸架系統(tǒng)發(fā)明者的名字，他是美國伊利諾伊州人，1891年生。大學畢業(yè)后他曾在歐洲搞了多年的航空發(fā)動機，并于1924年加入通用汽車公司的工程中心。30年代，通用的雪佛蘭公司想設計一種真正的小型汽車，總設計師就是麥弗遜。他對設計小型轎車非常感興趣，目標是將這種四座轎車的質(zhì)量控制在09噸以內(nèi)，軸距控制在274米以內(nèi)，設計的關鍵是懸架。麥弗遜一改當時盛行的板簧與扭桿彈簧的前懸架方式，創(chuàng)造性地將減振器和螺旋彈簧組合在一起，裝在前軸上。實踐證明這種懸架形式的構(gòu)造簡單，占用空間小，而且操縱性很好。后來，麥弗遜跳槽到福特，1950年福特在英國的子公司生產(chǎn)的兩款車，是世界上首次使用麥弗遜懸架的商品車。 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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向節(jié)（也可說車輪，因為轉(zhuǎn)向節(jié)作用于車輪）則沿著主銷轉(zhuǎn)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。 在麥弗遜式獨立懸架中，支柱式減震器除具備減震效果外，還要擔負起支撐車身的作用，所以它的結(jié)構(gòu)必須緊湊且剛度足夠，并且套上螺旋彈簧后還要能減震，而彈簧與減震器一起，構(gòu)成了一個可以上下運動的滑柱。還有一個關鍵部件-A字型下擺臂，它的作用是為車輪提供橫向支撐力，并能承受來自前后方向的預應力。車輛在運動過程中，車輪所承受的所有方向的沖擊力量就要靠支柱減震器和A字型下托臂這兩個部件承擔。 從上面的構(gòu)造圖2可以看出，麥弗遜懸架的構(gòu)造其實非常簡單，而這種簡單帶來的最大好處就是其質(zhì)量很輕，并且體積很小，對于很多前置發(fā)動機前輪驅(qū)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(zhì)量輕的優(yōu)勢就會表現(xiàn)的非常明顯。 而結(jié)構(gòu)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(cè)向的力量沒有提供足夠的支撐力度。這樣就使得車輛在轉(zhuǎn)向的時候車身有比較明顯的側(cè)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(cè)傾，但是卻不能根治這種情況。不過象寶馬M3，保時捷911這樣的高性能車型上，通過調(diào)整彈性元件以及增加拉桿等調(diào)校，麥弗遜懸架也一樣可以變得非常強悍，但這也背離了麥弗遜懸架體積小，質(zhì)量輕，成本低的特點。麥弗遜懸架是非常常見的懸架類型，在全球汽車市場都有非常廣泛的應用。在國內(nèi)市場，麥弗遜懸架也是眾多車型的首選懸架，其中最新應用麥弗遜前懸架的車型有上海通用別克新君威、新君越、北京現(xiàn)代ix35、一汽大眾高爾夫6、比亞迪F0等車型。從這我們也能看出麥弗遜懸架應用的廣泛，微型車、緊湊型車、中級車以及SUV車型上，都能見到麥弗遜懸架的身影。而德國跑車的代表保時捷911也同樣全系采用麥弗遜懸架，這足以表現(xiàn)出麥弗遜懸架應用的廣泛。 螺旋彈簧五連桿非獨立懸掛的結(jié)構(gòu)很簡單，通過一根硬軸將左右兩個車輪相連，再將硬軸與車身相連。早期的整體橋采用的是鋼板彈簧，現(xiàn)在則多數(shù)采用螺旋彈簧作為彈性元件。