汽車麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目：汽車麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
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摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 4
1.1課題研究背景與意義 4
1.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì) 4
1.3軟件介紹 4
1.4課題研究?jī)?nèi)容 5
2 麥弗遜式懸架設(shè)計(jì)計(jì)算 6
2.1麥弗遜懸架建立模型方案的確定 6
2.2螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 7
2.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.4減震器的設(shè)計(jì) 15
2.5橫向穩(wěn)定器設(shè)計(jì) 18
2.6本章小結(jié) 20
3麥弗遜式懸架有限元分析 21
3.1有限元的基本思想 21
3.2 ANSYS有限元分析基本過(guò)程 21
3.3麥弗遜懸架建模 21
3.4衡擺臂有限元分析 24
3.5本章小結(jié) 27
4結(jié)論與展望 28
參考文獻(xiàn) 29
致 謝 30
II
摘要
汽車麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析
摘 要
課題首先以某車輛基本參數(shù)為依據(jù)對(duì)其麥弗遜懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后利用ANSYS分析軟件對(duì)懸架進(jìn)行有限元分析，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元建模和懸架下擺臂的靜力分析。通過(guò)設(shè)計(jì)分析可知麥弗遜懸架的基本結(jié)構(gòu)，分析出麥弗遜懸架的優(yōu)劣，而后會(huì)對(duì)懸架進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)分析其數(shù)據(jù)結(jié)果，得出結(jié)論，提出設(shè)計(jì)方案，為傳動(dòng)裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。通過(guò)設(shè)計(jì)大大縮短麥弗遜獨(dú)立懸架的開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，降低開發(fā)的成本。
關(guān)鍵詞：麥弗遜獨(dú)立懸架；設(shè)計(jì)計(jì)算；三維建模；有限元分析
III
Abstract
The Design of Automotive Macpherson suspension and Finite Element Analysis
Abstract
This paper is based on the basic parameters of a vehicle structural to design of the McPherson suspension. Then analysis is carried out on the suspension with the analysis software ANSYS finite element for finite element modeling and suspension lower arm of the static analysis using ANSYS software. Through the analysis of the data results, draw the conclusion to put forward the design scheme and provide reference for the further optimization design of the transmission device. Through the design of Mcpherson independent suspension of the development cycle to improve the quality of design and reduce the cost of development.
Key words: Automotive Macpherson suspension; Design Calculation; 3D Modeling; Finite Element Analysis
III
III
第1章 緒論
1 緒 論
1.1課題研究背景與意義
麥弗遜式獨(dú)立懸架是乘用車中極常見的懸架。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小，在結(jié)構(gòu)緊湊發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局的車輛運(yùn)用廣泛。此外，采用麥弗遜懸架可以極大的控制懸架成本。目前市場(chǎng)中大多數(shù)乘用車都在使用麥弗遜獨(dú)立懸架。麥弗遜獨(dú)立懸架是現(xiàn)今最為成熟、性價(jià)比較高、穩(wěn)定性相對(duì)較好的懸架。因此，研究麥弗遜懸架對(duì)汽車行業(yè)發(fā)展有著重要意義。
在人體的構(gòu)造中軟組織保護(hù)骨頭的重要部分。這和汽車懸架在汽車中的作用如出一轍。麥弗遜獨(dú)立懸架是由的彈性元件、減震器、傳力裝置三部分組成，為駕駛與乘坐人員提供平穩(wěn)舒適的行車環(huán)境。
1.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)
