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(毕业设计)奔腾B50轿车悬架系统设计毕业论文-正文


本科生毕业设计(论文)

摘要
如今汽车技术的发展越来越快,人们对汽车舒适性的要求也越来越高,而汽 车的这一方面性能需要靠悬架系统予以保证。 根据当前轿车悬架的发展情况,本设计的轿车前后悬架均采用独立悬架的形 式。并且前悬采用比较流行的双横臂悬架。根据确定的结构选取悬架的自振频率, 从而可以计算出悬架的刚度、静挠度和动挠度。采用以上数据计算弹性元件尺寸 并且进行应力校核。在设计减振器时,根据阻尼系数和最大卸荷力来计算选取减 振器的主要尺寸。然后再依次确定导向机构和横向稳定杆。在所有结构尺寸确定 后采用 CAXA 软件绘制前后悬架的装配图和零件图。 在对样车悬架进行平顺性分析中,建立了两自由度的平顺性分析模型,分别 绘制车身加速度幅频特性曲线、弹簧动挠度幅频特性曲线分析了悬架参数对汽车 平顺性的影响。 本文所做工作可为奔腾 B50 轿车的悬架系统设计提供理论依据,具有一定的 实际应用意义。

关键词:汽车;悬架;减震器;平顺性分析;

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Abstract

Now the development of automobile technology more and more rapidly, people on car comfort requirements are also increasing, and this aspect of performance cars on the need to ensure that suspension system. Based on the current developments in the car suspension, the design of the car before and after the suspension are used in the form of independent suspension. Before the hanging and are used more popular double withbone arm type suspension. According to determine the structure of the selected suspension natural frequency, which can calculate the stiffness of the suspension, static and dynamic deflection deflection. More flexible use of data of components and size of a stress check. In the design of shock absorber, in accordance with the largest damping and unloading of the terms of the main shock absorber selected size. Then bodies were identified and horizontal orientation Wending Gan. In all structure size is determined by CAXA mapping software before and after the suspension of the assembly and parts plans. In the car-like suspension of a ride, a two degree of freedom of the ride analysis model, were drawn body acceleration of the rate of frequency, the relative frequency of dynamic curve, moving spring deflection increase the frequent curve analysis - Parameters on the car ride impact. In this paper, for the work done by Ben Teng B 50 car's suspension system design provide a theoretical basis, the practical application of a certain significance. cy of a hanging

Key words: Car; Suspension;shock absorber ; Ride analysis

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目录
第一章 绪 论 ................................................................................................................ 1 第二章 前、后悬架结构的选择 .................................................................................. 2 2.1 独立悬架结构特点 ................................................................................... 2 2.2 独立悬架结构形式及评价指标分析 ....................................................... 2 2.3 前后悬架结构方案 ................................................................................... 3 2.4 辅助元件 ................................................................................................... 3 2.4.1 横向稳定杆 .................................................................................... 3 2.4.2 导向机构 ........................................................................................ 3 第三章 技术参数确定与计算 .................................................................................... 4 3.1 主要技术参数 ........................................................................................... 4 3.2 悬架性能参数确定 ................................................................................... 4 3.3 悬架静挠度 ............................................................................................... 5 3.4 悬架动挠度 ............................................................................................... 5 .5 悬架弹性特性曲线 ..................................................................................... 6 第四章 弹性元件的设计计算 ........................................................................................ 7 4.1 前悬架弹簧(麦弗逊悬架) ................................................................... 7 4.1.1 弹簧中径、钢丝直径及结构形式 ................................................ 7 4.1.2 弹簧圈数 ........................................................................................ 7 4.2 后悬架弹簧(双横臂独立悬架) ........................................................... 8 4.2.1 弹簧中径、钢丝直径及结构形式 ................................................ 8 4.2.2 弹簧圈数 ........................................................................................ 8 第五章 悬架导向机构及横向稳定的设计 ................................................................ 10 5.1 导向机构设计要求 ................................................................................. 10 5.2 双横臂独立悬架示意图 .......................................................................... 10 5.3 横臂轴线布置方式 .................................................................................. 11 5.4 导向机构的布置参数 .............................................................................. 11 5.4.1 侧倾中心 ...................................................................................... 11 5. 4.2 纵倾中心 ...................................................................................... 12 5. 4.3 抗制动纵倾性(抗制动前俯角) .............................................. 13 5. 4.4 抗驱动纵倾性(抗驱动后仰角) .............................................. 13 5. 4.5 悬架横臂的定位角 ...................................................................... 13 第六章 减振器设计 ...................................................................................................... 17
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6.1 减振器概述 ............................................................................................. 17 6.2 减振器分类 ............................................................................................. 17 6.3 减振器主要性能参数 ............................................................................. 18 6.3.1 相对阻尼系数确定 ...................................................................... 18 6.3.2 减震器阻尼系数 .......................................................................... 18 6.4 最大卸荷力 ............................................................................................. 19 6.4.1 前悬架的最大卸荷力 .................................................................. 19 6.4.2 后悬架的最大卸荷力 .................................................................. 19 6.5 筒式减振器主要尺寸 ............................................................................. 20 6.5.1 筒式减振器工作直径 .................................................................. 20 6.5.2 油筒直径 ...................................................................................... 21 第七章 平顺性分析 .................................................................................................... 22 7.1 平顺性概念 ............................................................................................. 22 7.2 汽车的等效振动分析 ............................................................................. 22 7.3 车身加速度的幅频特性 .......................................................................... 24 7.4 悬架动挠度的幅频特性 .......................................................................... 25 第八章 结论 ................................................................................................................ 27 参考文献 ........................................................................................................................ 28 附 录 I ............................................................................................................................ 30 附录 II ............................................................................................................................. 42

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第一章

绪 论

悬架是现代汽车最重要的总成之一。悬架结构的选用,不但在很大程度上决定 了汽车平顺性的优劣,而且随着汽车速度的提高,对于与行驶速度密切相关的操 纵稳定性的影响也越来越大。随着时代的发展,进口城市休闲车对国内市场的影 响,使得市场竞争的加剧,与此同时人们对城市休闲车的舒适性和稳定性提出了 新的要求。由于汽车悬架系统的结构参数及布置型式对汽车的各项使用性能有着 举足轻重的影响,因此悬架得到了人们广泛重视和深入研究。运用优化的设计方 法在保证减小悬架整体质量的同时又不缺少应有的刚度、强度与韧度,从而提高 了车速,降低了能耗是目前国内汽车悬架系统发展的主方向。 悬架系统可以在凹 凸不平路段,缓和路面传给车身的冲击,衰减由此引起的承载系统的振动,以保 证汽车行驶平顺;轿车乘坐舒适性主要取决于悬架系统的好坏,设计良好的悬架 系统可以使汽车行驶中保持稳定的姿势,减小车身移动,改善操纵稳定性。 汽车悬架包括弹性元件,减振器和传力装置等三部分,这三部分分别起缓冲、 减振和力的传递作用。在汽车行驶中,由于路面的不平坦和悬架的弹性作用,使 汽车产生垂直振动,减振器缓和及抑制不平路面对车体的冲击,使汽车振动的振 幅减小,直至振动停止,防止汽车部件的损坏。 车轮相对于车架和车身跳动时,车轮的运动轨迹应该符合一定的要求,否则 会产生运动干涉,影响汽车的行驶性能,特别是操纵稳定性,所以就要安装传力 装置,如上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件,让它来传递纵向力、侧向力及力 矩,并保证车轮对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。这些传力机构还起 导向作用,又称导向机构。导向杆系铰接处多采用橡胶衬套,能隔绝车轮所受来 自路面的冲击向车身的传递。 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。 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。

