电动车悬架系统设计.docx

1、电动车悬架系统设计(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)摘 要随着汽车工业技术的发展，人们对汽车的行驶平顺性，操纵稳定性以及乘坐舒适性和安全性的要求越来越高。汽车行驶平顺性反映了人们的乘坐舒适性，而舒适性则与悬架密切相关。因此，悬架系统的开发与设计具有很大的实际意义。 本次设计主要研究的是比亚迪F3轿车的前、后悬架系统的硬件选择设计，计算出悬架的刚度、静挠度和动挠度及选择出弹簧的各部分尺寸，并且通过阻尼系数和最大卸荷力确定了减振器的主要尺寸，最后进行了横向稳定杆的设计以及汽车平顺性能的分析。本设计在轿车前后悬架的选型中均采用独立悬架。其中前悬架采用当前家庭轿车前悬流行的麦弗逊悬架。

2、前、后悬架的减振器均采用双向作用式筒式减，后悬则采用半拖曳臂式独立悬架振器。这种结构的设计，有效的提高了乘座的舒适性和驾驶稳定性。采用CAXA软件分别绘制前后悬架的装配图和部分主要零件图。关键词：悬架；平顺性；弹性元件；阻尼器； AbstractWith the development of the automobile industry of motor vehicles on ride comfort, handling and stability as well as comfort and safety of the increasingly demanding, Vehicle Ri

3、de also closely related with the suspension. Therefore, the design of the suspension system has a practical significance. The main design of the study is BYD F3 car front and rear the suspension system of choice of hardware design, calculate the suspension stiffness, static and dynamic deflection de

4、flection. By damping and unloading of the largest absorber identified the main dimensions. Finally, the design of the horizontal stabilizer. The design of the car before and after the suspension are used in the selection of independent suspension. Suspension of them adopted before the current family

5、 sedan before hanging popular McPherson suspension, was suspended after a drag arm suspension. Before and after the suspension of the shock absorber have adopted a two-way role-Shock Absorber. The design of this structure, effectively raising theof comfort and driving stability. By CAXA software wer

6、e drawn before and after the suspension of the assembly and parts plans. Key words: suspension; ride comfort; elastic element;buffer; 绪 论1.1悬架系统概述自十九世纪末期出现第一辆汽车以来，汽车工业经历了一百多年的发展过程。由于汽车设计在社会需求的不断增长和科学技术发展的推动下其运输生产率和各项性能都有很大的提高。因此，现代汽车已成为世界各国国民经济和社会生活中不可缺少的一种运输工具。汽车工业的规模和其产品的品质也成为衡量一个国家技术水平的重要标志之一。近年来

7、,舒适性问题对于汽车企业的要求逐年提高,影响舒适性的主要因素有操纵稳定性和乘坐舒适性对于这些因素,起着主要作用.作为悬架的基本性能,首先是为了保护车辆、乘员、货物等,防止由于路面的凸凹不平而引起的振动和噪声。其次,为了把车轮和路面间产生的驱动力、制动力、横向力等的前后、左右载荷有效地传递给车体,用最佳的状态使轮胎与路面接地,达到理想的汽车运动状态。并且现代汽车悬架是重要总成之一，它把悬架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性的连接在一起。其作用为：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

8、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，保证汽车的行驶平顺性。保证车轮在路面不平和载荷变化有理想的运动特性，保证汽车的操作稳定性，使汽车获得高速行驶能力。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

9、，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，麦克弗逊悬梁(McPherson strut suspension，或称滑枝摆

10、臂式独立悬架)中的减振器枝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。悬架是汽车几大系统当中主要总成之一，悬架的设计是否合理直接关系到汽车的使用性能的好坏，并且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的作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求：(1)通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确

11、保汽车具有良好的行驶平顺性，即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；(2)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；(3)导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动十涉，否则可能引发转向轮摆振；(4)侧摆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”)；(5)结构紧凑、占用空间

