轮毂电机驱动的越野车双横臂悬架设计.doc

本科生毕业论文（设计）中文题目轮毂电机驱动的越野车双横臂扭杆弹簧悬架设计 英文题目Design of the double wishbone arm torsion bar spring suspension of the off road vehicle driven by the wheel motor 学生姓名 班级 学号 学 院 专 业 指导教师 职称 中文摘要双横臂式独立悬架在汽车领域应用广泛，是最常见的悬架形式之一。双横臂式独立悬架按照上下横臂是否等长，可分为等长双横臂式与不等长双横臂式。对于不等长双横臂式悬架，只要适当地选择、优化上下横臂的长度，合理地布置上下横臂的位置，就可以使轮距和前轮定位参数变化都在可接受的限定范围内，从而保证汽车具有最佳的行驶平顺性和操纵稳定性。本文设计的越野车对动力性和通过性和行驶平顺性要求比较高。通过方案选择，机构设计，运动校核，模拟仿真等步骤逐步实现对越野车悬架的设计。关键字：双横臂悬架 扭杆弹簧 独立悬架 越野车Abstract Double wishbone independent suspension has a wide range of applications in automobile field,which is one of the most common form of suspension.Double wishbone independent suspension can be classified into equal length double wishbone suspension and unequal length double wishbone suspension according to whether the upper and lower arms are of equal length.As for the unequal length double wishbone suspension,it is easy to make the tread and wheel alignment parameters be within acceptable limits to ensure the vehicle has the best riding comfort and handing stability ,as long as length of the upper and lower arms are selected and optimized properly.In this paper ,the requirement of the power ，the trafficability and the the riding comfort of the off-road vehicle is relatively high .We achieve the design of the off-road vehicle suspension gradually through the steps of scheme selection ,mechanism design ,movement check ,simulation and so on . Key words:Double wishbone independent suspension；torsion bar spring；Independent suspension;off-road vehicles.