某型轿车悬架上摆臂结构设计讲解.docx

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某型轿车悬架上摆臂结构设计讲解

本科毕业论文（设计）

题目：

某型轿车悬架上摆臂结构设计

姓名：

教务处制

本科毕业论文（设计）独创承诺书

本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。

毕业论文（设计）作者签名：

日期：

题目：

某型轿车悬架上摆臂结构设计

摘要

随着计算机技术的快速发展，有限元分析已成为机械工程设计分析活动中不可缺少的一个重要环节，并成为计算机辅助设计领域的重要拓展方向之一，而有限元分析软件和CAD软件之间的数据转换问题则成为有限元分析软件发展所亟待解决的问题。

具有强大建模功能的PROE软件所内嵌的结构分析功能则能很好的解决这个问题。

本文主要介绍了P.E结构分析的基本概念和求解思想，并对悬架系统作了简要概述。

利用ANSYS有限元分析软件的求解功能，对轿车上摆臂的强度和刚度进行了结构分析。

得到上摆臂在不同载荷作用下的应力分布、变形情况和疲劳工况，并在此基础上对双横臂悬架进行了分析。

分析结果为结构设计提供了依据，同时也简化了汽车上摆臂设计过程，提高了设计水平。

关键词：

悬架上摆臂；有限元分析；应力；结构的分析。

Subject:

designofswingarmstructureofacar

Abstract

Withtherapiddevelopmentofthenewcomputingtechnologies,FiniteElementAnalysishasbeenanecessarypartofmechanicalengineeringdesignandanalysis,anditalsohasanextensionoftheComputerAidedDesign.Then,thedatatransformationbetweenFiniteElementAnalysissoftwareandCADsoftwarehasbecomeanurgentneedinthedevelopmentofFEAsoftware.Unigraphicssoftware,whichhasthefuctionofstructuralanalysis,cansolvetheproblempreferably.ThepapermainlyintroducesthebasicconceptionandanalysisideaofP.Estructuralanalysis.Double-wishboneindependentsuspensionwillbeanalyzedandcalculatedwiththemethodofthefinitelementanalysisfortheUGsofeware.Givingoutthestress,fatigueandstrainfigureofthesuspension,somenumericalresultshavebeenobtainedwhichcanbeusedincalculationsofstress.Theresultscanbeappliedtodesignworkofintension.Atthesametime,itsimplifiesthedesignprocessofsuspensionandimprovesthedesignlevel.

KeyWords：

Double-wishboneindependentsuspensionUpperswingarm;Finiteelementanalysis;Stress;structuralanalysis.

目录

1绪论1

2汽车悬架上摆臂3

2.1上摆臂概述3

2.2上摆臂的种类和特点3

2.21独立悬架3

2.22非独立悬架4

2.23独立悬架----双横臂独立悬架4

3proe软件分析功能介绍6

3.1proe概述7

3.2proe的特点和优势7

3.3proe软件的主要模块组成8

4上摆臂的结构分析过程10

4.1上摆臂的受力分析11

4.2　悬架----上摆臂建模13

4.3网格划分图17

4.4悬架----上摆臂的有限元具体分析18

4.4.1对上摆臂的分析19

结论24

致谢25

参考文献26

1绪论

随着计算机技术的迅猛发展以及信息时代的来临，促使人们以往的工作方式和思维方式发生了巨大的改变，因此对产品的设计分析产生了深远的影响，产品设计分析从传统的经验设计和判断进人现代的设计分析。