12、尺寸要小。(6)在保证零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。为了满足汽车具有良好的行使平顺性，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适应于合适的频段，并尽可能的低。前后悬架的固有频率的匹配应合理，对轿车，要求前悬架的固有频率略低于后悬架的固有频率，还要求尽量避免悬架撞击悬架。在簧上质量变化的情况下，车身的高度变化要小，因此，要用非线性弹性特性的悬架。汽车在不平的路面上行使时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动，为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。利用减振器的阻尼作用，使汽车的振动幅度连续减小，直至振动停

13、止。要正确的选择悬架的方案参数，在车轮上下跳动时，使主销的定位参数变化车架、车轮运动与到导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之具有不足转向特性。独立悬架导向杆系数铰接处多用橡胶的衬套，能隔绝车轮来自不平路面上的冲击向车身的传递。1.2悬架的构成和类型1.2.1构成（1）弹性元件具有传递垂直力和缓和冲击的作用。常见的弹性元件有：钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧。（2）阻尼元件具有衰减振动的作用。常见的阻尼元件有：筒式液力减振器、摇臂式液力减振器、充气式减震器、阻尼可调式减振器等。（3）导向装置其作用是传递除垂直力外的其它力和全部力矩、保证车轮按最佳轨迹相对

14、于车身运动。常见的导向装置有：斜置单臂式、单横臂式、双横臂式、双纵臂式、烛式、麦弗逊式等。1.2.2类型（1）非独立悬架其特点是左右车轮由一整体式车桥相联接，具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但其舒适性及操纵稳定性都较差。（2）独立悬架每个车轮单独通过一套悬挂安装于车身或者车桥上，车桥采用断开式，中间一段固定于车架或者车身上；此种悬挂两边车轮受冲击时互不影响，而且由于非悬挂质量较轻；缓冲与减震能力很强，乘坐舒适。各项指标都优于非独立式悬挂，但该悬挂结构复杂，而且还会使驱动桥、转向系变得复杂起来。1.3课题研究的目的及意义随着人们对汽车舒适性的要求逐渐提高，悬架

15、的设计和改进变得越来越重要。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，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和扭矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。故进行比亚迪F3悬架设计可使汽车具有良好的平顺性和可靠性。第2章 前、后悬架结构的选择2.1悬架的结构形式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，总体可分为独立悬架和非独立悬架。而独立悬架的结构又可分为横臂式、纵臂式、烛式、麦弗逊式、连杆式、半拖曳臂式等多种形式。2.2非独立悬架非独立悬挂系统的结构特点是两侧车

16、轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架的优点：(1)结构简单，制造、维护方便，经济性好； (2)工作可靠，使用寿命长；(3)车轮跳动时，轮距、前束不变，因而轮胎磨损小； (4)转向时，车身例倾后车轮的外倾角不变，传递侧向力的能力不降低；(5)侧倾中心位置较高，有利于减小转向时车身的侧倾角。非独立悬架的缺点是：(1)由于车桥与车轮一起跳动，因而需要较大的空间，影响发动机或行李箱的布置。用于轿车或载货汽车的前悬架时，一般需要拾高发动机或是将车桥(轴)做成中间下凹的形状以利发动机布置，这将增加制造成本；用于轿车后悬架时，会导致行李箱容积减小，备胎的

17、布置也不方便； (2)用于驱动桥时，会使得非悬挂质量较大，不利于汽车的行驶乎顺性及轮胎的接地性能；(3)当两侧车轮跳动高度不一致时(例如左右车轮驶过的凸起高度不同)，整根车桥会倾斜，使左右车轮直接相互影响；(4)在不平路面直线行驶时，由于左右车轮跳动不一致而导致的轴转向会降低直线行驶的稳定性；然而由于非独立悬架结构简单、便于维护以及可使用多种类型的弹性元件等优点，非独立悬架广泛应用于载货汽车以及大客车的前、后悬架。一些全轮驱动的多用途车(MPV,multiple purpose vehicle)也采用非独立悬架作为其前、后悬架。随着弹性元件、减振器及其他结构件的设计、制造技术的不断进步，非独立