目前懸架的結(jié)構(gòu)越來(lái)越簡(jiǎn)單，使用材料的重量輕并且占用的空間很小為發(fā)動(dòng)機(jī)的布置提供了更大的空間，讓整體設(shè)計(jì)更加的靈活。不僅如此懸架的反應(yīng)速度也得到極大的提高，保證汽車在高速行駛中的穩(wěn)定性。
當(dāng)前，麥弗遜懸架有限元的主要分析方面有：
1）在重力作用下對(duì)懸架進(jìn)行剛度分析，以確定其彎曲變形是否在允許的范圍內(nèi)。
2）對(duì)麥弗遜懸架進(jìn)行模態(tài)分析，知道懸架在汽車工作時(shí)的振動(dòng)規(guī)律，通過(guò)分析得知懸架的缺點(diǎn)并對(duì)懸架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。
3）對(duì)懸架控制臂的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，在其基礎(chǔ)上對(duì)控制臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
大量使用有限元方法對(duì)汽車傳動(dòng)系部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，將使部件的設(shè)計(jì)更加合理、可靠。未來(lái)，針對(duì)汽車設(shè)計(jì)的CAE分析將更加精細(xì)化，復(fù)雜程度也將隨之提高，但汽車設(shè)計(jì)的周期會(huì)逐漸縮短，開發(fā)成本將會(huì)降低。標(biāo)準(zhǔn)化程度將不斷提高。
1.3軟件介紹
Creo2.0是美國(guó)PTC公司于2011年10月推出的CAD設(shè)計(jì)軟件包。Creo2.0整合了PTC公司的Pro/Engineer參數(shù)化技術(shù)、CoCreat的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技三個(gè)軟件的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包。
Creo2.0在軟件的易實(shí)用性、互相操作性、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題、裝配模型如何滿足不同條件復(fù)雜的需求等方面得到了較大的提升。它的推出就是為了從根本上解決這些制造企業(yè)在CAD應(yīng)用中面臨的核心問題，從而真正的將創(chuàng)造者的想象力激發(fā)出來(lái)。Creo具備容易使用且軟件開放的特點(diǎn)受到廣大客戶的歡迎。Croe成功的解決了多年來(lái)難以解決的問題：包括基本的易用性、互操作性和裝配管理。
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)。 它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。
1.4課題研究?jī)?nèi)容
麥弗遜懸架是目前市場(chǎng)上最為普遍的懸架之一。首先通過(guò)收集資料大致了解麥弗遜懸架的基本組成和基本構(gòu)造。設(shè)計(jì)計(jì)算好懸架各部件的參數(shù)。將設(shè)計(jì)好的參數(shù)運(yùn)用軟件Creo2.0進(jìn)行建模。最后對(duì)所有部件進(jìn)行三維的組裝成型。在有限元分析中將運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)麥弗遜懸架中的下橫擺臂進(jìn)行靜力作用的有限元分析，檢測(cè)此次設(shè)計(jì)是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
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第2章 麥弗遜式懸架設(shè)計(jì)計(jì)算
2 麥弗遜式懸架設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1麥弗遜懸架建立模型方案的確定
汽車麥弗遜獨(dú)立懸架系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，系統(tǒng)中存在不同的鏈接，通過(guò)簡(jiǎn)化分析的方法是十分有效的方法。
2.1.1原始參數(shù)的確定
懸架的設(shè)計(jì)往往會(huì)影響到整輛車的參數(shù)設(shè)定，因此需要和總體設(shè)計(jì)協(xié)同確定。此設(shè)計(jì)將會(huì)使用目前市場(chǎng)上比較熱門車型的基本參數(shù)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表2.1。
表2.1 汽車（參照桑塔納）主要參數(shù)
最大載重(kg)
375
油耗（L）
6.2
車重(kg)
1480
懸架頻率n（Hz）
1.2
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(N?m/rpm)
155/3500
后軸承載品質(zhì)(kg)
1345
排量（mL）
1845
長(zhǎng)度（mm）
4680
驅(qū)動(dòng)方式
前置兩驅(qū)
寬度（mm）
1710
2.1.2麥弗遜懸架的設(shè)計(jì)思路
麥弗遜懸架是一個(gè)由多個(gè)零件組成的復(fù)雜部件。為了簡(jiǎn)化分析，將懸架總成的構(gòu)件等效成剛體來(lái)研究懸架系統(tǒng)的空間運(yùn)動(dòng)。如圖2.1將懸架擺臂和轉(zhuǎn)向節(jié)之間的鏈接通過(guò)球副來(lái)等效等。這樣在保證分析不發(fā)生錯(cuò)誤的同時(shí)大大減少了分析過(guò)的復(fù)雜性。這樣一個(gè)封閉
的空間結(jié)構(gòu)也讓運(yùn)算大大的得到了簡(jiǎn)化。
圖2.1 設(shè)計(jì)懸架的等效機(jī)構(gòu)圖
