基于CAE建模的轻型汽车悬架系统设计与分析毕业论文

2020-04-08 14:23:09

摘要

本文依据汽车悬架的设计理论，首先对悬架的作用与功能进行了分析，确定出悬架系统的基本设计参数；通过对非独立悬架与独立悬架优缺点的进一步分析，对悬架的类型进行了确定，此次探究独立悬架中的麦费逊式悬架。

论文主要研究了悬架系统的弹性元件和减振器。此悬架采用了螺旋弹簧。再次对悬架的导向机构和横向稳定杆进行了设计。最后依据参数使用CATIA建模，分析各个结构直接的关系。

研究结果表明：悬架模型在CAE分析中进行优化设计后，优化结构减小麦费逊式悬架的尺寸，尽量达到降低悬架整体质量，减轻汽车的负荷状况。在现代车辆中，尤其是轻型汽车对此要求更高，悬架设计的好坏直接关系到乘客的舒适性，尤其是晕车的人，因此直接关系到销量，悬架设计的好坏有着重要意义。

本文的特色：结构紧凑鲜明

关键词：轻型汽车，麦费逊式悬架，设计，优化

第一章.绪论。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5

1.1目的。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5

1.2意义。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5

1.3国内外研究现状。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5

第二章.悬架的结构分析及选型。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6

2.1悬架重要性。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6

2.2悬架的作用与功能。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7

2.3悬架的设计要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7

2.4悬架的分类。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8

2.5麦费逊式悬架。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9

第三章.悬架的设计计算。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10

3.1已知参数及参数的确定。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10

3.2弹性元件的设计计算。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11

3.3悬架导向机构的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13

第四章.横向稳定杆及减振器的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。17

4.1横向稳定杆的设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17

4.2减振器设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。18

CAE建模过程。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。21

5.1软件介绍。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。21

5.2螺旋弹簧的建模过程。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。22

5.3减振器的建模过程.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。23

5.4轮毂的建模过程.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。24

5.5横向稳定杆的建模过程.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。25

结论.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。27

6.1本论文的主要工作.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。27

6.2本论文存在的不足之处.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。27

参考文献.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。28

致谢.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。29

第一章.绪论

1.1目的

通过对轻型汽车悬架结构系统设计，熟悉与掌握汽车设计方法在悬架方面的应用，充分了解各个部件及其参数对于悬架性能的影响。进而设计出合理的双横臂式汽车悬架系统，对其性能参数进行优化仿真，在满足车辆行驶的条件下，缓和路面传给车身的冲击载荷，减少轮胎的磨损，延长使用寿命。

1.2意义

通过计算，基于CAE软件建立悬架的仿真模型，对其设计计算和分析。在满足强度条件和刚度条件的要求下，使悬架的质量减少，达到优化设计的目的。虽然悬架很简单，但是其作用十分重要，对汽车的平顺性和操纵稳定性重要。

1.3国内外研究现状

随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，而人们对轿车的舒适性和安全性要求也越来越高，与此同时，汽车技术也在不断推陈出新，轻型汽车的悬架逐渐成为了人们区分不同品牌的重要指标之一。关于轻型客车变刚度悬架系统的优化、调校与试验研究，王长新提出了一套符合国内厂家实际的底盘调校方法和流程，并对悬架的道路可靠性进行了虚拟模拟研究，以减少试验时间及费用。对于悬架实验，曹振针对某轻型车采用模糊-进化规划算法开展磁流变半主动悬架控制研究，使用Matlab/Simulink建立系统仿真模型，接着使用软件仿真分析验证模糊-进化规划算法的有效性，最后搭建硬件在环试验台，验证模糊-进化规划算法的可靠性和适应性进行对比验证。悬架中特点最为突出的事双横臂悬架，吕福平运用ADAMS/CAR软件建立和验证其多体动力学模型，优化处理后获得的Pareto点集中选取一组优化参数,对双横臂悬架结构完成预期的优化设计；刘斌应用ADAMS/Car软件建立了该车的双横臂前悬架子系统及转向系子系统组成的悬架系统模型，应用该模型对该车前悬架进行运动学、动力学仿真,得出各种前悬架特性参数在运动过程中的变化曲线。轻型汽车悬架多有加宽的设计，袁鸿根据现有轻型客车的基础设计参数、结构以及标准车型、加宽车型和加长加宽车型总布置尺寸约束参数，构建了加长加宽车型前悬架系统模型、后悬架系统模型；张园园经过分析提出两种悬架的加宽方案，并针对加长上、下横臂的悬架方案进行优化设计，最终通过优化设计取得了相对较为合理的悬架布置。随着社会的发展，轻型汽车的平顺性要求也越来越高，夏怀亚利用Visual Basic语言编写了悬架系统计算软件，基于MATLAB软件和Visual Basic语言开发了汽车六自由度的平顺性仿真程序，进行了整车平顺性研究；刘虹开发了随机路面生成软件和平顺性评价程序，实现了悬架偏频的仿真测量和不同等级路面、不同车速下随机路面输入的平顺性仿真。