18、悬架的性能也日益得到改善，在一些大批量生产的高级轿车和运动型轿车中，仍采用非独立悬梁用于其后悬架。对于前置前驱动汽车尤其是轻型载货汽车而言，由于后桥没有笨重的主减速器与差速器，其非独立悬架与独立悬架的非悬挂质量相差不太大，因而非独立后悬架具有很好的应用前景。2.3独立悬架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。独立悬架的结构可分有横臂式、纵臂式、烛式、麦弗逊式、连杆式、半拖曳臂式等多种形式。双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大(与单横臂式相类似)，造成轮胎磨损严重，现

19、已很少用。对于不等长双横臂式悬架，需要适当选择、优化上下横臂的长度，以及合理的布置、才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，从而能保证汽车具有良好的行驶稳定性。多连杆悬架能使车轮绕着汽车纵轴线成一定角度的轴线摆动，是横臂式和纵臂式悬架的折中方案，适当选择横臂轴线和汽车纵轴线所成的夹角，它虽能够较好的消除对地外倾角的变化，即使车身晃动时，也能让车轮胎保持垂直，这在目前低扁平比的趋势中，是非常重要的特性；同样它对轮跳时车轮前束和轮距的变化有较好的抑制作用；能较好的消除转弯时重心升高、对地外倾角减少引起的顶起现象；还能提高悬架系统的刚性，使其不易受横向力影响而产生几何变化。然而由于结构

20、复杂造成它占用的空间较大，另外对于连杆的材质要求也较高，零件较多，组装复杂也就导致了多连杆的制造成本较高，故多连杆悬架只是在高档轿车中越来越多的使用。麦弗逊式独立悬挂通常在轿车前悬上应用最广泛，麦弗逊式独立悬架有结构简单、成本低廉、舒适性尚可的优点且其主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，且前轮定位变化小，拥有良好的行 图2-1麦弗逊式独立悬架驶稳定性。在麦弗逊式独立悬架中，支柱式减震器除具备减震效果外，还要担负起支撑车身的作用，所以它的结构必须紧凑且刚度足够，并且套上螺旋弹簧后还要能减震，而弹簧与减震器一起，构成了一个可以上下运动的滑柱，节省汽车前部空间，有利于发动机布置。与双横臂独立

21、悬架相比麦弗逊式悬架的优点是：结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂的缘故，给发动机及转向系统的布置带来方便，麦弗逊式独立悬架简图如图2-1所示。 半拖曳臂式悬架是专为后轮而设计的悬架结构，它的构成非常简单以上下摆动式拖臂实现车轮与车身或车架的硬性连接，并且通过横梁或支架连接两车轮，然后以液压减震器和螺旋弹簧充当软性连接，起到吸震和支撑车身的作用。半拖曳臂式悬挂本身具有非独立悬挂的存在的缺点但同时也兼有独立悬挂的优点， 半拖曳臂式悬挂的最大优点是左右两轮的空间较大， 而且车身的外倾角没有变化， 避震器不发生弯曲 应力，所以摩擦小，并且与多连杆独立悬架相

22、比有结构简单，造价较低的优点，故半拖曳臂式独立悬架更适合作为中级轿车后悬架。半拖曳臂是独立悬架简图如图2-2所示。 图2-2半拖曳臂式独立悬架2.4 前后悬架方案的选择目前轿车的前后悬架采用的方案有：前轮和后轮均采用独立悬架；前轮用独立悬架，后轮用非独立悬架。本设计要求是前后均是独立悬架，因为独立悬架具有如下优点：非簧下质量小，悬架所受到并传给车身的冲击载荷小，有利于提高汽车的行驶平顺性及轮胎的接地性能；悬架占用的空间小，便于发动机布置，可以降低发动机的安装位置，从而降低汽车质心位置，有利于提高汽车的行驶稳定性；左右车轮各自独立运动，互不影响，可减小车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良