目 录第1章 绪论.1第1节 悬架的发展历程与趋势.1第2节 本课题的基本内容.2第2章 悬架.3第1节 悬架概述.3第2节 悬架的分类与评价指标.4第2节 轮毂电机驱动的双横臂扭杆弹簧独立悬架.9第3章 悬架主要参数的确定.14第1节悬架静挠度.14第2节悬架的动挠度.15第3节 悬架弹性特性.15第4章 独立悬架导向机构的设计.16第1节设计要求.16第2节 导向机构的布置参数 .16第3节 双横臂式独立悬架导向机构设计.18第4节纵倾中心.20 第5章 弹性元件的设计.20第1节扭杆弹簧概述.20第2节扭杆弹簧的分类.21第3节扭杆弹簧的参数设计.22第4节扭杆弹簧质量制.28第6章减振器的设计.32第1节 减振器的工作原理与设计要求.32第2节 减振器分类与工作原理.33第3节 相对阻尼系数.36 第4节 减振器阻尼系数.37 第5节 最大卸荷力的确定.38第6节 简式减振器工作缸直径的确定.39第7节 活塞和导向座的设计.40结 论.40致 谢.40参考文献.41第1章 绪论第1节 悬架的发展历程与趋势 汽车作为商品在世界各处都有着广泛的市场，因其生产批量大，带动了许多相关产业的发展，现已成为国民经济的支柱性产业。在拉动消费和技术创新的同时，也不断改善着人们的生活水平和出行方式。目前，汽车已经成为衡量人们生活水平的重要标准之一。 作为汽车重要总成之一的悬架，把车架（或车身）和车轮弹性地连接起来，有效地传递作用在车轮与车架（车身）之间的一切力和力矩，缓和路面传递给车架（或车身）的冲击载荷，并衰减由此引起的振动，使汽车在获得高车速的同时也具有良好的行驶平顺性,因此悬架的研究开发对整车的意义重大。悬架的发展经历了从非独立悬架到独立悬架，从被动悬架到主动悬架的过程。随着人们对乘坐舒适性和操纵稳定性要求的不断提高，继非独立悬架之后出现了单独作用在两侧车轮的独立悬架。独立悬架的出现不仅减小了整车质量，降低了汽车质心高度，减小了车身的倾斜和振动，还在很大程度上提高了汽车的行驶稳定性和乘员的乘坐舒适性。悬架诞生之初设计师们设计的悬架都是不含反馈系统的被动悬架，这种悬架在汽车行驶过程中的性能和参数是固定不变的，也没有办法调节，这就使汽车行驶时的平顺性和舒适性变差。随着交通运输业的不断发展，汽车的车速也在不断地提高，被动悬架的弊端越来越成为改善汽车性能的瓶颈。在这种情况下，主动悬架应运而生。主动悬架的概念是由美国通用汽车公司率先提出的。主动悬架与被动悬架相比，增加了可调节悬架刚度和阻尼力的控制装置。该装置通常是由控制系统、测量系统和能源系统等部分组成。它能根据路面的状况和汽车的运动状态，适时地调节悬架的阻尼力和刚度，使悬架处于最佳的减振状态。随着人们对汽车的操纵稳定性和行驶平顺性要求的不断提高，具有高端化、电子化、多样化，同时节能、高效、轻量化、低碳化成为未来悬架发展的趋势。悬架技术的创新和相关学科的发展密不可分，先进的自动控制技术、先进制造技术、计算机技术、运动仿真、神经网络等为悬架的进一步发展提供了可靠的保障。第2节 本课题的基本内容按照给定的汽车动力性与悬架类型的相关要求，完成悬架的弹性元件、减振器与导向机构相关参数的设计。悬架结构设计主要包括以下内容：悬架的方案选择、悬架主要参数的选择计算、弹性元件的设计、独立悬架导向机构的设计、减振器机构和主要参数的选择计算、CATIA三维建模等部分第2章 悬架第1节 悬架概述悬架是车桥（或者车轮）与车架（或者承载式车身）之间一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直、纵向和侧向的反力以及由这些反力产生的力矩传递给车架（或者承载式车身）来保证汽车的正常行驶。汽车的很多技术性能如平顺性（特别是在路面不平的道路上行驶时），经济性，操纵性，稳定性，很多零部件（车身，轮胎，行走部分）的寿命，行驶安全性等，都取决于悬架特性参数的选择。