乘用车麦弗逊悬架结构设计

毛洪国

一、设计题目：乘用车麦弗逊悬架结构设计
二、设计参数   
驱动形式：4×2前置前驱                         轴距：2471mm
前轮轮距：1429mm 后轮轮距：1422mm            整车整备质量：1060kg
最高车速：180km/h                              最大爬坡度：35%
制动距离：5.6m                                 最小转弯直径：11m
发动机最大功率：74kg                           转速：5800r/m
转矩：150N•m                                 轮胎型号：185/60R14T
档位数：手动5档
空载前轴轴载质量：636Kg 空载后轴轴载质量：424kg
三、设计要求
（1）总装图                                                                1张
（2）零件图                                                                2张
（3）课程设计说明书（5000～8000字）                                       1份
四、进度安排（参考）
（1）熟悉相关资料和参考图             2天                           
（2）确定基本参数和主要结构尺寸       2天
（3）设计计算                         3天
（4）绘制总装配草图                   4天
（5）绘制总装配图                     2天
（6）绘制零件图                       2天
（7）编写说明书                       3天
（8）准备及答辩                       3天
五、指导教师评语


成  绩：            

指导教师　　　　　　　

日　　期　　　　　　　

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。
本文主要讲的是爱丽舍轿车前悬架设计，重点从爱丽舍轿车前悬架的选型、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，然后定下爱丽舍轿车前悬架的形式—麦弗逊式悬架。然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计算。
关键词：悬架、麦弗逊式、设计、减震器、横向稳定杆




























Abstract
Suspension is an important element of one of the modern automobile, it to the chassis (or body) and axle (or tires) flexibly link. Its main role is the role of transmission in the body between the wheels and all the power and moment, such as support of, system dynamics and driving force, and easing the road to the whole body impact load, decay resulting vibration，ensure the comfort of the crew, cargo and vehicles reduce their moving load.
The main stress is front suspension design，Training emphasis from the former car models, and models Absorber calculations, flexible choice of components and models and forms of stabilizer bar design data .First of all, I have a different form of a suspension of the advantages and disadvantages compared to the previous suspension of the car and then set form- Macpherson suspension. Then design around Macpherson suspension components. First, the spring-loaded design terms, to be absorber calculation models, a horizontal stabilizer bar final calculation. Stabilizer bar
Keyword：Suspension、 Macpherson 、Design Shock absorber、 Lateral stable pole


目录

1绪论        1
1.1 悬架重要性        1
1.2 悬架的作用及功能        1
1．3 悬架的设计要求        1
1.4已知参数        2
2 悬架挠度F 的计算        3
2.1 悬架静挠度 FC的计算        3
2.2 悬架动挠度 F D计算        3
2.3 悬架弹性特性        4
3 弹性元件的设计        5
3．1 弹簧参数的计算选择        5
3．1．1．空载计算刚度        5
3．1．2．满载计算刚度        5
3．1．3．按满载计算弹簧钢丝直径d        5
3．1．4．确定弹簧参数        6
3.2 弹簧校核        6
3.2.1 弹簧刚度校核        6
3.2.2 弹簧表面剪切应力校核        6
4 导向机构设计        8
4．1 导向机构设计要求        8
4．2 麦弗逊式独立悬架导向机构设计        8
4．2．1 导向机构受力分析        8
4．2．2 横臂轴线布置方式的选择        9
4．2．3 横摆臂主要参数        9
5 减振器的计算        11
5．1相对阻尼系数Ψ        11
5．2减振器阻尼系数Δ 的确定        11
5．3 减振器最大卸荷力 F0 的确定        12
5．4 减振器工作缸直径D 的确定        13
6 结论        15