23、好的地面附着力。非独立悬架的缺点是在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，会降低直线行驶的稳定性；由于车桥与车轮一起跳动，因而需要较大的空间，影响发动机或行李箱的布置。根据有关资料，麦 弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主销，转向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，构造简单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性。麦弗逊悬架由于构造简单，性能优越的缘故，被行家誉为经典的设计。故该设计前悬架为:目前较为流行的麦弗逊式悬架.结构如上述图2-3所示。半拖曳臂式是专为后轮设计的悬吊系，以支臂结合车轴前方的车身部主轴与车轴，其中车身部主轴的

24、旋转轴垂直于车身中心线者，亦 图2-3麦弗逊独立悬架即直向后方，称为半拖曳臂式，使用这类系统的车，像PEUGEOT车系、CITROEN车系、OPEL车系等，而半拖曳臂式之摆动臂系倾斜于车身中心线即斜向后方。拖曳臂式悬吊的结构为车身部的主轴直接结合于车身，然后将主轴结合于悬吊系统，再将此构件安装于车身，弹簧与避震器通常是分开安装或是构成一体，直立安装于车轴附近。悬吊系统本身的运动，支臂以垂直车身中心线的轴，亦即平行于车轴的轴为中心进行运动，车轴不倾斜于车身，在任一上下运动位置，车轴平行于车身，对车身外倾角变化为零。其最大的优点乃在于左右两轮的空间较大，而且车身的外倾角没有变化，避震器不发生弯曲应

25、力，所以摩擦小，当其刹车时除了车头较重会往下沉外，拖曳臂悬吊的后轮也会往下沉平衡车身。2.5主要元件2.5.1弹性元件悬架弹性元件有钢板弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧等几种。钢板弹簧优点是不仅能承受作用在不同方向的力(垂直、侧向、和纵向)，而且还能承受原地起步和制动时的扭矩。但是其也有许多缺点：弧高和片间摩擦力随时间变化；由于磨损以及由此出现的应力集中使其寿命降低，这样使得其在货车或客车的非独立悬架中使用较多。扭杆弹簧在汽车上可以纵置、横置或介于上述两者之间。因为扭杆弹簧单位质量储能量比钢板弹簧大许多，所以扭杆弹簧质量小（簧下质量得以减少），目前在总长较短的客车和总质量较小的货车上得到比较

26、广泛的应用。除此之外，空气弹簧的单位质量储能比较大，所以空气弹簧本身的质量比较轻，因而簧下质量小。又因为气囊内空气介质的内摩擦小，工作是几乎没有噪声，对高频振动的吸收和隔声性能均良好。除此之外，空气弹簧的寿命是钢板弹簧的2-3倍。但采用空气悬架是，必须设置能传递垂直力的其他各种力和力矩的杆系，因此悬架结构复杂；空气悬架对蜜密封要求严格，不得漏气。除此之外，悬架复杂、成本较高等缺点。螺旋弹簧广泛地应用于独立悬架，特别是前轮独立悬架中。然而在有些轿车的后轮非独立悬架中，其弹性元件也采用螺旋弹簧。螺旋弹簧与钢板弹簧相比较有以下优点：无需润滑，不忌泥污；安置它所需的纵向空间不大；弹簧本身质量小，且较空

27、气弹簧结构简单，安装方便等优势，故综合以上弹性元件的特点，本设计方案的悬架均用螺旋弹簧作为弹性元件。2.5.2减振器根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。虽然摇臂式减振器能比较大的工作压力下工作，单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被淘汰。筒式减振器工作压力虽然较小，单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。双筒式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。该方案采用双筒式充气液力减振器。2.6辅助元件2.6.1横向稳定器通过减小悬架的垂直刚度c，能减低车身的振动