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第二章
2.1 独立悬架结构特点

前、后悬架结构的选择

独立悬架的结构特点是车桥做成断开的,每一侧的车轮可以单独的通过弹性 悬架与车架(车身)连接,两侧车轮可以单独跳动,互不影响。轿车和载重量 1t 以下的货车前悬架广为采用独立悬架,轿车后悬架上也在逐渐采用独立悬架,越 野车、矿用车和大客车的前悬架也有一些采用独立悬架。 独立悬架的优点是:簧下质量小;悬架占用的空间小;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; 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;左、右车轮独自运动互不影响,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;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。独立悬架的缺点是结构复杂,成本较 高,维修困难。这种悬架主要用于乘用车和部分质量不大的商用车上。

2.2 独立悬架结构形式及评价指标分析
根据导向机构不同的结构特点,独立悬架可分为:双横臂,单横臂,纵臂式, 单斜臂,多杆式及滑柱(杆)连杆(摆臂)式等等。按目前采用较多的有以下三 种形式:双横臂式,滑柱连杆式,斜置单臂式。按弹性元件采用不同分为:螺旋 弹簧式,钢板弹簧式,扭杆弹簧式,气体弹簧式,中级轿车目前采用最多的是螺 旋弹簧悬架。 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 横向垂直平面内发生侧倾时,相对于地面的瞬时转动中心,称为侧倾中心。侧倾 中心到地面的距离,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小。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。若主销内倾角变化大, 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,

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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。 悬架不同占用的空间尺寸不同,占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和 从车上拆装发动机的困难程度。占用空间小的悬架,则允许行李箱宽敞,而且底 部平整,布置油箱容易。因此,悬架占用的空间尺寸也用来作为评价指标之一。

2.3 前后悬架结构方案
目前汽车的前、后悬架采用的方案有:前轮和后轮均采用非独立悬架;前轮 采用独立悬架,后轮采用非独立悬架;前轮和后轮均采用独立悬架等几种。参照 本车型的实际用处。本设计的前、后悬架均采用独立悬架。前悬架采用不等长双 横臂独立悬架,后悬架采用麦弗逊式独立悬架。

2.4 辅助元件
2.4.1 横向稳定杆
横向稳定杆,是汽车悬架中的一种辅助弹性元件。它的作用是防止车身在转 弯时发生过大的横向侧倾。目的是防止汽车横向倾翻和改善平顺性。 横向稳定杆 是用弹簧钢制成的扭杆弹簧,横置在汽车的前端和后端。杆身的中部,用套筒与 车架铰接,杆的两端分别固定在左右悬架上。当车身只作垂直运动时,两侧悬架 变形相同,横向稳定杆不起作用。当车身侧倾时,两侧悬架跳动不一致,使横向 稳定杆发生扭转,杆身的弹力成为继续侧倾的阻力,起到横向稳定的作用。稳定 杆使汽车行驶较稳定、舒适,翻车几率大大降低,并能提高车辆的操纵稳定性。

2.4.2 导向机构
导向机构的作用是传递车轮与车身间的力和力矩,同时保持车轮按一定运动 轨迹相对车身跳动,它由导向机构由控制摆臂式杆件组成。出于对中级轿车的考 虑为了在原有独立悬架的基础上添加导向机构又不使结构复杂,决定采用单杆式 导向机构。

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第三章
3.1 主要技术参数

技术参数确定与计算

表 3-1 整车基本参数 轮距(mm) 尺寸参数 质心位置 空载 满载 非簧载质量:前悬非簧载质量为 60kg 簧载质量(满载) 前簧载质量=满载轴荷质量—非簧载质量=962—60=902kg 后簧载质量=满载轴荷质量—非簧载质量=788-50=738kg a (mm) b 质量参数 轴荷分配 (mm) 前轴(kg) 后轴(kg) 前轴(kg) 后轴(kg) 1540 1380 1300 687 563 962 788

后悬非簧载质量为 50kg

3.2 悬架性能参数确定
1)自振频率(固有频率)选取 轿车自振频率取值范围为 0.7~1.6Hz。对于簧载质量大的车型取值偏向小的 方向,对于簧载质量小的车型取值偏向大的方向。货车自振频率取值范围为 1.5~ 4.0 Hz。CRV 轿车要兼顾轿车和越野车的性能。 因此,前悬架偏频为 1.20Hz,即 n 1 =1.20Hz 后悬架偏频为 1.30Hz,即 n 2 =1.30Hz 2) 悬架刚度 汽车前、后部分车身的自振频率 n 1 和 n 2 (亦称偏频)可用下式表示
n1 ? c 1 / m 1 / (2 ? )



n2 ?

c 2 / m 2 / (2 ? )

(3-1)

上式中, C 1 、 C 2
2

为前、后悬架的刚度(N/m) ;
2

将 m 1 、 m 2 代入式(3-1) ,得
c ? (2 n1? ) m 1 ? (2 ? 1 .2 0 ? 3 .1 4 ) ? 9 0 2 ? 5 1 2 2 5.7 N / m

单边

c1 ? 25612.87 N / m

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c ? ( 2 n1? ) m 2 ? ( 2 ? 1 .3 0 ? 3 .1 4 ) ? 7 3 8 ? 4 9 1 8 8 .4 N / m
2 2

单边

c 2 ? 2 4 5 9 4 .2 N / m

3.3 悬架静挠度
静挠度:
fc ? g

?2? n ? 2

(3-2)

g 为重力加速度,g= 9810 mm / s2
f c1 ? g

?2? n ?
g

2

?

9810

?2 ? ? ?2 ? ?

? 1 .2 ?

2

=172.7mm =147.0 mm

fc2 ?

?2? n ?

2

?

9810 ? 1 . 25 ?
2

3.4 悬架动挠度
前后悬架自振频率的不同,决定了他们挠度数值不同。各类汽车动静挠度取 值范围如下: 货 车
f c ? 50 ~ 110 mm f c ? 60 ~ 130 mm f c ? 70 ~ 150 mm f c ? 100 ~ 300 mm f d ? ( 0 .7 ~ 1 .0 ) f c fd ? fc f d ? ( 0 .7 ~ 1 .0 ) f c f d ? ( 0 .5 ~ 0 .7 ) f c f d 2 ? 0.7 f c 2 ? 102.91m m

越野车 大客车 轿 车

所以, f d 1 ? 0.7 f c 1 ? 120.79m m

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.5 悬架弹性特性曲线
1-缓冲块复原点 2-复原行程缓冲块脱离支架 3-主弹簧弹性特性曲线 4-复原行程 5-压缩行程 6-缓冲块压缩期悬架特性曲线 7-缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8-额定载荷



3-1 悬架弹性特性曲线

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第四章 弹性元件的设计计算
4.1 前悬架弹簧(麦弗逊悬架)
4.1.1 弹簧中径、钢丝直径及结构形式
Fw

:汽车满载静止时悬架上的载荷

F w ? f c c ? mg

(4-1)

F w ? 902 ? 9.8 ? 8839.6N

单边: Fw 1 ? 4 4 1 9 .8 N

弹簧指数 C ? 所以,初选 C=6. 曲度系数 K ?

D2 d

,设计中一般推荐取 4 ? C ? 6 ,常用的初选范围为 C=5~8

4C ? 1 4C ? 4

?

0 .6 1 5 C

? 1 .2 5 2 5

弹簧丝直径设计: d ?

8 KFC

? ?? ?

(4-2)

弹簧压缩时 ?? 类载荷 10 3 ~ 10 6 范围内;许用切应力 ?? ? ? 590 MPa
d ? 8KFC

? ??

?

? 1 .6

K F w 1C

?? ?

? 1 .6

1 .2 5 ? 4 4 1 9 .8 ? 6 590

? 1 1 .9 9

取 d=12mm

D=Cd=72mm

因此 D 取 75mm

结构形式:端部并紧、不磨平、支撑圈为 1 圈 查《机械设计手册》得。材料名称:硅锰合金弹簧钢丝(60Si2MnA) 其节距为 P=
D2 3 D2 2



=25~37.5mm

4.1.2 弹簧圈数
弹簧工作圈数 i=6~7 初选 i=6.5
4

螺旋弹簧的静挠度: f cs ? 8 F w D 3 i Gd

(4-3)

式中 G---弹簧材料的剪切弹性模量,查表得 79 ? 10 3 MPA

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f cs ? 8 F w D i G d
3 4

? 8 ? 4 4 1 9 .8 ? 7 5 ? 6 7 9 ? 1 0 ? 1 2 ? 5 4 .6 m m
3 3 4

?c ? ?

