摘 要

本文根据宝骏560官方提出的技术资料，查阅了大量的汽车设计、机械设计类书籍，完成了其前悬架的选型以及分析，介绍了重要零件的作用及设计尺寸，并使用CATIA软件对该设计进行了建模分析，表现出其空间特征，直观的反映出各个零件的装配关系。本文重点设计的内容有：减振器、螺旋弹簧、横向稳定杆以及转向节。此次设计前悬架采用麦弗逊式独立悬架，其参数特性、技术要求均按照麦弗逊式悬架要求而设计。

关键词：麦弗逊悬架、CATIA建模、优化分析。

Abstract

According to technical data from Baojun 560 Crown , we took reference of a lot of car design and mechanical design books, to completed its selection and analysis of front suspension .In this paper , we introduced the function of important parts ,and also gave a very detailed method to design those components . Still we use the CATIA software to design the chassis , showing its spatial features, and reflect the relationship between the various parts of the assembly. The components this article focuses including : shock absorbers, coil springs, stabilizer bar and steering knuckle. We choose McPherson suspension as our front chassis ,and all those design fit it’s demands well .

Keywords: McPherson suspension, CATIA modeling, optimization analysis.

1.绪论

1.1 课题目的及意义

悬架是决定一个汽车是否平顺最为重要的部分，好的悬架能够让汽车在通过不平路面或者转弯时拥有十分优良的特性，从而减小乘客的不适。汽车的悬架分为导向、传递、减振三个机构，有一些还具有横向稳定杆。

宝骏560属于上汽通用五菱自主研发的SUV，其定位是一款平民车型，价位低，空间大，把握住了国人的心态，因此在自主品牌领域表现非常好。自主品牌是国家汽车工业繁荣的根本，而想要抢夺市场，获得用户的青睐，还是要不断提高产品的性能。

宝骏560的前悬采用的是麦弗逊式布置，这种悬架能够让汽车轮胎跳动的振幅大大减小，因此行驶时具有良好的平顺性，并且其结构紧凑，占用空间不大，重量轻且成本低廉的优点。这些优点有利于发动机与转向机构的布置，使汽车在行驶过程实现车身高度的自动调节。但是在不平路面时，由于轿车主销轴线的连线作用，减振器上端与车身连接点在摆动的过程中容易造成主销轴线的偏移，所以麦弗逊式悬架变形的时候，主销轮距和定位角度也会发生对应的变化，从而影响驾驶性能。在设计的时一些不合理的设置很可能导致轿车出现转向摆振、沉重的问题。并且在麦弗逊悬架中，悬架与其配套系统都是相互连接的，在运动时候很可能发生干涉，所以在设计的时候一定要充分考虑悬架的杆系布置，使悬架处于理想的运动状态。

1.2 国内外研究现状分析

目前国内外对麦弗逊式悬架的研究非常多，许多都是基于现有问题提出的优化改进方案，或是对麦弗逊式悬架的强度进行分析以及运动分析。重庆大学机械工程学院研究指出合理设计独立悬架的转向梯形可以有效的减少汽车在行驶过程中的前轮摆振，从而提高稳定性，技术与市场杂志通过建模来优化麦弗逊的结构，以注销内倾角和轮胎滑移量作为目标函数。

1.3 研究预期目标

根据宝骏560的官方技术参考资料，了解到其轴距、 最高车速、整备质量、总质量、前轴负荷、后轴负荷、发动机最大功率、发动机最大扭矩、轮胎规格以及接近角离去角等一系列参数，通过这些参数可以进行CATIA建模，对悬架进行三维定义及分析，找到悬架的变化规律，并对可能会影响悬架工作性能的点进行优化，从而提高宝骏560的操纵稳定性以及行驶平顺性。

1.4 悬架的作用以及组成

悬架就是车架与车桥之间一切传力连接装置的总称。悬架的作用是把路面作用于车轮上的力和力矩传递到车架上面，比如垂直反力（支撑力）、纵向反力（驱动力以及制动力）和侧向反力，还有这些力的力矩。传递这些力和力矩能够保证汽车的正常行驶。