1绪论
1.1 悬架重要性
现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性等之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。舒适性是汽车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。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。
1.2 悬架的作用及功能
    悬架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。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。汽车在不平路面上行驶时，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，使汽车振动的振幅连续减小，直至振动停止。
1．3 悬架的设计要求
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。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的能力。
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。
1.4已知参数
:驱动形式:4×2前置前驱
轴距：2471mm
前轮轮距：1429mm 后轮轮距：1422mm
整车整备质量：1060kg
空载前轴轴载质量：636Kg 空载后轴轴载质量：424kg
最高车速：180km/h
最大爬坡度：35%
制动距离：5.6m
最小转弯直径：11m
发动机最大功率：74kg
转速：5800r/m
转矩：150N•m
轮胎型号：185/60R14T
档位数：手动5档

2 悬架挠度f 的计算
2.1 悬架静挠度 fC的计算
    悬架静挠度f C汽车在满载静止时悬架上的载荷 F W此时悬架刚度才c 之比，即fC=Fw/c汽车悬架的振动系统的固有频率，是影响汽车平顺性的主要参数之一。而汽车部分车身固有率（偏频）可用下式表示：
  ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••   （ 2-1）
式中 C s——汽车前悬架刚度，N/mm；
     m s——汽车前悬架簧上质量，kg；
n——汽车前悬架偏频，Hz
而汽车悬架的静挠度可用下式表示：
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••   （2-2）
由这两式可得出：
     ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••  （2-3）
设计时取前悬架的偏频n=1.1Hz。
根据上面公式可以计算出前悬架的静挠度为：
fc=25/n2=206mm
2.2 悬架动挠度 f d计算
    悬架的动挠度 f d是指从满载经平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到妻子有高度的1/2 或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。要求悬架应由足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰到缓冲块。对乘用车， d f 取70～90mm；对客车， d f 取50～80mm；对货车， d f 取60～90mm。取悬架动挠度d f 为80mm。
2.3 悬架弹性特性
    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。

















3 弹性元件的设计
3．1 弹簧参数的计算选择
    对于大多数汽车而言，起悬挂质量分配系数ε=ρy2 /ab =0.8—1.2，因而可以近似的认为ε =1，即前、后桥上方车身部分的集中质量的垂向振动是相互独立的，并用偏频来表示各自、的自由振动频率。偏频越小。则汽车的平顺性越好。一般对于采用钢制弹簧的轿车，前悬架的偏频n=1—1.3Hz，非常接近人体步行时的自然频率。
   设计时取前悬架的偏频 n=1.1Hz，根据下面公式可以计算出前悬架的刚度：
              ••••••••••••••••••••（3-1）
式中 Cs ——汽车前悬架刚度，N/mm；
     ms ——汽车前悬架簧上质量，kg；
     n——汽车前悬架偏频，Hz
3．1．1．空载计算刚度
    根据估算可估计出前悬架簧下质量为52kg，已知前悬架空载前轴载质量为636kg，则起单侧簧上质量为ms ：
ms =  *(636-52)=292kg；
n=1.1Hz；
代入计算得：Cs = 4×1.12 × 3.142 × 292 =13948.5N/m
3．1．2．满载计算刚度
已知前悬架满载时轴载质量为753kg，则单侧簧上质量为ms ：
ms = 1/2× (753 − 52) =350.5kg
n=1.1Hz；
代入计算得：CS = 4×1.12 × 3.142 × 350.5=16743.0N/m
3．1．3．按满载计算弹簧钢丝直径d
根据下面的公式可以计算：
            ••••••••••••••••••••••（3-2）
式中 i——弹簧有效工作圈数，先取8
    G——弹簧材料的剪切弹性摸量，取8.3× 104MPa
    ——弹簧中径，取110mm
代入计算得： d=12.5mm
3.1.4 确定弹簧参数
弹簧钢丝直径d=12mm；弹簧外径D=122mm；弹簧有效工作圈数n=8；
3.2 弹簧校核
3.2.1 弹簧刚度校核
弹簧刚度的计算公式为：
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••（3-3）
代入数据计算可得弹簧刚度Cs 为：
••••••••••••••••••（3-4）
所以弹簧选择符合刚度要求。
3.2.2 弹簧表面剪切应力校核
    弹簧在压缩时其工作方式与扭杆类似，都是靠材料的剪切变形吸收能量，弹簧钢丝表面的剪应力为：