? f cs Gd ? ? 2 ? ? ? c ? ? 500 MPa ?D i ? ?

3 则 ? c ? 5 4 .6 ? 7 9 ? 1 0 ? 1 2

?

? ? 75 ? 6
2

? ? 4 8 8 .4 M P a ? ??

c

?

符合要求。

4.2 后悬架弹簧(双横臂独立悬架)
4.2.1 弹簧中径、钢丝直径及结构形式
Fw

:汽车满载静止时悬架上的载荷

F w ? f c c ? mg

F w ? 738 ? 9.8 ? 7232.4 N

单边: Fw 2 ? 3 6 1 6 .2 N

弹簧指数 C ? 所以,初选 C=6 曲度系数 K ?

D2 d

,设计中一般推荐取 4 ? C ? 6 ,常用的初选范围为 C=5~8

4C ? 1 4C ? 4

?

0 . 615 C

=1.2525

弹簧丝直径设计: d ?

8 KFC

? ?? ?

(4-4)

弹簧压缩时 ?? 类载荷 10 3 ~ 10 6 范围内;许用切应力 ?? ? ? 590 MPa
d ? 8KFC

? ??

?

? 1 .6

K F w 1C

?? ?

? 1 .6

1 .2 1 ? 3 6 1 6 .2 ? 7 590

? 1 0 .8

取 d=12mm

D=Cd=72mm

因此 D 取 75mm

结构形式:端部并紧、不磨平、支撑圈为 1 圈 查《机械设计手册》得。材料名称:硅锰合金弹簧钢丝(60Si2Mn) 其节距为 P=
D2 3 D2 2



=25~37.5mm

4.2.2 弹簧圈数
弹簧工作圈数 i=6~7 初选 i=6

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螺旋弹簧的静挠度: f cs ? 8 Fw D 3 i G d 4 ? 8 ? 3 6 1 6 .2 ? 7 5 3 ? 6 7 9 ? 1 0 3 ? 1 2 4 ? 4 4 .7 m m G--弹簧材料的剪切弹性模量,查表得 79 ? 10 3 MPA
?c ? ?
? f cs Gd ? ? 2 ? ? ? c ? ? 500 MPa ?D i ? ?

3 则 ? c ? 4 4 .7 ? 7 9 ? 1 0 ? 1 3

?

? ? 90 ? 6
2

? ? 3 0 0 .6 7 M P a ? ??

c

?

符合要求。

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第五章

悬架导向机构及横向稳定的设计

5.1 导向机构设计要求
1)悬架上载荷变化时,保证轮距变化不超过 ? 4 . 0 mm ,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 . 4 g 侧加速度下,车身侧倾角 不大于 6 ?
~ 7
?

,并使车轮与车身的倾斜同向,以增强不足转向效应。

4)汽车制动时,应使车身有抗前俯作用,加速时有抗后仰作用。

5.2 双横臂独立悬架示意图

图 5-1 双横臂式独立悬架

(1)适用弹簧:螺旋弹簧 (2)主要使用车型:轿车前轮; (3)车轮上下振动时前轮定位的变化:

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(4)轮距、外倾角的变化比稍小; (5)拉杆布置可在某种程度上进行调整。 (6)侧摆刚度:很高、不需稳定器; (7)操纵稳定性: (8)横向刚度高; (9)在某种程度上可由调整外倾角的变化对操纵稳定性进行调整。

5.3 横臂轴线布置方式
双横臂式独立悬架的摆臂轴线与主销后倾角的匹配影响到汽车的侧倾稳定性。当摆 臂轴的抗前倾俯角等于静平衡位置的主销后倾角时,摆臂轴线正好与主销轴线垂直,运 动瞬心交于无穷远处,主销轴线在悬架跳动作平动。因此,主销后倾角保持不变。 当抗前倾俯角与主销后倾角的匹配使运动瞬心交于前轮后方时,在悬架压缩行程, 主销后倾角有增大的趋势。当抗前倾俯角与主销后倾角的匹配使运动瞬心交于前轮前方 时,在悬架压缩行程,主销后倾角有减小的趋势。为了减少汽车制动时的纵倾,一般希 望在悬架压缩行程主销后倾角有增加的趋势。因此,在设计双横臂式独立悬架时,应选 择参数抗前倾俯角能使运动瞬心交于前轮后方。

5.4 导向机构的布置参数

5.4.1 侧倾中心
双横臂式独立悬架侧倾中心的高度 h w 为
h w ? B 1 h P ( k cos ? ? d tan ? ? a ) 2

式中

k ? sin ( 90

0

? ? ? ? ) sin( ? ? ? )

p ? k sin ? ? d

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5-4 双横臂式悬架侧倾中心的确定

独立悬架的侧倾高度为 前悬架 0 ~ 120 mm ;后悬架 80 ~ 150 mm 。

5. 4.2 纵倾中心
双横臂式独立悬架的纵倾中心,可由用作图法得出,作两横臂转动轴 C 和 D 的延长线,两线的交点 O 即为纵倾中心,如图 5-5 所示。

图 5-5 双横臂式独立悬架的纵倾中心

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5. 4.3 抗制动纵倾性(抗制动前俯角)
抗制动纵倾性使得制动过程中汽车车头的下沉量与车尾的抬高量减小。只有 当前、后悬架的纵倾中心位于两根车桥(轴)之间时,这一性能方可实现,如图 5-6 所示。

图 5-6 抗制动纵倾性

5. 4.4 抗驱动纵倾性(抗驱动后仰角)
抗驱动纵倾性可减小后轮驱动汽车车尾的下沉量或前驱动汽车车头的抬高量。与抗 制动纵倾性不同的是, 只有当汽车为单桥驱动时, 该性能才起作用。 对于独立悬架而言, 当纵倾中心位置高于驱动桥车轮中心时,这一性能方可实现。

5. 4.5 悬架横臂的定位角

图 5-7 ? 、 ? 、 ? 的定义
' ‘ ’

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如图 5-7 为横臂轴的水平斜置角 ? ' 、悬架抗前俯角 ? ' 、悬架斜置初始角 ? ' 的定 义

5.5 横向稳定杆的作用
当车身侧倾时,两侧悬架跳动不一致,横向稳定杆发生扭转,杆身的弹力成为继续 侧倾的阻力,起到横向稳定的作用。当车身只作垂直移动而两恻悬架变形相等时,横向 稳定杆在套筒内自由转动,横向稳定杆不起作用。当两侧悬架变形不等而车身对于路面 横向倾斜时,车架的一侧移近弹簧支座,稳定杆的该侧末端就相对于车架向上移,而车 架的另一侧远离弹簧支座,相应的稳定杆的末端则相对于车架向下移,然而在车身和车 架倾斜时,横向稳定杆的中部对于车架并无相对运动。这样在车身倾斜时,稳定杆两边 的纵向部分向不同方向偏转,于是稳定杆便被扭转。弹性的稳定杆所产生的扭转的内力 矩就妨碍了悬架弹簧的变形,因而减小了车身的横向倾斜和横向角振动。 横向稳定杆带来的不利因素有:当汽车在坑洼不平的路面行驶时,左右车轮有垂直 的相对位移,由于横向稳定杆的作用,增加了车轮处的垂直刚度,会影响汽车的行驶平 顺性。

5.6 横向稳定杆的设计计算
前悬架弹簧刚度 K sp 的计算:
K su 1 2 ?m? ? K sp 1 ? ? ? n ?
2

式中 K su 悬架刚度

(5-1)

根据结构需要,选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离 m=350mm,从悬 架支撑点到轮胎中心之间的距离 n=350mm。因此,前悬架每个弹簧的刚度为:
K sp 1 ? K su 1 ?m ? 2? ? ? n ?
2

?