由于悬架要承受来自路面的反力，所以我们需要弹性机构和减振机构来缓和路面的反力。我们悬架上安装弹簧，通过弹簧的变形来吸收能量作为缓冲，但是这一种缓冲并不足消耗路面传来的能量，通常悬架中还会采用阻尼元件如减振器，从而让来自不平路面、发动机振动以及空气动力传来的力迅速衰减。车轮相对于车架和车身跳动时，车轮的估计应该符合一定的要求，否则的话对于汽车的驾驶性能如操纵稳定性会有极大的影响，所以悬架中的传力机构还有对车轮位置进行限制的作用，我们称之为导向机构。

一般来说，悬架就是由弹性机构、减振机构、导向机构组成。许多悬架中还装有横向稳定杆，横向稳定是一个辅助的弹性元件，其作用是防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，另外还有一些悬架装有缓冲块。在本设计中横向稳定杆和缓冲块都有用到，这在后面的内容会讲到。

1.5 悬架的分类

汽车悬架的导向机构有很多不同的类型，根据这种不同可以把悬架分为独立悬架和非独立悬架。一般来说，非独立悬架为整体式车桥，这种车桥当一边车轮经过凸起的时候，另外一边的车轮会直接受到影响。而独立悬架是断开式车桥，左右车轮独立的与车身相连。独立悬架按结构形式的不同又可以分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等。

1.6 悬架的设计要求

汽车悬架的悬挂质量和非悬挂质量构成了一个振动系统，这一个振动系统的特性决定了汽车的行驶平顺性和操作稳定性[1]。因此悬架在设计的时候必须综合考虑以下要求：

（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。尽量降低汽车的振动频率，乘客承受的振动加速度不应该超过国家标准值。

（2）有合适的减振性能。应与悬架的弹性特性匹配良好，减小车身和车轮在发生共振区域的振幅，并且加快振动衰减。

（3）保证汽车有良好的操纵稳定性。车轮在上下跳动时，导向机构部分的主销定位参数变化如果太大会影响车轮与导向机构的协调性，并且有可能会发生摆振现象。在转向时必须保证汽车具有不足转向特性。

（4）有抗侧倾能力。汽车制动和加速时需要有良好的抗“点头”和抗“仰头”的能力。

（5）要求悬架能够可靠的传递车轮和车身间的所有力和力矩，让汽车零部件质量尽量轻，同时又拥有足够的强度和寿命。

（6）有良好的隔声能力。

（7）结构紧凑、占用空间尺寸小。

（8）制造成本低。

（9）便于维修保养。

悬架设计时要定主要参数，而在后续设计中可能遇到许多问题要对参数进行选取修正，所以在整个设计过程中参数选定和建模是同时进行的。

2 悬架选型和主要参数的确定

2.1 基于宝骏560轿车整车性能要求的前悬架类型选择

和非独立悬架相比，独立悬架很大一部分力都分散给了车架，因此非簧载质量比较小，悬架受到冲击的时候，传给车身的力就会比非独立悬架小很多。另外独立悬架的前轴不是一整块，这样的话在安装发动机的时候其位置可以降低很多，这样就降低了汽车质心的位置，提高了驾驶的稳定性。

对于独立悬架来说，左、右车轮的运动是相互影响比较小，这样就能够减小车身的倾斜和振动，另外独立悬架的前轮（驱动轮）转向比非独立悬架容易得多。

宝骏560作为经济性SUV，发动机前置，采用独立悬架更加符合设计要求。

而独立悬架有很多不同的形式，按照车轮的运动形式分为：车轮在汽车横向平面内及水平面内摆动（横臂式独立悬架）、车轮在汽车纵向平面即垂直平面内摆动（纵臂式独立悬架）、车轮在汽车的斜向平面内摆动（单斜臂式独立悬架）、车轮沿主销滑动（烛龙式和麦弗逊式悬架）^[2]。相比于其他悬架，麦弗逊式悬架具有如下优点：

