普通级轿车前悬架麦弗逊式设计学士学位论文.docx
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普通级轿车前悬架麦弗逊式设计学士学位论文
摘要
悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性地连接起来。
它的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，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。
本文完成的是东方之子轿车前悬架设计，重点从东方之子轿车前悬架的选型、减振器的计算及选型、弹性元件形式的选择计算及选型和横向稳定杆的设计计算。
首先，我把形式不同的悬架的优缺点进行了比较，然后定下东方之子轿车前悬架的形式—麦弗逊式悬架，最后围绕麦弗逊式悬架的部件进行设计。
先是弹簧的设计计算，再是减振器的计算选型，最后是横向稳定杆的设计。
关键词：
悬架；麦弗逊式；设计
Abstract
Suspensionisanimportantelementofoneofthemodernautomobile,itflexiblytolinkthechassis（orbody）andaxle（ortires）.Itsmainroleistheroleoftransmissioninthebodybetweenthewheelsandallthepowerandmoment,suchassupportof,systemdynamicsanddrivingforce,andeasingtheroadtothewholebodyimpactload,decayresultingvibration,ensurethecomfortofthecrew,cargoandvehiclesreducetheirmovingload.
Themainstressisfrontsuspensiondesign，Trainingemphasisfromtheformercarmodels,andmodelsAbsorbercalculations,flexiblechoiceofcomponentsandmodelsandformsofstabilizerbardesigndata.Firstofall,IhaveadifferentformofasuspensionoftheadvantagesanddisadvantagescomparedtotheprevioussuspensionofthecarandthensetformEastaronsuspension.ThendesignaroundEastarsuspensioncomponents.First,thespring-loadeddesignterms,tobeabsorbercalculationmodels,ahorizontalstabilizerbarfinalcalculation.stabilizerbar.
Keyword:
Suspension,Macpherson,Design
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
1绪论
1.1课题背景和意义
最近这几年，中国汽车产销不断上升，自2002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。
2007年，中国汽车需求总量为879万辆，在全球市场占比从2001年4.3%上升到2007年的12.2%。
2009年首次超越美国成为全球第一大汽车产销国后，2012年中国再次稳坐全球销量第一的位置。
全年销量超过3000万辆。
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，使车架和车桥之间具有弹性。
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。
1.2悬架的发展历史和现状
科技进步是人类永恒的追求。
在马车出现的时候，为了乘坐更舒适，人类就开始对马车的悬架—叶片弹簧进行孜孜不倦的探索。
在1776年，马车用的叶片弹簧取得了专利，并且一直使用到20世纪30年代，叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧代替。
汽车诞生后，随着对悬架研究的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性件。
1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。
被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变。
它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况，减振的效果较差。
为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。
被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、夏利、赛欧等车，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架等。
半主动悬架的研究工作开始于1973年，由D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出。
半主动悬架以改变悬架的阻尼为主，一般较少考虑改变悬架的刚度。
工作原理是：
根据簧上质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号，按照一定的制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度。
半主动悬架产生力的方式与被动悬架相似，但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调整，这和主动悬架极为相似。
有级式半主动悬架是将阻尼分成几级，阻尼级由驾驶员根据“路感”选择或由传感器信号自动选择；无级式半主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无级调节。
由于半主动悬架结构较简单，工作时不需要消耗车辆的动力，而且可取得与主动悬架相近的性能，具有广阔的发展空间。
随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。
主动悬架的概念是1954年美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出的。
它在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车的悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。
控制装置通常由测量系统、反馈控制系统、能源系统等组成。
20世纪80年代，世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发这种悬架。
奔驰、沃尔沃、洛特斯、丰田等在汽车上进行了较为成功的试验。
装备主动悬架的汽车，在不良路面高速行驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平。
其特点是乘坐非常舒服，但不同程度存在着结构复杂、能耗高、成本昂贵、可靠性问题。
由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。
在半主动和主动悬架的研究方面起步晚，与国外的差距大。
在西方发达国家，半主动悬架在20世纪80年代后期趋于成熟，福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果。
主动悬架虽然提出早，但由于控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。
进入20世纪90年代，仍仅应用于排气量大的豪华汽车。
未见国内汽车产品采用此技术的报道，只有北京理工大学和同济大学等少数几个研究机构对主动悬架展开研究[14]。
1.3悬架的发展趋势
由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。
（1）被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。
但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。
在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。
被动悬架性能的研究主要集中在三个方面：
通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高。
（2）半主动悬架的研究集中在两个方面：
执行策略的研究；执行器的研究。
阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼；一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。
节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂。
通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。
（3）主动悬架研究也集中在两个方面：
可靠性；执行器。
由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。
执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。
电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。
运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论研究转化为实际应用[1]。
1.4课题主要内容和研究目的
1.根据原型车的设计要求和布置方案对悬架中的弹性元件、减振器、缓冲限位块等重要零部件进行了设计计算和可行性校核。
2.运用空间坐标变换理论和空间刚体运动学原理，通过对悬架的简化和抽象，用CATIA将实物模型转成可供分析和研究的物理模型和数学模型。
3.运用ADAMS进行运动分析。
4.研究目的是让我们对汽车的设计有更深层次的认识，为以后的工作打好基础。
2悬架结构方案分析
2.1悬架总成分析
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，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。
根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。
非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。
独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等，各种悬架的结构特点将在以下章节中进一步讨论。
除上述非独立悬架和独立悬架外，还有一种近似半独立悬架，它与近似半刚性的非断开式后支持桥相匹配。
当左右车轮跳动幅度不一致时，后支持桥中呈V形断面并与左右纵臂固结在一起的横梁受扭，由于其具有一定的扭转弹性，故此种悬架既不同于非独立悬架，也与独立悬架有别。
该弹性横梁还兼起横向稳定杆的作用[14]。
如今汽车独立悬架已经风靡了全世界。
图2.1悬架图
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。
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。
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总质量不大的商用车上。
2.3独立悬架特点与分类
独立悬架又分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、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。
2.3.1双横臂式悬架结构及特性分析
双横臂式独立悬架。
上下两摆臂不等长，选择长度比例合适，可使车轮和主销的角度及轮距变化不大。
这种独立悬架被广泛应用在轿车前轮上。
双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。
不等臂双横臂上臂比下臂短。
当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。
这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。
这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。
图2.2双横臂式悬架结构图
特性：
侧倾中心高度较低；车轮外倾角与主销内倾角均有变化；轮距变化小，故轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较小需要横向稳定器；横向刚度大；空间尺寸大；结构稍复杂，前悬架用得较多。
2.3.2单横臂式悬架结构及特性分析
单横臂式具有结构简单，侧
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