麦弗逊前悬架设计-高尔夫2018款轿车的前悬架【三维CATIA】【6张CAD图纸和说明书所见所得】【QX系列】
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XXX大学毕业设计(论文)大众高尔夫轿车前麦弗逊式悬架的设计学院(系): XXX 专业班级: XXX学生姓名: XXX 指导教师: XXX 学位论文原创性声明本人郑重声明: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,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗,在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。(请在以上相应方框内打“”)作者签名: 年 月 日导师签名: 年 月 日摘 要为了对悬架的结构进行深入的学习,本文对高尔夫2018款轿车的前悬架进行了设计。根据车辆的整车参数,性能参数以及使用需求,通过设计,计算,校核选取悬架的基本参数,确定悬架的各个部件,如弹性元件,减振元件,导向机构以及横向稳定机构等,其采用的类型以及基本的参数,包括是否符合我们对于悬架的要求,根据高尔夫2018款轿车确定了部件之间的装配关系,之后运用caita完成悬架的模型建立。得到了各个部件之间的装配关系以及基本的尺寸模型,运用CAD完成悬架各部分的零件图以及整体的装配图论文主要研究了高尔夫2018款轿车的前悬架的设计以及校核,完成了悬架的模型建立和图纸设计。研究结果得出了该前悬架的参数以及数字模型,并且绘制了需要的零件图和装配图。关键词:独立悬架;麦弗逊式独立悬架;减震机构;导向机构;横向稳定机构;螺旋弹簧AbstractIn order to study the structure of the suspension deeply, this paper designs the front suspension of golf 2018 models. According to the vehicles vehicle parameters, performance parameters and usage requirements, the basic parameters of the suspension are selected through design, calculation, and calibration to determine the various components of the suspension, such as elastic elements, vibration-reducing elements, guide mechanisms, and lateral stability mechanisms, etc. Its type and basic parameters, including whether it meets our requirements for suspension, determine the fitting relationship of components based on the 2018 model of golf, and then use caita to complete the suspension model. Obtained the assembly relationship between the various components and the basic dimensional model, using CAD to complete the parts of the suspension and the overall assembly drawingThe dissertation mainly studied the design and verification of the front suspension of golf 2018 models, and completed the model establishment and drawing design of the suspension. .The results of the study yielded the parameters and the digital model of the front suspension, and the required parts and assembly drawings were drawn.Key words: independent suspension; MacPherson independent suspension; damping mechanism; guide mechanism; lateral stabilization mechanism; coil spring目录第一章 绪 