有限元分析就是现代设计分析方法之一，有限元分析在工程领域应用非常广泛。

工程设计中的有一项重要工作是用软件分析零件的强度和刚度，分析零部件在固定作用下产生的应力和应变，因此得出零部件是否满足要求，确保设计的可靠性。

针对大多数的工程技术问题，对于物体的几何形状相对复杂或者问题的某些特征是非线性的，人求解将十分繁琐。

于是借助于计算机得到满足工程要求的数值解成为当代工程学重要要领之一。

proe包涵了产业设计中的制造、装配、加工、仿真和分析等范围。

期中仿真和分析功能便捷的实现对产品结构的有限元分析。

作为一个集计算机辅助设计、制造和工程分析的三维参数化软件，proe的构造（Structures）设计提供了有限元分析功能。

在proe建模应用中完成零部件三维造型后，就可以进去到结构分析和优化分析。

双横臂悬架是相对复杂的空间机构，根据上、下横臂的长短差异可分为等长和不等长两种。

对于不等长双横臂悬架，合理地选择结构参数和恰当地布置，就可以将轮距和车轮定位参数的初始值及其变化限定在固定范围内，保持良好的行使稳定性，并能使悬架与转向杆系的运动减小干预，不易发生跳摆，因此得到了广泛的应用。

双横臂独立悬架上摆臂多用于轿车和轻型客货车的前悬架上，在麦弗逊悬架车来，双横臂独立悬架曾逐渐被麦弗逊悬架所取代，但是进入九十年代以来，随着轿车豪华化和性能高化，用该结构的车种不停增长，在一些对平顺性和操作稳定性要求较高的汽车上，不止前悬架，并且后悬架也使用了双横臂悬架，上摆臂的功能性也是汽车悬架系统中的一部分。

本文主要讲诉了在proe构造分析模块中对某商务车前悬架上摆臂的分析。

通过对悬架结构受力的简化，先计算出各种工况下情况，并特别考虑了危险的组合工况。

在经过proe建模和结构分析模块的处理后，得出了基于proe的有限元分析结果，结合所给材料的力学性能，做出了对悬架上下摆臂及转向节的分析评价和改进方案。

最后需要说明的是，一般有限元分析的软件我们常用ANSYS做分析，而proe作为一种汽车设计领域的基本软件，其本身的分析功能常为人所忽视，虽然在专业性方面proe不如ANSYS深入，但由于其以设计功能为基础，在许多情况下十分容易操作，，而ANSYS因为在设计建模方面的不够，经常在导入其他建模文件时出错甚至不能正常导入，因此我要不断的尝试用proe的建模功能完成分析过程，从而提高结构分析的效率和质量。

2汽车悬架上摆臂

2.1上摆臂概述

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（车桥）之间的一切传力连接装配的总称。

刚好上摆臂就是悬架结构中的一部分，悬架装置通常由三部分组成：

弹性元件、阻尼元件和导向机构。

上摆臂是悬架系统中非常重要的部件之一，上摆臂的结构设计也是关系到悬架系统在功能性上能否体现出良好特性的因素之一。

因此上摆臂的功能性与结构性是非常重要的。

在这次论文设计中主要是上摆臂的结构设计，但是上摆臂是属于悬架系统中的一部分，那么悬架的功能是把路面作用于车轮上的垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向力以及这些反力所造成的力矩都要传达到车架（或承载式车身上），以保证汽车的正常行驶。

