麦弗逊悬架设计开题报告

关于ESU7160乘用车前悬架设计的开题报告

        汽车工程学院 061107212    杨星

一 研究背景

最近这几年,中国汽车产销不断上升,自20##年之后,中国汽车行业开始进入爆发式增长阶段,特别是随着私人消费的兴起,轿车需求量开始迅速攀升,并成为推动中国汽车发展的一股重要力量。与此同时,中国在全球汽车产业中的地位也逐渐上升。20##年,中国汽车需求总量为879万辆,在全球市场占比从20##年4.3%上升到20##年的12.2%。20##年首次超越美国成为全球第一大汽车产销国后, 20##年中国再次稳坐全球销量第一的位置。全年销量超过1800万辆。

目前中国汽车市场自主品牌发展态势良好。自主品牌乘用车的销售量也是十分可观的。之所以自主品牌的销量不断上升,跟中国汽车品牌在乘用车领域技术不断学习进步不无关系。

中国汽车工业这些年逐步建立起有竞争性、不同技术层次的零部件配套体系。并积极开展节能、环保型的汽车研发,推动技术进步,加快汽车产品的结构升级。坚持对外开放和自主发展相结合的原则,努力提高自主研发能力,培育自主品牌产品。

为了实现由“汽车大国”向“汽车强国”转变,一方面,国家通过宏观调控、政策扶持等措施,鼓励和支持汽车产业的转型升级;另一方面,企业在国家政策的引导下,在组织结构、产品结构、技术结构、市场结构等方面积极实施转型升级战略,全面、有效提升汽车产业的国际竞争力。

汽车强国就必须要具有完全自主知识产权的汽车。一辆具有自主知识产权的汽车,并不是那么容易就能制造出来的。虽然目前中国已经有许多自主品牌的汽车,不但在国内销量不错,而且有个别车型能够出口。然而,其实很多自主品牌的汽车,内部零部件或多或少也都不是中国自己的技术,没有自主知识产权,虽然从整车角度看,是中国的自主品牌,其实不然。零部件是组成一辆整车的基本,而在零部件制造生产上具有自主知识产权,才能使中国的自主品牌汽车真正畅销市场,经久不衰。

因此要发展汽车工业,创造自主品牌汽车,就要从基础做起,从零部件的设计开发做起。零部件做到了自主研发,用自主研发的零部件组成的整车就是自主研发的汽车了,汽车研发要从零部件研发开始。

一辆汽车有多个系统组成,传动系统,制动系统,转向系统,行驶系统等等,而决定汽车的操纵稳定性和行驶平顺性的是汽车悬架系统。悬架是现代汽车上重要总成之一。汽车悬架把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性的连接起来。悬架的最主要的功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩,缓和汽车驶过不平路面时路面传递给车架(或车身)的冲击载荷,衰减由此引起的承载系统的振动,以保证汽车的行驶平顺性。保证汽车的操纵稳定性,使汽车获得高速行驶能力。

悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器等组成。导向装置由导向杆系组成,用来决定车轮相对于车架(或车身)的运动特性,并传递除了弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。缓冲块用来减轻车轴对车架(或车身)的直接冲撞,防止弹性元件产生过大的变形。装有横向稳定器的汽车,能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。减振器是具有减振作用,使振动迅速衰减,减轻振动使乘员感到不舒适和疲劳。弹性元件则是为了缓和冲击,使车架与车桥之间具有弹性联系。

因此,汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表,作为衡量轿车质量的指标之一。完善的汽车悬架系统可以很好的缓解路面给予车辆的冲击,减轻汽车振动给乘客带来头晕,晕车等不良反应,使乘客感受到很好的乘坐舒适性。同时将汽车的悬架系统调校好,好的悬架系统在弯道性能上就能很好的表现出来,还有出去郊游时,能在恶劣的路况下通行,可以给驾驶员带来更好的操作稳定性以及一定的驾驶乐趣。优良的悬架避震性能,也可以减轻振动给零件带来的冲击导致损坏,减少故障,降低维修成本和行驶安全。悬架系统使汽车能精准的过弯转向,也能避免一定的交通事故发生可能性。因此可以发现,悬架对于整辆车具有重大的意义,不可或缺。而当前的汽车悬架虽然已经十分先进,但是毕竟没有完美的事物,不论什么形式的独立悬架或非独立悬架都有其缺点和不足。因此还需要不断的研究发展。

