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汽车悬架系统的部件设计毕业论文设计





学生姓名: 学 专 题 院: 业: 目:


学 号

计(论文)

理工学院 机械设计制造及其自动化 汽车悬架系统的部件设计

指导教师:

2013 年

6月

河北科技大学毕业设计(论文)成绩评定表
姓 专 题 名 业 目 学 号 成 绩

指 导 教 师 评 语 及 成 绩
指导教师: 年 月 日

评 阅 教 师 评 语 及 成 绩

评阅教师: 年 月 日

答 辩 小 组 评 语 及 成 绩

答辩小组组长: 年 月 日

答 辩 委 员 会 意 见

学院答辩委员会主任: 年 月 日

注:该表一式两份,一份归档,一份装入学生毕业设计说明书(论文)中。

毕 业 设 计(论文) 中 文 摘 要

简单来说,汽车悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总 称。其主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩, 并且缓和由不平 路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和 车辆本身的动载荷。汽车悬架包括弹性元件、减振器和传力装置等三部分。弹性元 件多指螺旋弹簧,它只承受垂直载荷,缓和及抑制不平路面对车体的冲击。减振器 又指液压减振器,其功能是为加速衰减车身的振动,它也是悬架系统中最精密和复 杂的机械件。传力装置则是指车架的上下摆臂等叉形钢架、转向节等元件。一般来 说,汽车的悬架系统分为非独立悬架和独立悬架两种。目前大多数轿车的前后悬架 都采用了独立悬架的形式,并已成为一种发展趋势。汽车悬架性能是影响汽车行驶 平顺性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素。因此,研究汽车振动,设计新型悬架 系统,将振动控制到最低水平是提高现代汽车质量增加人们驾驶舒适度的重要措 施。

关键词

弹性元件 减震器 传力装置 独立悬架 非独立悬架

毕 业 设 计(论文) 外 文 摘 要

Title

The design of vehicle suspension system’s components

Abstract
Simply put, the vehicle suspension is a general term for all power transmission between the vehicle frame and axle or wheel connected devices. Its main role is to pass all the forces and torques acting between the wheel and the body of the car, and to alleviate the impact load of the vehicle body passed by unsure road, thereby causing attenuation of the vibration, to ensure occupant comfort, reduce the cargo and the vehicle itself dynamic load. The vehicle suspension including elastic components, shock absorbers and power transmission devices. The elastic element multi-finger coil spring only withstand the vertical loads, relaxation and inhibition of uneven road surfaces on the impact of the car body. The damper also pointed is to accelerate the attenuation of the vibration body, it is the suspension system the most sophisticated and complex piece of machinery. The power transmission device is the fork steel frame of the top and bottom of the frame swing arm, steering section and other components . In general, the car's suspension system

is divided into a non-independent suspension and two independent suspension. Most of the car's front and rear suspension uses a form of independent suspension, and performance is an important factor to affect the car ride comfort, , design a

new suspension system, vibration control to the lowest level is to improve the quality of Hyundai Motor important measures to increase people driving comfort.

Keywords: elastic components, shock absorbers, power transmission device,

independent suspension, non-independent suspension.

目 第1章 绪 论



1.1 皮卡车悬架概述…………………………………………………………………… 6 1.2 悬架的功用………………………………………………………………………………7 1.3 悬架的组成………………………………………………………………………………7 1.4 悬架的垂直弹性性………………………………………………………………………8 1.5 悬架的分类………………………………………………………………………………8 1.6 辅助元件……………………………………………………………………………… 12 1.7 皮卡悬架的要求和方案选定……………………………………………………………14 第2章 麦弗逊独立悬架的设计和计算

2.1 悬架的总体布置方案 …………………………………………………………15 2.2相关参数的计算…………………………………………………………………16 2.3减震器的选型与设计……………………………………………………………22 2.4弹簧限位缓冲块的设计…………………………………………………………26 2.5横向稳定杆的设计计算…………………………………………………27 2.6 传力构件及导向机构………………………………………………28 参考文献………………………………………………………………………47