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••（3-5）
式中 C ——弹簧指数（旋绕比），C= Dm/d;
     K′——曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度影响的系数， K′= +
     P——弹簧轴向载荷。
已知 = 110mm ，d=12mm，可以算出弹簧指数C 和曲度系数K′ ：
C= Dm/d;= 110/12=9.16 ；
K′= + =1.02
P=（753-52）×1/2×9.8×cos10°=3382.7N
则弹簧表面的剪切应力：
τ = = = =558.9MPa
[τ ]=0.63[σ ]=0.63×1000 MPa =630 MPa
因为τ ＜[τ ]，所以弹簧满足要求。：

























4 导向机构设计
4．1 导向机构设计要求
对前轮导向机构的设计要求是：
1） 悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过±4.0mm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。
2） 悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应该产生纵向加速度。
3） 汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在0.4g 侧向加速度作用下，车身侧倾角小于等于6°～7°，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。
4） 制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后俯作用。
对汽车后轮独立悬架导向机构的要求：
1） 悬架上载荷变化时，轮距无显著变化。
2） 汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小，并使车轮与车身的倾斜反向，以减小过多转向效应。此外，导向机构还应有足够强度，并可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩。
4．2 麦弗逊式独立悬架导向机构设计
4.2.1 导向机构受力分析
作用在导向套上的横向力 F3 得：
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••（4-1）
式中,F1 前轮上的静载荷F1' 减去前轴簧下质量的1/2。
横向力F3 越大，则作用在导向套上的摩擦力F 3f 越大（f 为摩擦因数），这对汽车平顺性有不良影响。为了减小摩擦力，在导向套和活塞表面应用了减摩擦材料和特殊工艺。由上式可知，为了减小F 3，要求尺寸c+b 越大越好，或者减小尺寸a。增大c+出版使悬架占用空间增加，在布置上有困难；若采用增加减振器轴线倾斜度的方法，可达到减小a 的目的，但也存在布置困难的问题。为此，在保持减振器轴线不变的条件下，常将图中的G 点外伸至车轮内部，既可以达到缩短尺寸a 的目的，又可以获得小、较小的甚至是负的主销偏移距，提高制动稳定性能。移动G 点后的主销轴线不再与减振器轴线重合。
4.2.2 横臂轴线布置方式的选择
    麦弗逊式独立悬架的横臂轴线与主销后倾角的匹配，影响汽车的纵倾稳定性。如图所示。其中O 点为汽车纵向平面内悬架相对于车身跳动的运动瞬心。当摆臂的抗俯角-β ′ 等于静平衡位置的主销后倾角γ 时，横臂轴线正好与主销轴线垂直，运动瞬心交于无穷远处，主销轴线在悬架跳动时作平动。因此，γ 值保持不变。当-β ′ 与γ 的匹配使运动瞬心O 交于前轮后方时，在悬架压缩行程，γ 角有增大的趋势。当-β ′ 与γ 德匹配使运动瞬心O 交于前轮前方时，在悬架压缩行程，γ 角有减小的趋势。为了减少汽车制动时的纵倾，一般希望在悬架压缩行程主销后倾角γ 有增加的趋势。因此，在设计麦弗逊式独立悬架时，应该选择参数β ′ 能使运动瞬心O 交于前轮后方。

图4-1γ角变化示意图
4.2.3 横摆臂主要参数
下图为某乘用车采用的麦弗逊式前悬架的实测参数为输入数据的计算结果。图中的几组曲线是下横臂L l 取不同值时的悬架运动特性。由图可以看出，横臂越长， By 曲线越平缓，即车轮跳动时轮距变化越小，有利于提高轮胎寿命。
主销内倾角β 、车轮外倾角α和主销后倾角γ 曲线的变化规律也都与y B 类似，说明摆臂越长，前轮定位角度的变化越小，将有利于提高汽车的操纵稳定性。具体设计时，在满足布置要求的前提下，应尽量加长横臂长度。