5 0 9 4 1 .8 ? 300 ? 2?? ? ? 480 ?
2

? 6 5 2 0 5 .5 N / m

后悬架弹簧刚度 K sp 的计算: 选定从悬架支撑点到螺旋弹簧中心之间的距离 m=220mm, 从悬架支撑点到轮胎 中心之间的距离 n=370mm。因此,后悬架每个弹簧的刚度为:
K sp 2 ? K su 2 ?m ? 2? ? ? n ?
2

?

4 1 9 8 8 .4 ? 340 ? 2?? ? ? 500 ?
2

? 4 5 4 0 2 .6 8 N / m

前悬架的侧倾角刚度 K ? 1 为:

14

本科生毕业设计(论文)
1 1 ? Bm ? ? 1 .5 4 ? 0 .3 0 ? K sp 1 ? ? ? ? 6 5 2 0 5 .5 ? ? ? ? 3 0 2 0 3 .3 9 1 N / m 2 2 0 .4 8 ? n ? ? ?
2 2

K ?1 ?

后悬架的侧倾角刚度 K ? 2 为:
K?2 ? 1 2 K sp 2 1 ? Bm ? ? 1 .5 4 ? 0 .3 4 ? ? ? ? ? 4 5 4 0 2 .6 8 ? ? ? ? 2 4 8 9 4 .9 2 1 N / m 2 0 .5 ? n ? ? ?
2 2

由 K ? 1 ? C ? b ? 1 .5 K ? 2 则稳定杆的角刚度:

(5-2)

C ? b ? 1.5 K ? 2 ? K ? 1 ? 1.5 ? 24894.921 ? 30203.391 ? 19586.452 N / m
f ? L ? 3 ? 3 2 2 l1 ? a ? ( a ? b ) ? 4 l2 (b ? c ) ? ? 3 EI ? 2 ? P
5 E---材料的弹性模量, E ? 2 . 06 ? 10 MPa

(5-3)

式中

d---稳定杆的直径,mm P---端点作用力,N f---端点位移,mm I---稳定杆的截面惯性矩, I ? 前悬架横向稳定杆直径 d:
d ? 128
4

?d
64

4

, mm

4

3? ?

?

C?b ? 3 L ? 3 2 2 2 ? l1 ? a ? 2 ( a ? b ) ? 4 l 2 ( b ? c ) ? L E ? ? 1 9 5 8 6 .4 5 2 1 .0 4 ? ? 3 3 2 2 0 .2 7 ? 0 .1 2 ? (0 .1 2 ? 0 .1 2 ) ? 4 ? 0 .2 4 ? (0 .1 2 ? 0 .2 8) ? ? 2 ? ?

?

128
4

3?

1 .0 4 ? 2 .0 6 ? 1 0
2

11

? 2 0 .2 2 m m

? ?

1 6 P L2 K

'

?d
K
'

3

?

1 6 ? 2 3 5 7 ? 0 .2 4 ? 1 .4 7 6

? ? 0 .0 2 0 2

3

? 5 1 5 .9 1 M P a ? ?? ? ? 8 0 0 M P a
? 0 . 615 C ? 4 ? 3 .5 ? 1 4 ? 3 .5 ? 4 ? 0 . 615 3 .5 ? 1 . 476

式中

-----曲度系数, K ' ?

4C ? 1 4C ? 4

C-------弹簧指数, C ? ( 2 R ? d ) / d ? ( 2 ? 1 . 25 d ? d ) / d ? 3 . 5 R 的取值不小于 1.25d 后悬架稳定杆的角刚度 C ? b ? 0 .5 K ? 2 ? 0 .5 ? 2 4 8 9 4 .9 2 ? 1 2 4 4 7 .5 N / m
d ? 128
4

3? ?

?

C?b ? 3 L ? 3 2 2 l ? a ? ( a ? b ) ? 4 l2 (b ? c ) 2 ?1 ? L E ? 2 ? 12447.5

?

128
4

3?

1.04 ? ? 3 3 2 2 0.27 ? 0.12 ? (0.12 ? 0.12) ? 4 ? 0.24 ? (0.12 ? 0.28) ? 18. m m ? ? 1.04 ? 2.06 ? 10 ? 2 ?
2 11

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本科生毕业设计(论文)
? ?
1 6 P L2 K
'

?d

3

?

1 6 ? 1 9 3 1 ? 0 .2 4 ? 1 .4 7 6

? ? 0 .0 1 8

3

? 5 9 7 .3 5 M P a ? ?? ? ? 8 0 0 M P a

图 5-3 横向稳定杆设计示意图

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第六章 减振器设计
6.1 减振器概述
悬架系统中由于弹性元件受冲击产生振动,为改善汽车行驶平顺性,悬 架中与弹性元件并联安装减振器,为衰减振动,汽车悬架系统中采用减振器 多是液力减振器,其工作原理是当车架(或车身)和车桥间受振动出现相对 运动时,减振器内的活塞上下移动,减振器腔内的油液便反复地从一个腔经 过不同的孔隙流入另一个腔内。此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内 摩擦对振动形成阻尼力,使汽车振动能量转化为油液热能,再由减振器吸收 散发到大气中。在油液通道截面和等因素不变时,阻尼力随车架与车桥(或 车轮)之间的相对运动速度增减,并与油液粘度有关。减振器与弹性元件承 担着缓冲击和减振的任务,阻尼力过大,将使悬架弹性变坏,甚至使减振器 连接件损坏。因面要调节弹性元件和减振器这一矛盾。 (1) 在压缩行程(车桥和车架相互靠近),减振器阻尼力较小,以便充 分发挥弹性元件的弹性作用,缓和冲击。这时,弹性元件起主要作用。 (2) 在悬架伸张行程中(车桥和车架相互远离),减振器阻尼力应大, 迅速减振。 (3) 当车桥(或车轮)与车桥间的相对速度过大时,要求减振器能自动 加大液流量,使阻尼力始终保持在一定限度之内,以避免承受过 大的冲击载 荷。

6.2 减振器分类
减振器按结构形式不同,分为摇臂式和筒式两种。虽然摇臂式减振器能在 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的应用。筒式减振器 又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。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、总长度短等优点,在乘用车上得到越来越多的应 用。

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6.3 减振器主要性能参数
6.3.1 相对阻尼系数确定
表 6.3.1 汽车悬架的偏频及相对阻尼比

空气弹簧 轿车 前悬架 偏 频 n/Hz 相对阻尼比
?

钢制弹簧 载货汽车 轿车 载货汽车 前悬架 1.3 0.4 后悬架 1.5 0.3

后悬架 前悬架 0.8 0.6 0.8 0.8

后悬架 前悬架 后悬架 1.2 0.6 1.0 0.4 1.2 0.2

0.5 0.8

由表 6.3.1 初选前、后悬架平均阻尼系数:? 1 ? 0 . 3 ;? 2 ? 0.3 压缩、伸张行程时的相对阻尼系数一般取:? Y ? ( 0 . 25 ~ 0 . 5 )? S 本次设计取 0.5 倍。 前悬架,伸张行程时的相对阻尼系数? 1 S ? 0 . 4 ,压缩行程时的相对阻尼系数
? 1Y ? 0 . 5? 1 S ? 0 . 2

后悬架,伸张行程时的相对阻尼系数? 2 S ? 0 .4 ,压缩行程时的相对阻尼系数
? 1Y ? 0 .5? 1 S ? 0 .2

6.3.2 减震器阻尼系数
悬架相对阻尼比:? ?
?
2 C ms

(6-1)

式中 C ——悬架系统的垂直刚度;
ms

——悬挂部分的质量 (6-2)
2 5 4 7 0 .9 ? 9 0 2 ? 3 8 3 4 .5 6

减震器阻尼系数 ? ? 2? Cm S 前悬架,压缩行程时减振器阻尼
? 1 s ? 2? 1 s C 1 m 1 ? 2 ? 0 .4 ?