论11.1悬架的功用和设计要求11.2悬架的结构形式11.3悬架的结构分类和比较21.3.1非独立悬架21.3.2独立悬架21.3.2.1双横臂式独立悬架31.3.2.2单横臂式独立悬架31.3.2.3纵臂式独立悬架41.3.2.4单斜臂式独立悬架41.3.2.5麦弗逊式独立悬架51.4国内外研究现状51.5课题主要内容和研究目的6第二章 悬架的分析和设计72.1悬架的结构分析72.1.1非独立悬架与独立悬架的结构选择72.1.2独立悬架的具体结构形式的选择72.3悬架的整体参数设计72.2悬架性能参数的选取82.2.1悬架的偏振82.2.2静挠度82.2.2悬架的动挠度92.2.3悬架的工作行程92.2.4悬架的刚度计算10第三章 减震机构设计及主要参数选择113.1减振器结构类型的选择113.3减振器主要参数选择133.3.1相对阻尼系数133.3.2减震器阻尼系数的确定133.3.3减震器最大卸荷力F0的确定143.3.4减震器工作缸直径D的确定153.3.5减振器的其他参数153.4减振器设计计算小结15第四章 导向机构的布置参数设计及优化。174.1导向机构的设计要求174.2导向机构的布置参数174.2.1侧倾中心的高度174.2.2.侧倾轴线184.2.3.纵倾中心184.3 导向机构的设计184.3.1导向机构的受力分析184.3.2横臂轴线的布置方式194.3.3摆臂长度的确定20第五章 横向稳定机构的设计21第六章 螺旋弹簧的设计及变形模拟226.1弹性元件螺旋弹簧226.2螺旋弹簧材质选择226.3螺旋弹簧的参数计算236.3.1弹簧中径236.3.2弹簧指数选择(弹簧旋绕比)236.3.3弹簧圈数n的选择246.3.4节距,螺旋角246.3.5弹簧高度246.3.6弹簧校核256.4弹簧设计小结256.5弹簧变形模拟25第七章 结论与展望27参考文献28附录A 公式计算(matlab编程)29附录B 整体建模图30致谢31武汉理工大学毕业设计(论文)第一章 绪 论1.1悬架的功用和设计要求悬架是车辆的车架(或车身)与车桥两者之间的所有的能够传递力和力矩的连接装置的整体概括总称。在现在汽车的组成之中占据了极为重要的作用。其存在一般在车辆中起到的功用是:(1)传递车架和车身理论之间的所有的力和力矩。(2)能够缓和或降低在路况水平差,不平整的路面上行驶时,由路面产生并传递给车架的振动,保证良好的行驶平顺性和操纵稳定性。在现在的悬架设计中,我们会提出以下设计要求:(1)能够给车辆不错的平顺性能。保证额振动频率保持在一个比较低的范围,以确保乘员在车辆运行时受到的振动加速度不超过国际标准的界限范围。(2)能够给车辆不错的减振能力,保证车轮和车身在共振区时的振动幅度不大,并且对于振动的衰减要足够快。(3)能够给车辆不错的操纵稳定性,车轮与导向机构之间的运动能够达到协调的状态,杜绝摆振现象的发生,使得车辆保持在不足转向状态。(4)确保车辆能有适当的抗侧倾能力,车辆制动和加速情况下能够抗“点头”和“仰头”。(5)能够传递力和力矩,尽可能的使得零部件的质量轻,并且有较长的寿命以及较高的强度。(6)结构紧凑,不会占用太多的布置空间,以便于车身其他总成的布置,并且具有良好的隔声能力。1.2悬架的结构形式悬架的主要组成部分包括弹性元件(弹簧),减振器,导向机构,在某些悬架中还要用到缓冲块和横向稳定杆。弹性元件的主要作用是向车身传递铅直方向上的力,并且弹簧能够弱化由于路面坎坷激发的冲击和振动。在现代汽车中我们经常使用的弹性元件包括以下几种:钢板弹簧,扭转弹簧,螺旋弹簧,空气弹簧(多用于高级轿车)等等。虽然弹簧能够降低路面带来的冲击,但同时会因此而造成长时间的振动,这会对乘坐的舒适性造成不利的影响。为了解决这个问题,我们需要将减振器与弹性元件并联安装,从而能够使得这种振动可以快速衰减,改善车辆操纵稳定性和行驶平顺性。在减振器根据不同的分类方法可以分为很多种,液压减振器是其中使用最普遍的。导向机构的功能就是传送车轮与车身间的力和力矩,并且使车轮相对车身跳动的运动轨迹维持在稳定的状态。如果悬架中的弹性元件选用了钢板弹簧这种形式,就可以不在悬架中设计导向机构。而在滑柱摆臂式悬架中需要放置横向稳定杆,这样可以增加车辆的横向刚度,可以使车辆保持在不足转向的特性里,这样能够获得一个良好的操纵稳定性和行使平顺性。1.3悬架的结构分类和比较在设计中,悬架的类型如下图所示的两种:非独立悬架和独立悬架。图1.1 非独立悬架与独立悬架1.3.1非独立悬架非独立悬架的特点是车辆两边的车轮都装载在一个整体车桥上。在行驶过程中,如果一个车轮受到不平路面冲击的影响,由于整体的作用,另一个车轮一定也会受到这个冲击的影响。非独立悬架的车辆在高速行驶的时候车辆的平顺性不太优秀,但是非独立悬架的构造简单,成本低廉,现在广泛应用于货车和客车上。 1.3.2独立悬架独立悬架的两个轮不同于非独立悬架,他们是分别独立的连到车身上,可以独立工作,不会互相干扰。在前轮使用独立悬架,可以不设置前轴,从而降低发动机的布置位置,进而降低车辆自身的质心高度,优善行使的平顺性。并且左右两轮互相之间没有影响,使得车身的振动可以降低。独立悬架分为以下几种形式:1.3.2.1双横臂式独立悬架双横臂式独立悬架的结构是上摆臂和下摆臂的内端通过摆臂轴以铰接方式和车架(身)链接,而其外端与转向节相连接,螺旋弹簧支撑在车架和下摆臂间,而减振器连接在车架和下摆臂的支撑盘上。