图4-2麦弗逊式独立悬架运动特性

























5 减振器的计算
5．1相对阻尼系数ψ
    相对阻尼系数ψ 的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度c 和不同簧上质量ms的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。ψ 值大，震动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；ψ 值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数ψY 取得小些，伸张行程时的相对阻尼系数ψ S取得大些。两者之间保持ψ Y=（0.25～0.50）ψ S的关系。设计时，先选取ψY  与ψS的平均值ψ 。相对无摩擦的弹性元件悬架，取ψ =0.25～0.35；对有内摩擦的弹性元件悬架，ψ 值取的小些。为避免悬架碰撞车驾，取ψY =0.5 ψ S。
取ψ =0.3，则有：  
计算得：ψ S=0.4 ，ψ Y=0.2
5．2减振器阻尼系数δ 的确定
减振器的阻尼系数  。因悬架系统固有频率  ，所以理论上 。实际上，应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。我选择下图的安装形式，则其阻尼系数δ 为：
     
  ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••（5-1）
  
图5-1减震器安装位置
根据公式 ， 可得出：
  •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••（5-2）
代入数据得：ω =6.9Hz ，取a/b = 0.8 ，α =10°
按满载计算有：簧上质量 kg       
代数据得减振器的阻尼系数为：

5．3 减振器最大卸荷力 F0 的确定
    为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器打开卸
荷阀。此时的活塞速度称为卸荷速度 vx ，按上图安装形式时有
    ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••（5-3）
式中，v x为卸荷速度，一般为0.15～0.3m/s；A 为车身振幅，取± 40 mm；ω 为悬架震动固有频率。
代入数据计算得卸荷速度为：
v x=0.04×6.9×0.8×cos10°=0.22m/s
符合 vx 在0.15～0.30 之间范围要求。
    根据伸张行程最大卸荷力公式：F0 = cδvx 可以计算最大卸荷力。式中，c 是冲击载荷系数，取c=1.5；代入数据可得最大卸荷力 F0 为：

5．4 减振器工作缸直径D 的确定
     根据伸张行程的最大卸荷力F 0计算工作缸直径D 为：

    •••••••••••••••••••••••••••••••••(5-4)
其中，[p]——工作缸最大压力，在3 MPa ～4 MPa ，取[p]=3 MPa ；
      λ ——连杆直径与工作缸直径比值，λ =0.4～0.5，取λ =0.4。
代入计算得工作缸直径D 为：
mm
    减振器的工作缸直径D 有20mm、30mm、40mm、（45mm）、50mm、65mm 等几种。选取时按照标准选用，按下表选择。
  
所以选择工作缸直径D=30mm 的减振器，对照下表选择其长度：
活塞形程S=240mm，基长L=110mm，则：
Lmin=L+S =240+110 =350mm（压缩到底的长度）
Lmax= L+S= 350 +240 =590mm （拉足的长度）
取贮油缸直径Dc = 44mm ，壁厚取2mm





































6 结论
    通过这次课程设计，我深刻的认识到悬架对汽车的重要性。也认识到在悬架设计过程中要注意的一些问题.
    虽然麦弗逊式悬挂在行车舒适性上的表现令人满意，其结构体积不大，可有效扩大车内乘坐空间，但也由于其构造为直筒式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差。
　　麦弗逊式悬挂是因应前置发动机前轮驱动(ff)车型的出现而诞生的。ff 车型不仅要求发动机要横向放置，而且还要增加变速箱、差速器、驱动机构、转向机，以往的前悬挂空间不得不加以压缩并大幅删掉，因此工程师才设计出节省空间、成本低的麦弗逊式悬挂，以符合汽车需求。现在一般轿车的前后悬挂基本都是麦弗逊式或其变型。















参考文献
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[12]. J.Seiler,D.schr der. Hybrid vehicle Operating Strategies.EVS16 1999

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到最后结构的尺寸是什么，各个重要部件的零件图呢

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为什么公式都是点点点