双叉臂式独立悬挂设计.docx

工业学院教务处制双叉臂式独立悬挂设计摘要双叉臂式悬挂又称双A臂式独立悬挂，双叉臂悬挂拥有上下两个叉臂，横向力由两个叉臂同时吸收，支柱只承载车身重量，因此横向刚度大。双叉臂式悬挂的上下两个A字形叉臂可以精确的定位前轮的各种参数，前轮转弯时，上下两个叉臂能同时吸收轮胎所受的横向力，加上两叉臂的横向刚度较大，所以转弯的侧倾较小。双叉臂式悬挂通常采用上下不等长叉臂（上短下长），让车轮在上下运动时能自动改变外倾角并且减小轮距变化减小轮胎磨损，并且能自适应路面，轮胎接地面积大,贴地性好。双叉臂式悬挂运动性出色，为法拉利、玛莎拉蒂等超级跑车所运用。关键词：双叉臂式悬挂；双A臂式；横向刚度；运动性第1章绪论随着社会经济和物质文化生活水平的提高，人们对汽车行驶的平顺性、操纵稳定性及安全性提出了愈来愈高的要求。汽车的悬架系统对以上三种性能有着最直接、最重要的影响。分析悬架对汽车性能的影响并合理确定悬架系统的性能及结构参数，从而获得最优的行驶性能是汽车生产厂普遍关心的重要课题。汽车工业发展到现在已有百年历史，人们利用各种先进的手段对其进行了理论分析和实践验证。本文在进行悬架系统的设计时，首先应根据整车平顺性和操纵稳定性的要求，确定前悬架的性能参数（刚度和阻尼），然后进行结构设计。第2章悬2.1汽车悬挂系统的含义悬挂系统是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，包含了避震器、悬架弹簧、防倾杆、悬吊副梁、下控臂、纵向杆、转向节臂、橡皮衬套和连杆等部件。其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平稳地行驶。而这些冲击的力量其中一部份会由轮胎吸收，但绝大部分是依靠轮胎与车身间的悬挂装置来吸收的。典型的悬挂系统结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬挂系统多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。悬挂系统是汽车中的一个重要组成，它把车架与车桥弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。从外表上看，轿车悬挂系统仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成,这是因为悬挂系统既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车点头、加速抬头以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。1 .非独立悬挂系统非独立悬挂系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身的下面。非独立悬挂系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中也有使用，基本上用于小型车、紧凑型车的后悬挂中，也用在货车和大客车上。2 .独立悬挂系统独立悬挂系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身下面的。现代轿车大都是采用独立式悬挂系统，按其结构形式的不同，独立悬挂系统又可分为横臂式、纵壁式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬挂系统等。独立悬挂，就是左右两个车轮没连在一根刚性车轴上，而是各自通过连杆、弹簧与车身相连，是各走各的路，任何一个轮子受到路面冲击而跳动时不致影响另一个轮子的运作。这类悬挂弹性较佳，可吸收路面震动，高速时行驶稳定，而且由于无连接轴，可以降低发动机和驾驶室的高度，增大车厢和行李箱空间。轿3 .经双.颗雷式致立悬在（1）横臂式是指车轮在汽车横向平面内摆动的独立悬挂系统，分为单横臂式和双横臂式。主要影响车轮定位的车轮外倾角和主销内倾角。单横臂式车轮跳动时轮距变化大.轮胎磨损大,转弯时外轮外倾增大，高速甩尾严重。不适应高速行驶的要求，目前应用不多。双叉臂式即双横臂式按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式。等长双横臂式在车轮上下跳动时，平行四边形能保持车轮外倾角不变,但轮距变化大（单横臂式相类似），造成轮胎磨损大，现已很少用。不等长双横臂式.只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置，可使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范同内.保证车辆良好的行驶稳定性。目前不§车轮上下跳动时会使主销后倾角产生较大的变化,因此式两个摆臂一般做成等长的，形成一个平行四杆结构，：持不变，多应用在转向轮上。<WHTBIV.4SfE（3）麦弗逊式悬挂系统是横臂式与烛式悬挂系统的结合。该悬挂的优点是：结构紧凑,车轮跳动时前轮定位化小,有良好的操纵稳定性，由于取消了上横臂，方便布置发动机及转向系统；与烛式悬挂系统相比，主销滑柱受到的侧向力有较大的*ffx（4）多连杆独立悬挂是横臂式和纵臂式的综合。多连杆前悬挂一般为3连杆或4连杆式；后悬挂一般5连杆式应用较为广泛。主要特点是，车轮跳动时轮距和前束变化小，转向平稳，改善了平顺性、舒适性和直行性。不足是车速高时有轴摆动现象。