麥弗遜懸架的運動學分析與試驗方案

1、燕山大學專業(yè)綜合訓練說明書題目：乘用車前懸架運動學分析及實驗方案設計 學院（系）：車輛與能源學院 年級專業(yè)： 08級車輛二班 學 號： 0 學生姓名： 于海龍 指導教師：韓宗奇 王立強 王文峰燕山大學專業(yè)綜合訓練任務書院（系）：車輛與能源學院 基層教學單位：車輛與交通運輸工程系學 號0學生姓名于海龍專業(yè)（班級）08級車輛二班題 目乘用車前懸架運動性能分析與試驗方案設計訓 練 內(nèi) 容 和 目 的學習汽車理論中關于車輪跳動引起軸距、輪距的變化，以及引起軸轉向和輪轉向的基本原理，計算麥克弗遜式前懸架在車輪同向跳動和反向跳動時引起的軸距變化量、輪距變化量、車軸轉向角等參數(shù)。用MATLAB軟件進行仿真，

2、將仿真結果與計算結果對比。同時研究K&C試驗臺的結構與原理，設計在K&C實驗臺上測試懸架運動特性的試驗方案。完 成 任 務 量1、測繪一種乘用車的麥克弗遜前懸架，畫出結構簡圖，特別是硬點坐標；2、建立該懸架運動學力學模型，推算車輪跳動引起的軸距、輪距變化量的計算公式，并進行計算； 3、用MATLAB或其它軟件對上述懸架進行運動學仿真；4、設計在K&C實驗臺上測試懸架運動特性的試驗方案。進 度 安 排第一周：測繪一種乘用車的麥克弗遜前懸架，畫出結構簡圖，特別是硬點坐標；第二周：進行運動學分析，進行計算與仿真；第三周：設計在K&C實驗臺上的試驗方案；第四周：撰寫說明書，準備答辯。參考資料1.汽車理

3、論第15版，F(xiàn)undamental of ground vehicles（美）2.汽車工程手冊 3. K&C試驗臺說明書4. MATLAB軟件使用說明書指導教師簽字基層教學單位主任簽字2011年11月29日目 錄前 言1第一章 麥弗遜懸架簡介311 麥弗遜懸架312 麥弗遜懸架與車輪定位參數(shù)的關系313 麥弗遜懸架的優(yōu)缺點3第二章 麥弗遜懸架的運動分析與計算421 麥弗遜懸架后視簡圖422 麥弗遜懸架的運動分析4221 單側車輪上跳4222 單側車輪下跳8223 雙側車輪同時跳動11第三章 K&C試驗臺組成及測試項目1331 K&C試驗臺的含義1332 K&C試驗臺的組成13321 平臺模塊1

4、3322 框架和車身夾持系統(tǒng)13323 傳感器13324 控制系統(tǒng)1433 K&C試驗臺的基本功能1434 K&C試驗臺測試項目14341 車輪跳動（8項）14342 側傾運動 （7項）14343 縱向柔度試驗 （5項）15344 側向柔度試驗 （5項）15345 回正力矩試驗 （5項）15346 轉向運動 （5項）15結束語16 前 言懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳動力連接裝置的總稱。它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架（或承載式車身）上，以保證汽車的正常行駛。現(xiàn)代汽車的懸架盡管有各種不同的結構形式，但是一般都由

5、彈性元件、減震器和導向機構等三部分組成。此外，還輔助設有緩沖塊和橫向穩(wěn)定器。汽車懸架可分為兩大類：非獨立懸架和獨立懸架。非獨立懸架的結構特點是兩側的車輪由一根整體式車橋相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸架與車架（或車身）連接，當一側車輪因道路不平而發(fā)生跳動時，必然引起另一側車輪在汽車橫向平面內(nèi)發(fā)生擺動；獨立懸架的結構特點是車橋做成斷開的，每一側車輪可以單獨的通過彈性懸架與車架（或車身）連接，兩側車輪可以單獨跳動，互不影響。乘用車的前懸架廣泛采用獨立懸架，起優(yōu)點如下：1、在懸架彈性元件一定的變化范圍內(nèi)，兩側車輪可以單獨運動而互不影響，這樣在不平道路上行駛時可減少車架和車身的跳動，而且有助于消除轉向