伸张行程时减振器阻尼
? 1Y ? 2? 1Y
C 1 m 1 ? 2 ? 0 .2 ? 2 5 4 7 0 .9 ? 9 0 2 ? 1 9 1 7 .3

后悬架,压缩行程时减振器阻尼
? 2 s ? 2?
2 s

C m ? 2? 0 .?4 2 2

2 4 5 ? 4 . 2? 7 3 8 9

3 4 0 8 .2 8

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伸张行程时减振器阻
? 2 Y ? 2? 2 Y
C 2 m 2 ? 2 ? 0.2 ?
C ms

2459.2 ? 738 ? 1704.14

悬架系统固有频率 ? ?

(6-3)
C1 m1s C2 m2s ? 2 5 4 7 0 .9 902 2 4 5 9 4 .2 738 ? 5 .3

由上式可知:前悬架: ? 1 ? 后悬架: ? 2 ?

?

? 5 .8

6.4 最大卸荷力
6.4.1 前悬架的最大卸荷力
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 振器打开卸荷阀。此时的活塞速度称为卸荷速度 vx,
v x ? A ? a cos ? n

(6-4)

式中,vx:卸荷速度,一般为 0.15~0.30m/s 。 A:车身振幅,取 ? 40mm;
? :悬架振动固有频率。

a:减振器在下横臂上的连接点到下横臂在车身上的铰接点之间的距离; n:悬架的下臂长; 前悬架为双横臂式独立悬架, 轮距 B=1.54m 最大卸荷力 F0 ? ? s v x 伸张行程时的最大卸荷力 F1 0 ? ? 1 s v1 x ? 3 8 2 3 .9 ? 0 .3 ? 1 1 4 7 .1 7 N 压缩行程时的最大卸荷力 F10 ? ? 1Y v1 x ? 1 .9 1 1 9 ? 0 .3 ? 5 7 3 .5 8 5 N (6-5)

6.4.2 后悬架的最大卸荷力
后悬架为麦弗逊式独立悬架,即 B=1.54m 最大卸荷力 F 0 ? ? s v x 伸张行程时的最大卸荷力 F2 0 ? ? 2 s v 2 x ? 3 4 0 8 .2 ? 0 .3 ? 1 0 2 2 .4 6 N 压缩行程时的最大卸荷力 F20 ? ? 2 Y v 2 x ? 1704.1 ? 0.3 ? 511.23 N

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6.5 筒式减振器主要尺寸
6.5.1 筒式减振器工作直径
可根据最大卸荷力和缸内最大压力强度来近似的求工作缸的直径
D ? 4 F0

? [ P ]( 1 ? ? )
2

(6-6)

式中

[P]---工作缸内最大允许压力,取 3 ~ 4 MPa
? ---连杆直径与缸筒直径之比,双筒式取 ? ? 0 . 40 ~ 0 . 50

由 QC T 491 ? 1999 《汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件》可知:减振器
30 40 ( 50 65 的工作缸直径 D 有 20 、 、 、45 )、 、 mm 等几种。

所以筒式减振器工作直径 D 可取:
D1 ? 4 F0 ? 4 ? 1 1 4 7 .1 7 ? 0 .0 2 5 m

? ? P ? ?1 ? ?

2

?

? ? 3 ? 1 0 ? ? 1 ? 0 .5
6

2

?

减振器的工作缸直径为 30mm
D2 ?

? ? P ? ?1 ? ?

4 F0

2

?

?

4 ? 1 0 2 2 .4 6

? ? 3 ? 1 0 ? ? 1 ? 0 .5
6

2

?

? 0 .0 2 4 m

减振器的工作缸直径为 30mm

图 6-1 悬架减振器安装示意图

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6.5.2 油筒直径
贮油筒直径 D C ? (1 . 35 ~ 1 . 50 ) D ,壁厚取 2 mm ,材料可取 20 钢 前贮油筒直径 D C 前 ? 1 .5 0 D ? 1 .5 0 ? 3 0 ? 4 5 m m 后贮油筒直径 D C 后 ? 1 .5 0 D ? 1 .5 0 ? 3 0 ? 4 5 m m 连杆直径的选择: d 前 ? 1 0 m m ; d 后 ? 1 0 m m 取 DC前 ? 45m m 取 DC后 ? 45m m

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第七章
7.1 平顺性概念

平顺性分析

汽车的平顺性是指汽车行驶时对不平路面的隔振特性。汽车是由包括车轮、 悬架弹簧及弹性减震坐垫等,具有固有振动特性弹性元件组成,这些弹性元件可 缓和不平路面对汽车的冲击,使乘员舒适和减少货物损伤。但路面不平激起的振 动达到一定程度时,会使乘员感到不适和疲劳或使运载的货物损坏,车轮载荷的 波动还影响地面与车轮间的附着性能,影响到汽车的操纵稳定性。因此平顺性主 要根据乘员主观感觉的舒适性来评价,对于载货汽车还包括保持货物完好的性能, 它是现代汽车的主要性能之一。

7.2 汽车的等效振动分析
为增强车内乘员的舒适感,必须降低汽车行驶中的振动,即提高汽车的行驶 平顺性能。汽车在一定路面上行驶时,其振动量(振幅、振动速度及加速度)的 大小取决于汽车的质量、悬架刚度、轮胎刚度和阻尼等结构参数。但是,汽车振 动是一个极为复杂的空间多自由度振动系统。为便于分析,需把复杂的实际汽车 在某些假设条件下,简化为等效振动系统。

图 7-1 汽车振动系统模型

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根据力学定理,可列出系统的振动微分方程:
? ? ? M Z? ? c ( Z ? s ) ? k ( Z ? s ) ? 0

? ? m ?? ? c ( Z ? s ) ? k ( Z ? s ) ? k t s ? k t q s

式中, M 为簧载质量 (962 kg ) ;
m
k

为非簧载质量 (6 0 kg ) ; 为左右两侧悬架的合成刚度 (51225.7 N m ) ; 为左右两侧悬架的合成当量阻尼系数 ( 0 . 3 N ? s m ) ; 为簧载质量 M 的垂直位移 ( m ) ; 为非簧载质量 m 的垂直位移 ( m ) ; 为路面不平度赋值函数 ( m ) ,即路面不平度对汽车的实际激励。
k ? kt Mm

c

k t 为左右两侧悬架的合成轮胎刚度 ( N m ) ;
Z

s
q

解式(1)可得该系统振动的两个主频率:
?1 ?
2

1 2

(? t ? ? 0 ) ?
2 2

1 4

(? t ? ? 0 ) ?
2 2 2

?2 ?
2

1 2

(? t ? ? 0 ) ?
2 2

1 4

(? t ? ? 0 ) ?
2 2 2

k ? kt Mm

式中,? 02 ?

k M

,? t2 ?

k ? kt m

。由上式可知,汽车振动存在两个主频 ? 1 和 ? 2 ,它们

仅为系统结构参数的函数而与外界的激励条件无关,是表征系统特征的固有参数。一般 地说,其中较小值的一阶主频 ? 1
? ?0

,且接近由弹簧质量和悬架刚度所决定的频率 ? 0 ,

而较大值的二阶主频率 ? 2 ? ? t , 较接近主要由轮胎刚度 k t 和非簧载质量 m 所决定的频率
?t 。
? ? ? 方程 M Z? ? c ( Z ? s ) ? k ( Z ? s ) ? 0 的解是由自由振动齐次方程的解与非齐次方程特解

之和组成。 令 2b ?
c M

, ? 02 ?

k M

,则奇次方程为
2 ? ? Z? ? 2 b Z ? ? 0 Z ? 0

式中的 ? 0 称为系统固有频率,而阻尼对运动的影响取决于 b 和 ? 0 的比值变化ζ ,
ζ ? b

?0

?

c 2 Mk

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汽车悬架系统阻尼比ζ 的数值通常在 0.25 左右,属于小阻尼,此时微分方程的通 解为
Z ? Ae
? nt

sin(

? 0 ? b t ? a)
2 2

7.3 车身加速度的幅频特性
双质量系统在 f 1 ? 1 . 2 Hz ,质量比 ? ? 11 . 5 , 刚度比 ? ? 9 ,阻尼比 ? ? 0 . 25 、 . 5 两种情 0 况下的幅频特性曲线。由 f 1、 ? 、 ? 、 ? 四个参数可按下式确定车轮部分的固有频率 f t 和 阻尼比 ? t
ft ? K ? Kt) M 2? c 2 K ? Kt M ? f1

? (1 ? ? ) ? 12 . 9

?t ?