现代汽车的悬架尽有结构和形式各不相同，但一般都包含弹性元件、导向机构和减振器三部分，它们分别起着缓冲、导向和减振的作用，它们的共同任务是传力。其中由导向杆系组成的导向机构，决定了车轮相对车架（或者承载式车身）的运动特性，并且可以传递除弹性元件所传递的垂直力以外的各种力和力矩。缓冲块用以减轻车轴与车架（或承载式车身）的直接碰撞，以防弹性元件产生的变形过大。装有横向稳定器的汽车，能有效地减小在转弯行驶时汽车车身的侧倾角与横向角振动。在悬架的开发设计过程中，对悬架提出的设计要求主要有：1） 保证汽车行驶平顺；2） 具有合适的衰减振动的能力；3） 保证汽车的操纵稳定性良好；4） 制动或加速时，减小车身纵倾，保证车身稳定，转弯时具有合适的车身侧倾角；5） 具有良好的隔声能力；6） 结构紧凑、占用的空间尺寸小；7） 能稳定可靠地传递作用在车轮和车身之间的所有力和力矩，并且还要有较小的质量和足够的强度与寿命。弹性元件和簧上质量组成的振动系统的固有频率取合适值，并且要尽可能低，以满足汽车平顺性的要求。要合理配置前后悬架的固有频率，对于乘用车，要求后悬架的固有频率高于前悬架固有频率，另外还要尽可能避免悬架撞到车架（或者承载式车身）上。车身高度随汽车的簧上质量变化的值要尽可能小，为此要求汽车采用非线性弹性特性的悬架。为了迅速衰地减汽车在不平路面上行驶时产生的振动、减小车轮的振幅、抑制车身和车轮的共振，悬架上应装有减振器，并具有合适的阻尼。利用减振器的阻尼连续减小汽车的振幅，最终使振动停止。要正确选择悬架的参数和方案，使车轮在上、下跳动时主销定的位角变化不大、车轮的运动机构和导向机构运动相协调，以避免前轮产生摆振现象。汽车在转向时，要有明显的不足转向倾向。近年来，主动悬架的出现不仅很好地提高了汽车的行驶稳定性，还能很好地保持车身的姿势，减小车身的纵倾和侧倾。无论弹性元件和导向机构如何选择，在设计悬架时都应该按照一定的程序进行，以保证最完整地解决上述问题。悬架的设计过程可依次划分为三个阶段：1） 悬架的预算，目的是初步确定悬架的主要结构参数。2） 悬架的验算，目的是使悬架的主要特性更准确。3）悬架零件的强度和寿使用命的计算。第2节 悬架分类与评价指标按照是否包含动力源，悬架可以分为全主动悬架和半主动悬架。全主动悬架是在被动悬架的基础上增加一个可以控制作用力的装置。该装置通常是由测量机构、执行机构、能源系统和反馈控制系统四部分组成。执行机构用来执行转矩发生器和力发生器等控制系统传来的命令；测量系统包括各种形式的传感器，用来测量系统的各个状态，并为控制系统提供参考；控制系统的核心是电子计算机，用来处理数据并发出各种控制命令；能源系统用来为以上各个部分提供能量。全主动悬架的结构如图2.2-1所示。它采用了计算机控制的液压伺服系统，传感器测得的汽车操纵系统及车身与车轮的状态信息经计算机处理来控制液压缸的动作，并能合理地调整悬架的刚度与阻尼的大小，主动控制车轮，以完成需要的运动。对于装有全主动悬架的汽车，即使在不平的路面上高速行驶，车身也能保持平稳，轮胎产生的噪声较小，并且在遇到弯道时车身也能保持水平。图2.2-1 主动悬架系统1-控制面板 2-蓄能器 3-前作动器液压缸 4-液压缸 5-转向角传动器 6-油箱7-横摆陀螺仪 8-纵向加速度传感器 9-后作动器液压缸 10-伺服阀门11-轮毂加速度传感器 12-控制计算机 13-蓄能器半主动悬架由于不考虑悬架的刚度大小，而只改变悬架的阻尼力，因此不需要动力源提供能量而只由可控的阻尼元件组成。由于半主动悬架结构简单在，工作过程中几乎不消耗汽车的动力，而且还可获得和全主动悬架相似的使用性能，因而有广阔的应用前景。半主动悬架按照阻尼形式分为有极式和无极式。