【哈弗H6雙橫臂獨立懸架設(shè)計與性能探析7000字（論文）】

哈弗H6雙橫臂獨立懸架設(shè)計與性能分析摘要 摘要：懸架是汽車組成中不可或缺的一部分。懸架設(shè)計是否合理直接影響汽車在行駛過程中的穩(wěn)定性。本文把哈弗H6SUV汽車作為研究對象，對它的后懸架進行計算和設(shè)計。設(shè)計之前首先在圖書館和網(wǎng)絡(luò)上查閱了許多資料，了解了懸架的基本機構(gòu)和組成以及工作原理，結(jié)合SUV汽車的后懸架實例，確定了采用雙橫臂獨立懸架作為本次設(shè)計的后懸架。在設(shè)計過程中，先對市場上的哈弗H6SUV汽車原有懸架進行性能分析，得出雙橫臂獨立懸架對汽車行駛和操縱的影響；其次，利用懸架相關(guān)性能參數(shù)，計算懸架的靜撓度、動撓度和懸架剛度；然后，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計規(guī)則，對導(dǎo)向機構(gòu)、彈簧、減振進行相應(yīng)的設(shè)計和計算;再對懸架的結(jié)構(gòu)布置進行分析設(shè)計，使其占用空間更加合理；最后，繪制了懸架CAD圖紙。關(guān)鍵詞：懸架；哈弗H6；雙橫臂；減振器1引言懸架是用來確定車輪或車橋與車輛的承載系統(tǒng)(車架或承載式車身)之間是否存在彈性聯(lián)系的總稱[1]。它的主要作用是傳遞車架與車輪之間的力和力矩。還能減緩汽車在惡劣路況下的振動和沖擊，使汽車平穩(wěn)行駛[2]。因此，在設(shè)計汽車懸架時，應(yīng)考慮車輪與車架的連接。通常，車身與車輪的連接采用彈性連接，通過彈簧本身的變形、減速引起休克和振動來吸收能量[3]。近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展，國民收入增加，人們的生活質(zhì)量大大提高，對于生活用車的需求也相繼提高。這就意味著乘用車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和行駛平順性也必須上升到相應(yīng)水平，于是對于車輛懸架的研究已是迫在眉睫。典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)以及減震器等組成，個別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式，而現(xiàn)代轎車懸架多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，個別高級轎車則使用空氣彈簧[4]。本設(shè)計的研究對象是哈弗H6SUV汽車的后懸架，橫臂是懸架中重要的組成，根據(jù)長度，它可以分為兩種：等長的雙叉骨和不等長的雙叉骨。其中，相同長度的雙叉骨會在車輪上下移動時導(dǎo)致嚴重的車輪磨損。當(dāng)不等長的雙叉骨在車輪上上下移動時，上，下橫臂的長度不同，并且雙叉骨的位置合理排列，因此車輪上的磨損量較小，車輛狀況良好，穩(wěn)定性和平順性較好。為了得到原始參數(shù)，對雙橫臂獨立懸架的運動情況進行分析，用車輪軌跡變化、外傾角、前束角、主銷后傾角、主銷傾角和公式計算得到懸架各點位置。以雙橫臂式獨立懸架為研究對象，通過對懸架各部分的分析與研究，得出雙橫臂獨立懸架的結(jié)構(gòu)；根據(jù)懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，對懸架各部分進行分析以確定主要參數(shù)。國外研究現(xiàn)狀：國外汽車行業(yè)起步較早，在汽車工業(yè)方面占據(jù)了很大優(yōu)勢，對于汽車相關(guān)各領(lǐng)域的研究也占得先機。國外在懸架方面的研究已經(jīng)趨于成熟，在雙橫臂獨立懸架的研究主要集中在獨立懸架設(shè)計方法、獨立懸架對車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的影響、獨立懸架與轉(zhuǎn)向系的匹配、懸架彈性元件的設(shè)計、導(dǎo)向機構(gòu)的硬點坐標優(yōu)化與運動學(xué)分析等，同時隨著電子、微機技術(shù)的革新，獨立懸架正向著智能化、輕量化、小型化、通用化的方向發(fā)展[5]。