??

? (1 ? ? )

? t 1 ? 2 . 68 (一阶阻尼比)
? t 2 ? 5 . 36 (二阶阻尼比)

图 7-2 车身加速度的幅频特性曲线图 共振时,? 增大而幅频减小,在第一共振峰和第二共振峰之间的高频区,? 增大幅

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频也增大,在 f ? f t 高频共振区,双质量系统出现第二共振峰,在 f ? f t 之后,幅 频按一定斜率衰减,? 也减小,所以对共振与高频段的效果相反,综合考虑,? 取
0 . 2 ~ 0 . 4 比较合适。

7.4 悬架动挠度的幅频特性

图 7-4 限位行程 [ f d ] 的示意图

由图 7-4 所示,由车身平衡位置起,悬架允许的最大压缩行程就是其限位行 程 [ f d ] 。弹簧动挠度 f d 与限位行程 [ f d ] 应适当配合,否则会增加行驶中撞击限位 的概率,使平顺性变坏。 频率响应函数为
H ( j? )
fd ~ q

?

fd q



z1 q

?
fd q

A2 K t A3 A 2 ? A
? A1 K t N ?
2 1

?

A2 K t N
?



z2 q

?

z 2 z1 z1 q

?

A1 K t N

代入上式,得:

A2 K t N
1

K t ( A1 ? A 2 ) N

fd ? q

2 2 ? 1 ? ? ? ? ? ? ?? ?

?

悬架系统对于车身位移 Z 来说,是将高频输入衰减的低通滤波器;对于动挠

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度 f d 来说, 是将低频输入衰减的高通滤波器。 阻尼比 ? 对 f d q 只在共振区起作用, 而且当 ?
? 0 . 5 时已不呈现峰值。且阻尼比 ?

与幅频值成反比,如图 7-5 所示。

图 7-5 悬架动挠度的幅频特性曲线图

通过分析,当阻尼比 ? ? 0 . 28 时,本悬架系统的平顺性特性较好,符合 ISO02631-1:1997 (E)标准。

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第八章

结论

本次设计为奔腾 B50 轿车悬架系统设计。在基本形式的选取中选择独立式悬 架,其特点为当一边车论发生跳动时,另一边车轮不受干扰,这样提高了汽车的 平稳性和舒适性。并且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。所以前悬架系统采用双横臂式独立悬架。后悬是麦弗逊式独立悬架。 设计的基本步骤为根据给定车型的各项基本参数计算出悬架的刚度,静挠度, 动挠度;在减振器设计过程中,对前后悬架选择合适的平均阻尼系数,从而确定 减振器的阻尼系数,并通过计算最大卸荷力确定其工作直径;在平顺性分析中, 建立两自由度的平顺性分析模型,最后了解到影响汽车平顺性因素都有哪些。 通过这次实践,我更加解了悬架系统,熟悉了轿车悬架的设计步骤,锻炼了 工程设计实践能力,培养了自己独立设计能力。巩固了以前在课堂上所学的理论 知识。并且与实际的实物联系起来,在实际应用中,我发现了自己很多的不足, 也找到了弥补这些缺点的方法,使我在今后的工作生活中可以及时的改正自己, 多多学习。也使我对设计有了一些初步的理解,学会了如何去设计,如何去修改、 完善。为今后的工作打下了良好的基础。另外,本次设计也增加了我们的独立解 决问题的能力和思维的能力,使我们能独立利用各种资料来解决完成手头的工作。

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参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 刘惟信.汽车设计[M].第 5 版.北京:清华大学出版社,2001 余志生主编.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2004 陈家瑞主编.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,2004 王望予主编.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2004 龚微寒.汽车现代设计制造[M].北京:人民交通出版社,1995 王 宣 译 悬架元件与底盘力学[M].北京:人民交通出版社,2004 龚微寒.汽车现代设计制造[M].北京:人民交通出版社,1995 赵学敏.汽车底盘构造与维修[J].国防工业出版社,2003,1 屠卫星.汽车底盘构造与维修[J].人民交通出版社,2001,8 森.汽车底盘维修实例[M].机械工业出版社,2002

[10] 宋

[11] 嵇伟.新型汽车悬架与车轮定位[M].北京:机械工业出版社,2004 [12] 张金柱主编.悬架系统[M]. 北京:化学工业出版社,2005 [13] John Fenton. Hand Book of Vehicle Design Analysis.Warrendale,PA.,USA:Society of Automo-tive Engineers,Inc[M],1996 [14] Julia Happian-Smisth.An Introduction to Modern Vehicle

Design[M].2006 [15] Yu F., Crolla D.A. A State Observer Design for an Adaptive Vehicle Suspension. Vehicle Suspension Dynamic[M], 1998 [16] Griffin , M.J. Evaluation of vibration with respect to human response. Warrendale PA: SAE paper [J]. 860047 [17] Christian Best.Basic Utility Vehicle Suspension Design[M].2002

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致 谢
经过快四个月的忙碌和工作,本次毕业设计已经接近尾声,作为一个本科生 的毕业设计,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有导师的 督促指导,以及一起工作的同学们的支持,想要完成这个设计是难以想象的。 在这里我首先要感谢我的导师张立军教授。张立军教授平日里工作繁多,但 在我做毕业设计的每个阶段,从查阅资料,设计方案的确定和修改,设计计算, 中期检查,后期详细设计,装配图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设 计较为复杂烦琐,但是张老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩张老师的 专业水平外,他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,并将积极 影响我今后的学习和工作。 然后还要感谢大学四年来教导过我的所有老师,为我打下专业知识的基础; 同时还要感谢所有的同学们,正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才 会顺利完成。 最后感谢汽车学院和我的母校辽宁工业大学大学四年来对我的大力栽培。

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附 录I
Suspension systems
When people think of automobile performance, they normally think of horsepower, torque and zero-to-60 acceleration. But all of the power generated by a piston engine is useless if the driver can't control the car. That's why automobile engineers turned their attention to the suspension system almost as soon as they had mastered the four-stroke internal combustion engine.

Double-wishbone suspension on Honda Accord 2005 Coupe

The job of a car suspension is to maximize the friction between the tires and the road surface, to provide steering stability with good handling and to ensure the comfort of the passengers. In this article, we'll explore how car suspensions work, how they've evolved over the years and where the design of suspensions is headed in the future. If a road were perfectly flat, with no irregularities, suspensions wouldn't be necessary. But roads are far from flat. Even freshly paved highways have subtle imperfections that can interact with the wheels of a car. It's these imperfections that apply forces to the wheels. According to Newton's laws of motion, all forces have both magnitude and direction. A bump in the road causes the wheel to move up and down perpendicular to the road surface. The magnitude, of course, depends on whether the wheel is striking a giant bump or a tiny speck. Without an intervening structure, all of wheel's vertical energy is transferred to the frame, which moves in the same direction. In such a situation, the wheels can lose contact with the road completely. Then, under the downward force of gravity, the wheels can slam back into the road surface. What you need is a system that will absorb the energy of the vertically accelerated wheel,
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allowing the frame and body to ride undisturbed while the wheels follow bumps in the road.

A car's suspension, with its various components, provides all of the solutions described.