市场调查

为了能了解目前市场上大部分乘用车前悬架所采用型式的情况,为接下来的设计作参考,因此,对市面上30万以内的车型前悬架型式进行了市场调查,结果如表一所示。

表 一   30万以内的车型前悬架型式

   根据表一进行的数据整理后出来的柱状图,如图一所示。

图 一   前悬架类型柱状图

通过市场调查后,根据数据可以得出:在30万以下的家用乘用车中,其前悬架基本有两种形式,分别是麦弗逊式独立悬架和双横臂式独立悬架,但也不排除其他形式的悬架。根据上图,大部分车型基本都采用了麦弗逊式独立悬架,而双横臂式独立悬架大部分出现在SUV这种车型上。

三 悬架研究

广州本田雅阁是一辆市场上很畅销的车型,其前悬架为双横臂式独立悬架,因此,对其前悬架进行分析研究比较有意义。广州本田雅阁前悬架的外观图如图2所示。

图 2 广本雅阁前悬架示意图

广州本田雅阁的前悬架是不等长双横臂式悬架,这类悬架只要适当选择、优化上下横臂的长度,并通过合理的布置、就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内,保证汽车具有良好的行驶稳定性。

雅阁的双横臂式独立悬架结构图如图3所示,上横臂3的外端通过球头销铰链,内端与车身相连。下横臂2的外端与球头销铰链,内端与车身相连。两个球头销与转向节1相连。当车轮上下跳动时,车轮传递给万向节和转向节1,使上下两个横臂上下摆动,而下横臂又与减振器和螺旋弹簧连接,下横臂摆动时,压缩减振器和弹簧,使螺旋弹簧和减振器起到缓解冲击的作用。工作原理图可参考图4。

1-转向节 2-下横臂 3-上横臂4-螺旋弹簧 5-减振器

图 3  广本雅阁前悬架结构图

图 4  广本雅阁前悬架工作原理图

雅阁的双横臂式独立悬架优点是横向刚度大、抗侧倾性能优异、抓地性能好、路感清晰,操作稳定性好。轮距变化小,轮胎磨损慢。而它的缺点是因其制造成本高、悬架定位参数设定复杂,而且占用空间大。通常应用于运动型轿车、超级跑车以及高档SUV前后悬架。

一汽宝来作为一汽旗下一款市场口碑不错的车型,其前悬架型式是麦弗逊式独立悬架,对其研究分析比较有意义。一汽宝来前悬架的外观图如图5所示。

图 5  一汽宝来前悬架示意图

一汽宝来的前悬架采用的是麦弗逊式独立悬架。结构图如图6所示,为一汽宝来的麦弗逊式独立悬架的结构图,减振器为滑移支柱总成,横置导向臂的内端通过铰链与车身相连,其外端通过球铰链与转向节相连。减振器上端通过带轴承的隔振块总成与车身相连。减振器上铰链的中心与横置导向臂外端的球铰链中心的连线为主销轴线。当车轮上下跳动时,车轮的运动通过球铰链和转向节传递给横置导向臂,横置导向臂上下摆动,由于减振器与横置导向臂都与转向节相连,因此减振器的下支点随横置导向臂摆动,压缩减振器和减振器上的螺旋弹簧,使阻尼元件与弹性元件起到缓解冲击的作用。当悬架变形时,使得主销的定位角和轮距都有变化。工作原理可参考图7。适当地调整杆系的布置,可以使车轮的定位参数变化极小。而且因为有了横置导向臂,使车轮所受的侧向力大部分由前悬架控制臂承担,其余部分由减振器活塞和活塞杆承受,减小了滑动摩擦和磨损。

1-       轮毂 2-转向节支架 3-上固定支点 4-悬架弹簧 5-减振器 6-半轴 7-横向稳定杆 8-横置导向臂 9-转向节球形铰链 10-轮毂轴承

图 6  一汽宝来的前悬架结构图

图 7  一汽宝来前悬架工作原理图

宝来的麦弗逊式独立悬架优点是横向刚度大,轮距变化小,轮胎磨损慢。麦弗逊式独立悬架与其他独立悬架相比,结构紧凑,取消了上横臂,增大了两前轮内侧的空间,便于发动机和其他一些部件的布置,车轮跳动时前轮定位参数变化小,有良好的操纵稳定性。而它的缺点是由于麦弗逊式独立悬架质量较轻,响应速度又很快,车轮的主销可以摆动,外倾角度可以调整,这样在车辆转弯时,轮胎的接地面积可以达到最大化。但简单的结构也使得悬架刚性较弱,稳定受到影响,转弯时侧倾会略微明显。而且滑动立柱摩擦和磨损较大。