國內(nèi)研究現(xiàn)狀：相對于國外懸架技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，國內(nèi)對于雙橫臂獨立懸架的研究還處于起步階段，因為國內(nèi)汽車行業(yè)起步較晚，與國外已進入實用化階段相比略顯不足，但在參考國外文獻和研究之后，國內(nèi)對于雙橫臂獨立懸架的研究飛速發(fā)展。國內(nèi)許多研究機構(gòu)和人員利用虛擬樣機技術(shù)，對懸架進行設(shè)計優(yōu)化與仿真，雖然虛擬樣機研究與真實數(shù)據(jù)之間存在一定誤差，但它能反復(fù)計算設(shè)計研究，節(jié)省大量人力物力和時間，為懸架的研究提供了大量參考數(shù)據(jù)。近年來，國內(nèi)許多研究機構(gòu)和人員發(fā)表了大量懸架相關(guān)的研究論文，從各方面分析研究了懸架的特點?？傊畤鴥?nèi)懸架技術(shù)進展不容小覷，追上并超越國外指日可待。雙橫臂獨立懸架的發(fā)展趨勢：隨著汽車工程技術(shù)的進步，汽車懸架在乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到了廣泛重視和深入研究，在汽車工業(yè)領(lǐng)域中，雙橫臂獨立懸架受到日益廣泛的重視，再加上國民收入增加，已經(jīng)有了足夠支持追求更好性能的生活用車的條件，雙橫臂獨立懸架已成為懸架發(fā)展的重要趨勢。2懸架主要參數(shù)的確定2.1確定參考車型的主要參數(shù)本次設(shè)計選用的車型為哈弗H6SUV汽車。主要參數(shù)如下表2-1所示。表2-1參考車型主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值車身長/寬/高（mm）整車整備質(zhì)量（kg）總質(zhì)量（kg）前輪距（mm）后輪距（mm）輪胎規(guī)格最小離地間隙（mm）2.2懸架靜撓度計算懸架的靜撓度是指汽車在滿載靜止狀態(tài)下懸架上的載荷與懸架剛度c之比，即。汽車前部分車身的固有頻率可以用下式表示：(2.1)汽車后部分車身的固有頻率可以用下式表示：(2.2)式中，為汽車前懸架的剛度、為汽車后懸架的剛度；為前懸架的簧上質(zhì)量、為后懸架的簧上質(zhì)量。根據(jù)《汽車設(shè)計手冊》可知，汽車前懸架的靜撓度可用下式表示(2.3)汽車后懸架的靜撓度可用下式表示：=(2.4)為重力加速度。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，汽車懸架的動擾度與汽車前部分的車身的固有頻率和后部分的車身的固有頻率有直接關(guān)系，為了保證汽車能夠在道路上安全且平穩(wěn)的進行行駛，并根據(jù)《汽車設(shè)計手冊》選取汽車前部分的車身的固有頻率和汽車后部分的車身固有頻率分別為和。將固有頻率分別帶入式(2.5)和式(2.6)可得前、后懸架的靜撓度分別為和,為了方便計算將前、后懸架的靜撓度分別取整，即，。2.3懸架的動撓度懸架的動撓度指的是當(dāng)汽車的懸架被壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形時，車輪中心相對于車架(或車身)從滿載靜平衡位置的垂直位移。查閱資料得知一般SUV和轎車在工作行程中其靜撓度與動撓度之和應(yīng)該大于160mm，才能保證汽車擁有良好的行駛性能。懸架動撓度：符合要求。2.4懸架剛度計算整車裝備質(zhì)量為，簧上質(zhì)量為，簧下質(zhì)量為，滿載時總質(zhì)量為：。哈弗H6SUV汽車車型為前置前驅(qū)，從軸荷分配范圍表2-2可以得到：空載后軸單軸負荷：滿載后軸單軸負荷：表2-2軸荷分配范圍車型空載滿載前軸后軸前軸后軸前置前驅(qū)前置后驅(qū)后置后驅(qū)則后懸架滿載的剛度為：(2.7)后懸架空載剛度為：(2.8)2.5懸架側(cè)傾角剛度在前后軸的分配懸架側(cè)傾角不是很大的情況下，車身發(fā)生單位角度傾斜時所需的彈性恢復(fù)力矩就是懸架的側(cè)傾角剛度。側(cè)傾角剛度要在合適范圍，如果過大，駕駛員受到車輛行駛狀況反饋不明顯，不能及時對突發(fā)情況作出處理；若過小，乘車舒適性則降低。此外，前后懸架側(cè)傾角剛度的分配會對前后輪側(cè)傾角造成影響，從而改變轉(zhuǎn)彎特性，所以設(shè)計時要考慮懸架側(cè)傾角剛度在前后軸的分配。