双横臂式的摆臂长度有相等的等长双横臂式独立悬架,也有不等长的双横臂式独立悬架。在不相等的情况下如果配置好两臂的长度,轮距,车轮角度及主销角度以都不会发生较大变化。此类悬架侧倾中心不会太高,也能有一个比较大的横向刚度。双横臂式独立悬架的优点就是,结构较为复杂,但是相对来说更为耐用,同时减振器在工作状态下遭受的负荷较小,十分耐用,适用于小型货车的前桥。而起缺点是有两个摆臂的存在,对于空间的占用较大,悬架布置困难,所以一般乘用车不会采用此种布置形式。图1.2 双横臂式独立悬架1.3.2.2单横臂式独立悬架单横臂式独立悬架的特点就是车轮与车架之间的铰接只有一个,并非像双横臂式独立悬架一样的两个横臂,其横臂的内端与车架(身)相连,外端是与车轮相连的,弹性元件一般布置在单横臂和车身之间。单横臂式独立悬架一般来说结构不会太过复杂,拥有比较高的侧倾中心和比较强的抗侧倾能力。但是同时由于侧倾中心高,当车速提高时,急转弯情况下会造成车轮的垂直方向载荷转移过大,造成后轮的侧偏刚度减小,极有可能造成告诉甩尾的危险后果。所以单横臂独立式悬架在最早用作汽车后悬架,在现在正在逐渐被淘汰。图1.3 单横臂式独立悬架1.3.2.3纵臂式独立悬架纵臂式独立悬架有两种类型,分别是单纵臂式独立悬架或双纵臂式独立悬架。单纵臂式独立悬架的纵臂与汽车的纵向轴线是相互平行的,其断面大多为封闭的箱型结构,一端与车轮心轴相连,另一端与套管相连。套管内装有扭杆弹簧。当车轮发生跳动时,套管里面的扭杆弹簧会因此而发生扭转变形,由弹簧来缓和不平路面产生的冲击。优点是结构较为简单,车轮跳动时大多角度变化小,适用于做部分乘用车的后悬架,但是主销后倾角的变化可能会比较剧烈,不适合用作前悬。1.3.2.4单斜臂式独立悬架单斜臂式独立悬架是结合单横臂式和单纵臂式产生的折中方案,为了布置需要确定一个合理的汽车纵轴线和摆臂轴线的夹角,定位参数会有变化,几乎不怎么占用高度空间,图1.4 单斜臂式独立悬架结构也相对比较简单,成本较低。1.3.2.5麦弗逊式独立悬架麦弗逊式独立悬架又称为滑柱摆臂式独立悬架,是一种大量用于中级以下乘用车的前悬架。麦弗逊式悬架是对于烛式悬架进行改进而产生的悬架类型。此类悬架的减振器两段连接的是车身和转向节。在装有麦弗逊悬架的车辆中,车轮受到的侧向力会有很大一部分让横摆臂承受,所以滑动摩擦和磨损可以有明显的减少。不过在车轮进行上下的运动时,减振器的下端支点往往会跟随者横摆臂摆动,导致主销轴线的角度会不断的变化,此时就需要调整杆系的设计来布置悬架。麦弗逊式独立悬架的优点就是结构紧凑,占用空间少,便于发动机以及整车的布置,而且技术成熟,使用方便,所以广泛应用于各种乘用车的前悬架。缺点是由于结构过于简单,刚度和稳定性都较为差劲,需要加装横线稳定装置来弥补转弯时候的侧倾问题。图1.5 麦弗逊式独立悬架1.4国内外研究现状陈黎卿,运用动力学和空间机构运动学的方法研究出了一套如何计算麦弗逊独立悬架运动特性参数的方法,并且采用了一种实例来对悬架的导向机构进行了分析计算1;陈辛波, 王斌, 朱琳, 冯春晟在麦弗逊式悬架的阻尼特性与悬架刚度的分析过程中,建立对于悬架一系列数据进行分析的数学模型, 给出如何在选定偏频和相对阻尼比的情况下,选取螺旋弹簧的刚度和减振器的阻尼参数2;艾维全、高世杰、王承、廖芳在抗前倾能力提高和下控制臂纵向“0 偏移”L 形设计两个方面进行了新的探索,并且达到了理论上的优化3;蒋国平,王国林 ,周孔亢对现有麦弗逊悬架各角度分析,确定需对麦弗逊悬架的转向机构进行一系列的优化, 改善前束角伴随着车轮跳动的变化特性,在此种改善下可以获得更加优秀的不足转向特性4。Vikranth Reddy, Madhu Kodati, Kishen Chatra, Sandipan Bandyopadhyay对于复杂的悬架系统的完整空间模型进行了位置运动学的分析5;Shoaib Khan, Yagvendra Joshi, Ashutosh Kumar and Ramesh Babu Vemuluri提出了双横臂(DWB)和麦弗逊支柱(MPS)悬架系统的对比研究,对两种悬架系统的挠度,应力,频率和应变,进行了各种分析6;Banitalebi Dehkordi, Hooman根据道路情况考虑用于分析和车辆的速度,可以获得麦弗逊式悬架系统的整个部件的速度和加速度方程并通过有限元分析确定下臂的应力状态7。随着对于内燃机的更高要求以及新能源汽车的发展,对于麦弗逊悬架的要求有了新的改观和发展。1.5课题主要内容和研究目的1.通过任务目标,对悬架各个结构以及布置进行充分的了解。2.进行结构的分析和计算,保证零部件的使用。3.使用CATIA进行建模,对于悬架内各部分的相互关系进行充分了解。4.使用CAD进行图纸绘画,对未来的使用学习奠定基础。第二章 悬架的分析和设计2.1悬架的结构分析2.1.1非独立悬架与独立悬架的结构选择为了适应不同的车辆类型的需要,以及对于结构,布置,成本的多方面考量,车辆也不是固定只会采用同种类型,同种参数的悬架。