 

第二篇:麦弗逊悬架设计说明书

   

摘要............................................... 2

abastract.......................................................... 3

第一章 前言............................................. 4

第二章 设计任务.................................................... 5

第三章 悬架的结构分析及选型..................................... 6

   3.1悬架的分类...................................................... 6

   3.2非独立悬架与独立悬架优缺点分析.................................. 6

   3.3独立悬架结构形式分类及分析...................................... 7

第四章 方案论证.................................................... 8

   4.1 悬架结构方案分析................................................ 8

   4.2弹性元件........................................................ 9

   4.3减震元件....................................................... 10

   4.4传力构件及导向机构............................................. 10

   4.5横向稳定器..................................................... 11

第五章 前悬架系统的主要参数的确定及对整车性能的影响...... 11

   5.1悬架的静扰度................................................... 11

   5.2悬架的动扰度................................................... 12

   5.3悬架的弹性特性................................................. 12

   5.4前悬架主销侧倾角与后倾角....................................... 13

第六章 弹性元件的计算........................................... 14

   6.1 螺旋弹簧的设计................................................. 14

第七章 减震器机构的类型及主要参数的选择计算................ 15

   7.1减震器分类..................................................... 15

   7.2相对阻尼系数................................................... 15

   7.3减震器阻尼系数的确定........................................... 14

   7.4最大卸荷力的确定............................................... 17

   7.5减震器工作缸直径的确定......................................... 18

结    论............................................................ 19

参考文献............................................................ 20

摘    要

  为了提高汽车行驶的平顺性和稳定性, 本课题进行了产品名称为QF1020货车前后悬架的设计。通过对课题内容的分析, 并结合相关设计手册,进行了方案设计与比较, 设计了麦弗逊前悬架, 钢板弹簧后悬架。在设计中,首先,分析了麦弗逊独立悬架的组成和功用;其次,进行悬架的上各零部件强度的校核;第三,详细考虑各部件之间的连接关系;最后在此基础上进行悬架自然振动频率,悬架静挠度和动挠度以及悬架弹性特性的计算。在分析麦弗逊悬架的组成和作用以及各零部件的尺寸确定的基础上,再利用CAD软件进行二维制图。此次的设计进行了准确的计算和详细的结构分析,为麦弗逊悬架的结构优化提供了依据,从而在运动学和动力学方面提高汽车的性能。

关键词:麦弗逊悬架;汽车;设计;

ABSTRACT

    In order to enhance the automobile smooth running and the stability, This topic has carried on the suspension design of the Product Name of QF1020 vehicle. Through analyzing the topic content, and combine the correlation design handbook, carried on the plan to design and to compare, the McPherson strut front suspension , the leaf spring behind suspension and trapezium’s frame are designed. This thesis first analyzes the consists and function of the McPherson suspension in the design, then check the up and down of the suspension, Third, the various components of the link between relations is considered the suspension on the basis of the natural vibration frequency is calculated as well as static suspension deflection and dynamic deflection and elastic characteristics of the suspension terms at last. On the basis of Analysis of the composition and role of the size of the components in the two suspension, then to use CAD software, 2D software mapping .We make an accurate and detailed structural analysis on the design, which provides the reference for optimal design of the suspension. The approach can enhance the performance of the McPherson suspension and leaf spring behind suspension.

Keyword: McPherson suspension; Motor vehicle; Design;

第一章   前 言

悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统(车架或承载式车身)之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。

悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩,并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击,衰减由此引起的承载系统的振动,以保证汽车的行驶平顺性。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接,依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷,并依靠其变形来吸收能量,达到缓冲的目的。采用弹性联接后,汽车可以看作是由悬挂质量(即簧载质量)、非悬挂质量(即非簧载质量)和弹簧(弹性元件)组成的振动系统,承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动,悬架中还必须包括阻尼元件,即减振器。此外,悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化,以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置,从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。

    尽管一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进,但从结构功能而言,它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下,某一零部件兼起两种或三种作用,比如钢板弹簧兼起弹性元件及导向机构的作用,麦克弗逊悬架(或称滑柱摆臂式独立悬架)中的减振器柱兼起减振器及部分导向机构的作用。