1） 有极式半主动悬架是由驾驶员主动选择或者根据传感器信号自动选择所需要的阻尼级别，即可根据路面条件和汽车行驶状态等来调节悬架的阻尼级别，使悬架适应外界环境的变化，从而大大提高汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。如图2.2-2所示为装在半主动悬架上的可调减振器的旁路控制阀。它是由调节电机1带动阀心2转动，使阀孔3有关闭、小开与大开三个位置，产生三个阻尼值。图2.2-2 三级阻尼可调式减振器1-调节电动机 2-阀心 3-控制阀孔2） 无极式半主动悬架针对不同的路面状况和汽车的工作状态，对悬架系统的阻尼力进行实时的调整，使悬架的阻尼力在几毫秒内由最小增到最大。如图2.2-3所示，微处理器3从位移、速度、加速度传感器接收信号，并得出系统所需要的阻尼值，并向执行机构发送指令。这时经阀杆4及时地调节阀门5，以改变节流孔1的流通截面积，进而改变悬架系统的阻尼。该系统虽然不必添加能量装置，但是由于所需要的传感器种类繁多，成本仍然较高。 图2.2-3 无极式半主动悬架系统示意图1-节流孔 2-步进电机 3-微处理器 4-阀杆 5-阀门悬架按照车桥是否断开可分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的左、右车轮用整体轴连接，再通过悬架和车架（或者车身）相连；独立悬架的左、右车轮通过各自独立的悬架和车架（或者车身）相连。 图2.2-4 独立悬架和非独立悬架a）非独立悬架 b）独立悬架非独立悬架的结构紧凑，工作可靠，制造容易，维修方便。但是由于左右车轮在行驶过程中相互影响，使得汽车行驶平顺性变差，车轴和车身倾斜；簧下质量大；转弯行驶时，离心力会产生不利的转向特性。目前，非独立悬架主要用于质量大的商用车的前、后悬架和某些乘用车的后悬架。非独立悬架分为：螺旋弹簧式非独立悬架、纵置钢板弹簧式非独立悬架、空气弹簧式非独立悬架三大类。但是随着高速公路网的发展，汽车的车速也在不断提高，非独立悬架越来越不能够满足人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求，因此独立悬架慢慢取代非独立悬架，成为主流悬架。采用独立悬架的汽车，两侧车轮能各自独立地和车架或车身进行弹性连接。因此有以下优点：1） 在弹性元件的变形范围内，两侧的车轮能各自独立地运动而相互不受影响，这样在不平路面上行驶时车架和车身的振动明显减少，并且转向轮不会发生摆振。2） 汽车的簧下质量得到减轻。在非独立悬架中整个车桥与车轮都属于非簧载质量的部分。独立悬架的主减速器、差速器和外壳都固定在车架上，属于簧载质量的部分；转向桥仅存在转向节和转向主销，中部没有整体梁，所以独立悬架的簧下质量只包含车轮和悬架系统的部分质量。因此非独立悬架比独立悬架的簧下质量大得多。由于在路面条件和车速都相同的情况下，簧下质量越小，悬架所受到的冲击载荷也越小，因此采用独立悬架可大大提高汽车的平均车速。3） 独立悬架采用断开式车桥，可以降低发动机的位置，使汽车的质心得以下降，提高了汽车的行驶稳定性；同时车轮上、下运动的空间也比较大，这样就可以将悬架的刚度设计得小一些，进而降低车身的振动频率，改善汽车的行驶平顺性。 上述优点使独立悬架在现代汽车上被广泛地采用，特别是轿车的转向轮普遍都采用了独立悬架。但是独立悬架的结构复杂；制造成本高；保养和维修不方便；车轮上、下跳动时，由于车轮外倾角和轮距变化比较大，轮胎容易磨损。另外对于有特殊要求的越野车全部车轮都可以采用独立悬架，因为除了上述优点外，独立悬架还能保证汽车在不平的路面上行驶时所有车轮和路面的接触状态良好，从而增大了汽车的驱动力；此外，独立悬架还可增大汽车的离地间隙，大大提高了汽车的通过性。独立悬架有很多结构形式，按照车轮运动形式的不同可分为4类：（1） 车轮在横向平面内摆动的悬架（横臂式独立悬架，如图2.2-5a）。