通常情況乘用車前后懸架側(cè)傾角剛度比為。3雙橫臂獨立懸架導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計3.1側(cè)傾中心雙橫臂懸架的側(cè)傾中心如圖3-1所示。通過延長連接橫臂的內(nèi)部和外部轉(zhuǎn)折點的線，可得到和的高度。通過把連接到車輪接地點，可以在車輛軸線作出側(cè)傾中心。兩臂相互平行時，在無窮遠。通過繪制一條平行線，可獲得側(cè)傾中心。原理圖如圖3-2所示。圖3-1側(cè)傾中心W的確定圖3-2側(cè)傾中心W的確定本文采用不等長雙橫臂式獨立懸架。3.2側(cè)傾軸線獨立懸架中，側(cè)傾軸線連接了前后側(cè)傾中心。前、后懸架的側(cè)傾軸線值不易過大也不宜過小，為了保證車身的傾側(cè)值在允許范圍內(nèi)，查閱相關(guān)資料并結(jié)合實際汽車使用情況前后懸架的傾側(cè)范圍值選取和。3.3縱傾中心縱傾中心如圖3-3所示。圖3-3雙橫臂式獨立懸架的縱傾中心3.4縱向平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案上下橫臂軸抗前俯角的匹配對主銷后傾角的變化有較大影響[6]。給出了六種布置方案的主銷后傾角隨車輪跳動的曲線如圖3-4。圖3-4β1、β2的匹配對λ的影響通常預(yù)期主銷后傾角將發(fā)生如下變化：當(dāng)懸架彈簧被壓縮時后傾角增加，而當(dāng)彈簧被拉伸時后傾角減小。當(dāng)主銷的后傾角增加時，控制臂支架中會產(chǎn)生力矩，以防止制動前俯。3.5橫向平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案在橫向平面中上下橫臂的布置如圖3-5，比較者三種方案，結(jié)合實際側(cè)傾中心選擇第一種方案。圖3-5布置方案3.6水平面內(nèi)上、下橫臂擺動軸線的布置方案水平面內(nèi)上下橫臂軸線三種布置方案如圖3-6：圖3-6布置方案為滿足使用需求，使汽車具有良好的行駛性能，已有一套列線圖，如圖3-7所示。圖3-7列線圖由容許前俯角確定，再找相應(yīng)，在圖中選取,求主銷后傾角變化率。由在圖中選取球銷中心距與再在圖中找到上下橫臂軸夾角。充分考慮設(shè)計需求與汽車行駛過程中具有良好性能，上橫臂和下橫臂的擺動軸線在水平面內(nèi)的布置方案選擇圖3-6b的方案進行布置。3.7上、下橫臂長度的確定上、下橫臂長度之比L1/L2變化時的懸架運動特性如圖3-8。圖3-8懸架運動特性下橫臂不變，改變上橫臂，計算得到時的懸架運動特性曲線。根據(jù)圖3.8所示的懸架運動特性，以及我國SUV汽車設(shè)計經(jīng)驗和標準，本次設(shè)計選取0.65。3.8橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計與計算3.8.1橫向穩(wěn)定桿的作用許多轎車和SUV等車型的后懸架上都裝有橫向穩(wěn)定桿。橫向穩(wěn)定桿是為了減小車身在轉(zhuǎn)向過程中的側(cè)傾角，增加懸架的側(cè)傾角剛度，提高汽車的行駛穩(wěn)定性的裝置，是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，它的作用是使車身保持平衡。大部分安裝方式如圖3-9所示。圖3-9安裝方式示意圖如果左右車輪以相同的幅度和相同的方向振動，則水平穩(wěn)定桿將無能為力，并且將無法正常工作。當(dāng)左右車輪有相對位移時，穩(wěn)定桿變形，幫助車輛快速穩(wěn)定。穩(wěn)定桿通常放在車輛的前懸架和后懸架上，以增加側(cè)傾角的剛度。當(dāng)然，一切都有積極的和消極的。不利之處在于，當(dāng)車輛在崎嶇不平的道路上行駛時，左右車輪在垂直方向上有相對位移時，穩(wěn)定桿增加了車輪的垂直剛度，降低了乘坐舒適性。設(shè)計中還要注意避免與懸架的導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)生干涉。