如前所述,汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统,该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性,并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载,并进而影响到这些零件的使用寿命。此外,悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求[1]

a、通过合理设计悬架的弹性特征及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性,既具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能,并能避免在悬架的压缩或伸张行程极限点发生硬冲击,同时还要保证轮胎具有足够的接地能力;

b、合理设计导向机构,以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递,保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大,并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性的要求;

c、导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调,避免发生运动干涉,否则可能引发转向轮摆振;

d、侧倾中心及纵倾中心位置恰当,汽车转向时具有抗侧倾能力,汽车制动和加速时能保持车身的稳定,避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾(即所谓“点头”和“后仰”);

e、悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小;

f、便于布置,在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间;

g、所有零部件应具有足够的强度和使用寿命;

h、制造成本低;

i、便于维修、保养。

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,并尽量可能低。前、后悬架固有频率的匹配应合理。

第二章 设计任务

本课题的名称是进行QF1020轻型货车的前后悬架设计。

主要研究的内容是:

1.进行前悬架的底盘布置;

2.悬架结构型式分析和主要参数的确定;

3.用AUTOCAD完成悬架装配图及主要零件图。

解决的问题有:

1.解决汽车零部件企业麦弗逊悬架产品开发过程中设计与产品建模等问题;

2.规范合理的型式和尺寸选择,结构和布置合理;

3.分析其结构形式及主要参数的确定。

参考数据

第三章 悬架的结构分析及选型

3.1悬架的分类

    根据导向机构的不同可将汽车悬架分为独立悬架和非独立悬架两大类(如图1)。

70年代又发展了一种前后悬架或左右悬架相通的交联式悬架。

图1

   非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端,当一边车轮跳动时,影响另一侧车轮也作相应的跳动,使整个车身振动或倾斜,汽车的平稳性和舒适性较差,但由于构造较简单,承载力大,目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式[2]。           

    独立悬架的车轴分成两段,每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面,当一边车轮发生跳动时,另一边车轮不受波及,汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂,承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架,并已成为一种发展趋势[3]

3.2非独立悬架与独立悬架优缺点分析

3.2.1非独立悬架的优缺点分析

   非独立悬架的结构特点是,左、右车轮用一根整体轴连接,再经过悬架与车架(或车身)连接。

优点是:结构简单,制造容易,维修方便,工作可靠。

缺点是:1)由于整车布置上的限制,钢板弹簧不可能有足够的长度(特别是前悬架),使之刚度较大,所以汽车平顺性较差;

       2)簧下质量大;在不平路面上行驶时,左、右车轮相互影响,并使车轴(桥)和车身倾斜;

       3)当两侧车轮不同步跳动时,车轮会左、右摇摆,使前轮容易产生摆振;前轮跳动时,悬架易与转向传动机构产生运动干涉;

       4)当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时,由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时,不仅车轮外倾角有变化,还会产生不利的周转向特性;

       5)汽车转弯行驶时,离心力也会产生不利的轴转向特性;车轴(桥)上方要求有与弹簧行程相适应的空间[4]

    这种悬架主要用在总质量大些的商用车前、后悬架以及某些乘用车的后悬架上。

3.2.2独立悬架优缺点分析

    独立悬架的结构特点是,左、右车轮通过各自的悬架与车架(或车身)连接。

缺点是:结构复杂,成本较高,维修困难[5]

优点是:1)簧下质量小;

        2)悬架占用的空间小;

        3)弹性元件只承受垂直力,所以可以用刚度小的弹簧,使车身振动频率降低,改善了汽车行驶平顺性;

        4)由于采用断开式车轴,所以能降低发动机的位置高度,使整车的质心高度下降,改善了汽车的行驶稳定性;

      5)左、右车轮各自独立运动互不影响,可减少车身的倾斜和振动,同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力;

      6)独立悬架可提供多种方案供设计人员选用,以满足不同设计要求。

    这种悬架主要用于乘用车和部分总质量不大的商用车上。

3.3独立悬架结构形式分类及分析

    独立悬架有多种结构形式,主要分为双横臂式;单横臂式;双纵臂式;单纵臂式;麦弗逊式和扭转梁随动臂式等几种类型。对于不同结构形式的独立悬架,不仅结构特点不同,而且许多基本特性也有较大区别。评价时常从以下几个方面进行:

(1)侧倾中心高度  汽车在侧向力作用下,车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内产生侧倾时,相对于地面的瞬时转动中心,称为侧倾中心高度。侧倾中心位置高,它到车身质心的距离缩短,可使侧向力臂及侧倾力矩小些,车身的侧倾角也会减少。但侧倾中心过高,会使车身倾斜时轮距变化大,加快轮胎的磨损。