然后上摆臂是悬架的导向和支撑，其变形影响车轮定位，减小行车稳定性。

这些功能性都体现出汽车对于上摆臂的需要，上摆臂在整个悬架系统中担当着重要的角色。

2.2上摆臂的种类和特点

上摆臂的类型跟特点是按照悬架系统的差异而不同的，那么悬架的类型简单分为,按照汽车导向装配的差异，汽车悬架可分为两大类，独立悬架和非独立悬架。

2.21独立悬架

这个独立悬架，是指两侧车轮各自独立地与车架或车身弹性连接，当一侧车轮受到作用时，其运动不会直接影响到另一侧车轮。

独立悬架的构造特点是其采取的车桥做成断开的，于是可以是发动机降低安装位置，有利于减小汽车重心，还使结构紧凑。

独立悬架允许前轮有较大跳动空间，那么方便选择较软的弹性元件使平顺性获得改善。

同时，独立悬架簧载质量小，能提高汽车车轮的地面附着性。

2.22非独立悬架

这个构造特点是两侧的车轮由一根一体式车桥相连，车轮连同车桥共同通过弹性悬架与车架或车身连接。

当一侧车轮因路面不平发生跳动时，一定引起另一侧车轮在汽车横向平面内摆动，于是称之为非独立悬架。

2.23独立悬架----双横臂独立悬架

独立悬架按车轮运动类型分成以下四类：

（1）车轮在汽车横向平面内摆动的悬架（横臂式悬架）

（2）车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架（纵臂式悬架）

（3）车轮沿注销移动的悬架，其中包括：

烛式悬架，麦弗逊悬架。

（4）车轮在汽车的斜向平面内摆动的悬架（单斜臂式悬架）。

此中横臂式悬架又分为单臂式和双臂式两种.因为单臂式悬架有较多的缺点，只在车速不高的重型越野汽车上有应用。

较常见的双横臂式悬架。

本文分析的是独立悬架中的双横臂式独立悬架。

下面具体地对双横臂式独立悬架作一概述：

双横臂式独立悬架的两个摆臂长度可以相等，也可以不等。

在摆臂等长的悬架中，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但轮距却发生了较大的突变。

这将增高车轮侧向滑移的可能性。

在两摆臂不等长的悬架中，如摆臂长度选择恰当，可以使车轮和主销的角度以及轮距的变化都不太大。

不大的轮距变化在轮胎较软时可以由轮胎变形来顺应，目前轿车的轮胎可允许轮距在每个车轮上保持4—5mm而不致沿路面滑移。

这样，不等长的双横臂式独立悬架在轿车前轮上的应用较为普遍。

图2.1所示为双横臂独立悬架示意图。

图2.2为不等长的双横臂螺旋弹簧独立悬架。

上摆臂和下摆臂的内端各自通过摆臂轴与车架作铰链连接，两者的外端则分别通过上、下球销与转向节相连。

螺旋弹簧的上下端各自通过橡胶垫圈支承于车架横梁上的支承座和下摆臂上的支承盘内。

双向作用筒式减振器的上、下两头也各自通过橡胶衬垫与车架和下摆臂上的支承盘相连。

这种悬架中采取球头结构取代主销，属于无主销式，上、下球头销的连心线相等于主销轴线，转向时车轮即围绕该轴线偏转。

主销后倾角由移动上摆臂在摆臂轴上的位置来调整，而上摆臂的移动是上摆臂轴的转动来实现的。

车轮外倾角是加在上摆臂轴与固定支架间的调整垫片来调节。

主销内倾角和车轮外倾角的关系已被转向节的构造所确定，所以调整车轮外倾角之后，主销内倾角也就确定。

路面对车轮的垂直力作用顺序是转向节、下球头销、下摆臂和螺旋弹簧传导车架。

纵向力、侧向力及其力矩由转向节及导向机构上、下摆臂及上、下球头销来传达。

为了可靠地传达纵向力、侧向力及其力矩，悬架必需具有充足的纵向和侧向刚度。

为此，上、下两摆臂都是叉形刚架，用来满足使用要求。

综述双横臂独立悬架的主要特点及主要应用如下：

（1）弹簧刚度和减震器阻尼可以按照需求，较容易调整：

非簧载质量小，有利于行使平顺性。

（2）因为设计的自由度大，可通过合理安置，使悬架与转向杆系的运动干预减小，不易发生跳摆。

（3）可以通过调整其导向机构较容易地获得所需要的前轮定位参数，得到较好的整车性能。

（4）有效弹簧距等于轮距，有利于提高横向刚度，但一般来讲，其倾侧中心高度低，不利于其侧倾稳定性，一般需加横向稳定杆。

3proe软件分析功能介绍

3.1proe概述

在中国也有很多用户直接称之为“破衣”。

1985年，PTC公司创立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。

1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。

经历10余年的成长，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。

目前已经发布了Pro/ENGINEERproewildfire5.0。

PTC的系列软件包含了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。

Pro/ENGINEER还具有了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。

3.2proe的特点和优势

全相关性：

Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。

这就意味着在项目研发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新全部的工程文档，包含装配体、设计图纸，以及制造数据。

全相关性鼓励在研发周期的任一点进行修整，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，因此能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