這種懸掛結(jié)構(gòu)簡單，能承受很大扭力，同時采用螺旋彈簧的整體橋懸掛具備更大的行程，在復雜的越野路面行駛時，可以讓四輪獲得更好的抓地力，所以延續(xù)了越野血統(tǒng)的車型大多依然采用后整體橋或者前后整體橋的結(jié)構(gòu)，比如奔馳G系列、路虎衛(wèi)士、吉普牧馬人等等。硬派的城市SUV如榮威W5、長城H5、陸風X8的后懸也是采用整體橋式懸掛。硬軸加螺旋彈簧的設計，是以牧馬人為代表的5連桿整體橋式懸掛設計，除了一個橫向的止推桿外，硬軸兩邊各需要兩根連桿，因此構(gòu)成了5連桿。1.2整車參數(shù)確定一般在懸架設計之前，必須先完成與懸架設計相關的整車參數(shù)的確定，包括軸荷、簧載質(zhì)量的質(zhì)心離地高度、輪距和軸距等，本次設計所需要的整車參數(shù)見下表1，表1所示的參數(shù)參考自市場銷量較好的某小型五座商務車。前后軸距/Lx2790mm輪距/B1450mm1470mm空載質(zhì)量M1468kg空載軸荷m1、m2739kg729kg滿載質(zhì)量G2068kg滿載軸荷m3、m4866kg1202kg非簧載質(zhì)量m1、 m284kg116kg空載簧載質(zhì)量655kg613kg滿載簧載質(zhì)量782kg1086kg空載簧上質(zhì)量質(zhì)心高度hg664mm輪胎型號205/50R16驅(qū)動形式后驅(qū)座位數(shù)無座表1 整車參數(shù)表1.3硬點參數(shù)在懸架設計之前，彈性元件與阻尼元件在設計狀態(tài)下的長度需要由整車布置及懸架硬點來決定，所謂懸架硬點，指的是懸架零部件安裝在車身或車架上或懸架內(nèi)部零部件互相連接時的整車坐標位置；彈性元件與阻尼元件的力傳遞比也需要用到硬點參數(shù)來確定，另外，硬點參數(shù)與懸架幾何學、車輛動力學等都是密不可分的，本次設計所用到的硬點參數(shù)如下表2XYZ前懸架減震器與車身安裝點38.297-551.393538.269擺臂與車架安裝前點-18.14-354.3-52.872擺臂與車架安裝后點315.66-395.4-55.872擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點-6.74-661.9-54.372輪心點0-731.730減震器與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點-28.04-611.268.928彈簧上安裝點32.86-554.3500.628彈簧下安裝點10.86-581.3355.728穩(wěn)定桿連接桿與減震器連接點-18.15-516.189251.845穩(wěn)定桿連接桿與穩(wěn)定桿連接點-39.925-521.7523.951穩(wěn)定桿與車架連接點182.735-381-0.519轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點-126.5-365.5-30.6轉(zhuǎn)向拉桿外點-119.8-690.1-37.9后懸架縱臂與車身安裝點2246.188-518-121.233縱臂與后軸連接點2800.2-518-154.348斜拉桿與車身連接點2367.77-478.184-61.595斜拉桿與后軸連接點2786.002-399.95428.886推力桿與車身連接點2927.887512-43.894推力桿與后軸連接點2930.212-503.622-48.152后減震器與車身安裝點3079.444-568125.726后減震器與后軸連接點2851.178-568-176.778彈簧與車身連接點2639.212-510.578.428彈簧與縱臂連接點2662.119517.947-116.012后輪心點2797.49-739.3-56.385表2 