Car Suspension Parts
The suspension of a car is actually part of the chassis, which comprises all of the important systems located beneath the car's body. These systems include:
?

The frame - structural, load-carrying component that supports the car's engine and body, which are in turn supported by the suspension

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? ? ?

The suspension system - setup that supports weight, absorbs and dampens shock and helps maintain tire contact The steering system - mechanism that enables the driver to guide and direct the vehicle The tires and wheels - components that make vehicle motion possible by way of grip and/or friction with the road So the suspension is just one of the major systems in any vehicle. With this big-picture overview in mind, it's time to look at the three

fundamental components of any suspension: springs, dampers and anti-sway bars.

Springs Today's springing systems are based on one of four basic designs: Coil springs - This is the most common type of spring and is, in essence, a heavy-duty torsion bar coiled around an axis. Coil springs compress and expand to absorb the motion of the wheels. Leaf springs - This type of spring consists of several layers of metal (called "leaves") bound together to act as a single unit. Leaf springs were first used on horse-drawn carriages and were found on most American automobiles until 1985. They are still used today on most trucks and heavy-duty vehicles.

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Coil springs

Photo courtesy HowStuffWorks Shopper Leaf spring

Torsion bars - Torsion bars use the twisting properties of a steel bar to provide coil-spring-like performance. This is how they work: One end of a bar is anchored to the vehicle frame. The other end is attached to a wishbone, which acts like a lever that moves perpendicular to the torsion bar. When the wheel hits a bump, vertical motion is transferred to the wishbone and then, through the levering action, to the torsion bar. The torsion bar then twists along its axis to provide the spring force. European carmakers used this system extensively, through the 1950s and 1960s.

?

Torsion bar Air springs - Air springs, which consist of a cylindrical chamber of air positioned between the wheel and the car's body, use the compressive qualities of air to absorb wheel vibrations. The concept is actually more than a century old and could be found on horse-drawn buggies. Air springs from this era were made from air-filled, leather diaphragms, much like a bellows; they were replaced with molded-rubber air springs in the 1930s.
?

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Air springs Based on where springs are located on a car -- i.e., between the wheels and the frame -- engineers often find it convenient to talk about the sprung mass and the unsprung mass. Springs: Sprung and Unsprung Mass The sprung mass is the mass of the vehicle supported on the springs, while the unsprung mass is loosely defined as the mass between the road and the suspension springs. The stiffness of the springs affects how the sprung mass responds while the car is being driven. Loosely sprung cars, such as luxury cars (think Lincoln Town Car), can swallow bumps and provide a super-smooth ride; however, such a car is prone to dive and squat during braking and acceleration and tends to experience body sway or roll during cornering. Tightly sprung cars, such as sports cars (think Mazda Miata), are less forgiving on bumpy roads, but they minimize body motion well, which means they can be driven aggressively, even around corners. So, while springs by themselves seem like simple devices, designing and implementing them on a car to balance passenger comfort with handling is a complex task. And to make matters more complex, springs alone can't provide a perfectly smooth ride. Why? Because springs are great at absorbing energy, but not so good at dissipating it. Other structures, known as dampers, are required to do this.

Dampers: Shock Absorbers
Unless a dampening structure is present, a car spring will extend and release the energy it absorbs from a bump at an uncontrolled rate. The spring will continue to bounce at its natural frequency until all of the energy originally put into it is used up. A

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suspension built on springs alone would make for an extremely bouncy ride and, depending on the terrain, an uncontrollable car. Enter the shock absorber, or snubber, a device that controls unwanted spring motion through a process known as dampening. Shock absorbers slow down and reduce the magnitude of vibratory motions by turning the kinetic energy of suspension movement into heat energy that can be dissipated through hydraulic fluid. To understand how this works, it's best to look inside a shock absorber to see its structure and function.

A shock absorber is basically an oil pump placed between the frame of the car and the wheels. The upper mount of the shock connects to the frame (i.e., the sprung weight), while the lower mount connects to the axle, near the wheel (i.e., the unsprung weight). In a twin-tube design, one of the most common types of shock absorbers, the upper mount is connected to a piston rod, which in turn is connected to a piston, which in turn sits in a tube filled with hydraulic fluid. The inner tube is known as the pressure tube, and the outer tube is known as the reserve tube. The reserve tube stores excess hydraulic fluid. When the car wheel encounters a bump in the road and causes the spring to coil and uncoil, the energy of the spring is transferred to the shock absorber through the upper mount, down through the piston rod and into the piston. Orifices perforate the piston and allow fluid to leak through as the piston moves up and down in the pressure tube. Because the orifices are relatively tiny, only a small amount of fluid, under great

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pressure, passes through. This slows down the piston, which in turn slows down the spring. Shock absorbers work in two cycles -- the compression cycle and the extension cycle. The compression cycle occurs as the piston moves downward, compressing the hydraulic fluid in the chamber below the piston. The extension cycle occurs as the piston moves toward the top of the pressure tube, compressing the fluid in the chamber above the piston. A typical car or light truck will have more resistance during its extension cycle than its compression cycle. With that in mind, the compression cycle controls the motion of the vehicle's unsprung weight, while extension controls the heavier, sprung weight. All modern shock absorbers are velocity-sensitive -- the faster the suspension moves, the more resistance the shock absorber provides. This enables shocks to adjust to road conditions and to control all of the unwanted motions that can occur in a moving vehicle, including bounce, sway, brake dive and acceleration squat.

Anti-sway bars Anti-sway Bars Anti-sway bars are used along with shock absorbers to give a moving automobile additional stability. An anti-sway bar is a metal rod that spans the entire axle and effectively joins each side of the suspension together. When the suspension at one wheel moves up and down, the anti-sway bar transfers movement to the other wheel. This creates a more level ride and reduces vehicle sway. In particular, it combats the roll of a car on its suspension as it corners. For this reason, almost all cars today are fitted with anti-sway bars as standard equipment, although if they're not, kits make it easy to install the bars at any time.

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译文
悬架系统
当人们想到汽车性能,通常先到的是是马力,转矩和 0 到 60 公里的加速度。但 是如果驾驶者不能操纵汽车,这些由发动机产生的功率将毫无用处。这就是为什 么汽车设计师在刚掌握了四冲程内燃机时就把精力转移到了悬架系统。

2005 本田双们轿车双横臂悬架

2005 本田双们轿车双横臂悬架

悬架的作用是最大限度的增加轮胎与地面间的摩擦力而使操纵稳定和确保乘客 舒适。这里我们将探讨悬架如何工作,发展和未来的研究方向。 如果路面是纯平的,没有坎坷,悬架就不是必要的。但路面不很平坦,即使是 刚铺好的公路也不是很完美,而使得车轮受到干扰,这些不平将使车轮受力,根 据牛顿运动定律,力都具有大小和方向。路面上的碰撞导致车轮相对路面垂直移 动,车轮碰撞剧烈还是轻微决定他的大小。

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如果没有这个内部结构,所有的车轮的能量都以同样的方向传到车架。这样会 产生车轮与路面完全脱离,然后在向下的重力作用下车轮回到路面,因此我们需 要一个能够吸收垂直加速度的系统使车架与车身在车轮与地面碰撞时无干扰的行 驶。 汽车悬架系统,用它的各个组成部分,提供了所有解决办法。 悬架是底盘的组成部分,底盘包括了位于车身下方的所有重要系统。

这些系统包括: 车 架——结构,承载组件,它支持了发动机和车身,由悬架支撑。 悬架系统——装置,支撑重量,吸收和减少振动,帮助保持车轮接触。 转向系统——机械装置,使得驾驶者指导和指挥汽车。 轮胎和车轮——部件,使得汽车可以通过与路面的附着力或摩擦力进行移 动。 所以悬架在任何汽车上都很是重要的系统。通过上面的图片看下悬架的三大 组成:弹簧,减振器,和横向稳定杆。 弹簧 当今的弹簧系统基于四种基本设计: 螺旋弹簧——最常见的弹簧种类,它实质上是一与一根轴螺旋盘绕的重负荷扭力 棒。螺旋弹簧的压缩和伸展吸收了轮胎上下移动产生的能量。 钢板弹簧——这种弹簧由若干层金属(以下简称"叶" )联系在一起,作为一个单