高尔夫前款车型的后悬架采用的即为扭力梁悬架,而在2018新款车型中采用的便是多连杆悬架,所以我们在车辆选择悬架类型的时候,需要考虑多方面因素。我们本次设计对象为乘用轿车,乘客的乘坐舒适性是一个极为重要的考虑因素,所以前悬架选择独立悬架优于非独立悬架。2.1.2独立悬架的具体结构形式的选择在前章我们已经对各种形式的悬架进行了阐述介绍。其中的麦弗逊式独立悬架,具有结构简单,性能优秀,布置紧凑,占用空间小等优点。所以对于大多数发动机前置驱动轿车的前悬选择来说,麦弗逊悬架通常是最优选择。本次高尔夫2018款车型,前悬形式也选择的麦弗逊悬架。2.3悬架的整体参数设计悬架的设计一般可以分为结构形式的设计和主要参数的选择与详细设计这两个阶段,并且由于不断的校核和改善,我们通常会反复进行这两个阶段。由于悬架的参数会对整车的特性有较多的影响,并且会影响到其他总成模块的布置,所以经常需要综合考虑确定。本次设计对象的基本参数:表2.1 车辆整体参数汇总2018款 1.6L 手动时尚型长4259宽1799高(mm)1452发动机排量(毫升)1598最大功率(kw)81/5800最大扭矩(N.M)155/3800油耗(L/100km)5.9轴距(mm)2637满载质量(kg)1525整备质量(kg)12002.2悬架性能参数的选取2.2.1悬架的偏振一般车辆的悬挂质量分配系数分布在0.8到1.2之间,我们可以认为=1,此时代表着在前后车桥的上方车身的垂直振动是相互独立的。对于前后不同部分车身的固有频率,我们用偏振n1,n2来予以表示。对于不同用途的车辆来说,平顺性的需求也有所差别,而其中乘用车对于平顺性的要求最高,其次是商用客车和商用货车。一般来说,1.6L排量的乘用车,其前悬架的偏振频率n1取1.01.45HZ,而后悬架的偏振频率为1.171.58HZ,而对于高级别的乘用车,会有更高档次的要求,前悬的偏振频率n1应该取0.81.15HZ,后悬的偏振频率n2应该取在0.981.3HZ。在本次对于高尔夫2018款的麦弗逊前悬架的设计中,我们的偏振取值接近人体步行时的频率,即n1=1.2HZ。2.2.2静挠度对于=1的时候,汽车的悬架偏振n可以用下面的式子表示: 式中,c-前悬架或者后悬架悬架刚度(N/cm);m-前悬架或者后悬架簧上质量(kg)。悬架静挠度指的是车辆在满载的状态下,悬架的载荷F与悬架刚度C的比值。如果悬架的刚度为常数,我们可以用下面这个式子表示悬架的静挠度: 式中:g为重力加速度,g = 9810mm/s2.。通过上面两个式子我们可以得出: 因为在上一节中我们选定了偏移频率 n = 1.2Hz 带入到静挠度公式中,我们可以求得:而对于静挠度来说,不同的车型具有不同的取值范围:乘用车的静挠度取值范围为100300mm;商用客车的静挠度取值范围为70150mm;商用货车静挠度取值范围为50110mm;越野车静挠度取值范围为60139mm。8所以综合取值范围和计算过程,我们可以求得静挠度为173.6mm。2.2.2悬架的动挠度悬架的动挠度大小通常要根据静挠度大小来进行对应确定,通常在路况较好,较为平顺状态下行使的乘用车,Fd/fc的取值较为小一些,对于经常在恶劣路况下的车辆,Fd/fc取值会较为大一些。乘用车的动挠度取值范围为7090mm;商用客车的动挠度取值范围为5080mm;商用货车动挠度取值范围为6090mm;越野车动挠度取值范围为70130mm。8根据刚才所求的静挠度我们取本次的动挠度为80cm。2.2.3悬架的工作行程由式可以知道如果想获得一个较为良好的平顺性,悬架应该比较软,这样能够使得车辆的偏频降低。但是在一定的载荷下,较软的悬架比较硬的悬架变形量也大。所以对于通常情况下设计轿车,悬架总工作行程(即静挠度与动挠度之和)超过160mm。而=173.6+80=253.6mm160mm,符合要求。2.2.4悬架的刚度计算已知整车的整备质量:m=920kg,我们在本次设计中取簧上质量为870kg;簧下质量则为50kg,知:表2.2 前置前驱轿车的轴荷分配(%)9前轴 后轴空载满载5666476034444053空载前轴单轮轴荷取60%: =261kg。满载前轴单轮轴荷取50%:(满载时车上5名成员,60kg/名)。 悬架刚度:=。第三章 减震机构设计及主要参数选择3.1减振器结构类型的选择弹簧虽然能够吸收或者放出能量,但是一般在耗散能量方面较为差劲。所以如果悬架上只有弹簧一种阻尼部件,没有其他的阻尼结构,弹簧悬架将会使得车辆不断的跳动,并且无法控制,这会导致车辆振动加剧,甚至发生共振的情况,对于车辆造成不利的影响。所以,从安全性,平顺性和操纵稳定性等多种因素考虑,车辆悬架基本都需要安装悬架减振器。减振器,又被称作缓冲器,通过控制阻尼过程来配合弹簧的跳动,快速对振动进行衰减。减振器根据他的结构可以分为摇臂式减振器和筒式液压减振器。可以依据不同的能量转换介质划分为摩擦式减振器,液压式减振器和电磁式减振器等几种形式。依照减振器额阻尼是否能够调节,可以将减振器分为阻尼可调式减振器和非阻尼可调式减振器。按照是只在伸张行程起作用,还是在伸张和压缩行程都起作用,可以分为单向作用式减振器和双向作用式减振器,其中前者叫做单向作用式减震器,后者叫做双向作用式减振器。