（2） 车轮在纵向平面内摆动的悬架（纵臂式独立悬架，如图2.2-5b）。（3） 车轮沿者主销移动的悬架，包括烛式悬架（如图2.2-5c）和麦弗逊式悬架（如图2.2-5d）。（4） 车轮在斜向平面内摆动的悬架（单斜臂式独立悬架，如图2.2-5e）。图2.2-5 四类独立悬架示意图不同类型的悬架，不仅结构特点不同，基本特性也相差很大。常从以下几个方面进行评价：1) 侧倾中心高度 车轮受到侧向力的作用时，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心称为汽车的侧倾中心。侧倾中心与地面之间的垂直距离，称为侧倾中心高度。侧倾中心越高，到汽车质心的距离就越短，侧向力臂和侧向力矩也越小，车身的侧倾角越小。但是如果侧倾中心过高，就会导致车身在倾斜时轮距变化很大，轮胎磨损的磨损加剧。2) 车轮定位参数的变化 车轮遇到凹坑或凸起时，车轮的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前束等定位参数都会发生变化。主销后倾角变化大时会使转向轮产生摆振；车轮外倾角变化大时，汽车直线行驶的稳定性会降低，同时汽车的轮距也会发生变化，并加速轮胎的磨损。3) 悬架侧倾角刚度 当汽车作稳定的圆周运动时，车厢在侧向力的作用下绕着侧倾轴线转动，此转动角称为车厢侧倾角。车厢侧倾角与侧倾力矩主要受悬架侧倾角刚度的影响，并使汽车的操纵稳定性和行驶平顺性发生变化。4) 横向刚度 汽车的操纵稳定性受横向刚度的影响，当选假的横向刚度过小时，转向轮容易发生转动。 5）空间尺寸 悬架的形式不同，占用的空间尺寸也不同，横向尺寸大的悬架会影响发动机的布置和从车上拆装发动机的难易程度。占用空间小的悬架，行李箱可以布置得相对宽敞些，而且底部平整，布置油箱也比较容易。所以，悬架占用的空间尺寸也可用来作为评价指标。第3节 轮毂电机驱动双横臂扭杆弹簧独立悬架 双横臂独立悬架上、下摆臂的长度可以相等，也可以不等。在上、下摆臂等长的双横臂悬架中，车轮跳动时，车轮平面保持水平，但是由于轮距发生了很大的变化，时车轮更容易产生侧向滑移。对上、下摆臂不等长的双横臂悬架，只要合理选择上、下横臂的长度，就可以保证车轮与主销的夹角以及轮距变化都不大。当轮胎胶软时，不大的轮距变化可以由轮胎的变形来适应。由于双横臂式独立悬架上端高度较低且减振器不受横向载荷，所以车头的高度可以降低，从而改进车身造型。因此，这种悬架具有良好的操纵稳定性与舒适性，是比较高级的悬架。目前，不等长双横臂悬架主要用在乘用车的前轮上。 图2.3-1 双横臂式独立悬架示意图 a）两摆臂等长的悬架 b)两摆臂不等长的悬架扭杆弹簧作为悬架的弹性元件的一种，被广泛地用在现代汽车的悬架中。扭杆弹簧有一系列的优点：扭杆弹簧单位质量的蓄能量相当于等质量钢板弹簧的3倍（见表一），即能容量相同时，扭杆质量较小，因而扭杆弹簧的悬架结构简单，质量轻，也无需润滑；扭杆比螺旋弹簧的优越处在于悬架容易布置，扭杆可以与汽车纵轴平行布置，也可以横向布置，还可以通过调整固定的安装角度，实现车身高度的自动调节。表一 常见弹性元件的单位质量储能量弹性元件单位质量储能量/()空气弹簧扭杆弹簧247365圆柱螺旋弹簧178280钢板弹簧761155) 图2.3-1为不等长双横臂扭杆弹簧前悬架的结构。在车架纵梁的外侧布置有扭杆弹簧3，它的前后两端分别与上横臂6和固定架1的花键套通过花键相连。筒式减振器的上端和车架上的减振器上支架5焊接在一起，下端和固定在转向节10上的支架相连。当车轮上、下跳动时，作用在车轮上的垂直载荷通过转向节10和下横臂6传递给扭杆弹簧，使扭杆弹簧产生扭转变形，从而缓和不平路面产生的冲击载荷。当车轮受到纵向力、侧向力以及相应的力矩时，通过上、下横臂和上、下支撑杆承受并将该力和力矩传递给车架。