第1章 绪 论
1.1 皮卡汽车悬架概述
皮卡汽车是汽车市场细分后的产物,它的主要使用者是一些非主流人群,所以皮卡 汽车行驶的道路也有其特殊性,从城市道路到山区小道,无所不包,所以对皮卡车的悬 架也提出了很高的适应性的要求。 对于皮卡汽车而言,现在设计中,一般前悬架是轿车型的独立悬架,后悬架是非独 立悬架,离地间隙较大,在一定的程度上既有轿车的舒适性又有越野车的越野性能;皮 卡车带有两座或四座,使车辆既可载人又可载货,行驶范围广。近几年,皮卡汽车逐渐 向着舒适化发展,一些车辆甚至已经具有普通轿车的功能。但从皮卡车的悬架而言,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。 所以必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接, 依靠弹性元件传递车轮或车桥与车架 或车身之间的垂向载荷,并依靠其弹性变形来吸收能量,达到缓冲的目的。 采用弹性联接后,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,悬架中还需要有可以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系统,我们称之为导向机构。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形式到作用原理一直在不断地演进, 但从结构功能 而言,它大都是由弹性元件、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 (McPherson strut suspension,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,有些主动悬架中的作动器则具有弹性元件、减振器和部分导 向机构的功能。 根据皮卡车的行驶路面的特殊行和皮卡汽车本身的功能的多用途而言, 前悬要用独 立悬架,以保证乘坐人员的舒适性;然而后悬有要选择非独立悬架,以保证悬架有一定

的刚度,得以运送足够重量的货物。

1.2 悬架的功用
迅速衰减车身和车桥的振动; 传递它们之间的一切反力及其所形成的力矩; 缓和,抑制由于不平路面所引起的振动和冲击,以保证汽车良好的平顺性,操纵稳 定性。 悬架系统的在汽车上所起到的这几个功用是紧密相连的。要想迅速的衰减振动冲 击,乘坐舒服,就应该降低悬架刚度。但这样,又会降低整车的操纵稳定性。因此,必 须找到一个平衡点,既保证操纵稳定,又保证使其具备较好的平顺性。

1.3 悬架的组成
现代皮卡车, 其悬架的形式、 种类会因不同的公司和设计单位而有不同形式。 但是, 悬架系统一般由弹性元件、减振器、缓冲块、横向稳定器等几部分组成等。它们分别起 到缓冲、减振 、力的传递、限位和控制车辆侧倾角度的作用。 弹性元件有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式,现代轿车悬 架多采用螺旋弹簧,个别高级轿车则使用空气弹簧。螺旋弹簧只承受垂直载荷,缓和及 抑制不平路面对车体的冲击,具有占用空间小,质量小,无需润滑的优点,但由于本身 没有摩擦而没有减振作用。这里我们选用螺旋弹簧。 减振器是为了加速衰减由于弹性系统引起的振动,减振器有筒式减振器、阻力可调 式新式减振器、充气式减振器。它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。 导向机构用来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,通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧 作为弹性元件时,可不另设导向机构,它本身兼起导向作用。 有些轿车和客车上,为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜,在悬架系统 中加设横向稳定杆,目的是提高横向刚度,使汽车具有不足转向特性,改善汽车的操纵 稳定性和行驶平顺性。

1.4 悬架的垂直弹性特性
汽车悬架的垂直弹性特性图表示作用在悬架上的垂直载荷 F 与在轮轴上方的变形 f 之间的关系。

1.5 悬架的分类
皮卡车的悬架从大的方面来看,可以分为两类:独立悬架和非独立悬架系统。

图 1 独立悬架 1.5.1 独立悬架 是两侧车轮分别独立地与车架(或车身)弹性地连接,当一侧车轮受冲击,其运动 不直接影响到另一侧车轮,独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低 安装,有利于降低汽车重心,并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间,有利 于转向,便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小,可提 高汽车车轮的附着性。如图 1 示。

图2 独立悬架的类型及特点: 独立悬架的车轴分成两段(如图 2) ,每只车轮用螺旋弹簧独立地,弹性地连接安 装在车架(或车身)下面,当一侧车轮受冲击,由于两端是分离的,其运动不直接影响到 另一侧车轮,独立悬架所采用的车桥是断开式的。 现在,皮卡车前悬架都采用独立悬架系统,最常见的有双横臂式悬架和麦弗逊式悬 架。 工作原理:这种悬架将减振器作为引导车轮竖直方向跳动的滑柱,螺旋弹簧与其装 于一体, 将双横臂上臂去掉并以橡胶做支承, 允许滑柱上端作少许角位移。 内侧空间大, 有利于发动机布置, 并降低车子的重心。 当车轮上下运动时, 主销轴线的角度会有变化, 这是因为减振器下端支点随横摆臂摆动。 以上问题可通过调整杆系设计布置合理得到解 决(如图 3) 。