懸架硬點參數(shù)表1.4零件表本次設計包括了前后懸架性能及零部件的簡單設計，零部件的設計則依賴于懸架性能的設計，懸架系統(tǒng)所包括得零部件有彈性元件（彈簧）、阻尼元件（減震器）、導向機構(gòu)（控制臂）、橫向穩(wěn)定器、限位塊，本次設計所用到的零部件見下表3序號零件數(shù)量/單車前懸架1左右前減震器（包含限位塊）總成22左右前螺旋彈簧23左右前下控制臂總成24前橫向穩(wěn)定桿15前橫向穩(wěn)定桿連接桿2后懸架6左右后縱臂總成27左右后斜臂總成28橫向拉桿19后減震器總成210后螺旋彈簧211后限位塊2表3 零件表1.5懸架布置依據(jù)硬點參數(shù)，在CATIA軟件中用linestruction(線結(jié)構(gòu))代替零件，做成圖3所示懸架總成布置模型，其主要的目的是為了確定車輛在設計狀態(tài)（該設計為空載）下螺旋彈簧及減振器的長度匹配關系。圖3 前后懸架線結(jié)構(gòu)布置模型圖第二章 垂向運動學所謂懸架的垂向運動學，是指懸架在豎直方向內(nèi)的運動，一般車輛在通過不平滑的路面時，車輪總成會受到來自路面的沖擊，其對車輛的乘坐舒適性和行駛平順性有著至關重要的影響，一般在前期設計中，我們一般會依據(jù)前人經(jīng)驗通過對懸架偏頻的設計控制來達到基本的舒適性和平順性要求，另外，在垂向運動中，減振器配合彈簧，一同緩和沖擊，衰減振動，另外，在懸架壓縮到底之前，限位塊也會起一定的緩沖作用，依據(jù)如上要求，我們對前后懸架的彈性元件（前后螺旋彈簧）、阻尼原件（前后減震器總成）和前后限位塊進行設計。2.1偏頻的設計偏頻的概念來自于單質(zhì)量單自由度系統(tǒng)，而單質(zhì)量單自由度系統(tǒng)又指不包含輪胎的四分之一懸架模型，對于車輛而言，偏頻是指簧上質(zhì)量的振動頻率，而對于偏頻的大小，劉惟信、王霄峰、耶爾森.萊姆佩爾等中外著名學者或?qū)＜叶歼M行過闡述，結(jié)果雖不盡相同，但卻又相差不遠，對于滿載偏頻，一般定義在1.4Hz左右，原因是為了使簧載質(zhì)量的振動頻率與人體的行走頻率盡量保持一致，使得人體能更加適應車輛振動，而人體的行走頻率則在11.6Hz之間，所以大多數(shù)車輛的偏頻基本都在這個范圍附件，對于轎車，因考慮到乘適性的要求，取偏下的范圍，一般滿載偏頻在1.0Hz左右，而載貨汽車，則考慮懸架承載能力的大小，滿載偏頻在1.8Hz左右；本次設計的車輛類型為軍用式越野車，對于軍用越野車，目前并沒有明確的偏頻范圍規(guī)定，但是考慮到行駛路況比較差，需要的抗沖擊能力較高，我們可以將偏頻范圍定義在轎車和貨車之間，對于前懸架，設計滿載偏頻在1.4Hz左右，后懸架1.5Hz左右?？紤]到需要較好的隔振能力，我們選取空載前懸偏頻為1.6Hz，則依據(jù)公式n=12Cm，C為懸架剛度；m為空載前懸單側(cè)簧載質(zhì)量，其值為空載單邊輪荷減去單邊非簧載質(zhì)量；前懸架剛度C1=42.n12.m1-m12=4*3.142*1.62*739-842=33.065N/mm為使前后懸架縱向角振動盡量較小，前后懸架偏頻比一般在0.650.95之間，我們?nèi)】蛰d前后懸架偏頻比為0.86，則后懸架空載偏頻n2為n2=1.6*0.86=1.8605Hz同理算出后懸架懸架剛度C2=42.n12.m2-m22=41.842N/mm利用上述懸架剛度利用公式n=12Cm計算出前懸架滿載偏頻n3=1.464Hz，后懸架滿載偏頻n4=1.41Hz2.2撓度的設計懸架撓度分為靜撓度與動撓度，懸架靜撓度是指車輛在滿載位置時，車輪在豎直方向位移的變化，可通過公式f=mgC來確定，則前懸架靜撓度f1=m1-m12g.1C1=739-842*9.81*133.065=97.165mm同理，算出后懸架靜撓度f2=m2-m22g.1C2=71.860mm 而懸架動撓度則指的是懸架從滿載到極限位置時，車輪在豎直方向位移的變化量，動撓度一般為靜撓度的1/22/3，同時懸架總行程耶爾森.