君越麦弗逊式悬架设计及建模1

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。麦弗逊式独立悬架的减震器形式采用双向作用式筒式减震器。本文通过对车身与悬架整体进行导向机构设计，根据计算所得数据对悬架的零件进行三维建模，采用设计软件为CATIA软件，最后对悬架进行整体装配，完成整体悬架装配图。

关键词：悬架；麦弗逊式；设计

目录

摘要 (1)

引言 (3)

1 悬架的发展历史和现状 (4)

2 悬架结构方案分析 (5)

2.1 悬架总成分析 (5)

2.2 独立悬架优缺点分析 (7)

2.3 独立悬架特点与分类 (7)

3 麦弗逊式独立悬架设计 (8)

3.1 麦弗逊式独立悬架设计概述 (8)

3.3 麦弗逊悬架的结构分析 (10)

3.4 悬架的弹性特性设计 (11)

3.5 悬架弹性元件设计 (12)

总结 (14)

引言

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。

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。

1 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。

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。

3 麦弗逊式独立悬架设计

3.1 麦弗逊式独立悬架设计概述

首先，要想设计麦弗逊悬架，我们必须先明确麦弗逊悬架的所有结构特点，例如侧倾中心高度较高；车轮外倾角与主销内倾角变化小；轮距变化很小，故轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较大可不装横向稳定器；横向刚度大；占用空间尺寸小；结构简单等，让我们的悬架设计的有针对性。其次，我们就要弄清楚一些必要的设计参数和它们的相互关系。然后才能一步步的计算下去。

为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，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在合适的频段，并尽可能低。前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车，要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架（或车身）。在簧上质量变化的情况下，车身高度变化要小，因此，应采用非线性弹性特性悬架。

要正确地选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之稍有不足转向特性。

麦弗逊悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，对悬架提出的设计要求有：

1）保证汽车有良好的行驶平顺性。

2）具有合适的衰减振动功能。

3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。

4）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。

5）有良好的隔声能力。

6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。

7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

3.2 麦弗逊悬架设计的原始数据

前轮中心：X：-56.0332 Y：722.251 Z：59.1244

后轮中心：X：2444 Y：711 Z：37

表3.1原始参数

3.3 麦弗逊悬架的结构分析

麦弗逊悬架由多个零件组成故在悬架机构分析中采用空间机构分析法对其进行分析。在运用此方法进行分析时，将悬架总成中的构件等效成刚体来研究悬架系统的空间运动。

图3.1是1/2麦弗逊式悬架的等效机构图，借助图中所示的等效方式，我们可以清楚地看出悬架摆臂和转向节之间的连接通过球副来等效；减振器外套筒和活塞的联接方式被等效成一个移动副；减振器的上支点和车身的联接被等效成一个转动副。这样，麦弗逊式悬架被抽象成一个封闭的空间机构。通过图示的等效方案可以使我们对悬架系统的分析变得简单，且不会在很大程度上影响分析的结果。

图3.2麦弗逊悬架的等效机构图

3.4 悬架的弹性特性设计

悬架受到的垂直外力F与由此引起的车轮中心相对于车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线，称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。

悬架的弹性特性有线性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形f与所受垂直外力F之间成固定的比例变化时，弹性特性为以直线，称为线性弹性特性，此时，悬架刚度为常数。当悬架变形f 与所受垂直外力F 之间不成固定比例变化时，弹性特性如图所示。此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置（图3.3点8）附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大。这样，可在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量。悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形位置消耗的功。悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。

图2.3悬架弹性特性曲线

3.5 悬架弹性元件设计

螺旋弹簧作为弹性元件，由于其结构简单、制造方便及有高的比能容量，因此在现代轻型以下汽车的悬架中应用相当普遍，特别是在轿车中，由于要求良好的乘坐舒适性和悬架导向机构在大摆动量下仍具有保持车轮定位角的能力，因此螺旋弹簧悬架早就取代了钢板弹簧。螺旋弹簧在悬架布置中可在弹簧内部安装减振器、行程限位器或导向柱使结构紧凑。通过采用变节距的或用变直径弹簧钢丝绕制的或两者同时采用的弹簧结构，可以实现变刚度特性。

就螺旋弹簧的端部形状来说也是值得注意的，螺旋弹簧端部可以碾细、并紧，直角切断或向内弯曲，典型结构如图3.4所示其中(a)为两端碾细，亦即在绕制弹簧之前先将钢丝两端碾细，碾细部分长度在绕后约占240°，末端厚度为钢丝直径的1／3 左右，绕成后末端几乎贴紧相邻一圈弹簧。必要时，两端都要磨平。这种结构的优点是节约材料，占用垂向空间小，特别是由于两端都平整，安装时可以任意转动，因而设计时弹簧的圈数可以取任意值，不必限于整数。其缺点是碾细需要专门工序和设备，增加了制造成本。(b)为直角切断型，其中一端并紧形成与弹簧轴线垂直的平面。这种结构的优点在于绕制简单，成本低，其缺点是增大了垂向尺寸和材料消耗，安装时需要一定方向并且需与之相配套的弹簧座，若两端都未整平，则修改设计时，弹簧圈数必须按整数增减。(c)为端部向内弯曲并形成与弹簧轴线垂直的平面，这种结构常用于和弹簧座配合起定位作

用，若两端都内弯，则需要专用设备。

图3-5螺旋弹簧的端部结构

总结

在大学的学习过程中,毕业设计是一个重要的环节,是我们步入社会参与实际工程的一次极好的演练,从最初的选题,开题到计算,绘图知道完成设计,期间,查找资料,老师指导,与同学交流,反复修改图纸,每一个过程都是对自己能力的一次检验和肯定.

本次设计为君越麦弗逊悬架系统设计与建模,设计的基本步骤为根据给定的轮距,轮胎,整备质量等各项基本参数,计算出悬架的刚度,静挠度,动挠度,弹簧刚度,弹簧圈数以及减震器的缸径,阻尼系数,最大卸荷力.通过数据计算所得出的各零件的数据,利用CATIA软件对悬架各个零件进行三维建模,同时对各主要零件完成二维图纸视图,然后完成悬架总成装配.

通过这次毕业设计,是我更加了解悬架系统,更加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,此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识的一次实际检验和巩固,同时也是为我以后走向工作岗位前的一次热身.