基于特征的参数化造型：

Pro/ENGINEER使用用户熟知的特性作为产品几何模子的构造要素。

这些特性是一些普通的机械对象，而且可以按预先设置很容易的来修改。

比如：

设计特性有弧、圆角、倒角等等，它们对工程职员来说是很熟知的，从而易于使用。

装配、加工、制造以及别的学科都使用这些领域独特的特性。

通过给这些特性设置参数（不仅包含几何尺寸，还包括非几何属性），然后修整参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

数据管理：

加快投放市场要在较短的时间内研发更多的产品。

为了实现这种效率，必需容许多个学科的工程师同时对一个产品进行开发。

数据管理模块的研发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，因为使用了Pro/ENGINEER独自的全相关性功能，从而使之成为可能。

装配管理：

Pro/ENGINEER的基本结构能够使您使用直观的命令，比如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件组装起来，而且保持设计意图。

高级的功能支持大型巨大装配体的构造和管理，这些装配体中零件的个数不受限制。

易于使用：

菜单以直观的方法联级呈现，提供了逻辑选项和预先选用的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描写和完整的在线帮忙，这种情势使得容易学习和使用。

3.3proe软件的主要模块组成

Pro/Engineer是一套从设计到生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，而且具有单一数据库功能。

1．参数化设计和个性功能Pro/Engineer是采取参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采取具有智能特性的基于特有的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者在设计上提供了从未有过的简易和灵活。

2．单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

何谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换而言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，都可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

比如，只要工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会主动更新；组装工程图若有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，会使得一件产品的设计结合起来。

这个优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格同时也更便宜。

Pro／EngineerPro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包含参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。

Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包含：

筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，不需要采用复杂的几何设计方式。

这系统的参数比功能是采取符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些一定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。

这种功能让修改更为方便和让设计优化更趋完美。

造型不止可以在屏幕上显示，并且可以传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。

Pro/Engineer还能输出三维和二维图形到其他应用软件，比如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户还可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，来提高软件的功能。

它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（人工）和工程制图能力（不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准），而且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白以及彩色打印机的二维和三维图形输出。

Pro/Engineer功能如下：

1．特征驱动（比如：

凸台、槽、倒角、腔、壳等）；

2．参数化（参数=尺寸、图样中的特性荷、界线条件等）；

3．通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。

4．支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro／PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。

5．贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。

其它辅助模块将进一步提高扩展Pro／ENGINEER的基本功能。

4上摆臂的结构分析过程

4.1上摆臂的受力分析

要对汽车上摆臂作基于proe的有限元结构分析，必定首先对悬架的受力情况进行简化，并通过计算分析出其主要的受力工况，从而在proe的结构分析模块中对上摆臂添加合适的载荷和约束。

路面对车轮的垂直力依次通过转向节、上下球头销、上下摆臂传到车身。

纵向力、侧向力及其力矩均由转向节及导向机构——上下摆臂及上下球头销来传递。

上摆臂设计的要求之一即是其零部件应具有足够的强度和可靠地传递各种力与力矩。

上摆臂的基本受力情况有下述三种：

（1）车轮受垂直力作用

用车轮和转向节为隔离体，假如上下摆臂与水平线夹角分别为

，按照隔离体的平衡条件即可求出作用在转向节和上下摆臂连接点A、B两处的作用力。

这也是后述作用在有限元模型中的载荷。

（2）车轮受侧向力作用

考虑车轮转向或侧滑时，车轮受侧向力作用。

同样拿车轮和转向节为隔离体，可以算出作用在转向节和上下摆臂连接点A、B两处的作用力。

（3）车轮受纵向力作用

作用在上下摆臂和转向节球销上的反作用力，与车轮所受纵向力平衡，就能求出A、B两处的反作用力。

图4.1车轮受垂直力图4.2车轮受侧向力图4.3车轮受纵向力

在进行强度计算时还应考虑垂直力和纵向力，或垂直力和侧向力共同作用的组合工况。

此外在计算时要考虑路面对车轮三个方向的反作用力带有动载荷性质，根据三种极限工况下车轮上的动载荷值进行计算，即：

1．最大垂直动载荷

（式2.1.3）

式中：

k----动载系数，本文取为2.0；

-----前轮静载荷；

2．最大侧向载荷

（式2.1.4）

式中：

-----道路附着系数，本文取为0.5；

3．最大纵向载荷

（式2.1.5）

式中：

----汽车制动时的重量分配系数，本文取为1.4;