萊姆佩爾懸架結(jié)構(gòu)及底盤力學一書中推薦不小于140mm，則我們?nèi)∏皯壹軇訐隙萬3=46mm，后懸架動撓度f4=70mm，則前懸架懸架總行程f1=f1+f3=97.165+46=143.165mm同理，后懸架懸架總行程f2=f2+f4=141.86mm.2.3懸架上下跳動行程的設計前懸架空滿載行程變化值1=782-7392*33.065*9.81=6.38mm后懸架空滿載行程變化值2=1086-7292*41.842*9.81=41.85mm，依據(jù)耶爾森.萊姆佩爾懸架結(jié)構(gòu)及底盤力學對懸架行程的要求，即滿載懸架復原行程不小于50mm來滿足基本的懸架舒適性要求，則前后懸架在空載位置時的上下跳動行程取值見下表4前懸架后懸架壓縮86mm98mm復原57mm44mm總行程143mm142mm表4 懸架上下跳動行程表2.4螺旋彈簧的設計彈簧在懸架中最主要的功用是衰減來自車輪的沖擊，同時，在車輛轉(zhuǎn)彎時，還提供側(cè)傾支撐，避免車輛出現(xiàn)過大的側(cè)傾角而出現(xiàn)側(cè)翻，另外，在車輛制動和點頭時，又起到抗俯仰的功用，避免車輛在制動或點頭時出現(xiàn)過大的俯仰角，使乘客不舒服；彈簧的種類比較多，有螺旋彈簧，鋼板彈簧，扭桿彈簧以及空氣彈簧，在乘用車中，最常見的是螺旋彈簧，相對于其他彈簧，螺旋彈簧結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，所需要的布置空間小，行程較大，舒適性較好，但承載能力一般，且不如其他種類彈簧，由于以上特點，螺旋彈簧受到諸多轎車的青睞，而鋼板彈簧則受到諸多商用車的青睞，本次設計前后懸架彈簧都選擇螺旋彈簧，前懸架中，彈簧安裝在前減震器上，即下圖4，后懸架中，彈簧上端鏈接于車架上，下端與后縱臂連接，見下圖5。 圖4 前懸架螺旋彈簧布置圖圖 圖5 后懸架螺旋彈簧布置圖2.4.1懸架杠桿系數(shù)的設計一般我們所講的懸架剛度是指彈性元件和控制臂襯套集成到車輪中心的剛度，所以螺旋彈簧的剛度與懸架剛度之間存在位移傳遞比與力傳遞比，且在多數(shù)情況下，位移傳遞比與力傳遞比近似相等，力傳遞比與位移傳遞比具體數(shù)值的確定，我們可以參考耶爾森.萊姆佩爾懸架結(jié)構(gòu)及底盤力學中的計算公式，其中，麥弗遜懸架力傳遞比與位移傳遞比的計算公式為i=1+tan2-1+tan2(-1)式中：為主銷后傾角，1為前懸架彈簧軸線與YZ平面夾角，為主銷內(nèi)傾角，1為彈簧軸線與XZ平面夾角，具體數(shù)值見下圖6（注:四輪定位參數(shù)后面會進行設計，整車坐標系為標準的ISO坐標系）圖6 前懸架杠桿系數(shù)計算所需參數(shù)圖則前懸架杠桿系數(shù)i1=1+tan2-1+tan2-1=1+tan210.533-7.91+tan2(7.191-4.272)=1.044后懸架為縱臂式懸架，其力傳遞比與位移傳遞比的計算參考耶爾森.萊姆佩爾懸架結(jié)構(gòu)及底盤力學縱臂式懸架傳遞比的計算公式i=ab1+tan2+tan2)式中：a為縱臂長度，b為縱臂前安裝點到彈簧下安裝點的距離，為彈簧軸線與YZ平面夾角，為彈簧軸線與XZ平面夾角，具體數(shù)值見下圖7圖7 后懸架杠桿系數(shù)參數(shù)圖則后懸架杠桿系數(shù)i2=ab1+tan2+tan2) =555.001416.6731+tan27.062=1.332.4.2彈簧剛度的設計懸架剛度與彈簧剛度之間的函數(shù)關系為C=ki2+C1，k為彈簧鋼度，C1為橡膠襯套所提供的剛度，一般為彈簧剛度的5%15%利用上述公式求得前彈簧剛度k1=31N/mm，后彈簧剛度k2=69N/mm，確定以上二值為前后懸架螺旋彈簧的設計剛度。