图 3 麦弗逊悬架结构

1- 减振器外筒 ;2- 活塞杆 ;3- 弹簧支座;4- 横向稳定杆支架 ;5- 横向稳定杆拉杆 6- 副车 架 ;7- 横向稳定杆 ;8- 发动机支座 ;9- 弹簧上支座 ;10- 隔离座 ;11- 辅助弹簧 ; 12- 防尘 罩;13-U 形夹;14-轴承;15-定位螺栓 1.5.2 非独立悬架 非独立悬架(如图 4)所示。其特点是两侧车轮安装于一个整体式车桥上,当一侧 车轮受到冲击力时会直接影响到另一侧的车轮上,当车轮上下跳动时定位参数变化小。 若采用钢板弹簧作为弹性元件, 它同时还可兼起导向作用, 使结构大为简化, 降低成本。 因此非独立悬架目前广泛应用于货车和大客车上,有些轿车后悬架也有采用的。

图 4

由于钢板弹簧结构简单,使用维修、保养方便,长期以来钢板弹簧在汽车上得到广 泛应用。现在,由于皮卡车的用途和性能要求,皮卡车后悬架基本都采用非独立悬架系 统,最常见的有钢板弹簧非独立悬架。 目前汽车使用的钢板弹簧常见的有以下几种: ①通多片钢板弹簧,如图 5-a 所示,这种弹簧主要用在载货汽车和大型客车上,弹 簧弹性特性如图 6-a 所不,呈线性特性。
载荷

变形

载荷

变形

载荷

变形

图 5

图 6

②少片变截面钢板弹簧,如图 5-b 所不,为减少弹簧质量,弹簧厚度沿长度方向制 成等厚,其弹性特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性图 6-a。这种弹簧主要用于轻 型货车及大、中型载货汽车前悬架。 ③两级变刚度复式钢板弹簧,如图 5-c 所示,这种弹簧主要用于大、中型载货汽车 后悬架。弹性特性如图 6-b 所示,为两级变刚度特性,开始时仅主簧起作用,当载荷增 加到某值时副簧与主簧共同起作用,弹性特性由两条直线组成。 ④渐变刚度钢板弹簧,如图 5-d 所示,这种弹簧多用于轻型载货汽车与厢式客车后 悬架。副簧放在主簧之下,副簧随汽车载荷变化逐渐起作用,弹簧特性呈非线性特性, 如图 6-c 所示。

1.6 辅助元件
缓冲块: 它们有些由橡胶制造(如图 7-a) ,通过硫化作用将橡胶与钢板连接为一体,再经 焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架(车身)或者其它部位上,起到限制悬架最大行 程的作用, 还有些由多孔聚氨指制成(如图 7-b) ,它兼有辅助弹性元件的作用。同 时这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层,它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在 该材料中有封闭的气泡,在载荷作用下弹性元件被压缩,但其外廓尺寸增加却不大,这 点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。

图 7 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,从而在很大程度上提高了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。 横向稳定杆: 汽车在高速行驶时,车身整体会产生很大的横向倾斜和横向角振动。因此,悬架 中需添设横向稳定杆(如图8)。采用横向稳定杆除了可减轻车身倾斜外,还可以影响汽 车的操纵稳定性。作用主要包括以下两点: (1)前悬架中采用较硬的横向稳定杆有助于汽车的不足转向性,并且可以改善汽 车的蛇形行驶性能。 (2)增大后悬架的稳定性,会使前轮驱动汽车具有中性转向性能,使后轮驱动车 有更大的过度转向性。

图 8 1.7 皮卡悬架的要求和方案选定 1.7.1 设计要求 在对此皮卡的设计中,对其悬架提出的设计要求有: (1)有良好的隔声能力; ; (2)具有合适的衰减振动能力; (3)保证汽车具有良好的操纵稳定性; (4)保证汽车有良好的行驶平顺性
[3]



(5)结构紧凑、占用空间尺寸要小; (6)可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩; (7)汽车制动或加速时要保证车身稳定,减少车身纵倾;转弯时车身侧倾角要合适。 1.7.2 皮卡车悬架方案选定 要正确的选择悬架方案和参数,在车轮上下跳动时,使主销的定位角变化不大、车 轮运动与导向机构运动压迫协调, 避免前轮摆振; 汽车转向时应使之稍有不足转向特性。 此皮卡悬架部分结构形式选定为: 前悬架采用麦弗逊式独立悬架 (图 9)