如圖2.2所示為轎車麥弗遜獨(dú)立懸架，麥弗遜獨(dú)立懸架主要由彈性元件、減震器、橫向穩(wěn)定器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、橫向穩(wěn)定桿組組成。其中對(duì)彈性元件螺旋彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中的側(cè)傾中心；總傾中心；橫擺臂定位角進(jìn)行具體分析。對(duì)減震器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算等。
圖2.2 轎車前懸架
1—螺旋彈簧 2—筒式減震器 3—轉(zhuǎn)向節(jié) 4—聯(lián)接桿 5—球頭銷
6—下擺臂7—橫向穩(wěn)定桿8—前托架
2.1.3懸架撓度的設(shè)計(jì)
公式是表示乘用車在滿載荷靜止的情況下的靜撓度。其中載荷用表示懸架剛度用表示。
車身振動(dòng)偏頻n指汽車質(zhì)量系統(tǒng)中，某一個(gè)質(zhì)量振動(dòng)時(shí)的部分頻率。如車身質(zhì)量和車輪質(zhì)量是個(gè)雙質(zhì)量系統(tǒng)，若車身質(zhì)量不動(dòng)，單獨(dú)考慮車輪質(zhì)量的單自由度振動(dòng)時(shí)的頻率，就是車輪的偏頻。偏頻會(huì)受到懸架靜撓度的影響。為了讓汽車有更佳的平穩(wěn)性，就一定要設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的靜撓度。由于汽車現(xiàn)今的質(zhì)量分配系數(shù)。汽車固有頻率n為：
（2-1）
式中： ——前懸架的簧上質(zhì)量;
——前懸架的剛度；
因?yàn)槿嗽谄l較小的情況下感覺更舒適，所以懸架偏頻越小汽車的舒適性就會(huì)越好。把車前軸假定軸荷定為0.5，因?yàn)閷?duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)在前方的轎車來(lái)說(shuō)定載時(shí)前軸軸荷大約在0.46～0.66之間。得出前懸架的簧上質(zhì)量為：
假設(shè)
靜撓度計(jì)算公式用下面的式子進(jìn)行表示：
懸架從滿載靜平衡壓縮到懸架變形到最大極限為懸架的動(dòng)撓度，可以用表示，在有良好動(dòng)撓度的前提下才能保證汽車的車輪和車架進(jìn)行垂直位移，使汽車在行駛時(shí)更加平順。乘用車取70～90mm，取=80mm。因?yàn)閼壹艿膭?dòng)靜撓度之和必須要不小于160mm才可符合最大極限。根據(jù)公式得：
通過(guò)計(jì)算可得設(shè)計(jì)與要求相符合。
2.2螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
螺旋彈簧其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，在乘用車的麥弗遜懸架運(yùn)用中相當(dāng)普遍。螺旋彈簧是彈性元件，有承載車身重量的作用。不僅如此螺旋彈簧也是是緩沖元件，當(dāng)輪胎有力傳遞到彈簧上時(shí)彈簧可以有效的吸收能量，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成彈性內(nèi)能減少車輛的顛簸提高舒適性。為了讓螺旋彈簧的工作可靠性得到提高，所選取的材料就必須具備一定的強(qiáng)度，同時(shí)也應(yīng)具備足夠的塑性和韌性。所以這次選擇60Si2MnA作為螺旋彈簧的制作材料如表2.2所示：
表2.2 60Si2MnA屬性
性能
數(shù)據(jù)
許用切應(yīng)力[]
剪切應(yīng)力[]
剪切模量G
彈性模量E
根據(jù)公式可得懸架質(zhì)量分配系數(shù)在0.8到1.2之間，取。因?yàn)轭l偏越小汽車的平順表現(xiàn)越好，而剛制彈簧有頻偏小的特點(diǎn)，所以選擇使用剛制彈簧。因?yàn)槿瞬叫械念l率在1左右，所以前懸架的頻偏N取1Hz到1.3Hz之間時(shí)與人步行頻率相近。設(shè)計(jì)取前懸架的偏頻為，由公式可計(jì)算出前懸架剛度：
（2-2）
式中： ——前懸架剛度單位為；
Ms——汽車前懸架簧上質(zhì)量單位為；
N——汽車前懸架頻偏單位為。
我們?nèi)?N=1Hz，由此前懸架的剛度計(jì)算可得 ：
? （2-3）
軸向載荷用表示當(dāng)時(shí)
（2-4）
式中： ——彈簧的許用應(yīng)力；
——曲度系數(shù)；
——彈簧的外徑；
——簧絲直徑；
計(jì)算出彈簧的許用應(yīng)力： ；
旋繞比C： ；
K曲度系數(shù)： ；
得出：
?。?
， （2-5）
由此計(jì)算出彈簧的有效圈數(shù)：
彈簧的剛度公式是：
（2-6）
式中： G——切變模量，查書中表得，；
=
通過(guò)計(jì)算的出螺旋彈簧的具體參數(shù)如表2.3所示：
表2.3 彈簧參數(shù)
彈簧的外徑
彈簧的內(nèi)徑
總?cè)?shù)
節(jié)距
自由高度
壓拼高度
螺旋導(dǎo)角
展開長(zhǎng)度
彈簧剛度公式為：
（2-7）
式中 ——彈簧的中徑；
——彈簧有效的工作圈數(shù)；
代入計(jì)算可得彈簧剛度Cs為：
所以設(shè)計(jì)彈簧合剛度要求。
2.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有很多類型。在使用整體式車軸的轎車中主要使用雙橫臂式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。中型和重型車大都都采用整體式車軸，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)形式主要是A形架式。
A形架式為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單空間利用率強(qiáng)等特點(diǎn)。在麥弗遜懸架的設(shè)計(jì)中選擇 A形架式為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求如下：
1）當(dāng)車輛載荷發(fā)生變化時(shí)保證輪距變化在±4.0mm之間。