图2.3-2 双横臂扭杆弹簧前悬架1-扭杆弹簧固定支架 2-扭杆弹簧与加载和调整螺旋 3-扭杆弹簧 4-减振器5-减振器上支架 6-上横臂 7-上支撑杆 8-下支撑杆 9-下横臂 10-转向节不等长双横臂扭杆独立悬架中的扭杆通常采用纵向布置, 其中扭杆为上横臂摆动的轴线, 上横臂为扭杆的杠杆臂。设计时扭杆一般先由车轮所能承受的最大扭矩和载荷设计杠杆臂长度，根据期望的平顺性要求选择悬架偏频, 再由杠杆臂外端的垂直载荷计算扭杆弹簧的直径工作长度、安装位置, 在此基础上对扭杆端部和过渡部分进行设计。但是扭杆弹簧可以承受垂直在和，而不能承受纵向、侧向的反作用力及力矩，所以必须装有导向机构。 由于本次设计的双横臂扭杆弹簧悬架是由轮毂电机驱动，考虑到电机的安装空间可能不足，可以按照图2.3-3中所示的方式，将上、下横臂分别和驱动电机外壳通过球铰相连接，进而扩大电机的安装空间。 图2.3-3 电动轮与悬架集成方案第3章 悬架主要参数的确定悬架的主要参数包括静挠度、动挠度、弹性特性，是进行相关零部件参数、刚度设计等方面的计算依据。轴距轮距总成质量单轮最大扭矩前后轴荷比轮胎型号3900mm2600mm7500Kg45/55365/80R22第3节 悬架静挠度汽车在满载静止时悬架上的载荷与悬架刚度之比称为悬架的静挠度，即。悬架的静挠度对车身振动的偏频有直接影响，因此正确选择悬架的静挠度是保证汽车具有良好的行驶平顺性的关键。车身的偏频可用下式表示： (1)式中，为前悬架的刚度（）；为前悬架的簧上质量（）。当采用的悬架弹性特性为线性时，前、后悬架的静挠度可用下式表示： 式中 （2）将（2）式带入（1）式整理得： 取悬架偏频，带入上式得第2节 悬架动挠度悬架从满载平衡位置开始压缩到结构所允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对于车架（或车身）在垂直方向上的位移称为悬架的动挠度。为了防止汽车在不平路面上行驶时经常碰撞到缓冲块，要求悬架必须有足够大的动挠度。对于本次设计的越野车，取。第3节 悬架弹性特性悬架的弹性特性是指悬架受到垂直外力F时，车轮中心相对车身位移的关系。其切线的斜率称为悬架的刚度。悬架的弹性特性有线性和非线性两种。当悬架的变形量与所受到的垂直外力F的成固定的比例时，悬架的弹性特性为一条直线，悬架的刚度为常数，称为线性弹性特性。当悬架变形量与悬架收到的垂直外力F不固定时，弹性特性如图3.3-1所示。此时弹性特性为一条曲线，其切线的斜率不断变化，说明悬架的刚度也在不断变。从图上可以看出在悬架的刚度在满载位置附近较小而且变化缓慢，因此此时汽车的行驶平顺性良好；在距离满载位置比较远的两端，曲线变陡，斜率变大，悬架刚度增大，汽车的行驶平顺性变差。因此采用非线性弹性特性的悬架可以在有限的动挠度范围内比线性弹性特性的悬架获得更多的动容量。其中悬架从静载荷位置开始，变形到结构所允许的最大变形的过程中所消耗的功称为悬架的动容量。悬架的动容量越大，击穿缓冲块的可能性就越小。虽然越野车在使用过程中簧上质量变化很小，但是为了缓和车轴对车架的撞击，减小转弯时的侧倾、制动时的前俯角及加速时的后仰角，必须采用刚度可变的非线性悬架。 图3.3-1 悬架弹性特性曲线由上述讨论，悬架的主要参数为：悬架静挠度悬架动挠度悬架弹性特性98mm90mm非线性第四章 独立悬架导向机构的设计第1节 设计要求 对前轮独立悬架导向机构的提出设计要求如下： 1）由于轮距变化过大会导致轮胎磨损严重，要求悬架上的载荷变化时，轮距的变化不超过。 2）当悬架上的载荷变化时，车轮不能产生纵向加速度，前轮的定位参数要保持在合理的范围内。 3）要求车身纵倾角在汽车转弯行驶时变化不大，在0.4的侧向加速度下，车身的倾角变化要小于。