    (2)车轮定位参数的变化  车轮相对车身上、下跳动时,主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。若主销后倾角变化大,容易使转向轮产生摆振;若车轮外倾角变化大,会影响汽车的直线行驶稳定性,同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。

    (3)悬架侧倾角刚度  当汽车作稳态圆周行驶时,在侧向力作用下,车厢绕侧倾轴线转动,并将此转动角度称之为车厢侧倾角。车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关,并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。

    (4)横向刚度  悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小,则容易造成转向轮发生摆振现象[6]

第四章 方案论证

4.1悬架结构方案分析

4.1.1独立悬架与非独立悬架结构形式的选择

    为适应不同车型和不同类型车桥的需要,悬架有不同的结构型式,主要有独立悬架与非独立悬架。独立悬架与非独立悬架各自的特点在上一章中已经作了介绍,鉴于轻型货车的特点,综合悬架的各自特性以及成本等方面,货车前部载人,后部载货,故将汽车的前悬设计为麦弗逊悬架,后悬设计为钢板弹簧悬架[7]

4.1.2悬架具体结构形式的选择

麦弗逊式独立悬架是独立悬架中的一种,是一种减振器作滑动支柱并与下控制臂铰接组成的一种悬架形式,与其它悬架系统相比,结构简单、性能好、布置紧凑,占用空间少。因此对布置空间要求高的发动机前置前驱动轿车的前悬架几乎全部采用了麦弗逊式悬架[8]

   此次设计的悬架为发动机前置前轮驱动的车型,故选择麦弗逊式悬架形式。

4.1.3麦弗逊式悬架简介

1.麦弗逊式独立悬架的优点

    与其他独立悬架相比,麦克弗逊悬架的突出特点在于可将导向机构及减振装置集合到一起,将多个零件集成在一个单元里。这样一来,相对双横臂悬架而言,它不仅简化了结构,减小了质量,还节省了空间,降低了制造成本,并且几乎不占用横向空间,有利于车身前部地板的构造和发动机布置,这一点在用于紧凑型轿车(例如微型轿车,它们几乎全部采用前置前驱动方式)的前悬架时,具有无可比拟的优势。麦克弗逊悬架的另外一些优点包括:(1)铰接点的数目较少;(2)上下铰点之间有较大的距离,下铰点与车轮接地面间距离较小,这对减少铰点处的受力有利;(3)弹簧行程较大,(4)另外,当车轮跳动时,其轮距、前束及车轮外倾角等均改变不大,减轻了轮胎的磨损,也使汽车具有良好的行驶稳定性[9]


2.麦弗逊悬架的缺点

   由于自由度减少,悬架运动特性的可设计性不如双横臂悬架;振动通过上支承点传递给汽车头部,需采取相应措施隔离振动、噪声;减振器的活塞杆与导向套之间存在摩擦力,使得悬架的动刚度增加,弹性特性变差,小位移时这一影响更加显著;对轮胎的不平衡较敏感;减振器紧贴车轮布置,其间空间很小,有些情况下不便于采用宽胎或加装防滑链。

4.2弹性元件

弹性元件是悬架的最主要部件,因为悬架最根本的作用是减缓地面不平度对车身造成的冲击,即将短暂的大加速度冲击化解为相对缓慢的小加速度冲击。使人不会造成伤害及不舒服的感觉;对货物可减少其被破坏的可能性。 弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧等常用类型。除了板弹簧自身有减振作用外,配备其它种类弹性元件的悬架必须配备减振元件,使已经发生振动的汽车尽快静止。钢板弹簧是汽车最早使用的弹性元件,由于存在诸多设计不足之处,现逐步被其它种类弹性元件所取代,本文选择螺旋弹簧。

4.3减震元件

减振元件主要起减振作用。为加速车架和车身振动的衰减,以改善汽车的行驶平顺性,在大多数汽车的悬架系统内都装有减振器。减振器和弹性元件是并联安装的,如图2-2所示。 汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。液力减振器的作用原理是当车架与车桥作往复相对运动时,而减振器中的活塞在缸筒内也作往复运动,则减振器壳体内的油液便反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内腔。此时,孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力,使车身和车架的振动能量转化为热能,而被油液和减振器壳体所吸收,然后散到大气中。本文选择筒式液力减振器[10]