2）懸架上載荷變化時(shí)車輪不可在縱向產(chǎn)生力的變化。
3）保持盡量小的傾斜角，在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)車身側(cè)傾角在保持在6°～7°之間。
4）制動(dòng)加速時(shí)應(yīng)使車身有抗前俯作用和抗后俯作用。
1.側(cè)傾中心
如圖 2.3 所示通過(guò)受力分析可得出前輪的側(cè)傾中心。將下橫臂線的延長(zhǎng)線和活塞桿在E點(diǎn)所做垂線相交于P 點(diǎn)，P點(diǎn)為極點(diǎn)。將P點(diǎn)與輪胎與地面的交點(diǎn)N點(diǎn)相連，與汽車軸線相交于W點(diǎn)。點(diǎn)W為側(cè)傾中心。
圖 2.3 麥弗遜式懸架側(cè)傾中心
由圖可知懸架的彈簧減震器柱EG越垂直，下橫臂GD越接近水平，則側(cè)傾中心W就會(huì)越靠近地面，使得車輪上跳時(shí)車輪的外傾角有不明顯變化。因?yàn)榍皯壹艿膫?cè)傾中心在之間。設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定(與輪距變化有關(guān)的)前懸架的側(cè)傾中心高度，然后確定后懸架的側(cè)傾中心高度。當(dāng)后懸架采用獨(dú)立懸架時(shí)，其側(cè)傾中心高度要稍大些。如果用鋼板彈簧非獨(dú)立懸架時(shí)，后懸架的側(cè)傾中心高度要取得更大些。根據(jù)計(jì)算取前懸架的側(cè)傾中心高度為185mm。
2.縱傾中心
如圖2.4為汽車前輪側(cè)傾中心的示意圖。在E點(diǎn)作減震器運(yùn)動(dòng)方向的垂直線與D點(diǎn)的水平延長(zhǎng)線相交與點(diǎn)。點(diǎn)稱之為縱傾中心。
圖2.4懸架的縱傾中心示意圖
3.懸架下橫擺臂的定位角
通過(guò)空間傾斜布置的方法來(lái)設(shè)計(jì)懸架的擺臂鉸鏈軸。擺臂的水平斜置角 、懸架抗前俯角 、懸架斜置初始角 ，如圖2.5所示。
圖2.5 α、β、θ的定義
受力分析如圖2.8汽車前右輪所示，由圖可得：作用在導(dǎo)向套上的橫向力F3 得：
（2-8）
式中： ——前輪上的靜載荷 F1’減去前軸簧下質(zhì)量的1/2；
——點(diǎn)G與輪胎中心線的距離；
——點(diǎn)G到減震器之間的長(zhǎng)度；
——點(diǎn)E到減震器的距離；
——力到之間的距離
當(dāng)橫向力 越大時(shí)，摩擦因數(shù)與導(dǎo)向套上產(chǎn)生的摩擦力的乘機(jī) 越大，這會(huì)使汽車的平順性受到極大的影響。由上式可知，為了減小 ，我們選擇讓的尺寸越大越好，或者讓a的尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)減小。這樣我們就可以從側(cè)面增大c的尺寸成功使懸架占用的空間率增加到合適的數(shù)值，但這兩種方法在布置上有困難；若我們采用增加減震器軸線傾斜度來(lái)增加懸架空間的方法，也可使a 達(dá)到減小的目的，但依然存在懸架布置設(shè)計(jì)困難等問題。為此，我們將G點(diǎn)加長(zhǎng)至車輪內(nèi)部，同時(shí)又保持減震器軸線不發(fā)生變化。這樣縮短尺寸a 的目的就可以達(dá)到，不僅如此還可以獲得較高的穩(wěn)定性。通過(guò)移動(dòng)可使G點(diǎn)的主銷軸線與減震器軸線將不再重合如圖2.6所示。
圖2.6懸架受力簡(jiǎn)圖
如圖2.7所示。其中點(diǎn)為汽車縱向平面內(nèi)懸架相對(duì)于車身跳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)瞬心。
當(dāng)擺臂的抗俯角等于靜平衡位置的主銷后傾角時(shí)，橫臂軸線正好與主銷軸線垂直，運(yùn)動(dòng)瞬心交于無(wú)窮遠(yuǎn)處，主銷軸線在懸架跳動(dòng)時(shí)作平動(dòng)。因此值保持不變。
當(dāng)與的匹配使運(yùn)動(dòng)瞬心 交于前輪后方時(shí)，在懸架壓縮行程，角有增大的趨勢(shì)。
當(dāng)與的匹配使運(yùn)動(dòng)瞬心交于前輪前方時(shí)，在懸架壓縮行程，有減小的趨勢(shì)。
為了減少汽車制動(dòng)時(shí)的縱傾，一般希望在懸架壓縮行程主銷后傾角有增加的趨勢(shì)。因此，在設(shè)計(jì)麥弗遜式獨(dú)立懸架時(shí)，應(yīng)該選擇參數(shù)能使運(yùn)動(dòng)瞬心 交于前輪后方。
圖2.7角變化示意圖
圖2.8為某乘用車采用的麥弗遜式前懸架的實(shí)測(cè)參數(shù)為輸入數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果。圖中的幾組曲線是下橫臂取不同值時(shí)的懸架運(yùn)動(dòng)特性。由圖可以看出，橫臂越長(zhǎng)，By曲線越平緩，即車輪跳動(dòng)時(shí)輪距變化越小，有利于提高輪胎壽命。
圖2.8麥弗遜式懸架運(yùn)動(dòng)特性
主銷內(nèi)傾角β、車輪外傾角α和主銷后傾角γ曲線的變化規(guī)律也都與類似，說(shuō)明擺臂越長(zhǎng)，前輪定位角度的變化越小，將有利于提高汽車的操縱穩(wěn)定性。具體設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足布置要求的前提下，應(yīng)盡量加長(zhǎng)橫臂長(zhǎng)度。
進(jìn)行汽車行駛系靜強(qiáng)度計(jì)算的方法,確定以下3種極限工況下車輪所受的載荷,并以此作為計(jì)算載荷。汽車駛上路面凸起障礙或落入洼坑時(shí),車輪與路面沖擊產(chǎn)生最大垂直動(dòng)載荷,同時(shí)假定縱向力和側(cè)向力均為零。
式中： k——?jiǎng)虞d系數(shù)；
——為前輪最大垂直靜載荷；
導(dǎo)向機(jī)構(gòu)效果圖如圖2.9所示：
圖2.9汽車下橫擺臂
2.4減震器的設(shè)計(jì)