28、固有频率n，达到改善汽车平顺性的目的。但因为悬架的侧倾角刚度c和垂直刚度的之间c的正比的关系，所以减小垂直刚度c的同时使侧倾角刚度减小，并使侧倾角增加，结果车厢中的成员会感到不舒服和降低了行车的安全感。解决这一矛盾的主要方法就是在汽车上安装横向稳定器。有了横向稳定器，就可以做到在不增大悬架垂直刚度的前提下，增大悬架的侧倾角刚度。汽车转弯是产生侧倾力矩，使内外侧车轮的负荷发生转移且影响车轮侧偏角刚度和车轮侧偏角的变化。前后轴车轮负荷的转移大小，主要取决于前后悬架的侧倾角刚度值。当前后悬架侧倾角刚度值大于后悬架的侧倾角刚度值时，前轴的负荷大于后轴车轮的负荷转移，并使前轮侧倾角大于后轮的侧倾角，以保

29、证汽车具有不足转向特性。在汽车悬架上设计横向稳定器，能增大前悬架的侧倾角刚度。故该设计方案的前悬架选择加横向稳定器，而后悬不加横向稳定器。2.6.2缓冲块缓冲块通常由橡胶制造。通过硫化将橡胶与钢板连为一体，再焊接在钢板上的螺钉将缓冲块固定在车身上，起到限制悬架最大行程的作用。 有些汽车装用的多孔聚氨脂做成。它兼由辅助弹性元件的作用。多孔聚氨脂是一种很高强度的和耐磨性能的复合材料。这种材料起泡时形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡不受损失。由于在材料中有封闭的气泡，在载荷下压缩，但其外轮廓尺寸变化却不大，这点与橡胶不同。所以在设计中，我选择了多孔聚氨脂制成的缓冲块。第3章 技术参数确定与计算3

30、.1悬架性能参数的选择悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。3.2悬架的自振频率悬架设计的主要目的之一是确保汽车有良好的行驶平顺性。汽车行驶时振动越剧烈，则平顺性越差。由于个体对振动的反应干差万别，人们提出了各种各样的平顺性评价标难。n悬架的频率；M簧载质量；K悬架刚度；悬架频率 n 随簧载质量的变化而变化，人体最舒适的频率范围为1.6Hz，如果要将汽车行驶过程中的频率保持在11.6Hz内。依据ISO2631人体承受全身振动的评价指南，轿车的自振频率范围为0.

31、7-1.6Hz，对于簧载质量大的车型取偏小的方向，（大致为1Hz或更低）本设计选取的范围是0.7-1.6Hz。取n1 =1.2 Hz;悬架n1/n2=0.9所以n2=1.3Hz;悬架的刚度Ka+b=1.25+1.35=2.6m前： =1.25/2.6=0.48后： =1.35/2.6=0.52m1=16500.52=856.7kgm2=16500.48=793.3kgms1=856.7-55=801.7kgms2=793.3-65=728.3kg 依据悬架刚度公式可得： =（K/m）悬架的角速度， =2nK悬架刚度m簧上质量即K=2m3.3侧倾角刚度随着汽车车速的不断提高，所设计的悬架不仅应该

32、保持良好的行使稳定性，还应保证良好的操纵稳定性。在悬架的性能参数中，以前后悬架的侧倾角刚度的分配以及侧倾中心高度值对操纵稳定性有较大的影响。所以选择悬架的主要参数时要加以考虑。在汽车转弯时，为了使车身的侧倾角不超过规定值（按规定总体设计要求，当侧向惯性力不超过车重的1/4时，车身的侧倾角不大于6度7度）。悬架应该有足够的的侧倾角刚度。所谓的侧倾角刚度的侧倾力矩。侧倾角刚度不足会使汽车转弯时由于侧倾过大使乘客有不稳的感觉。侧倾角过大，有会减轻驾驶员的路感，防害他正确的掌握车速。所以，对侧倾角刚度要选择适当。从汽车理论中知，为了保证良好的操纵稳定性，希望汽车有一些不足的转向，而不希望有过多的转向。而悬架的侧倾角刚度会影响到车轮的侧倾角，前后悬架的侧倾角刚度值的不同匹配就会改变前后车轮的侧倾角的比值，从而改变转向特性。则前后悬架的单个弹簧的侧倾角刚度值为：n=/4*2)*ms/2=(1.2*6.28) *801.7/2=22765N/m 。