本次设计采用的液压筒式减振器具有工艺简单,成本较低,寿命较长,质量较轻的优点,并且主要零件便于加工,适合大批量的生产。我们依据图3.1来说明其工作原理。图3.1 双向作用筒式减振器工作原理示意图在压缩行程中,车轮凸起,这种情况下减振器就会压缩,其中的活塞会向下运动,导致的结构就是减振器的下腔容积减小,体积缩小,压强增大,油液便因为上下腔产生的压力差进入到上腔,此时通过的流通阀。同时,活塞杆向下移动会使得其在减振器内部占据的总体积增加,减振器内部的上腔和下腔的总体积缩小,压强的作用使得有的油液挤开压缩阀,涌进储油缸。而在伸张行程油液的流动方向与压缩行程的相反,只不过油液从上腔到下腔经过的伸张阀(流通阀关闭),从储油缸进入下腔的油液通过的是补偿阀。通过在这两个过程油液的不同节流作用,减振器提供相应的阻力。10图2.2 MJ行业标准减振器示功图我们来表示减振器的特性性能,通常是示功图来表示的,图2.2就是某减振器的示功图,示功图就是用阻尼力随着位置改动而绘制的曲线来表示。特性也可以通过阻力位移曲线和阻尼速度曲线来表示通过图2.3阻尼-位移特性是表征减振器在两个不同的行程中所反映的不同的阻力变化。这是在专门的实验台,在规定的行程以及振动次数下测得的,而对应的阻尼速度曲线是根据减振器的振动速度关系得到的。减振器的速度特性在实际测定结果下不是线性的,但是为了设计方便我们可以将其视为分段的线性阻尼特性,从图2.3观察,我们可以知道这一特性一般是被看做由四条近似直线的线段组成。在有特定要求的减振器设计中,会对减振器的阻尼速度特性进行若干点的要求,以此来得到满意的特性。而在高尔夫2018款悬架减振器设计中,应当予以考虑的性能参数为相对阻尼系数和阻尼系数,并且对减振器的尺寸参数(如减振器工作缸直径,储油筒直径等)进行设计,最终能够进行绘图。图2.3 阻尼-位移特性和阻尼-速度特性曲线3.3减振器主要参数选择3.3.1相对阻尼系数相对阻尼系数的指的是在簧上质量和刚度C的不同悬架系统在使用时,减振器的阻力作用会产生并不相同的效果。值越大,振动在衰减的同时会将越大的不平路面的冲击传递给车身。所以在大多数情况下,我们在压缩行程时会取一个比较小的相对阻尼系数,伸张行程时会取一个比较大的相对阻尼系数,并且使得这两个保持=(0.25-0.50)的关系。我们设计相对阻尼系数时,一般先选取与的平均值。对于采用螺旋弹簧的无内摩擦的悬架,取=0.25-0.35;对有钢板弹簧这种有内摩擦的悬架,值一般应该比较小;对于越野汽车此类在较差路况行使的汽车,为预防悬架与车架发生碰撞,取=0.5。取=0.3,则有(+0.5)/2 = 0.3 ,最终求得=0.4,=0.2。3.3.2减震器阻尼系数的确定减震器阻尼系数: 不同的悬架会有不同的布置形式,本次设计所采用的的麦弗逊悬架布置图如下,在这种布置形式下,阻尼系数的计算公式为: 图2.4 麦弗逊悬架减震器的布置根据 可以求得:满载时计算前悬刚度:代入数据得:=6.3HZ,取,在车辆满载的情况下可以求得簧上质量m2=345kg,因此我们得到减振器的阻尼系数为:=2158.5Ns/m。3.3.3减震器最大卸荷力F0的确定为减弱地面传递给车身的冲击力,当活塞运动的速度高于既定的某个阈值时,需要卸荷阀开启,我们称这种情况下的活塞速度称作为卸荷速度,可知: 式中,为卸荷速度,一般为0.150.3m/s,A为车身振幅,取;为悬架振动固有频率。代入数据计算得卸荷速度为:V=0.23m/s一般情况下应该在0.150.3m/s,本次设计符合要求。在伸张行程中,F0可以用下面的公式求得: 式中,c为冲击载荷系数,取c=1.5;将所求的数据带入公式,我们可以求得为: F0=1.521590.23=748.5N3.3.4减震器工作缸直径D的确定 根据我们可以利用公式求工作缸直径D为: 式中,-工作缸最大压力,范围为3Mpa4Mpa,取=3Mpa;-连杆直径与工作缸直径比值,=0.40.5,取=0.4。代入计算得工作缸直径D为: 根据国家标准,我们可以知道筒式减振器的工作直径通常圆整为20,30,40,50,65等系列。而在本次设计中,因为活塞杆需要进行长期的往复运动,我们应该选取一个较粗的活塞杆直径来保证较高的强度。所以我们选一个较高的工作缸直径,选择工作缸直径D=30mm的减震器,对照上表选择起长度:活塞行程S=240mm,基长L=110mm,则:(压缩的长度)(拉足的长度)3.3.5减振器的其他参数储油筒外径可以用公式Dc=cDh 求得,通常c=1.351.50,本次设计中我们取1.4所以可以求得:Dc=301.4=42mm储油筒的壁厚通常为1.52mm。材料选用20号钢。活塞杆杆长可以用公式dg=d Dh求得,通常d=0.30.035,本次设计为了使得杆长为整数我们得到杆长为dg=0.333330=10 mm。3.4减振器设计计算小结表3.1减震器参数减振器参数名称 数据mm工作缸直径 30储油缸外径 42活塞杆杆长 10主油缸直径 44最大压缩长度 350拉足长度 590 第四章 导向机构的布置参数设计及优化。4.1导向机构的设计要求对于本次设计,导向机构的设计要求如下:1)当悬架受到的载荷发生改变时,轮间距离的变化不超过4.0mm,否则轮胎会产生较高的磨损。