图2-2减震器简图

4.4传力构件及导向机构

车轮相对于车架和车身跳动时,车轮(特别是转向轮)的运动轨迹应符合一定的要求,王光轿车麦弗逊式前悬 否则对汽车某些行驶性能(特别是操纵稳定性)有不利的影响。因此,悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务,因而这些传力构件还起导向作用,故称导向机构。

对前轮导向机构的要求

(1)悬架上载荷变化时,保证轮距变化不超过+4.0mm,轮距变化大会引起轮胎早期磨损;

(2)悬架上载荷变化时,前轮定位参数要有合理的变化特性,车轮不应产生纵向加速度;

(3) 汽车转弯行驶时,应使车身侧倾角小。在0.4g侧向加速度作用下,车身侧倾角≤6-7度。并使车轮与车身的倾斜同向,以增强不足转向效应。

(4) 制动时,应使车身有抗前俯作用;加速时,有抗后仰作用。

(5) 具有足够的疲劳强度和寿命,可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。

4.5横向稳定器

    在多数的轿车和客车上,为防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜,在悬架中还设有辅助弹性元件——横向稳定器。

横向稳定器实际是一根近似U型的杆件,两个端头与车轮刚性连接,用来防止车身产生过大侧倾。其原理是当一侧车轮相对车身位移比另外一侧位移大时,稳定杆承受扭矩,由其自身刚性限制这种倾斜,特别是前轮,可有效防止因一侧车轮遇障碍物时,限制该侧车轮跳动幅度[11]

第五章 前悬架系统的主要参数的确定及对整车性能的影响

5.1悬架静挠度(公式来自《汽车设计》第四版)

    悬架静挠度是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时悬架刚度c之比,即

汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率,是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量分配系数近似等于1[12],于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此,汽车前、后部分的车身的固有频率(亦称偏频)可用下式表示

         n2=                      (5-1)

式中,为前、后悬架的刚度(N/cm);为前、后悬架的簧上质量(kg)。

当采用弹性特性为线性变化的悬架时,前、后悬架的静挠度可用下式表示

           =                        (5-2)

式中,g为重力加速度(g=981cm/)。

代人式(5-1)到

            n2=                        (5-3)

分析上式可知:悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频n。因此,欲保证汽车有良好的行驶平顺性,必须正确选取悬架的静挠度。

在选取前、后悬架的静挠度值时,使之接近,并且后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小些,这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。

理论分析证明:若汽车以较高车速驶过单个路障,/<1时的车身纵向角振动要比/>1时小,故推荐取=(0.8~0.9)。考虑到货车前后轴荷的差别和驾驶员的乘坐舒适性,取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值,推荐=(0.6~0.8)。为了改善小排量乘用车后排乘客的乘坐舒适性,有时取后悬架的偏频低于前悬架的偏频。

用途不同的汽车,对平顺性要求不一样。以运送人为主的轿车对平顺性的要求最高,大客车次之,载货车更次之。对普通级以下轿车满载的情况,前悬架偏频要求在1.00~1.45Hz,后悬架则要求在1.17~1.58Hz。原则上轿车的级别越高,悬架的偏频越小。对高级轿车满载的情况,前悬架偏频要求在0.80~1.15Hz,后悬架则要求在0.98~1.30Hz。货车满载时,前悬架偏频要求在1.50~2.10Hz,而后悬架则要求在1.70~2.17Hz。取=1.5Hz,=1.7Hz。代入(5-3)得=11.11cm,=8.65cm取=11cm,=8cm。

5.2悬架的动挠度

悬架的动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形(通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3)时,车轮中心相对车架(或车身)的垂直位移。要求悬架应有足够大的动挠度,以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对轿车,取7~9cm;对大客车,取5~8cm;对货车,取6~9cm。由此可以看出,为了得到很好的平顺性,应当采用较软的悬架以降低偏频,但软的悬架在一定的载荷下其变形也大。对于一般货车悬架总的工作行程即静挠度与动挠度之和应当不小于13cm。悬架的静挠度及动挠度值受到汽车总布置允许的工作行程的限制,取前后悬架的动挠度均为130mm[13]

前悬架单侧悬架设计簧载质量445kg,空载簧载质量408kg,设计偏频为=1.5Hz,后悬架单侧悬架设计簧载质量620kg,空载簧载质量357kg,设计偏频为=1.7Hz,为了满足空载时的偏频要求,代入(5-1)得=31.54N/mm,=55N/mm。

5.3悬架弹性特性

悬架受到的垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于车身位移(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。

悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形厂与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时,弹性特性为一直线,称为线性弹性特性,此时悬架刚度为常数。当悬架变形与所受垂直外力F之间不呈固定比例变化时,弹性特性如图3-1所示。此时,悬架刚度是变化的,其特点是在满载位置(图中点8)附近,刚度小且曲线变化平缓,因而平顺性良好;距满载较远的两端,曲线变陡,刚度增大。这样可在有限的动挠度范围内,得到比线性悬架更多的动容量。悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起,变形到结构允许的最大变形为止消耗的功。悬架的动容量越大,对缓冲块击穿的可能性越小。

空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车,为了减少振动频率和车身高度的变化,应当选用刚度可变的非线性悬架。轿车簧上质量在使用中虽然变化不大,但为了减少车轴对车架的撞击,减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角,也应当采用刚度可变的非线性悬架。

钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的,而带有副簧的钢板弹簧、空气弹簧、油气弹簧等,均为刚度可变的非线性弹性特性悬架。

图3.1悬架弹性特性曲线

5.4前悬架主销侧倾角与后倾角

主销的工作原理:汽车主销并没有一个固定的模式,不同类型的汽车主销的表现形式也不同.汽车前轴的轴荷通过谁给传给转向轮,转向轮又始终围绕谁在转,具备了这两个条件的就可以称为“主销”[14]

A.主销后倾角:主销轴线在纵向平面内与通过前轮中心垂线的夹角叫主销后倾角.

主销后倾角的作用:

a)保证汽车直线行驶的稳定性。主销后倾角越大,行驶中产生的离心力就越大,汽车直线行驶的稳定性就越好.但主销后倾角越大,汽车转向时所克服的反向推力就越大,转向就越重,所以主销后倾角不能超过3°。

b)适当加大主销后倾是帮助车轮回正的有效方法。

主销后倾角取3°。

B.主销内倾角

主销在前轴或悬架上安装时,上断略微向内倾斜一个角度,这个角度叫主销内倾角。

(a)主销内倾角的作用:

a)   帮助车轮自动回正;

b)   使转向轻便。

(b)主销内倾角的确定:

传统汽车的主销内倾角通常在6°~8°,而20世纪70年代以后开发的无论是麦弗逊悬架还是烛式悬架,主销内倾角通常在10°30′~12°30′左右。悬架取

9°。

第六章 弹性元件的计算

6.1螺旋弹簧的设计

螺旋弹簧作为弹性元件,其结构简单、制造方便及其有高的比能容量,有良好的乘坐舒适性和悬架导向机构在大摆动能量下仍能具有保持车轮定位角的能力。

选取[τ]=350mPa切变模量G=280GPa的弹簧钢的材料

a)根据总体布置要求及悬架的具体结构形式可知弹簧的刚度C=31.54N/mm,设计载荷时弹簧受力P=4361N,及弹簧高度Hi=300mm,弹簧在压缩行程极限位置时弹簧高度H=210mm,自由高度H=390mm。

b)初选弹簧中径簧圈中径取D=142mm,钢丝直径12mm,弹簧材料65Mn,

有效圈数n=4.5节距t=48mm自由高度H=380mm

弹簧指数c=D/d=9.45代入求得K=1.154                                                                                                       

求出弹簧在完全压紧时的载荷P与弹簧的最大载荷P

P=P+C(H+H)

求得P=9964N,P=7992.9N。

进行校核:验证

K为修正系数,

K=

=853N/,=685N/代入得

<=0.63=750N/

所以弹簧合适。

第七章 减振器机构类型及主要参数的选择计算

7.1减振器的分类

悬架中用得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液体的粘性摩擦形成了振动阻力,将振动能量转变为热能,并散发到周围空气中去,达到迅速衰减振动的目的。如果能量的耗散仅仅是在压缩行程或者是在伸张行程进行,则把这种减振器称之为单向作用式减振器,反之称之为双向作用式减振器[15]。后者因减振作用比前者好所以采用后种。

根据结构形式不同,减振器分为摇臂式和筒式两种。虽然摇臂式减振器能够在比较大的工作压力(10—20Mpa)条件下工作,但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大而遭淘汰。筒式减振器工作压力虽然仅为2.5~5Mpa,但是因为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛应用。筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。由于双筒充气液力减振器具有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低等优点,所以采用此种减振器。

设计减振器时应当满足的基本要求是,在使用期间保证汽车行驶平顺性的性能稳定。

7.2相对阻尼系数

减振器在卸荷阀打开前,减振器中的阻力F与减振器振动速度之间有如下关系

                        (7-1)