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位。 他最初是用在马车上, 直到 1985 年被用在大多数美国汽车上, 直到今天大部分的卡车和重型汽车也在应用。

钢板弹簧

螺旋弹簧

扭杆簧——扭杆簧是利用金属棒的扭曲特性而产生类似螺旋弹簧的性能。 它的一端支撑在车架上,另一端支撑在前臂上,前臂就相当于一个 杠杆相对与扭杆垂直移动。当车轮发生碰撞,垂直的移动传递到前 臂,通过杠杆作用传到扭杆。然后扭杆沿着轴的方向扭曲而产生弹 簧力。在 19 世纪 50 年代到 60 年代欧洲汽车广泛的应用这种弹簧 系统,

扭杆弹簧

空气弹簧——空气弹簧系统,由位于车轮和车身之间的圆柱曲面空气装置组成, 利用它的空气可压缩性来吸收车轮振动。这个概念事实上已有上百 年的历史了,在马车时代就产生了。那个时代的空气弹簧由皮革作 为隔板充气而成, 很像个娄。 19 世纪 30 年代它们被替换成塑橡 在 胶。 基于弹簧在车上的位置,例如,在车轮和车架之间-设计师为了方便会谈成簧

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空气弹簧

上质量和簧下质量 弹簧:簧上质量和簧下质量 簧上质量是汽车支撑在弹簧以上的质量,簧下质量大概的定义为路面和悬架之 间的质量。车辆行驶时弹簧的刚度影响簧上质量的响应。低刚度汽车,像奥拓轿 车(林肯城市轿车),可以缓解撞击,和提供一个非常好的行驶平顺性。但是这样 的车容易在制动和加速时俯冲或下蹲,在转弯时摇摆或侧倾。刚刚度汽车,如如 运动轿车(马自玛雅塔),他缓解崎岖道路的冲击较差,但是他能做很小的车身运 动,这意味着他能很积极的行驶,甚至过弯。 所以,弹簧本身看起来是很简单的装置,可设计和实施却需要平衡乘坐舒适性 和可操纵性,这是很复杂的。使得事情更复杂的是,只有弹簧不能提供完美的驾 驶平顺性,为什么呢?因为弹簧在吸收能量上非常出色,可在消退能量上不是很 好,另一结构,被称为减振器可以做到这点。 减振器 如果没有减振器,弹簧将以不可控制的速度延长和释放碰撞时吸收的能量。弹 簧将以其自然频率继续跳动直到所有最初的能量被耗尽。一个只有弹簧的悬架会 产生非常跳动的行驶性,并依据地形的不同,成为不可控制的汽车。 减振器内部或者说是缓冲器,是一个阻尼的过程控制使弹簧不动的装置。减振 器通过将悬架运动产生的动能转化为可被液压油消退的热能,使振动的频率和振 幅减小。想要知道他是如何工作的,最好的方法是进入减振器内部看看他的结构 和功能。 减振器基本上为一个位于车架和车轮之间的油泵。他的上部分连接在车架上 (如簧上质量) ,下部分连接在半轴上,靠近车轮(如簧下质量) 。一种最常见的 减振器,双筒式液力减振器,他的上部连接在活塞杆上,活塞杆反过来接在活塞

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上,活塞反向位于充满液压油的筒内。筒的内部为工作腔,外层为储油腔。储油 腔储存多余的液压油。 当汽车在颠簸路面是行行走,导致弹簧卷曲和伸展,弹簧能量通过上部转移到 减振器,向下传到活塞杆再到活塞。通过节流口油液随着活塞的上下移动镏流进 工作腔。因为节流口相对很小,只有很少的油液在大的液压下通过。这就使得活 塞减慢,反过来使弹簧减慢。 减振器有两个工作行程,压缩形成和伸展行程。压缩行程发生在活塞想下运动 时,压缩油液进入活塞下腔。伸展行程发生在活塞向作腔上部移动时压缩活塞上 部的油液。典型的轿车和轻型卡车的延伸行程比压缩行程阻力大。基于这点,压 缩行程控制汽车的簧下质量,而延伸行程控制较重的簧上质量。 所有现代的减振器都是速度敏感,悬架动的越快减振器提供的阻力越大。这使 减振器能够适应各种路况和控制行驶中的汽车会产生的任何不希望的移动,其中 包括跳动,左摇右摆,制动俯冲和加速度蹲下。 横向稳定杆

横向稳定杆

横向稳定杆与减振器一起使用,给行驶的汽车提供额外的稳定性。他是一个金 属质地的杆,横跨整个车轴并且有效的连接了两边的悬架。 当一边车轮的悬架上下跳动,横向稳定杆将移动转移到另一侧车轮。这就使得 行驶平顺性更好和减小了车身摇晃。尤其是,他克服了车身在转弯时的侧倾。因 为这点,现在几乎所有汽车都安装横向稳定杆作为标准配置,即使没有安装它也 易于在任何时间安装。

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附录 II
1 车身加速度的幅频特性曲线程序
x=0.1:0.1:20; m2=481; m1=30; u=m2/m1; x0=1.20; w0=2.*pi.*x0; w=2.*pi.*x; b=0.3; a=((1-(w./w0).^2).*(1+9-1./u.*(w./w0).^2)-1).^2+4.*b.*b.*(w./w0).^2.*(9(1./u+1).*(w./w0).^2).^2; d=w./w0; g=9.81; y=w.*9./g.*sqrt((1+4.*b.*b.*d.*d)./a); plot(x,y) grid xlabel('激振频率 f/HZ'); ylabel('|Z2/q|/s-1'); title('车身加速度幅频特性曲线'); gtext('前悬'); legend('f1=1.2,f2=1.3,r=8' ); hold on x=0.1:0.1:20; m2=394 m1=25; u=m2/m1; x0=1.3; w0=2.*pi.*x0; w=2.*pi.*x; b=0.3;
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a=((1-(w./w0).^2).*(1+9-1./u.*(w./w0).^2)-1).^2+4.*b.*b.*(w./w0).^2.*(9(1./u+1).*(w./w0).^2).^2; d=w./w0; g=9.81; y=w.*9./g.*sqrt((1+4.*b.*b.*d.*d)./a); plot(x,y) grid xlabel('激振频率 f/HZ'); ylabel('|Z2/q|/s-1'); title('车身加速度幅频特性曲线'); gtext('后悬');

2 弹簧动挠度幅频特性曲线程序
x=0.1:0.1:10; m2=481; m1=30; u=m2/m1; x0=1.20; w0=2.*pi.*x0; w=2.*pi.*x; b=0.3; a=((1-w./w0).^2).*(1+9-1./u.*(w./w0).^2-1).^2+4.*b.*b.*(w./w0).^2.*(9-(1./u+1). *(w./w0).^2).^2; d=w./w0; y=d.*d.*9./w.*sqrt(1./a); semilogx(x,y) grid xlabel('激振频率 f/HZ'); ylabel('|fd/q|/s'); title('弹簧动挠度的幅频特性曲线'); gtext('前悬'); legend('f1=1.2,f2=1.3,r=8' ); hold on x=0.1:0.1:10;

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m2=394; m1=25; u=m2/m1; x0=1.3; w0=2.*pi.*x0; w=2.*pi.*x; b=0.3; a=((1-w./w0).^2).*(1+9-1./u.*(w./w0).^2-1).^2+4.*b.*b.*(w./w0).^2.*(9-(1./u+1). *(w./w0).^2).^2; d=w./w0; y=d.*d.*9./w.*sqrt(1./a); semilogx(x,y) gtext('后悬');

奔腾 B50 轿车悬架系统设计

奔腾 B50 轿车悬架系统设计
Suspension System Design of Ben Teng B50 car

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