2)当悬架受到的载荷发生一定的变动时,前轮不会产生特别大的纵向加速度。3)当轿车进行转弯时,车辆侧倾角要尽可能的小,并且保证车轮和车身的倾侧方向同向,增加不足转向特性。4)当车辆制动或者加速时,车身能够抗前附或者抗后仰。导向机构的其他要求:同大多数部件一样,我们需要保证有足够的强度,能够可靠的传送除了垂直力以外的各种力和力矩。4.2导向机构的布置参数4.2.1侧倾中心的高度根据图片,经悬架和车身的连接点(E点),做活塞杆的运动方向的垂线,并且在下横臂线的方向做延长线,最终的交点即为P点。图4.1 麦弗逊悬架的侧倾中心如果减振器柱(EG)越垂直的布置,下摆臂(GD)越水平的布置,侧倾中心(W点)就会离地面越近会导致车轮上下跳动时,外倾角的变化超出合理的范围。所以我们首先第一步确定侧倾中心的位置,之后再根据悬架的设计情况,不断地调整侧倾中心的高度hw,最终得到符合设计要求,满足悬架需求的中心位置。11本次设计侧倾中心的高度为194.6mm,满足需求。4.2.2.侧倾轴线侧倾轴线是将前后侧倾中心连接在一起的线。再设计侧倾轴线的时候应该使其大致与地面平行,并且尽可能远离地面。前者的要求是为了使得在转弯的时候车辆前轴和后轴的载荷变化大致相等,保持其原有的转向特性;而后者的要求是为了使得车辆能够有一个合理的侧倾,不对车辆的正常行驶造成无法控制的影响。在前轮驱动车辆中,前轴的载荷一般高于后轴,并且作为驱动轴,其载荷的变化应该较小。所以,综合来说,除了纵臂式悬架以外的独立悬架,我们应该保证前高度在0120mm的范围内,而后悬架中心的高度在0150mm的范围内。图4.2 纵倾中心的位置纵倾中心的告诉为236.8mm,满足需求。4.2.3.纵倾中心.纵倾中心同样由作图法可以求出,经过E点做活塞杆运动方向的垂线,经过G点做摆臂平行线,垂线和平行线的交点即为纵倾中心(O点)。4.3 导向机构的设计4.3.1导向机构的受力分析根据图4.3所表示的麦弗逊悬架的受力简图,我们可以知道横向力F3可以用以下公式求得:F3 = F1ad/(c+b)(d-c) (4.1)式中:F1-前轮的静载荷F1减去前轴簧下质量的1/2。图4.3 麦弗逊悬架受力简图横向力F3越大,其产生的摩擦力f3(f3=fF3,f为摩擦系数)也就会越大,而f3越大,汽车的平顺性收到的影响也就越不好,不符合我们的设计思路。所以为了降低摩擦力,我们首先可以减小摩擦系数,采用减摩材料或者对接触表面进行特殊处理。其次,如果F3减小,f3也会相应的减小,通过式4.1,如果想让F3减小,应当提高c+b的尺寸大小,或者减小a的尺寸大小。而前者会使得悬架的尺寸更大,导致布置困难。所以,在保持减振器的中轴位置不改变的要求下,我们通常将G点延伸到车轮的内部。这样做有两个好处,其一是可以使得a的尺寸大小减小,其二可以获得较小的主销偏移距,这样可以提高制动的稳定性。4.3.2横臂轴线的布置方式使用麦弗逊悬架的车辆的纵倾稳定性受到横臂轴线是否与主销后倾角匹配影响。图中O点是在纵向平面内车辆悬架跳动的运动瞬心。结合简图可以得知,如果摆臂轴的抗前附角-与静平衡位置下的主销后倾角0相等,摆臂的轴线可以正好垂直于主销轴线,而此时的运动瞬心则在无穷远处,这意味着主销轴线是在作平动,主销后倾角可以保持不变。如果摆臂轴的抗前附角-和主销后倾角0所对应的运动瞬心O位于前车轮的后方,在压缩进程中,主销后倾角就会有不断增大的趋势。如果摆臂轴的抗前附角-和主销后倾角0所对应的运动瞬心O位于前车轮的前方,在压缩过程中,主销后倾角就会有不断减小的趋势。而我们在设计麦弗逊悬架的时候,通常会使悬架压缩行程中主销后倾角能够有增大的趋势,所以我们会让摆臂轴的抗前附角-和主销后倾角0所对应的运动瞬心O位于前车轮的后方。图4.4 横向轴线的示意图4.3.3摆臂长度的确定通过参考某桥车的麦弗逊悬架的实测参数作为输入数据而得出的下摆臂取若干组值的悬架运动特性(见图4.5)。我们可以得出结论:摆臂的长度越短,By的曲线越趋陡,轮胎的耐用度会降低。所以我们在悬架设计的时候,在满足布置要求,不影响车辆其他布置的情况下,应该尽可能的增加长度。图4.5 摆臂长度的影响第五章 横向稳定机构的设计由于现代轿车的侧倾角刚度都设计的不大,所以汽车在急转弯状况下,车身的侧倾较为严重,十分影响汽车的稳定性。为了改善这个问题,我们通常都在现代汽车中加装横向稳定装置。本次高尔夫2018款前麦弗逊悬架的设计中,我们采用横向稳定杆。横线稳定杆的作用一是增加车辆的侧倾角刚度,减小转弯情况下的车身侧倾角,作用二是通过选择一个恰当的前后悬架的侧倾角刚度比值,以此来获得需要的不足转向特性。但是横线稳定杆会带来一定的不利因素,即车辆在路况较差的路面行驶时,会由于横向稳定杆,增加垂直刚度,影响行驶平顺性。由于横向稳定杆的设计比较具体化,暂时没有固定的规律,经过参考例子,对于实际物体的测量数据与本次设计的车型,最终选定的尺寸如下横向稳定杆的直径d=22mm。通过观察实际车型,其链接方式是通过球铰链接在减振器滑柱上,实际位置如图6.1。