=0.7；

上下摆臂加力点为A、B两点，C、D两点为约束点。

而转向节加力点为车轮中心线位置，约束点则为A、B两点。

根据上下摆臂和转向节的受力分析，利用通用有限元程序，即可进行强度和变形计算。

整体来说悬架是由多个部件组成，上下摆臂与转向节通过上下球头销连接。

车辆行驶时悬架作上下运动，上下摆臂呈压弯组合变形。

受力分三种状态，计算按三种组合工况，其中垂向力和纵向力共同作用下为最危险工况。

上下摆臂加力点为A、B两点，C、D两点为约束点。

而转向节加力点为车轮中心位置，约束点则为A、B两点。

前轮静载荷--------

=4950N

最大垂直动载荷------

=9900N

最大侧向载荷--------

=2475N

最大纵向载荷-------

=4851N

受力状态

上下球销约束反力

状态一（垂向力作用）

状态二（侧向力作用）

状态三（纵向力作用）

上摆臂材料：

根据汽车设计及悬架上摆臂的工作工况，暂选用45#钢，材料密度为7.85×103kg/m3

其主要力学性能如下：

弹性模量　E=205GPa,泊松比　μ=0.28

屈服极限σs=355MPa，强度极限σb=600MPa。

许用应力　〔σ〕＝233MPa,安全系数取1.5（一般值1.3--1.6）

4.2　悬架----上摆臂建模

悬架直接按原结构形式及尺寸建模，并选用实体单元。

上摆臂采用壳单元与梁单元组合建模。

运用proe进行上摆臂的三维建模，首先绘出上摆臂轮廓草图，接下来进行草图的拉伸操作，对于拉伸出来的三维图形在进行去除中间材料，选择一个侧面为基面进行草图绘制，画出一个圆，接着进行拉伸去除材料，得到了一个孔，然后进行镜面操作，在上摆臂的另一个臂上也得到一个孔。

选择当前的三维图形的侧面为基面，进行草图绘制目的是为了去除材料让臂上的轮廓弧度出来。

进行拉伸去除材料的操作得到的三维图更加接近上摆臂的模型，接下来在进行抽壳的操作，让臂上的孔的位置壁厚变薄达到规格标准。

在上摆臂的尾部进行抽壳的操作，得到四个螺孔，最后对得到的三维图形进行加工修饰得到最后想要的上摆臂三维模型。

以下图4.1至图4.6展示了绘图过程中几个关键步骤，具体如下：

图4.1进行建模的草图绘制，画出模型的大轮廓

图4.2草绘图形拉伸操作

图4.3上摆臂模型图拉伸以后，得到的是模型整体的轮廓，进行抽壳操作

图4.4再进行去孔操作

图4.5上摆臂模型图

图4.6上摆臂模型图最终都得到了这个上摆臂的三维模型

4.3网格划分图

在复杂的部位适当进行模型分割或加销后，运用proe强大的网格划分工具对上下摆臂及转向节进行自动网格划分，均选用十节点四面体单元的网格类型。

网格划分过程中需注意的问题会在下面各部件的具体分析步骤中涉及到。

参见下面的图4.2上摆臂单元图

图4.2

4.4悬架----上摆臂的有限元具体分析

本文结果多采用程序提供的后处理图形功能绘出相关区域的变形图及应力图，尤其是应力等值线图可以清晰的描述应力在整个模型中的变化，可以快速判断模型中的“危险区域”。

从图中的色彩布局就可以明显看出应力分布的规律。

除非作出说明，本文应力结果多以Mises等效应力形式整理出来。

通过有限元计算，可得到各节点与单元的位移和应力值。

同时也给出构件的疲劳工况图，按照通用标准选用107次疲劳应力循环，然后根据结果判断其材料是否发生疲劳破坏。

根据悬架运行的各种工况，一般只需考虑最危险工况进行分析，如其满足材料许用需求就可判定构件合格。

所以本文中只选用最危险的工况进行加载分析。

分析过程：

（1）先