3.8.2橫向穩(wěn)定桿參數(shù)的選擇橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)如圖3-10:圖3-10穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)選取:橫向穩(wěn)定桿角剛度：（3.1)式中：—剪切彈性模數(shù)，—穩(wěn)定桿直徑，取—穩(wěn)定桿有效工作長度,取將數(shù)據(jù)帶入公式（3.1）得:橫向穩(wěn)定桿上的扭矩：（3.2）式中：—穩(wěn)定桿最大工作扭轉(zhuǎn)角：取值為由公式（3.2）得：橫向穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：(3.3)4螺旋彈簧的設(shè)計計算4.1螺旋彈簧材料的選擇獨立懸架通常采用螺旋彈簧作為彈性元件。螺旋彈簧通常采用彈簧鋼絲繞制。根據(jù)汽車工作時螺旋彈簧的壽命要求和受力特點選擇60Si2MnA作為簧絲材料。彈簧材料特性如下表4-1：表4-1特性許用切應(yīng)力[]許用剪應(yīng)力[]剪切模量G彈性模量E強度范圍4.2彈簧幾何參數(shù)的計算根據(jù)表4-2結(jié)合實際，可以計算懸架彈性元件相關(guān)參數(shù)。表4-2設(shè)計參數(shù)滿載荷QUOTE空載荷QUOTE總質(zhì)量QUOTE設(shè)計偏頻n4.2.1彈簧所受的壓力彈簧受到壓力：(4.1)式中：—彈簧所受壓力滿載荷—重力加速度，取彈簧所受到的最大的力：(4.2)式中：—彈簧動荷系數(shù)，取則：4.2.2位移傳遞比及彈簧的剛度計算彈簧的剛度QUOTE可通過傳遞比建立聯(lián)系：利用傳遞比i可計算螺旋彈簧的剛度QUOTE：(4.3)QUOTE代表懸架的線剛度，用表示。從而，得到如下關(guān)系式：(4.4)根據(jù)參考文獻[10]，可以得出,,將上述參數(shù)帶入式（4.4）可以得出，彈簧位移傳遞比是。由后懸架偏頻，代入式（4.3）可得：(4.5)得出彈簧的剛度。(4.6)4.2.3彈簧的最大變形量及后懸架的剛度彈簧的最大形變量為：(4.7)根據(jù)公式(4.7)得后懸架剛度：QUOTE(4.8)式中；QUOTE指汽車后懸架剛度，QUOTE指汽車單個后懸架的簧上質(zhì)量，指汽車后懸架的偏頻，當(dāng)汽車空載時：代入公式（4.8）得：（4.9）汽車滿載時：帶入公式計算得：（4.10）4.2.4滿載時彈簧鋼絲的幾何參數(shù)滿載時彈簧鋼絲的幾何參數(shù)可根據(jù)（4.8）公式計算：(4.11)得出：(4.12)式中：指彈簧有效工作參數(shù)，取指彈簧剪切彈性模量，取QUOTE指彈簧中徑彈簧螺旋比：（4.13）彈簧絲直徑與螺旋的選取范圍如表4-3所示:表4-3選取范圍參數(shù)取值彈簧絲直徑d(mm)螺旋比C初選螺旋比為，為，QUOTE為。彈簧總?cè)?shù)為：（4.14）式中：—工作圈數(shù)彈簧節(jié)距的計算公式如下：(4.15)彈簧自由高度：(4.16)式中：—工作圈數(shù)，取—彈簧鋼絲工作間隙，—彈簧總?cè)?shù),取—彈簧的直徑，將上述參數(shù)代入式(4.16)中，可得。彈簧螺旋升角：（4.17）4.3彈簧的校核4.3.1彈簧的剛度校核計算彈簧剛度：QUOTE(4.18)式中：—彈簧的有效工作參數(shù)，—彈簧材料的剪切彈性模量，取—彈簧中經(jīng)，—彈簧直徑,將上述參數(shù)代入式(4.18)可以得到：符合要求。4.3.2彈簧表面的剪切應(yīng)力校核彈簧在壓縮時靠材料的剪切變形吸收能量，表面切應(yīng)力為：(4.19)式中：指彈簧的螺旋比，QUOTE指曲度系數(shù)，是考慮彈簧圈數(shù)曲率對強度的影響的系數(shù)，(4.20)指彈簧所受的壓力，將上述參數(shù)帶入式(4.20)得到彈簧剪切應(yīng)力:彈簧許用剪切應(yīng)力為：（4.21）可知QUOTE，所以彈簧滿足要求。經(jīng)過上述計算可確定所選彈簧的最終參數(shù)如表4-4所示：表4-4最終彈簧選定的參數(shù)參數(shù)數(shù)值彈簧高度彈簧圈數(shù)螺旋角內(nèi)徑外徑節(jié)距5減振器的設(shè)計計算5.1相對阻尼系數(shù)ψ的確定相對阻尼系數(shù)是指減振器的阻尼在不同剛度和不同彈簧質(zhì)量時產(chǎn)生不同阻尼效果的。數(shù)值越大，振動衰減越迅速，傳遞到車身的路面沖擊越大，反之亦然。