2.4.3空載彈簧長度及彈簧上的載荷設計利用表2懸架硬點，提取出空載時前后懸架的彈簧長度H1=188mm,H2=197mm空載彈簧載荷F=mg*i，其中，mg為懸架單邊簧上質(zhì)量，i為力傳遞比，則前簧簧上載荷F1=m1-m12g*1.044=739-842*9.81*1.044=3354.137N后簧簧上載荷F2=m2-m22g*1.33=739-842*9.81*1.044=3999N2.4.4彈簧在上下極限位置的長度設計彈簧在上下極限位置的長度與懸架上下跳動行程相對應，對于前懸架，我們利用CATIA軟件DMU運動模塊搭建運動學模型圖8，利用懸架行程跟彈簧行程一一對應的關系，進而確定在前懸架上下極限位置時彈簧的長度；考慮到后懸架彈簧與車輪一并跟隨后縱臂繞前安裝點轉(zhuǎn)動，利用此特點確定在后懸架上下極限位置時彈簧的長度見圖9，懸架行程見表4，前后螺旋彈簧在上下極限位置時的具體長度數(shù)值結(jié)果見表5 圖8 前懸架運動學模型 圖9 后懸架彈簧及減震器各位置長度圖前懸架后懸架上極限長度104mm123 mm空載長度188 mm197 mm下極限長度248 mm230 mm表5 彈簧各位置對應長度表2.4.5彈簧其他參數(shù)設計參考劉惟信汽車設計，對彈簧其他參數(shù)進行設計 前簧，選取壽命約為10e+310e+6的類彈簧，優(yōu)先選取中徑與線徑，二值的選取主要依賴經(jīng)驗及參考對標，取中徑Dm=140mm，線徑d=13.7mm，材料選55CrSiA，其力學參數(shù)如下表6材料彈性模量泊松比抗拉強度許用剪應力t55CrSiA2.06E+50.291570MPa1000MPa表6 55CrSiA的力學性能參數(shù)表彈簧工作圈數(shù)利用公式（G為剪切彈性模量，G=8.3E+4MPa）i=Gd4k.8Dm3=13.74x8.3x10431x8x1403=4.2為了防止彈簧端部在工作過程中發(fā)生并圈現(xiàn)象，我們選取兩端內(nèi)彎結(jié)構(gòu)的彈簧，如下圖9圖10 兩端內(nèi)彎彈簧式樣圖總?cè)?shù)n利用公式n=i+1.5計算，n=5.7壓并高度Hs利用公式Hs=1.01d(n=1.25)=61.57248mm，彈簧無脫出風險。旋繞比C=Dm/d=140/13.7=10.22曲度系數(shù)K”利用公式K”=4C-14C-4+0.615C=4x10.22-14x10.22-4+0.61510.22=1.14各載荷對應的應力利用公式T=8PCK”d2來計算上極限應力T1=8PCK”d2=8*5958.137*10.22*1.143.14*13.72=942.29MPa1000=t空載應力T2=8PCK”d2=8*3354.137*10.22*1.143.14*13.72=530.46MPa下極限應力T3=8PCK”d2=8*1494.137*10.22*1.143.14*13.72=236.30MPa疲勞壽命利用公式nc=1.808Ke10.13，其中Ke=0.74*(T1-T3)1.48-(T1+T3)，=t0.63=10000.63=1587.3MPa則Ke=0.74*(T1-T3)1.48-(T1+T3)=0.74*(942.29-236.30)1.48*1587.3-(942.29+236.3)=0.4463 nc=1.808Ke10.13=1.8080.446310.13=4.71e+4，壽命在初始預估壽命10e+310e+6范圍內(nèi)，設計合理。