6、輪不斷偏擺的不良現(xiàn)象。2、減少了汽車的非簧載質量。3、采用斷開式車橋，發(fā)動機總成的位置可以降低和前移，使汽車質心下降，提高了汽車行駛穩(wěn)定性，同時能給予車輪較大的上、下跳動的空間，因而可以將懸架剛度設計的很小，使車身振動頻率降低，改善行駛平順性獨立懸架的結構類型很多，按車輪運動形式分可分為四類：1、車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動的懸架（橫臂式獨立懸架），分為單橫臂式和雙橫臂式兩種。2、車輪在汽車縱向平面內(nèi)擺動的懸架（縱臂式獨立懸架），分為單縱臂式和雙縱臂式兩種。3、車輪沿主銷移動的懸架（滑柱連桿式懸架），之中包括燭式懸架和麥弗遜式懸架。4、車輪在汽車的斜向平面內(nèi)擺動的懸架（單斜臂式燭式懸架）。下面主要

7、就麥弗遜懸架進行運動分析與計算。第一章 麥弗遜懸架簡介11 麥弗遜懸架當今世界用的最廣泛的轎車前懸架之一便是麥弗遜懸架，麥弗遜懸架由通用公司的厄爾S麥弗遜在1947年研發(fā)的。麥弗遜懸架結構簡單，所以它輕量、響應速度快，并且在一個搖臂和支柱的幾何結構下能自動調(diào)整車輪外傾角，讓其能在轉彎時自動適應路面，讓車輪的接地面積最大化。12 麥弗遜懸架與車輪定位參數(shù)的關系麥弗遜懸架的筒式減振器上鉸鏈的中心與橫擺臂外端的球鉸鏈中心連線為主銷軸線，此結構為無主銷結構。當車輪上下跳動時，因減震器的下支點隨橫擺擺動，故主銷軸線的角度是變化的，這說明車輪是沿著擺動的主銷軸線而運動，因此這種懸架在變形時，使得主銷的定位

8、角和輪距都有變化，然而，如果適當?shù)恼{(diào)整桿系布置，可使車輪的這些定位參數(shù)變化極小。13 麥弗遜懸架的優(yōu)缺點麥弗遜式懸架的優(yōu)點是：結構緊湊，車輪跳動時前輪定位參數(shù)變化小，有良好的操縱穩(wěn)定性，加上由于取消了橫臂，給發(fā)動機及轉向系統(tǒng)的布置帶來方便。其缺點是滑動立柱摩擦和磨損較大，為減少摩擦，通常是將螺旋彈簧中心線與滑柱中心線的布置不相重合，還可以將減震器導向座和活塞的摩擦表面用減磨材料制成，以減少磨損。雖然麥弗遜懸架并不是技術含量最高的懸架系統(tǒng)結構，但它是一種經(jīng)久耐用的獨立懸架系統(tǒng)，具有很強的道路適應能力。第二章 麥弗遜懸架的運動分析與計算21 麥弗遜懸架后視簡圖 麥弗遜懸架的后視結構簡圖如圖2-1所

9、示，主要由減震器、彈簧、下擺臂及轉向節(jié)構成。 圖2-122 麥弗遜懸架的運動分析 車輪跳動時會引起輪距和軸距的變化，進而會影響轉向輪的定位參數(shù)，下面就車輪的不同跳動情況進行分析。221 單側車輪上跳如圖2-2所示為車輪上跳時的運動及受力情況。當車輪向上跳動一定量時，對應的下擺臂OB向上轉動，此時OB桿與BC桿運動到如圖所示虛線位置，導致車輪軸線對應的E點隨之運動，而引起輪距和軸距的變化，根據(jù)懸架受外力情況，進行受力分析，即可求出CD縮短的尺寸。 圖 2-2計算過程如下： 圖 2-3如圖2-3為車輪上跳時，懸架及車輪所受外力的平衡圖。如圖所示車輪所受垂直載荷N與O點和D點所受的外力FO和FD三者

10、平衡，根據(jù)正弦定理可得FD / sin（90-） = N / sin（90-+） （2-1）整理得FD / cos = N / cos（-） （2-2）式中N為車輪所受垂直載荷，為減震器與垂直方向的夾角，為車輪跳動時引起的下擺臂的擺角，進而可求得FD = N cos/ cos（-） （2-3）已知懸架彈簧的剛度為K，則FD = Kl （2-4）所以，車輪上跳時，懸架的彈簧壓縮量為：l = FD / K = N cos/ K cos（-） （2-5）建立如圖2-4所示坐標系 圖 2-4其中，y軸為車輪軸線所在直線，z軸為過汽車幾何中心的鉛垂面內(nèi)與y軸垂直的鉛垂線，其中各點坐標分別為:O(yO ,