为了增强转向轮的不足转向效应，要求车身与车轮同向。 4）要求汽车在制动时，车身有抗前俯的倾向；在加速时，车身有抗后仰的倾向。 第2节 导向机构的布置参数 1）悬架上下横臂长度的确定 根据要求，该越野车单轮驱动扭矩,取 该越野车在设计时以乘坐5人为上限，每人以65Kg计算，空载时前后轴和分配比为，依据汽车设计，前后轴荷分配比为45/55。扭杆弹簧采用圆形截面，两端用花键连接，应力集中系数取，。则产生的扭转力为： 悬架上臂长度： 双横臂悬架的上下横臂长度对车轮上下跳动时的定位参数有很大影响。现代汽车一般采用所用双横臂前悬架，以便于发动机的布置，而且可以得到理想的悬架运动特性。如图4.2-1所示 在下横臂长度保持不变，改变上横臂的长度不，使得的比值分别为0.40、0.6、0.8、1.0、1.2时得到的悬架的运动特性。其中Z（Z轴表示轮胎在上下跳动时的位移量，表示1/2轮距）表示车轮接地点在横向平面内随着车轮跳动的特性曲线。从图上可以看出，当上、下横臂之比在0.6附近时，曲线变化最平缓，在设计悬架时，希望轮距变化小，从而减少轮胎磨损，提高其使用寿命，应选择在0.6附近。为满足汽车操纵稳定性的要求，在设计时前轮的定位角度变化要尽可能小，此时在1.0附近。综上所述，该悬架的上下横臂长度之比应在0.61.0范围内。初选上、下横臂的长度时，根据我国乘用车设计的经验，最佳值为0.65。 因此，初选悬架上横臂的长度为276mm，下横臂的长度为425mm，球销距为358mm。图4.2-1 上、下横臂长度之比L1/L2改变时的悬架特性曲线 2）侧倾中心 双横臂悬架独立悬架的侧倾中心如下图所示，将上下横臂延长，得到极点C，同时获得C的高度。连接C与车轮接地点E，即可在汽车轴线上得到侧倾中心。图4.2-2 双横臂独立悬架侧倾中心的确定主销内倾角为 球销距AD=358mm 上横臂轴的水平斜置角= 下横臂轴的水平斜置角=上横臂长度AF=276mm 下横臂长度DG=425mm带入以上数据，由几何知识可求得侧倾中心高度=188mm第3节 双横臂独立悬架导向机构设计1）纵向平面内上、下横臂轴的布置方案主销后倾角主要受上、下横臂前俯角的影响。不同匹配布置方案中的主销后倾角随着车轮跳动的曲线如图4.3-1所示。图中为横坐标，车轮接地中心的垂直位移Z为纵坐标。各匹配方案中、角度取值已在图中标明，角度的正负号按右手定则来判定。为了提高汽车制动的稳定性和乘员的舒适性，对主销后倾角变化的要求是：主销后倾角在悬架弹簧压缩时增大，在悬架弹簧拉伸时减小。这样汽车在制动时就会因主销后倾角增大而在控制臂支架上产生抗制动前俯的力矩。角的变化曲线见于图4.3-1：方案4、5的角变化规律为弹簧压缩时角减小，在弹簧拉伸时角增大，这就与所期望的规律恰好相反，因此这两种方案不适合用在汽车前悬架中。虽然方案3的主销后倾角变化最小，但由于其抗前俯的作用也很小，所以现代汽车也很少采用这种方案。在方案1、2、6中主销后倾角的变化规律符合期望的规律，因此现代汽车上广泛采用这三种方案。针对本次设计的越野车，选择方案4，取7、取8。图4.3-1 悬架导向机构设计方案2） 横向平面内上、下横臂的布置方案由图4.3-2可知上、下横臂的侧倾中心的位置随着布置方案的改变而改变。对于对侧倾中心位置有不同要求的悬架，可以采用不同的设计方案。 图4.3-2 水平面内上下横臂轴的布置方案 3）水平面内上、下横臂的布置方案有三种形式，如图4.3-3所示。 图4.3-3 水平面内上下横臂轴的布置方案纵轴线与上横臂轴和下横臂轴的夹角分别用表示，称为悬架上、下横臂轴的水平斜置角，并规定轴线的前端远离汽车纵轴轴线的夹角为正，反之为负，当其与汽车纵轴轴线平行时，夹角为0。目前前置发动机汽车的悬架大都取下横臂轴MM的水平斜置角为正值，上横臂轴NN的水平斜置角则有正值、零或负值三种布置方案（见图4.3-4 a、b、c)。