失穩(wěn)校核：為了防止彈簧在上下彈簧盤內(nèi)轉(zhuǎn)動出現(xiàn)異響等問題，我們選擇兩端固定的安裝方式，依據(jù)GB/T1239.6，其不失穩(wěn)的前提是高徑比b=L/Dm5.3前簧高徑比b=L/ Dm =296.2/140=2.125.3，無失穩(wěn)風險 后簧的設計過程與前簧同理，具體過程不作贅述，其各項參數(shù)如下表7參數(shù)項數(shù)值備注參數(shù)項數(shù)值備注中徑Dm109.5mm自有長度L255mm無脫出風險線徑d14.5mm旋繞比C7.55工作圈數(shù)i5.25曲度系數(shù)K”1.196總?cè)?shù)n6.75上極限應力T1996.28MPa小于t并圈高度Hs80.55無并圈風險空載應力T2437.58MPa上極限載荷P19105N下極限應力T3188.42MPa下極限載荷P21722N疲勞壽命nc1.6e+4設計合理高徑比b2.33無失穩(wěn)風險表7 后螺旋彈簧參數(shù)表2.5減振器設計減震器最主要的功能是配合彈簧，使車輛在不平路面出現(xiàn)的顛簸振動快速衰減，彈簧雖然也有衰減振動的作用，減震器與彈簧最大的區(qū)別是減震器可以做功，通過做功的形式將動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到減震的目的，另外，在車輛轉(zhuǎn)彎或俯仰時，減震器也起到減小車輛側(cè)傾率的功用；減振器的種類比較多，可分為主動、半主動及被動減振器，可分為單筒式、雙筒式減振器，也有雙向作用、單向作用減振器，本次設計前后懸架都選擇目前最常見的雙向作用筒式減振器，其工作原理是減振器油液通過在四個減振器閥壓縮閥、伸張閥、流通閥和補償閥在儲油筒內(nèi)流動，繼而產(chǎn)生阻尼力來達到緩和沖擊的效果，本次設計前后懸架都選擇雙向作用筒式減振器。2.5.1減震器長度設計減振器在各位置長度的確定方法同彈簧是一樣的，空載位置處通過硬點來提取，上下極限位置處的長度，前懸架依賴DMU運動學模型，通過減震器行程與懸架行程一一對應的關系來確定，后懸架通過縱臂的運動形式來確定，需要注意的是，為了防止在懸架上跳過程中活塞與底閥撞擊，減振器最小長度一般至少比懸架上極限位置對應的減振器長度小10mm，前后懸架各位置對應的減振器長度確定方法同彈簧，具體過程不作贅述，結(jié)果見下表8前懸架后懸架對應減震器長度減振器設計長度對應減震器長度減振器設計長度上極限433mm423mm300mm290mm空載517mm517mm379mm379mm下極限577mm577mm424mm424mm表8 前后減振器在各位置時的長度尺寸表2.5.2前減震器阻尼力設計減振器在低速段一般通過流通閥與補償閥來控制阻尼力，伸張閥與壓縮閥并不打開，只有速度達到開閥速度時，卸荷閥才會打開，另外，卸荷閥打開前與打開后的阻尼力曲線斜率各自都是穩(wěn)定的，開閥速度，一般都在0.10.3m/s之間，由減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來控制，我們選取V1=0.25m/s，閉閥速度，一般選取V=1m/s，螺簧懸架相對阻尼比米奇克汽車動力學一書的推薦值通常為=0.25。