图9 后悬架采用钢板弹簧非独立悬架(图 10)

图 10

第2章

麦弗逊独立悬架的设计和计算

2.1 悬架的总体布置方案

2.1.1 主要内容 课题是根据车型的要求来设计悬架系统, 悬架系统的结构和参数必须要满足整车的 需要,根据实际车型去设计悬架以及悬架系统的导向装置和减振器,保证乘员乘坐舒适 和所运货物的完好,其设计首先要确定与悬架有关的操纵稳定性。 2.1.2 总体参数要求如下 设计状态下的前轴轴荷G1 1142kg

空载时的前轴轴载m1 前桥左右悬架的总质量mu 前悬架的设计偏频n1 主销内倾角 ?

1012kg 80Kg 1.31Hz

7o

2.1.3 要技术 求 1 、后箱 离地高 0.5 米 2、 载重: 800KG

主销后倾角

?

2

o

主 要
o

车轮外倾角 ?

1

主销轴线与减振器的夹角式中角度 减振器内倾角 ? o

?

体 25° 度:

5.5 o

3、自重:1.6 吨 4、最高时速:120km), n 2 约为 1.17~1.5Hz(70~90 次 min),非常接近人体步 行时的自然频率。取 n1 =1.3 1HZ

已知:已知皮卡车总质量:m =2400kg,取前悬架簧下质量为 80kg,则由轴荷分配 图(图 12)知根据设计要求给定的设计状态下的轴荷及簧下质量,可求得前悬架单侧 的簧上质量 Ms 满载前轴单轮轴荷取47.5%: Ms=
G1 ? mu 1140 ? 80 = =531kg 2 2

G1 ? 2400? 0.475 ? 1142 kg
于是,前悬架的刚度C为: C=(2 ?n1 ) 2 ×M s =(2×3.1415926×1.31) 2 ×531=35938.52 Nm=35.9Nmm

图 12 2.悬架的静挠度 悬架的静挠度 f c1 和悬架刚度之间有如下关系:
5 f c1 ? ( ) 2 n1

代入数值得: 14.58cm,取 f c1 =146mm 3.悬架的动挠度

为了防止汽车在坏路面上行使驶时悬架经常碰撞到缓冲块, 悬架必须有足够大的动 挠度。 一般取悬架动挠度: f d =(0.5—0.7) f c 取 f d =0.5 f c =0.6×146=87.6mm 为了得到良好的平顺性,因当采用较软的悬架以降低偏频,但软的悬架在一定载荷 下其变形量也大,对于一般皮卡车而言,悬架总工作行程(静挠度与动挠度之和)应当 不小于 160mm。 而 f c ? f d =146+87.6=233.6mm>160mm 2.2.2 螺旋弹簧的设计计算 1.螺旋弹簧材料的选择 螺旋弹簧作为弹性元件的一种,具有结构紧凑、制造方便及高的比能容量等特点, 在轻型以下汽车的悬架中运用普遍。根 据皮卡汽车工作时螺旋弹簧的受力特点和寿命 要求,选择60Si2MnA为簧丝的材料,以提高弹簧在交变载荷下的疲劳寿命。 2.弹簧的受力及变形 ?根据悬架系统的装配图(0号图纸),对其进行结构分析、计算可以得出平衡位置处弹 簧所受压缩力P与车轮载荷 N v 的关系式:
'

符合要求

Nv cos? 531?10? cos1o P ? Ay ? ? ? 5.3 ?103 N cos(? ? ? 0 ? ? ) cos(10 ? 140 ? 30' )
'

式中:? 为车轮外倾角,? 0 为减振器内倾角, ? 为主销轴线与减振器的夹角式中角度。 弹簧所受的最大力:取动荷系数k=1.7,则弹簧所受的最大力 Pd max 为
Pd max ? 1.7 ? 5.3 ?103 ? 9.01?103 N

?螺旋弹簧的刚度 由于存在悬架导向机构的关系,悬架刚度C与弹簧刚度 C S 是不相等的,其区别在于

悬架刚度C是指车轮处单位挠度所需的力;而弹簧刚度 C S 仅指弹簧本身单位挠度所需的 力, 麦弗逊独立悬架的悬架刚度C的计算方法:如图13所示。

图 13 剩下的论文和图纸请和我联系 QQ:1315382944


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