1. 结构紧凑，减振器活塞和连杆兼作转向主销，占用空间比较小；
2. 悬架有良好的操纵稳定性，因为车轮在上下跳动时，前轮定位参数（如前束角，主销后倾角）变化小；
3. 由于取消了上横臂，让车身整体更易于布置发动机及其他部件；
4. 受力点分散，每个点上承受的集中载荷相对减小，利于承载式车身。

基于以上优点决定采用麦弗逊式独立悬架，麦弗逊悬架也有一些不足之处，比如减震筒受到的侧向力大，对减振器寿命不利。由于减振器的下支点一直会随着横摆臂的运动而一起发生变化，所以主销轴线的角度也是一直在变化的，悬架变形的时候，主销的定位角，汽车轮距，车轮的倾角以及前轮前束的变化，都会加剧轮胎的磨损，给汽车的操作稳定性带来不利的影响^[3]。麦弗逊悬架有这样的缺点很难避免，这只能在设计的时候，尽量合理的调整麦弗逊悬架的布置，从而减小车轮的定位参数的变化。

2.2 悬架基本结构的初步确定

观察测算已经量产的宝骏560后，决定本次设计不改变悬架的基本架构，仍然采用螺旋弹簧，双向作用筒式液压减震体，带三角型下横臂及横向稳定杆。本次设计中减振器通过U型夹和转向节相连，而转向节通过螺栓固定在车架上，另外转向节通过球铰（球形销）和三角下摆臂相连，转向节臂用球铰和转向横拉杆相连接。每个部件的具体结构以及尺寸将会在后续的设计中逐步完善。通过宝骏560提供的官方技术资料，已知以下参数：

轴距：2750 (mm)

最高车速170 （km/h）

整备质量1370 （kg）

总质量1780（kg）

前轴负荷885（kg）

后轴负荷895（kg）

发动机最大功率101/5600（kw/rpm）

发动机最大扭矩186/3600-4000（N·m/rpm）

轮胎规格215/60 R17

接近/离去角 20\25

2.3 悬架的偏频和静挠度

汽车的前悬架，后悬架与其簧载质量会组成一个振动系统，这个系统的固有频率就是悬架的重要参数偏频^[4]，偏频是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。悬架自振频率是根据国标选定，为了提高舒适性，一般要求自振频率和人体上下运动的频率相近。

现代汽车的悬挂质量分配系数ε近似等于1，即前、后轴上方车身部分集中质量的垂直振动是相互独立的，其车身两点的振动没有联系。我们用偏频表示前部分车身的固有频率，用表示部分车身的固有频率。不同用途的汽车，对平顺性要求不一样，对于前、后悬架偏频的选取也不一样。乘用车对平顺性要求最高，悬架的偏频应该偏小。对于乘用车，其发动机排量在1.6L以下，前悬架偏频在满载时应该在1.0～1.45Hz的范围内选取，而后悬架则范围则要求在1.17～1.58Hz之间。高级乘用车前悬架偏频满载时去0.8～1.15Hz，后悬架则为0.98～1.3Hz。

前、后悬架偏频的匹配对汽车行驶平顺性影响也很大，一般使两者接近以免产生较大的车身纵向角振动^[5]。

当ε等于1时，汽车前后悬架的偏频可以用下式表示：

（2-1）

其中，C1、C2为前、后悬架的刚度（N/cm）；、为前、后悬架的簧上质量（kg）。

悬架静挠度是指汽车在满载静止时悬架上的载荷与悬架刚度C之比，对于刚度为常数的悬架，前、后悬架的静挠度可以表示为：

（2-2）

式中，g为重力加速度，g=9.81。

将、代入式（3-1）得到：

（2-3）

选取宝骏560的前悬架偏频为=1Hz，一般选取/=0.85-0.95，因此选取=1.1Hz。

根据所给条件，前轴质量为681kg，后轴质量为689kg,

所以=25cm，= 20.7cm，根据式（3-2）有

（N/cm） （2-4）