液力式減震器是目前懸架中使用最普遍的減震器之一。當(dāng)汽車在行駛時(shí)車輪和車身發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生振動(dòng)。液體具有粘性摩擦，當(dāng)液體經(jīng)過(guò)阻尼孔時(shí)發(fā)生產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而形成阻力，使汽車懸架的振動(dòng)迅速的衰減下來(lái)達(dá)到汽車平順行駛的目的。目前大多數(shù)的懸架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，筒式減震器和搖臂式減震器是汽車懸架中最為穩(wěn)定的兩種減震器。雖然搖臂式可以在的大壓力工作，但是因?yàn)楣ぷ魈匦允芑钊哪p影響大而慢慢的遭到了市場(chǎng)的淘汰。筒式減震器雖然工作壓力不大僅在2.5～5MPa之間，但是它最大的優(yōu)勢(shì)就是穩(wěn)定?，F(xiàn)今汽車主要使用的是筒式減震器。這種減震器具有較短的總長(zhǎng)度、噪聲小等許多優(yōu)點(diǎn)。
如圖2.10所示為設(shè)計(jì)減震器簡(jiǎn)圖。當(dāng)汽車在行駛時(shí)車輪與地面發(fā)生相互作用時(shí)車輪向上發(fā)生跳動(dòng)。減震器中的活塞就會(huì)在工作腔中發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，通過(guò)減振液的降溫可將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能散發(fā)到空氣中。
圖2.10減震器簡(jiǎn)圖
設(shè)計(jì)的閥系的具體結(jié)構(gòu)和每個(gè)閥所需開啟力的大小的選擇可以決定減震器特性的形狀走向曲線。就目前一般的汽車設(shè)計(jì)而言，油液在流經(jīng)通道時(shí)會(huì)損失一些壓力。壓力的損失由主要的兩部分組成粘性阻力和動(dòng)能的損失。因?yàn)橛鸵涸谶M(jìn)入通道時(shí)會(huì)有摩擦力發(fā)生而產(chǎn)生動(dòng)能的損失，油液動(dòng)能的損失與流速成正比，但其影響最大的是油液密度。因?yàn)橛鸵赫承噪S溫度的升高變化十分顯著而密度隨溫度的變換并沒有粘度如此明顯，所以為了利用這種損失我們將設(shè)計(jì)出一種可以盡量利用的閥系，這樣的設(shè)計(jì)可以使油液不受溫度的影響。總體來(lái)說(shuō)根據(jù)測(cè)試各個(gè)情況，其產(chǎn)生的阻力都大致將與速度的平方成成正比。
查書得相對(duì)尼阻系數(shù)的公式為：
（2-9）
式中： ——相對(duì)尼阻系數(shù)；
——阻尼系數(shù)；
——汽車懸架的垂直剛度；
——簧上質(zhì)量；
相對(duì)阻尼系數(shù)的物理意義是：減震器的阻尼作用在與不同剛度和不同簧上質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。值大，震動(dòng)能迅速衰減，同時(shí)又能將較大的路面沖擊力傳遞到車身；值小則反之。兩者之間保持如公式所示關(guān)系：
（2-10）
式中： ——伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)；
——壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)；
設(shè)計(jì)時(shí)，先選取于的平均值。相對(duì)無(wú)摩擦的彈性元件懸架，??；對(duì)有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，值取的小些。為避免懸架碰撞車架，取。取，則有： 計(jì)算可得到： ；。
減震器的阻尼系數(shù)。因懸架系統(tǒng)固有頻率,所以理論上 。實(shí)際上，應(yīng)根據(jù)減震器的布置特點(diǎn)確定減震器的阻尼系數(shù)。選擇下圖2.11的安裝形式，則其阻尼系數(shù)δ為：
（2-11）
圖2.11減震器位置圖
根據(jù)公式，可得出：
（2-12）
代入數(shù)據(jù)得：
，取,α取300
代入數(shù)據(jù)得到減震器阻力系數(shù)結(jié)果為：
根據(jù)計(jì)算伸張行程的最大卸荷力F0工作缸直徑D 公式為：
（2-13）
式中： [P]——工作缸最大壓力，在 ，取 ；
λ——連桿直徑與工作缸直徑比值 ；
代入計(jì)算得工作缸直徑D 為：
減震器的工作缸直徑有30mm、40mm、45mm、50mm、65mm、75mm等。選取時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)選用，取D為30mm，查表可得活塞形程，基長(zhǎng)，則有如下數(shù)據(jù)：
（壓縮到底的長(zhǎng)度）
（拉足的長(zhǎng)度）
設(shè)置儲(chǔ)油缸直徑，我們?cè)O(shè)置儲(chǔ)油桶的壁厚為。
減震器主要參數(shù)名稱列表如下表2.4所示：
表2.4 減震器參數(shù)
減震器參數(shù)名稱
參數(shù)值mm
工作缸直徑
30
主油缸直徑
44
最大壓縮長(zhǎng)度
350
拉足長(zhǎng)度
590
減震器效果圖如圖2.12所示：
圖2.12減震器
2.5橫向穩(wěn)定器設(shè)計(jì)