图6.1 整体装配图第六章 螺旋弹簧的设计及变形模拟6.1弹性元件螺旋弹簧在本次设计中,螺旋弹簧承受振动,并且它占用空间小,质量不大,也不需润滑,不忌油污,并不会像钢板弹簧那样因内部滑动摩擦而造成磨损,所以螺旋弹簧作为弹性元件的最优选择。螺旋弹簧是我们最常见到的一种弹性元件,弹簧结构简单,便于制作。弹簧的顶端结构有多种选择,根据国标GB1239-1976我们可以知道圆截面材料压缩弹簧的顶端结构分为四种,其中第一种和第二种端圈并紧,保证弹簧顶端能够和轴线垂直;第三种和第四种的结构顶端既不磨平也不会并紧,这种需要在弹簧坐上作出相应的形状与端圈接触的形状,以此来保证良好接触。在通常我们的考虑中,根据弹簧指数来确定是否磨平端部。当弹簧指数在3-10之间,我们最好对弹簧顶部进行磨平;当弹簧指数在10-15之间,我们即可以对端部进行磨平。也可以不磨平,当弹簧指数大于15时,我们可以不对端部进行磨平。表6.1 弹簧端部的选择序号简图端部结构型式Y两端圈并紧并磨平Y两端圈并紧不磨Y两端圈不并紧6.2螺旋弹簧材质选择螺旋弹簧在悬架中起到了重要的作用,他需要有良好的弹性极限和疲劳极限,满足对应力的要求,因此我们选用一种较为常用的材质,即60Si2MnA ,这种材料的性能参数见下表:表6.2 弹簧的性能参数12性能参数 数据剪切应力 750MPa剪切模量G 8000弹性模量E 20000MP6.3螺旋弹簧的参数计算6.3.1弹簧中径弹簧中径的尺寸应该按照下表推荐的范围选取:表6.3 弹簧中径的选取第一系列0.40.50.60.70.80.911.21.622.533.541216202.530354045505560708090100110120130140150160180200220240260280300320360400第二系列1.41.82.22.83.23.84.24.85.56.57.58.59.51418222832384248525865758595105115125135380450我们粗选弹簧中径Dm,取80.mm。弹簧直径d,取10mm。6.3.2弹簧指数选择(弹簧旋绕比)旋绕比(弹簧指数)对弹簧的加工工艺有着直接的影响,越小的弹簧旋绕比意味着越大的弹簧曲率,越大的弹簧曲率意味着弹簧卷制的困难。13弹簧的旋绕比与弹簧中径D2和直径d有关,公式为: 弹簧一般的选择范围是C=4-16这里初选旋绕比C=8。6.3.3弹簧圈数n的选择按照表6.3推荐的位数选取弹簧的有效圈数n。并且为了避免载荷偏移而造成过大的附件力,有效圈数应该在3圈以上。14弹簧的有效圈数的公式为: 将将G=79000MPa,d=12mm,D=96mm,=28844.79N/m代入式得表6.4 弹簧圈数的选取常用弹簧圈数22.252.52.7533.253.53.7544.254.54.7555.566.577.588.599.51010.51111.512.513.514.51516182022252830对于总圈数n1的尾数,应该采用1/4,1/2,3/4整圈。选择0.75的支承圈,可以求得总圈数:N1=n+n2=7.56.3.4节距,螺旋角弹簧节距一般取(0.30.5)D2,而对应的螺旋角取59。所以在本次设计中我们取节距为30,螺旋角为7。6.3.5弹簧高度自由高度:弹簧在自由状态下的纵向长度。在n2=1.5时,用下面公式求得:H0=tn+d =306+d=190mm压并高度:弹簧各圈在接触状态下的高度。对于本次设计:Hb(n1-0.5)d=7d=70mm6.3.6弹簧校核对于弹簧的剪切应力为: 式中 C为弹簧指数(旋绕比), 为曲度系数,为表征簧圈曲率对强度有多大影响的系数,P为弹簧轴向载荷由的公式可以求得 由P的求法可以得出:P=3459.8cos14=3279.57则弹簧的剪切应力为:=83257.981.18/(3.141010)=723MPA而我们可以得知=750MPA,弹簧的各项参数粗选符合要求,所以设计合理。6.4弹簧设计小结弹簧整体参数列表及建模如下: 表6.5弹簧参数表 弹簧参数名称 数据(mm) 弹簧丝直径 10 弹簧中经 85 自由高度 190 节距 306.5弹簧变形模拟对于弹簧,我们利用ansys软件进行了简单的变形模拟,按照设计的弹簧加上载荷力,其产生的变形以及载荷变化如图,此处只截取初始状态和最终状态的两个片段。弹簧采用的是本次设计中的弹簧,具体参数见本章前文。初始负载为1/4载荷,具体计算见第二章,取3450N。图6.1 弹簧初始状态图6.2 弹簧压缩状态第七章 结论与展望本文根据高尔夫2018款轿车,对在当今汽车设计悬架系统中,应用最为广泛的麦弗逊悬架展开了设计和研究。根据厂家公布的汽车各项参数以及对于实车的测算,完成了麦弗逊悬架的性能参数,尺寸参数的选择,以及各个部件的设计完善,并且采用了CATIA建立了麦弗逊悬架的数字装配模型,用CAD绘制了零件以及整体的装配图。具体来说完成了:(1)悬架的整体性能参数设计以及尺寸设计; (2)对于悬架各组成部分进行了选择和设计,比如弹性元件,导向机构,减震机构等等;(3)采用CATIA对各组成部件进行了三维模型绘制,并且建立了整体的装配模型;(4)使用CAD完成了二维图纸的绘制,得出了平面图。由于时间有限以及自己有限的知识含量和专业技能不强,并且对于实物的具体图片难以得到。