式中,为减振器阻尼系数。

图5.1b示出减振器的阻力-速度特性图。该图具有如下特点:阻力-速度特性由四段近似直线线段组成,其中压缩行程和伸张行程的阻力-速度特性各占两段;各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数,所以减振器有四个阻尼系数。在没有特别指明时,减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数而言。通常压缩行程的阻尼系数与伸张行程的阻尼系数不等[16]


图5.1减振器的特性

a)  阻力一位移特性b)阻力一速度特性

汽车悬架有阻尼以后,簧上质量的振动是周期衰减振动,用相对阻尼系数的大小来评定振动衰减的快慢程度。的表达式为

                           (7-2)

式中,c为悬架系统垂直刚度;为簧上质量。

式(5-2)表明,相对阻尼系数的物理意义是:减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量的悬架系统匹配时,会产生不同的阻尼效果。值大,振动能迅速衰减,同时又能将较大的路面冲击力传到车身;值小则反之。通常情况下,将压缩行程时的相对阻尼系数取得小些,伸张行程时的相对阻尼系数取得大些。两者之间保持=(0.25~0.50)的关系[17]

设计时,先选取的平均值。对于无内摩擦的弹性元件悬架,取=0.25~0.35;对于有内摩擦的弹性元件悬架,值取小些。对于行驶路面条件较差的汽车,值应取大些,一般取>0.3;为避免悬架碰撞车架,取=0.5

=0.35则取=0.5=0.175

7.3减振器阻尼系数的确定

减振器阻尼系数。因悬架系统固有振动频率,所以理论上。实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。例如,当减振器如图5.2a安装时,减振器阻尼系数用下式计算

图7.2减振器安装位置

                       (7-3)

中,n为双横臂悬架的下臂长;a为减振器在下横臂上的连接点到下横臂在车身上的铰接之间的距离。

减振器如图5.2b所示安装时,减振器的阻尼系数占用下式计算

                       (7-4)

式中,a为减振器轴线与铅垂线之间的夹角。

减振器如图5.2c所示安装时,减振器的阻尼系数用下式计算

                          (7-5)

分析式(7-3)~式(7-4)可知:在下横臂长度n不变的条件下,改变减振器在下横上的固定点位置或者减振器轴线与铅垂线之间的夹角。,会影响减振器阻尼系数的变化。

前后悬架的减振器均采用图5-2c所示安装的,所以代人数据进5-5可以求得前悬架减振器的=63.153后悬架减振器的=99.51

7.4最大卸荷力的确定

为减小传到车身上的冲击力,当减振器活塞振动速度达到一定值时,减振器打开卸荷。此时的活塞速度称为卸荷速度。在减振器安装如图8-2c所示时

                          (7-6)

式中,为卸载速度,一般为0.15~0.30m/s;A为车身振幅,取±40mm,为悬架振动固有频率。

减振器=126.56mm。

又已知伸张行程时的阻尼系数,载伸张行程的最大卸荷力

求得减振器=7992.9N。

7.5减振器工作缸直径的确定

根据伸张行程的最大卸荷力计算工作缸直径D

                           (7-7)

式中,为工作缸最大允许压力,取3~4Mpa;为连杆直径与缸筒直径之比,双筒式减振器取=0.40~0.50,单筒式减振器取=0.30~0.35。

壁厚取为4mm,材料选20号钢。

求得减振器D=52mm。

结     论

悬架主要是针对QF1020轻型货车而设计的。悬架的主要创新点在于麦弗逊悬架的突出特点在于可将导向机构及减振器装置集合在一起,可将多个零件集成在一个单元里。这样一来,相对于双横摆臂悬架而言,他不仅简化了结构,减小了质量,还节省了空间,降低了执照成本,并且几乎不占用横向空间,有利于车身前部地板的构造和发动机布置。另外,当车轮跳动时,其轮距和前束及车轮外倾角等均改变不大,减轻了轮胎的磨损,也使汽车具有良好的行驶稳定性。前悬架采用独立悬架,。这样保证汽车有一定稳定性的同时还具有一定的刚度。

悬架设计中由于考虑成本与安装复杂性问题,采用了纯机械结构。在以后可以改进为用一个有自身能源的动力发生器来代替被动悬架中的弹簧和减振器的主动悬架,这样可以在不同的路面及行驶条件下显著地提高车辆性能。

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