橫向穩(wěn)定桿是一根具有一定剛度的扭桿。減震器滑柱與橫向穩(wěn)定器相連，當(dāng)兩邊的懸架同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定桿不發(fā)生扭轉(zhuǎn)；而在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)懸架受到較大的力的作用將發(fā)生一定側(cè)傾。發(fā)生側(cè)傾時(shí)外側(cè)懸架發(fā)生向外舒張內(nèi)懸架發(fā)生向內(nèi)收縮，橫向穩(wěn)定桿就會(huì)發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的彈力阻止車輛側(cè)傾。因?yàn)辂湼ミd獨(dú)立懸架中的減震器不僅僅要承受上下移動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力還需要在水平方向承受復(fù)雜橫向力的作用，所以減震器所受到的摩擦力往往很不均勻，減震器的油封很容易收到磨損從而造成液壓油泄露大大降低了減震的效果?，F(xiàn)在大量廠商通過(guò)設(shè)計(jì)降低汽車的固有震動(dòng)頻率提高汽車行駛的平順性。為了降低汽車的固有振動(dòng)頻率以改善行駛平順性目前現(xiàn)代汽車獨(dú)立懸架的垂直剛度值都設(shè)計(jì)得較小，垂直剛度小會(huì)引起汽車的側(cè)傾角剛度值也跟著減小，當(dāng)汽車進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎時(shí)導(dǎo)致車身發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)傾，汽車的穩(wěn)定性大大的減低。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都安裝有橫向穩(wěn)定桿來(lái)加大懸架的側(cè)傾角剛度從而大大增加汽車穩(wěn)定性。橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)如下圖2.13所示。
圖2.13橫向穩(wěn)定桿示意圖
有時(shí)在安裝時(shí)或者裝配時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，為了保證誤差在可接受范圍內(nèi)，將會(huì)設(shè)計(jì)出一套具有可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度功能的推力桿。同時(shí)如果將兩個(gè)推力桿通過(guò)設(shè)計(jì)連接，將他們和為一體并有一定的夾角可以實(shí)現(xiàn)減小誤差的作用，通過(guò)上述條件設(shè)想，我們改變兩臂間的夾角如圖2.14所示。螺紋具有可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的功能所以我們將接頭與推力桿用螺紋連接。而螺栓可以改變夾角我們通過(guò)加緊螺栓或者松開螺栓來(lái)調(diào)整角度。
制動(dòng)力、側(cè)向力、牽引力等力將在比較復(fù)雜的情況下施加在控制臂上，其工作狀態(tài)要承受牽引拉力、車輪制動(dòng)力、轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)向力等。為了提高控制臂的剛度，我們將設(shè)計(jì)臂的斷面為箱形。箱形的特點(diǎn)是它具有封閉的斷面結(jié)構(gòu)這樣設(shè)計(jì)臂的深度將得到保證。
圖2.14推力桿及其調(diào)節(jié)圖
接頭是用于連接麥弗遜獨(dú)立懸架的控制臂或者推力桿的重要部件。這些接頭應(yīng)該滿足下述要求：
1） 有較小的摩擦；
2） 具有較少的成本，較高的性價(jià)比同時(shí)在保養(yǎng)時(shí)比較方便；
3） 連接應(yīng)該有一定的彈性；
4） 具有隔聲性能。
因?yàn)橐陨纤膫€(gè)條件很難同時(shí)滿足，所以只能通過(guò)材料的創(chuàng)新盡可能的保證接頭強(qiáng)度。此次設(shè)計(jì)重點(diǎn)滿足懸架的隔聲性能并且組裝保養(yǎng)足夠方便所以我們這次選擇塑料材質(zhì)的接頭，塑料材料有無(wú)需保養(yǎng)和較強(qiáng)彈性的特點(diǎn)十分適合制作接頭。
接頭從結(jié)構(gòu)方面的分類可以分成兩種，軸銷式接頭和球頭銷。我們通過(guò)接頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和傳力特點(diǎn)來(lái)選擇使用軸銷式接頭或者球頭銷接頭。此設(shè)計(jì)選擇球頭銷連接，其特點(diǎn)是：接頭通過(guò)整體塑料制成方法制成球碗，這樣使用塑料制成的球碗具有較強(qiáng)的彈性我們可以把球頭裝配進(jìn)球碗后再安裝在球座中，這樣球頭就能在碗內(nèi)自由滑動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)無(wú)需再耗費(fèi)精力去保養(yǎng)同時(shí)球頭能完美承受給方面的力的作用。
2.6本章小結(jié)
本章首先主要根據(jù)汽車某些數(shù)據(jù)對(duì)麥弗遜懸架各個(gè)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行確定，以及是否符合設(shè)計(jì)的要求，介紹整體懸架對(duì)汽車的作用，重點(diǎn)從轎車前懸架的選型、減振器的計(jì)算及選型、彈性元件形式的選擇計(jì)算及選型和橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)計(jì)算。在減震器中選擇筒式減震器。塑料材質(zhì)的接頭隔聲性能有較大優(yōu)勢(shì)。彈簧選擇塑性和韌性較好的60Si2MnA鋼材料。同時(shí)通過(guò)增加減震器軸線傾斜度來(lái)增加橫擺臂的穩(wěn)定性。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算為之后建模和有限元的分析打下良好的基礎(chǔ)。
第3章 麥弗遜式懸架有限元分析
3麥弗遜式懸架有限元分析
3.1有限元的基本思想