減振器阻尼比通過公式=*2C*mg-mg2*i來確定，i為力傳遞比，前懸架在計算彈簧時已計算得知i=1.044，后懸架屬于非獨立懸架，減振器與后橋相連，計算原理與后彈簧相同，計算得i=1.0205，C為懸架剛度，前面已經(jīng)計算出， C1=33.044N/mm，C2=41.842N/mm則前減阻尼比=*2C*mg-mg2*i=0.25*2C*739-842*9.81*1000*1.044=1717.75卸荷閥打開前的阻尼力利用公式F= V*來計算，V1=0.25m/s時的阻尼力F1=0.25*1717.75=429.4375N，卸荷閥打開后的阻尼力通過平安比（周長城懸架設計）來設計，平安比指減振器卸荷閥打開前段與打開后段阻尼比的比值，選取拉伸段1.0的平安比，壓縮段0.5的平安比，則拉伸閥系工作段的阻尼比=1717.75*1=1717.75，壓縮工作段阻尼比=1717.75*0.5=858.875，據(jù)此計算出前減震器在各個速度下的阻尼力見下表9V/(m/s)00.130.250.390.521.0拉伸阻尼力F/N0223.3075429.4375669.9225893.231717.75壓縮阻尼力F/N0-223.308-429.438-549.68-661.334-1073.59表9 前減震器阻尼力依據(jù)表9繪制出前減震器的速度阻尼曲線見下曲線1曲線1 前懸架減震器速度阻尼曲線2.5.3前減振器其他參數(shù)設計缸桶直徑的設計利用公式D=4Frp(1-2)，其中Fr為拉伸段最大阻力，依據(jù)表9中Fr=1717.75N，p為最大工作缸允許壓力，取34Mpa，為連桿直徑與缸筒直徑之比，一般在0.40.5，據(jù)此計算前減工作缸直徑D=4Frp(1-2)=4*1717.753.14*3.5*(1-0.452)=27.99mm依據(jù)QC/T 491-1999，缸徑可選30m，材料選擇#30鋼管，此時儲油桶的最大外徑需小于48mm，我們?nèi)?5mm，材料選擇Q235鋼管，防塵罩最大外徑56mm，材料選取PP，活塞桿直徑取一半為15mm，材料選#45，同時表面需經(jīng)過鍍鉻處理來達到耐腐蝕性與高光滑性的目的。2.5.4后減震器阻尼力設計后減震器阻尼力設計過程與前減同理，相對阻尼比亦取=0.25，開閥速度V1=0.25m/s，閉閥速度V=1m/s，拉伸段1.0的平安比，壓縮段0.5的平安比，則計算得到后減阻尼比=1827.28，0.25時的阻尼力為F1=0.25*1827.28=456.82N，拉伸閥系工作段的阻尼比=1717.75*1.0=1827.28，壓縮工作段阻尼比=1827.28*0.5=913.64，計算的得到后減震器在各個速度下的阻尼力見下表10V/(m/s)00.130.250.390.521.0拉伸阻尼力F/N0237.5464456.82712.6392950.18561827.28壓縮阻尼力F/N0-237.546-456.82-584.73-703.503-1142.05表10 后減震器阻尼力依據(jù)表10繪制出后減震器的速度阻尼曲線見下曲線2曲線2 后懸架減震器阻尼曲線2.5.5其他參數(shù)設計工作缸直徑D=4Frp(1-2)= D=4*1827.283.14*4*(1-0.42)=26.32mm依據(jù)QC/T 491-1999，缸徑可選30m，材料選擇#30鋼管，此時儲油桶的最大外徑需小于48mm，我們?nèi)?5mm，材料選擇Q235鋼管，防塵罩最大外徑56mm，基于輕量化考慮，材料選取PP，活塞桿直徑取一半為15mm，材料選#45，同時表面需經(jīng)過鍍鉻處理。2.5.6 減震器布置前減震器上端與車架連接，下端與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，具體見下圖10，在前懸架中，螺旋彈簧布置在減震器上，組成了支柱式減震器總成，同時，前螺旋彈簧跟前減震器軸線偏心布置，其主要目的是減小前減震器油封處的側(cè)向力，避免在車輛運動過程中，油封處承受過大的測量力導致減震器出現(xiàn)漏油問題；后減震器上端與車架連接，下端與驅(qū)動橋連接，具體見下圖11。 