对于国外学者来说，悬架的设计更是异彩纷呈。Andrzej G. Nalecz创建建模程序为25个常用非线性运动学和动力学分析的程序光车辆悬架，已经被开发并应用于调查空间移动车辆的侧倾轴。Wei Liu和Wenku Shi Sr.建立Bouc文迟滞模型MR阻尼器的唯象模型，为了达到开发半主动控制的目的，神经网络控制理论在这里采用了识别和控制的半主动悬挂系统。Gary M. Prior采用了有限元技术，所使用的技术十分依赖于分析和估计部件负载，部件负载的准确估计最常用的方法是在车轮考虑加速度、由簧上而反应和车辆质量。Jiang liu，Yu liu， Fan yu和 Lou Leming采用三维实体造型CAD软件的Unigraphics建立一个详细的前悬架模型，通过研究表明，如果S形弹簧被适当地设计，它会显著降低麦弗逊支柱悬架阻尼器的侧载荷，所以产品使用寿命能够得到延长。另外，平顺性和操纵性能得以提高。Dongpu Cao和Amir Khajepour提出了一种新颖的半主动液压气动悬架设计和究其性能的潜力，所提出的新的半主动悬挂设计涉及到前部和后部之间的气动互连悬浮液的的支柱车辆。A. Mansour Abdelhaleem和 D. A. Crolla分析和设计一个的液压气动有限带宽主动悬挂系统，其中内尔德-Mead单纯算法被用于计算增益，以优化性能指标。Sang Beom Lee，Woo Sub Han和 Hong Jae Yim使用共振耐久性分析对悬挂部件的动态效果进行疲劳寿命评估，该研究表明，疲劳寿命考虑车辆的共振频率系统可以在早期设计阶段被有效地估计。

第二章.悬架的结构分析及选型

2.1 悬架重要性

现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性和制动性等之外，目前正致力于提高其安全性与舒适性，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、乘坐舒适性的轿车前后悬架必须做出相应的改进。舒适性是汽车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相关特性相关。悬架是现代汽车上的重要构成之一，它把车身与轮胎弹性地连接起来。

2.2 悬架的作用及功能

悬架的主要作用是传递作用于车轮和车身之间的一切力及力矩，比如支撑力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的相关振动、保证汽车人员的舒适性、减小货物和车辆自身的动载荷。其主要任务是传递作用于车轮和车身之间的一切力和力矩；缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的相应振动，保证汽车在路面行驶的平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有比较理想的运动特性，进而保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速时的行驶能力。汽车在不平得路面上行驶时，由于悬架产生的弹性作用，使汽车产生了垂直振动。为了迅速能够衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振现象，减小车轮的振幅，悬架应该装有减振器，并使之具有恰当的阻尼。利用减振器产生的阻尼作用，使汽车振动的振幅连续不断减小，直至最后振动停止。

2.3 悬架的设计要求

为了满足汽车行驶时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能够在合适的频段，并尽可能的低。前、后悬架固有频率的匹配应合适，对于乘用车，要求前悬架的固有频率略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免行驶时悬架撞击车架。在簧上质量变化的情况下，车身高度变化要尽量小，因此，应该采用非线性弹性特性悬架。要正确地选择悬架的方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角的变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮发生摆振；汽车在转向时，应使之有一定的不足转向特性。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能要求，对悬架提出的设计要求有：

保证汽车具有良好的行驶平顺性。
具有合适的衰减相应振动的能力。
保证汽车具有良好的操作稳定性。
汽车在制动或加速时，要保证车身的稳定，减少其车身纵倾，转弯时车身的侧倾角要尽量合适。
具有良好的隔声能力。
结构紧凑、占用空间尺寸要足够小。
可靠地传递车身与车轮之间的各种力及力矩，在满足零部件质量尽量小的同时，还要保证其有足够的强度和寿命

2.4悬架的分类

根据导向机构的不同可以将汽车悬架大致分为独立悬架和非独立悬架两大类。70年代又发展了一种前后悬架或左右悬架相通的交联式汽车悬架。非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮在跳动时，影响另一侧车轮也作出相应的跳动，使汽车整个车身振动或倾斜，这时汽车的平稳性和舒适性较差，但由于汽车构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架还采用这种型式。

汽车独立悬架的车轴分为两端，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车身下面，当其中一边车轮发生跳动时，另一边车轮并不受波及，汽车的平稳性和舒适性较好。但这种悬架构造比较复杂，承载力比较小。现代轿车前后悬架大都会采用独立悬架，并成为一种现代发展趋势。

2.4.1非独立悬架优缺点分析

非独立悬架的结构特点是:左、右车轮用一根整体轴来连接，再经过悬架与车架进行连接。

优点是：结构简单，制造容易，维修很方便，工作可靠。

缺点是：（1）由于汽车整车布置上的限制，前悬架钢板弹簧不可能有足够的长度，使之刚度较大，所以汽车平顺性比较差；

（2）簧下质量大；汽车在不平路面上行驶时，左、右车轮会相互影响，并使车桥和车身倾斜；

（3）当两侧车轮跳动不同步时，车轮会左、右产生摇摆，使前轮容易发生摆振；前轮在跳动时，悬架易与转向传动机构产生运动上的干涉；

（4）当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动，不仅车轮外倾角会有变化，还会产生非常不利的周转向特性；

（5）汽车在转弯行驶时，离心力也会相应产生不利的轴转向特性；车轴上方要求有与弹簧行程相适应的空间。

这种悬架主要用于总质量大些的商用车前、后悬架以及某些适当乘用车的后悬架上。

2.4.2独立悬架优缺点分析

独立悬架的结构特点是：左、右车轮通过各自的悬架与车架相连接。