在设计过程中,并没有进行特别详尽的选择,确定所有制造中的参数,并且也没有进行全面的仿真。是根据设计类书籍以及实物的指导,设计出了理论上的模型。简单来说还有以下方面可以深入探索:(1)对转向节,但需要具有相当的强度下的铸造件,对强度可以进一步分析;(2)对于各部分都可以进行有限元分析,确定其强度是否可以;(3)悬架的硬点坐标可以进一步优化,完善悬架的性能。参考文献1. 陈黎卿,麦弗逊式独立悬架导向机构的运动特性J,拖拉机与农用运输车,2005(5):57-60页.2. 陈欣,李联邦,胡国庆等,麦弗逊式独立悬架动力学分析J,拖拉机与农用运输,2012(3):23-28.3. 艾维全,高世杰,王承等,麦弗逊式前悬架的设计改进及分析J,上海汽车,2004:26-28.4. 蒋国平,王国林 ,周孔亢,麦弗逊悬架运动特性的静态试验研究J,武汉理工大学学报,2006(7):119-122.5. K.Vikranth Reddy, Madhu Kodati, Kishen Chatra,et al.,A comprehensive kinematic analysis of the double wishbone and MacPherson strut suspension systemsJ, Mechanism and Machine Theory,2016:441-470 .6. Shoaib Khan, Yagvendra Joshi, Ashutosh Kumar ,et al.,Comparative study between double wish-bone and macpherson suspension systemJ, IOP Publishing,2017:1-9 .7. Banitalebi Dehkordi, Hooman, Banitalebi Dehkordi, Hooman, Vibration and force analysis of lower arm ofsuspension systemD, Canada ,Universite du Quebec a Chicoutimi,2014.8 过学讯.汽车设计(第二版)M北京:人民交通出版社,2013:149.9 罗永革,冯樱.汽车设计M.北京:机械工业出版社,2013:31.10陈家瑞.汽车构造(第五版)M.北京:人民交通出版社,2002:253-254.11王丰元,马明星.汽车设计课程设计指导书M,北京,中国电力出版社,2009:205-209.12 罗继相,王志海.金属工艺学M.武汉:武汉理工大学出版社,2010:28-2913 王国权,龚国庆. 汽车设计课程设计指导书北京M.北京:机械工业出版社,2009.11:136-139.,附录A 公式计算(matlab编程)论文中所用公式计算如下:%c% m% N% f_c% Delta% Psi% m_s% Omega% n% a% Alpha% C_s% V_s% A% k% F_0% D% Lamda% P% D_2% d% G% K_s% K1N =sqrt(c/m)/2*pi;%2.1f_c = mg/c;%2.2N = 5/sqrt(f_c);%2.3Delta = 2*Psi*sqrt(c*m_s);%3.1Delta = (2*Psi*m_s*Omega*n*n)/(a*a*cos(Alpha)*cos(Alpha);%3.2n = sqrt(C_s/m_s)/(2*pi);%3.3V_x = A*Omega*a*cos(Alpha)/k;%3.4F_0 = c*Delta*V_x;%3.5D = sqrt(4*F_0/(pi*P*(1-lamda*lamda);%3.6C = D_2/d;%6.1n = G*d*d/(8*K_s*D3);%6.2Tau = 8*P*D_m*K1/(pi*d3);%6.3Tau = 8*P*C*K1/(pi*d3);%6.3(计算代入所取数值,计算结果如论文中所述)附录B 整体建模图图B1 整体建模图致谢通过努力学习和每天的反复进行,设计的任务和要求按照规定日期完成,设计的目的基本完成,达到规定的要求。通过毕业设计,提高了自己的文献检索能力,翻译能力,学习能力以及对悬架乃至汽车整体布置的了解。毕业设计不仅是对在本科期间学习内容的检测,更是对综合设计能力的一种培养,对以后学习或是工作奠定坚实的基础。在毕业设计期间,我受到老师的教导与监督,有同学的帮助与探讨,从设计,论文草稿,初步建模,撰写说明书,绘制二维图,他们都给予我了巨大的支持与鼓励,从技术上予以支持。这些帮助鼓励我完成了整个毕业设计。在设计的初期,对于三维设计软件的不熟悉,已经部分结构较为复杂,不知所措,在开始的画图过程中存在了较多的困难,经过老师同学的指导帮助以及我自己的学习,终于以较为不错的速度和质量完成了画图的过程。在此,必须对在整个本科学习过程以及在毕业设计的过程中,给予过我帮助的每一个人,报以真挚的感谢,在未来的每一天,都是你们帮助下安好的一天。 31
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