这样选择的优点在于：在遇到路面凸起时可以满足轮胎一面上跳，一面向后退让的要求；减小悬架传到车身上的冲击载荷，方便布置发动机。如图4.3-4中所示，当上、下横臂轴的倾斜角都取正值时，主销后倾角随着轮胎的上移有增加较小甚至有所减少（当时）。当主销后倾角增大时，车身上悬架支承处会产生有助于制动抗前俯作用的反力矩。但是主销后倾角过大，在支承处产生的反力矩也会过大，使得转向系统对侧向力的变化十分敏感，造成车轮的摆动或方向盘上力发生变化。第4节 纵倾中心双横臂臂悬架的纵倾中心可以通过作图法得出，如图4.4-1中所示。作上、下两横臂的转动轴C和D的延长线，两线的交点即是纵倾中心。图4.1-1 双横臂悬架纵倾中心第五章 弹性元件的设计第1节 扭杆弹簧概述 作为悬架常用弹性元件之一的扭杆弹簧，它的两端分别通过花键与车架（或车身）和导向臂相连。扭杆弹簧在工作时受扭转力矩的作用。扭杆弹簧在汽车上的安装位置可以是横置、纵置或者介于两者之间。因扭杆弹簧的单位质量储能量是钢板弹簧的三倍，所以采用扭杆弹簧的悬架质量轻，使得簧下质量得以减轻，目前在总质量较小的货车和总长较小的客车上应用广泛。另外扭杆弹簧工作可靠、保养和维修方便。扭杆弹簧本身是一根用弹簧钢制成的扭杆1，如图5-1所示。当车轮遇到凹坑或凸起时，绕扭杆的轴线上下摆动的摆臂，使扭杆产生弹性变形，将车轮和车架弹性连接起来。有的扭杆是由一些断面为矩形的薄条组成，这样的扭杆弹簧更为柔软。扭杆弹簧是由铬钒合金弹簧钢制成，加工后外表很光滑。使用过程中为了更好地保护扭杆的表面，通常在扭杆的表面涂上一层环氧树脂，外包层玻璃纤维布，再涂上层环氧树脂，最后涂上防锈油漆和沥青，来防止碰撞、腐蚀与刮伤，从而提高扭杆弹簧的使用寿命。制造扭杆弹簧的过程中，需要在热处理后对扭杆预先施加使扭杆产生一个永久变形的扭转力矩，来保证扭杆有合适的预应力。左、右扭杆施加扭矩的方向与扭杆安装在车上所承受载荷的方向应相同，目的是降低工作时的实际应力，提高扭杆弹簧的使用寿命。若更换左右扭杆的安装位置，则会使扭杆预加扭转力矩的方向相反，致使扭杆弹簧实际的工作应力加大，缩短扭杆的使用寿命。因此，左、右扭杆的安装位 置不可以互换。为此，长在左、右扭杆上 图5-1 扭杆弹簧扭杆弹簧自身的扭转刚度虽然是常数， 1-扭杆 2-摆臂但是由于有导向机构，采用扭杆弹簧作弹性元件的悬架的刚度却是可变的。对悬架扭杆弹簧设计的基本要求就是保证汽车的行驶稳定性，具有良好的可靠性和缓冲能力。为此设计应满足的要求如下：1） 汽车在不平的路面上高速行驶时，由于受到路面形状的干扰，必然会通过悬架的扭杆弹簧使汽车产生很大的振动和颠簸。这些振动会影响乘客的舒适性和工作的耐久性。因此，扭杆弹簧应能保证汽车在规定的行驶速度与路面条件下的行驶平顺性，以保证汽车的耐久性和乘员的舒适性。2） 具有较高的缓冲性能车辆在不平路面上行驶，碰到障碍物时，车轮会受到很大的冲击载荷，并将载荷通过悬架传递给车架（或车身）。为了将该冲击载荷限定在允许的范围内，必须要求悬架的扭杆弹簧具有足够的吸收冲击载荷的能力，也就是要求有足够的位能储备能力。3） 结构可靠性和耐久性由于汽车在越野的工况下，会产生很大的刚性撞击载荷，因此要求扭杆弹簧在使用过程中具有足够的静强度，疲劳强度与耐磨性，以保证汽车耐久性和结构可靠性的要求。4） 质量轻，体积小5） 悬架装置质量轻不仅能减少总质量，还能改善由非悬置部分所产生的二阶振动对汽车振动的影响。另外，体积小还有利于整车的布置。第2节 扭杆弹簧的分类 按照断面形状或弹性元件的数量可以对扭杆弹簧进行分类进行分类。按断面形状的差异，扭杆弹簧有圆形、管形与片形的断面形式。按照弹性元件数量大小，可以将扭杆弹簧分为单杆式(图5.1-