在壓縮行程期間應(yīng)較小，在伸張行程期間應(yīng)較大，兩者之間的關(guān)系為。設(shè)計時，先選取與的平均值。無內(nèi)摩擦彈性元件懸架??；有內(nèi)摩擦彈性元件懸架值取的較小。本次設(shè)計選取，則有：，計算得：，5.2減振器阻尼系數(shù)的確定減震器阻尼系數(shù)，懸架固有頻率，理論上。減振器阻尼系數(shù)應(yīng)根據(jù)減振器布置特性確定。本次設(shè)計選擇圖5-1所示的安裝形式，阻尼系數(shù)為：(5.1)圖5-1減震器安裝形式根據(jù)公式，可得出：由章節(jié)2.2知，,故：按滿載計算有簧上質(zhì)量:，下橫臂b長度為，減振器安裝點到懸架的右端點距離a為，代入公式（5.1）得：5.3減振器最大卸荷力的確定減振器振動達到一定值時，減振器中的活塞將會運動，減振器的卸荷閥打開，此時活塞的運動速度稱為卸荷速度，按照圖5-1有：(5.2)式中，為卸荷速度，一般為為車身振幅，取為懸架振動固有頻率，為代入數(shù)據(jù)計算得卸荷速度為：在之間，卸荷速度符合要求。最大卸荷力公式為：（5.3）伸張時的阻尼系數(shù)：(5.4)帶入數(shù)據(jù)得:將上述參數(shù)帶入式（5.3）得：5.4減振器工作缸直徑D的確定減振器工作缸直徑與減振器的最大卸載力有以下關(guān)系:(5.5)式中，為工作缸的最大允許壓力，取，這里取為連桿直徑與缸徑的比值，雙筒式減振器取，單筒式減振器取，此處取。將上述參數(shù)帶入式(5.5)中可以得到：根據(jù)我國標準規(guī)定，減振器的工作缸直徑D主要有：，，，，，等幾種。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計與實際選取貯油筒直徑:壁厚取，材料選取20鋼。在這里，選取貯油筒直徑為：活塞桿的直徑可以按照圖5-2選取。圖5-2工作缸和活塞桿直徑工作缸直徑為，選擇活塞桿直徑為：活塞行程：減振器壓縮到底長度：減振器最大拉伸長度：總結(jié)本次雙橫臂獨立懸架的設(shè)計，首先收集了相關(guān)資料認真閱讀分析，思考SUV后懸架主要有哪些類型以及其各自的運動原理。然后查閱了當(dāng)前市場上各類型SUV后懸架的數(shù)據(jù)資料以及照片視頻，參照其設(shè)計思路、懸架結(jié)構(gòu)和懸架布置型式。借鑒市場上先進SUV的技術(shù)，按照其經(jīng)濟性、實用性、耐用性為原則，在一般車型上進行改進計算設(shè)計，達到設(shè)計要求目的。設(shè)計時按照先確定懸架布置型式，再計算相關(guān)設(shè)計參數(shù)，設(shè)計和校核主要零部件，最后對參數(shù)進行校核。設(shè)計主要內(nèi)容有：1.后懸架設(shè)計①參數(shù)選擇：固有頻率、剛度、阻尼系數(shù)及缸徑。②懸架參數(shù)的計算：靜撓度、動撓度、剛度和側(cè)傾角剛度。③懸架結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定桿計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.彈性元件設(shè)計螺旋彈簧參數(shù)的計算及校核。3.減振器的設(shè)計阻尼系數(shù)確定、載荷力確定及缸徑確定。繪制后懸架二維機械總裝配圖和主要零部件圖運用AutoCAD軟件對雙橫臂獨立懸架繪制裝配圖和主要零部件圖。該課題是以哈弗H6SUV汽車為對象，對其進行后懸架設(shè)計，以該課題為題進行設(shè)計研究，既能鞏固所學(xué)知識，熟悉設(shè)計流程，提高設(shè)計本領(lǐng)，解決實際問題，也為以后走上工作崗位做好鋪墊。完成本次設(shè)計進一步加深了對所學(xué)知識的印象，并提高了靈活運用所學(xué)知識的能力。參考文獻[1]劉惟信.汽車設(shè)計.北京：青華大學(xué)出版社.2001[2]寧厚于,楊獻學(xué),張軍偉,郭文天.油氣彈簧獨立懸架橫臂拓撲優(yōu)化設(shè)計[J].汽車實用技術(shù),2021,46(01):36-39.[3]何名基.汽車雙橫臂獨立懸架動力學(xué)建模與優(yōu)化設(shè)計[J].時代汽車,2020(18):137-138.[4]林群.基于Kriging模型和粒子群算法的雙