隨著汽車工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，不斷要求設(shè)計(jì)出更高質(zhì)量的懸架系統(tǒng)。為此目的，人們就要通過(guò)有效的有限元建模進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。而橫擺臂在懸架中起到穩(wěn)定車身的關(guān)鍵作用。所以這次有限元分析著重對(duì)橫擺臂進(jìn)行有限元分析。ANSYS軟件的分析主要包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)非線性分析。此次研究我們主要針對(duì)橫擺臂進(jìn)行靜力學(xué)分析。因?yàn)闄M擺臂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分析其形狀和工況條件很難達(dá)到真實(shí)的情況，根據(jù)各方面綜合情況的分析，我們將會(huì)進(jìn)行形狀簡(jiǎn)化、網(wǎng)格的劃分等等的步驟。
離散化是有限元分析的最基本思想，早在上個(gè)世紀(jì)四十年代就已經(jīng)由當(dāng)時(shí)的科學(xué)家最早提出。當(dāng)時(shí)科技發(fā)展比較落后并沒有得到相當(dāng)?shù)闹匾?。十年之后成功運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)思想進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，這就是將問題的求解域劃分為一系列的單元，而單元與單元之間依靠一個(gè)個(gè)的節(jié)點(diǎn)連接。因?yàn)閱卧男螤詈?jiǎn)單，所以通過(guò)能量關(guān)系或平衡關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系方程讓各個(gè)單元集合在一起一個(gè)總體的代數(shù)方程組。
3.2 ANSYS有限元分析基本過(guò)程
ANSYS有限元分析過(guò)程包含三個(gè)主要的步驟，第一步是前處理，前處理中定義文件名和分析標(biāo)題是必須的。之后要進(jìn)行設(shè)置分析模塊。即設(shè)定分析的類型。接著要定義單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料特性等。第二步是求解，在求解中有定義分析類型和分析選項(xiàng)等。第三步后處理。橫擺臂主要進(jìn)行前兩個(gè)步驟的分析。
3.3麥弗遜懸架建模
3.3.1車輪的建模
現(xiàn)如今交線輪胎和子午線輪胎是汽車輪胎中最為常見的輪胎種類。這兩種輪胎最大的區(qū)別不是輪圈而是胎體。當(dāng)出現(xiàn)斜線并且出現(xiàn)交叉的臉部層我們稱之為斜交線輪胎；當(dāng)胎體出現(xiàn)聚合物多層并且交叉材質(zhì)是我們稱之為子午線輪胎，可大大降低輪胎收到尖銳物體的破壞而傷害輪胎內(nèi)部。
本次設(shè)計(jì)車輪尺寸按實(shí)際桑塔納車輪尺寸為205/60 R16建模：
表3.1車輪主要參數(shù)
參數(shù)名稱
數(shù)據(jù)（mm）
輪寬公稱尺寸
205
胎高公稱尺寸
123
車輪內(nèi)徑
406.4
3.3.2減震器三維圖
根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可得表3.2，選擇筒式減震器根據(jù)數(shù)據(jù)建模如圖3.1所示：
表3.2減震器參數(shù)
減震器參數(shù)名稱
參數(shù)值mm
工作缸直徑
30
主油缸直徑
44
最大壓縮長(zhǎng)度
350
拉足長(zhǎng)度
590
圖3.1 減震器三維圖
3.3.3 彈簧三維圖
根據(jù)計(jì)算得出螺旋彈簧的外徑為135mm；內(nèi)徑為105mm；總?cè)?shù)為12圈；節(jié)距為36mm；自由高度為382.5mm；壓拼高度為172.5mm；螺旋倒角為5.5°；展開長(zhǎng)度為4542.5mm，60Si2MnA鋼材料彈簧建模如圖3.4所示：
圖3.2彈簧三維圖
3.3.4下擺臂三維圖
根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)前懸架的側(cè)傾中心高度為185mm。側(cè)傾中心為244.9mm，下橫擺臂建模如圖3.5所示：
圖3.3下擺臂三維圖
3.3總裝配圖
圖3.4 總裝配圖
3.4衡擺臂有限元分析
ANSYS軟件的分析主要包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)非線性分析。此次研究主要針對(duì)橫擺臂進(jìn)行靜力學(xué)分析。靜力分析計(jì)算是在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，計(jì)算不考慮阻尼和慣性的影響。雖然與是靜力分析，但是其可以幫助計(jì)算固定不變的重力或離心力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及可以近似等價(jià)為靜力作用而隨時(shí)間變化的載荷。在有限元分析中需要特別注意。
3.4.1橫擺臂有限元靜力分析
因?yàn)橄聰[臂在麥弗遜獨(dú)立懸架中起到十分重要的作用。將橫擺臂單獨(dú)拿出進(jìn)行有限元分析，分析其在靜力作用下橫擺臂的工作狀態(tài)。此次主要分析橫擺臂臂頭所受靜力作用分析。首先我們需要將橫擺臂文件的格式轉(zhuǎn)換為model格式。將原文件D導(dǎo)入CATIA軟件中另存為model格式。將model格式橫擺臂三維圖導(dǎo)入ANSYS。第一步選擇單元格類型solid192，定義材料屬性2.1e5，設(shè)置彈性模量為0.3，完成網(wǎng)格的劃分如圖3.7。
圖3.7橫擺臂網(wǎng)格劃分
第二步在橫擺臂的螺栓孔中約束自由度。如圖3.8將螺栓孔中X、Y、Z軸方向都進(jìn)行約束。
圖3.8 約束自由度
第三步通過(guò)計(jì)算橫擺臂頭部?jī)蛇厛A柱需要承受至少3750N的載荷。在如圖3.9中輸入3750N點(diǎn)擊OK。
圖3.9施加載荷
最后得出分析如圖3.10應(yīng)變圖與圖3.11應(yīng)力圖?？傻媒Y(jié)論此次設(shè)計(jì)的橫擺臂在靜力作用的條件下滿足要求設(shè)計(jì)成功。
選擇Main?Menu→General?PostProc→Read?Results→First?Set命令,讀入最初結(jié)果文件。?