圖10 前減震器 圖11 后減震器2.6限位塊設計耶爾森.萊姆佩爾懸架結(jié)構(gòu)及底盤力學一書推薦在懸架行程的最后3050mm需要設計限位塊起緩沖及限位作用，我們選擇限位塊的長度為40mm，材料選擇橡膠，對于橡膠材料，其最大壓縮量一般取總長度的1/2，所以最大壓縮量為20mm，對于前懸架，緩沖塊圖12設計在減震器內(nèi)部，與活塞桿同軸線，空載位置與儲油桶上端的間隙值t1可以通過彈簧的空載長度減去跳動上極限位置，再減去最大壓縮量20mm，t1=188-104-20=64mm，后懸架，緩沖塊圖13設計在彈簧內(nèi)部，上端與車身鏈接，后縱臂內(nèi)設置緩沖塊座以便在工作過程中與緩沖塊撞擊，自由長度設計為40mm，空載位置與緩沖塊座的間隙值t2=197-123=54mm 圖12 前懸架限位塊圖 圖13 后懸架限位塊圖第三章 側(cè)傾運動學車輛在轉(zhuǎn)彎的時候，由于受到離心力的作用，會出現(xiàn)向彎道外側(cè)傾斜的現(xiàn)象，我們稱其為側(cè)傾，日本汽車工程學會曾做過統(tǒng)計，車輛的側(cè)傾增益一般約為7deg/g，而工程計算中，一般會通過0.4g的側(cè)向強度來校核車輛的側(cè)傾角大小，要求其值一般在1.5deg4deg范圍內(nèi)，其中，在側(cè)傾運動中除了彈簧之外，另一個與之關系比較大的則是橫向穩(wěn)定桿。3.1 橫向穩(wěn)定桿設計利用懸架硬點參數(shù)確定橫向穩(wěn)定桿與車架的連接位置和穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿連接桿的連接位置，穩(wěn)定桿連接桿另一端與減震器連接，通過控制輪胎在豎直方向的位移來起到抗側(cè)傾的功用。3.1.1桿徑與拐點設計一般來講，大多數(shù)車輛所使用的橫向穩(wěn)定桿直徑為1825mm之間，我們選擇桿徑d=22mm，拐點處一般是應力集中位置及容易疲勞破壞的位置，所以拐角一般會設計大于90deg，我們設計為104dg，材料選擇比較常用的彈簧鋼60Si2MnA，利用上述參數(shù)確定橫向穩(wěn)定桿具體形狀圖12，并利用CAE軟件Hyperworks對靜強度進行校核來驗證拐點角度設計的合理性。圖12 橫向穩(wěn)定桿3.1.2靜強度校核對于橫向穩(wěn)定桿來說，應力最大的位置應該會出現(xiàn)在車輪一端上跳，一端下跳的工況中，因此，我們通過前懸架DMU模型，確定懸架行程對應的橫向穩(wěn)定桿端部位移，原理同確定彈簧的極限位置長度一樣，結(jié)果見下表11懸架行程穩(wěn)定桿端部位移壓縮8682.4拉伸5755表11 穩(wěn)定桿端部位移結(jié)果表利用Hyperworks對穩(wěn)定桿3D數(shù)模劃分網(wǎng)格圖，由于對有限元軟件的運用能力一般，此次網(wǎng)格的類型選擇四面體網(wǎng)格，劃分方式為自動生成，與六面體網(wǎng)格相比，四面體網(wǎng)格精度會相對差一點，但優(yōu)點是網(wǎng)格劃分相對比較簡單，劃分速度較快，網(wǎng)格劃分完之后，賦予下表12所示的材料參數(shù)材料彈性模量泊松比密度拉斷強度60Si2MnA2.06E+50.297.74E-91570MPa表12 60Si2MnA材料參數(shù)表與車架連接處約束123三個移動自由度，在端部加載上表所示的位移，具體見下圖12，圖12 穩(wěn)定桿網(wǎng)格及約束加載模擬一端上跳，一端下跳的工況，應力云圖結(jié)果見圖13圖13 靜強度應力云圖結(jié)果顯示，穩(wěn)定桿在工作過程中的最大應力為1431MPa，小于60Si2MnA材料的抗拉強度1570MPa，該