11、 zO)B(yB ,zB)E(yE ,zE) C(yC ,zC)D(yD,zD)。下面進行坐標計算：當車輪上跳引起下擺臂OB向上擺動時，O點坐標不變，B點坐標發(fā)生變化yB= yO + acos （2-6）zB= zB + asin （2-7）則B（yO + acos，zB + asin）此時C點坐標yC= yD + （l - l）sin （2-8）zC= zD - （l - l）cos （2-9）則C（yD + （l - l）sin，zD - （l - l）cos）可求得E坐標 （2-10） （2-11）所以，車輪上跳時，單側軸距變化為：B/2 = yE yE= yE - （2-12）如圖2-

12、5為左視圖 圖 2-5其中x軸為過原點O與yz平面垂直的直線，其中各點坐標分別為:B(xB ,zB) E(xE ,zE) C(xC ,zC) D(xD,zD)。下面進行坐標計算：當車輪上跳引起下擺臂OB向上擺動時，B點得橫坐標xB不變，豎坐標xB發(fā)生變化zB= zB + asin （2-13）則B（xB ，zB + asin）此時C點坐標xC= xD + （l - l）sin （2-14）zC= zD - （l - l）cos （2-15）則C（xD + （l - l）sin，zD - （l - l）cos）可求得E的橫坐標 （2-16）所以，車輪上跳時，軸距變化為 （2-17）222 單側車

13、輪下跳圖 2-6如圖2-6所示為車輪下跳時的運動及受力情況。當車輪向下跳動一定量時，對應的下擺臂OB向下轉動，此時OB桿與BC桿運動到如圖所示虛線位置，導致車輪軸線對應的E點隨之運動，而引起輪距和軸距的變化，根據(jù)懸架受外力情況，進行受力分析，即可求出CD伸長的尺寸，計算過程如下： 圖 2-7圖2-7為車輪下跳時，懸架及車輪所受外力的平衡圖。如圖所示車輪所受垂直載荷N與O點和D點所受的外力FO和FD三者平衡，根據(jù)正弦定理可得FD / sin（90+ ） = N / sin（90 -） （2-19）整理得FD / cos = N / cos（+） （2-20）式中N為車輪所受垂直載荷，為減震器與垂

14、直方向的夾角，為車輪跳動時引起的下擺臂的擺角，進而可求得FD = N cos/ cos（+） （2-21）已知懸架彈簧的剛度為K，則FD = Kl （2-22）所以，車輪上跳時，懸架的彈簧壓縮量為：l= FD / K = N cos/ K cos（+） （2-23）建立如圖2-7所示坐標系，其中，y軸為車輪軸線所在直線，z軸為過汽車幾何中心的鉛垂面內(nèi)與y軸垂直的鉛垂線，其中各點坐標分別為:O(yO , zO)B(yB ,zB)E(yE ,zE)C(yC ,zC)D(yD,zD)。下面進行坐標計算：當車輪上跳引起下擺臂OB向下擺動時，O點坐標不變，B點坐標發(fā)生變化，如圖2-8所示。 圖 2-8B

15、點坐標計算如下yB= yO + acos （2-23）zB= zB + asin （2-24）則B（yO + acos，zB + asin）此時C點坐標yC= yD + （l + l）sin （2-25）zC= zD - （l + l）cos （2-26）則C（yD + （l + l）sin，zD - （l + l）cos）可求得E坐標 （2-27） （2-28）所以，車輪下跳時，單側軸距變化為：B/2 = yE yE= yE - （2-29）如圖2-9所示 圖 2-9其中x軸為過原點O與yz平面垂直的直線，其中各點坐標分別為:B(xB ,zB) E(xE ,zE) C(xC ,zC) D(x

16、D,zD)。下面進行坐標計算：當車輪下跳引起下擺臂OB向下擺動時，B點得橫坐標xB不變，豎坐標xB發(fā)生變化zB= zB - asin （2-30）則B（xB ，zB - asin）此時C點坐標xC= xD + （l + l）sin （2-31）zC= zD - （l + l）cos （2-32）則C（xD + （l + l）sin，zD - （l + l）cos）可求得E的橫坐標 （2-33）所以，車輪上跳時，軸距變化為 （2-34）223 雙側車輪同時跳動兩側車輪同向跳動和反向跳動時，會引起的軸距、輪距、車軸轉向角等參數(shù)的變化，下面就雙側車輪的不同跳動情況進行分析和計算。2231 車輪同向跳