圖3.10 變形圖
選擇Favorites→Nodal?Solution→Von?Mises?stress命令，并展開[Additional?Options]折疊菜單，設(shè)置[Interpolation?Nodes]為[All?applicable]?，單擊OK，出現(xiàn)如下所示等效應(yīng)力圖。
圖3.11 應(yīng)力圖
根據(jù)計(jì)算車輪輪與路面沖擊產(chǎn)生最大垂直動(dòng)載荷為12877N，對(duì)下橫擺臂施加應(yīng)力，由圖可知螺栓孔中受到最大應(yīng)力在相對(duì)應(yīng)力測(cè)，最大應(yīng)力點(diǎn)集中分布在靠近約束端處，這與下橫擺臂常見的失效部位吻合。下擺臂使用的材料為鑄鋼許用應(yīng)力的大小在，所以無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是材料都滿足實(shí)際的需求。
3.4.2結(jié)論
此次模仿汽車在滿載時(shí)橫擺臂的的靜力作用。根據(jù)給定參數(shù)汽車在滿載時(shí)橫擺臂受力為12877N。根據(jù)應(yīng)力圖可得知橫擺臂受到的應(yīng)力符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。在與其他零件不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的情況下，增大橫擺臂的體積，使得下擺臂在相同載荷作用下最大應(yīng)力值下降。
3.5本章小結(jié)
本章介紹了有限元的一些基本思想，說(shuō)明了有限元分析的基本過(guò)程。重點(diǎn)研究了麥弗遜懸架橫擺臂的有限元模型建立。首先建立橫擺臂模型，接著說(shuō)明有限元網(wǎng)絡(luò)的劃分方法，對(duì)橫擺臂的集合模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。通過(guò)分析和處理得到橫擺臂受最大載荷時(shí)應(yīng)力的變化和分布情況
第4章 結(jié)論與展望
4結(jié)論與展望
課題首先以某車輛基本參數(shù)為依據(jù)對(duì)其麥弗遜懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)分析結(jié)果可知設(shè)計(jì)麥弗遜懸掛存在的問題及結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行麥弗遜懸掛的強(qiáng)度及剛度校核，分析出麥弗遜懸掛的優(yōu)劣，而后對(duì)懸掛進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后利用ANSYS分析軟件對(duì)懸架進(jìn)行有限元分析，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元靜力分析，通過(guò)分析其數(shù)據(jù)結(jié)果，得出結(jié)論，提出優(yōu)化方案，為傳動(dòng)裝置的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。這樣可以大大縮短麥弗遜獨(dú)立懸架總成的開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低開發(fā)成本。
今后設(shè)計(jì)麥弗遜懸架可以從已下幾個(gè)方面尋找突破：
1、節(jié)能、高效、低碳化、輕量化；
2、多種材質(zhì)的研發(fā)式懸架的壽命更長(zhǎng)舒適性更好；
3、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高經(jīng)濟(jì)性；
4、掌握自主的懸架系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)。
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[19]宋曉琳,毛開楠,李葉松,劉禹亭.麥弗遜前懸架硬點(diǎn)參數(shù)的靈敏度分析和優(yōu)化[M].現(xiàn)代制造工程,2011.?
[20]張俊,何天明.麥弗遜前懸架的虛擬設(shè)計(jì)及優(yōu)化[M].北京汽車,2006.
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是作為學(xué)生在大學(xué)中最重要的事之一，對(duì)我來(lái)說(shuō)也是大學(xué)中最有挑戰(zhàn)的一件事。說(shuō)它極具挑戰(zhàn)是因?yàn)檫@次畢業(yè)設(shè)的任務(wù)量巨大，需要注意細(xì)節(jié)極多，耗時(shí)極長(zhǎng)，難度也較此前的課程設(shè)計(jì)高。為了將大學(xué)中的最后一次設(shè)計(jì)完美完成，我在圖書館花費(fèi)大量時(shí)間尋找資料，我還要特別感謝我的指導(dǎo)老師智淑亞老師在我有疑問時(shí)幫助我解答疑惑。從一開始零件建模，到裝配，最后限元分析，一步一步走下來(lái)從無(wú)到有，雖然很辛苦但是收獲很大。一次次的選擇一次次的嘗試，一遍又一遍地修改和完善我沒有放棄堅(jiān)持了下來(lái)，有很多艱難的時(shí)刻但在老師和同學(xué)的鼓勵(lì)下還是一步步走了下來(lái)，沒有他們的幫助鼓勵(lì)就沒有我現(xiàn)在的成就。
我在這里想很慚愧的說(shuō)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以順利的完成老師和同學(xué)功不可沒。所以在這里我要特別感謝本畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師智淑亞老師。是老師的細(xì)心陪伴全面的解答讓我的設(shè)計(jì)可以如此順利。從選題表開始到最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)正文，智淑亞老師每次多幫我們細(xì)心審核，一絲不茍的精神讓我們小組的每一位同學(xué)都深深感動(dòng)。在此，我再次對(duì)智淑亞老師的悉心指導(dǎo)和幫助表示誠(chéng)摯的謝意！因?yàn)闀r(shí)間有限，所以本設(shè)計(jì)中難免存在錯(cuò)誤和疏漏，還望可以老師批評(píng)指正！
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