（5）烛式悬挂系统的结构特点是（麦弗逊式去掉A字臂）车轮沿着刚性同定在车架上的主销轴线上下移动，主销定位角不变化,仅是轮距、轴距稍有变化。烛式悬挂特别有利于汽车的转向操纵稳定和行驶稳定。烛式悬挂一大缺点是主销套筒与主销间的磨损较严重。车辆的悬挂结构多为几种悬挂结构的结合，可分解为以上几种悬挂分析其主要特点。4.主要特点其优点是:质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性;可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性;左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬挂系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点，同时因为结构复杂，会侵占一些车内乘坐空间日常用车应注意。车辆载重要合适，尤其要避免满载时颠簸过大、急速转弯等长时间的极限驾驶，这些都可能对悬挂系统造成损伤。2.2汽车悬挂的发展历程1.悬架的种类和工作原理根据悬架的阻尼和刚度是否随行驶条件的变化而变化，可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架，半主动悬架还可以按阻尼分为有级式和无级式两类。传统的悬架系统的刚度和阻尼系数，是按经验设计或优化设计方法选择的，一经选定后，在车辆行驶过程中，就无法进行调节，因此其减震性能的进一步提高受到限制，这种悬架成为被动悬架。为了克服被动悬架的缺陷，20世纪60年代提出了主动悬架的概念，主动悬架就是由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和路面状况主动作出反应，以抑制车体的运动，使悬架始终处于最优减震状态。所以主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。因此系统必须是有源的。半主动悬架则由无源但可控制的阻尼元件组成。在车辆悬架中，弹性元件除了吸收和贮存能量外,还得承受车身重量及载荷，因此半主动悬架不考虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单,在工作时,几乎不消耗车辆动力，又能获得与主动悬架相近的性能，故应用较广。由于路面输入的随机性，车辆悬架阻尼的控制属于自适应控制，即所设计的系统在输入或干扰发生大范围的变化时，能自适应环境，调节系统参数，使输出仍能被有效控制，达到设计要求。它不同于一般的反馈控制系统，因为它处理的具有“不确定性”的反馈信息。自适应控制系统按其原理不同，可分为校正调节器和模型参考自适应控制系统两大类，由于要建立一个精确的“车辆-底面”系统模型还很困难，故目前的主动悬架，多采用自校正调节器。虽然现代汽车的种类较多，结构差异较大，但一般由弹性元件、减振元件和导向构件组成。工作原理是：当汽车轮胎受到冲击时,弹性元件对冲击进行缓冲，防止对汽车构件和人员造成损伤。但弹性件受到冲击时会产生长时间持续的振动,容易使驾驶员疲劳。故减振元件应快速衰减振动。当车轮受到冲击而跳动时，应使其运动轨迹符合一定的要求，否则会降低汽车行驶时的平顺性和操纵稳定性。导向构件在传力的同时，必须对方向进行控制。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一一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，减震的效果较差。为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度的调节的方法，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，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。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，按照一定的控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来的。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和开发这种悬架。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适,但不同程度上存在着结构复杂、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。主动悬架虽然提出较早，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。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。被动悬架是传统的机械机构，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的效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对较低廉且不需要额外能量，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方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