17、動當兩側車輪同向跳動，即兩側車輪同時向上或向下跳動時，輪距的變化是兩側車輪單獨跳動時引起的軸距變化之和，即B = B左 + B右 （2-35）B左和B右通過前面的計算分別可以求得。軸距的變化，通過前面的計算可分別求出L左和L右車軸轉向角可根據(jù)左右兩側軸距的變化求得 （2-36）其中，B為車輪發(fā)生跳動后的實際輪距，則 （2-37）2232 車輪反向跳動當兩側車輪反向跳動，即兩側車輪一個向上跳動另一個向下跳動時（側傾），輪距的變化是兩側車輪單獨跳動時引起的軸距變化之和，即B = B左 + B右 （2-38）B左和B右通過前面的計算分別可以求得。軸距的變化，通過前面的計算可分別求出L左和L右車軸轉向

18、角可根據(jù)左右兩側軸距的變化求得 （2-39）其中，B為車輪發(fā)生跳動后的實際輪距，則 （2-40）第三章 K&C試驗臺組成及測試項目懸架運動分析的試驗設備主要用的是K&C試驗臺，下面介紹一下K&C試驗臺的組成及測試項目。31 K&C試驗臺的含義K&C試驗臺中的“K”和“C”分別是Kinematic（運動）和Compliance（柔順）的縮寫，K&C試驗臺是用來測量車輛懸架的運動特性和柔順特性的設備。32 K&C試驗臺的組成K&C試驗臺主要由四部分組成，分別為平臺模塊、框架和車身夾持系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)。321 平臺模塊K&C試驗機共有四個平臺模塊，以便于對各個車輛輪胎施加位移或作用力。每個平臺

19、模塊均為輪胎表面提供了垂直、側向、縱向、轉向和轉動運動。平臺模塊設計非常短，并具有高剛度，以減少測試系統(tǒng)本身的偏差。322 框架和車身夾持系統(tǒng)系統(tǒng)有一個框架鋼結構的基座，可以提供各個平臺模塊和車身夾持系統(tǒng)之間必要的直線性的剛度調(diào)整。同時，針對不同的車輛，對平臺模塊進行軸距、輪距調(diào)整?？蚣苁且粋€焊接鋼結構，可以將系統(tǒng)安裝在正常的工業(yè)混凝土地面上。323 傳感器K&C試驗臺上安裝了多種傳感器，主要包括車輪負載傳感器、車輪位置傳感器、平臺位置傳感器、平臺轉向角度傳感器、方向盤位置傳感器和方向盤扭矩傳感器。324 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要作用是控制試驗臺的運動，并采集、處理試驗數(shù)據(jù)。 33 K&C試驗臺的

20、基本功能K&C試驗臺的基本功能很多，主要是：測量車輪上下跳動時車輪前束角、外傾角和輪距的變化 ，在任意載荷下車輪受到縱向力、側向力和回正力矩時車輪前束角、外傾角、輪距的變化，以及車輪跳動時，汽車前后懸架的垂直剛度、側傾剛度、縱向剛度和側向剛度。34 K&C試驗臺測試項目K&C試驗臺測試項目有很多種，主要包括：車輪跳動 （8項）、側傾運動 （7項）、縱向柔度試驗 （5項）、側向柔度試驗 （5項）、回正力矩試驗 （5項）和轉向運動 （5項）。341 車輪跳動（8項）K&C試驗臺測量車輪跳動的8項包括：在輪胎接地處測得的單個懸架相對車身或車架的垂直剛度、在輪心處測得的單個懸架相對車身或車架的垂直剛度

21、、輪胎垂直剛度、輪心垂直方向的單位位移引起的車輪轉向角、輪心垂直方向的單位位移引起的車輪外傾角變化量、輪心垂直方向的單位位移引起的主銷后傾角變化量、輪心垂直方向的單位位移引起的輪距變化量，該測量可確定側傾中心高度以及輪心垂直方向的單位位移引起的軸距變化量。342 側傾運動 （7項）K&C試驗臺測量側傾運動的7項包括：在輪心處測得的單個懸架相對車身或車架的垂直剛度(側傾時) 、側傾力矩、側傾剛度、前后懸架側傾剛度所占比例、側傾轉向量、側傾軸轉向（左右車輪轉向角均值）以及車輪外傾角隨車身側傾角的變化率。343 縱向柔度試驗 （5項）K&C試驗臺測量縱向柔度的5項包括：車輪前束與縱向力的關系、軸轉向與縱向力的關系、縱向剛度（同向、反向）、車輪施加同向縱向力時，主銷后傾角與縱向力的關系和車輪外傾角與縱向力（同向、反向）的關系。344 側向柔度試驗 （5項）K&C試驗臺測量側向柔度的5項包括：車輪外傾角與側向力（同