摘 要

本文的目标是设计一款2.0L轿车前麦弗逊悬架并对其进行仿真优化。首先利用别克君越2019款的车辆参数，对前麦弗逊式独立悬架的各个零件进行尺寸计算，然后利用CATIA软件对各部件进行三维建模与装配，接着从三维模型中测量出关键点的硬点坐标，再利用adams car软件进行左右车轮同向跳动仿真实验，得出车轮上下跳动对车轮定位参数的影响曲线，最后利用adams/insight对其悬架硬点坐标做优化处理。文中的悬架设计与优化方法，可得到悬架各部件的最优尺寸参数，并减小车轮定位参数在悬架振动过程中的变化，可达到提高汽车行驶平顺性和操纵稳定性的目的。

关键词：麦弗逊式独立悬架；悬架设计；adams；车轮定位参数

Abstract

The objective of this paper is to design and optimize the front McPherson suspension of a 2.0l sedan.Before first use of the existing vehicle data parameters McPherson independent suspension parts size calculation, and then using CATIA software to modeling of macpherson suspension, then measure the key points from the 3 d model in the hard point coordinates of reusing software of Adams, car wheel around synthetic beating simulation experiment, it is concluded that the wheel jumping up and down on the influence of wheel alignment parameters of the curve, finally using Adams/insight on its suspension hard point coordinates to do optimization, finally to make the change of wheel alignment parameters affected by the wheel jumping up and down, the purpose of reduceIt improves the ride comfort and handling stability of the vehicle.

Key words:McPherson suspension;Suspension design;Adams;Wheel setting parameter

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究历史及现状 1

1.3 研究内容、目标和技术路线 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 研究目标 2

1.3.4 技术路线 2

第2章 悬架简介及结构分析 4

2.1 悬架功用及分类 4

2.1.1 悬架功用 4

2.1.2 悬架分类 4

2.2 麦弗逊式独立悬架分析 5

2.2.1 麦弗逊悬架结构分析 5

2.2.2 麦弗逊悬架各部件连接关系 5

第3章 麦弗逊独立悬架结构设计 7

3.1 悬架总体设计要求 7

3.2 悬架总体参数设计 7

3.2.1 汽车参数选定 7

3.2.2 悬架偏频设计 8

3.2.3 悬架静挠度设计 8

3.2.4 动挠度 9

3.2.5 悬架刚度 9

3.3弹性元件设计 9

3.3.1 弹簧材料选择 10

3.3.2 弹簧参数计算 10

3.3.3 弹簧强度校核 12

3.4 导向机构设计 13

3.4.1 导向机构参数布置 13

3.4.2 下摆臂长度的确定 13

3.5 减振器设计 14

3.5.1 减振器主要性能参数的选择 14

3.5.2 主要尺寸参数计算 15

3.6 横向稳定杆设计 16

3.6.1 材料选择 16

3.6.2 横向稳定杆参数设计 16

3.6.3 稳定杆校核 18

3.6.4 橡胶衬套设计 18

第4章 模型建立 19

4.1 螺旋弹簧建模 19

4.2 导向机构建模 19

4.3 减振器建模 20

4.4横向稳定杆建模 20

4.5 其他零件建模 21

4.6 装配图 22

第5章 麦弗逊悬架优化 23

5.1 车轮定位参数对悬架性能影响 23

5.1.1主销后倾角的影响 23

5.1.2 主销内倾角的影响 23

5.1.3前轮外倾角的影响 24

5.1.4 前轮前束的影响 25

5.2 麦弗逊悬架仿真 25

5.2.1仿真设计思路 26

5.2.2 建立麦弗逊悬架仿真模型 26

5.2.3 麦弗逊悬架仿真 27

5.3 悬架优化设计 30

5.3.1硬点坐标分析 30

5.3.2 实验设计步骤 31

5.3.3 拟合结果合理性分析 33

5.3.4 优化变量灵敏度分析 33

5.3.5 硬点坐标优化 34

5.3.6 优化前后仿真结果对比 35

第6章 总结 38

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

自改革开放以来，中国的汽车行业已经经历了从无到有和从小变大的重大变革与革新，数据表明，在1978年的时候中国的汽车产量是非常的少的，仅有15万辆左右，仅仅是全世界汽车总产量的百分之零点四左右而已，但是到了2017年的时候中国汽车的产量可谓是发生了天翻地覆的变化，拥有2091万辆左右的产量^[3]，约为世界汽车总产量的百分之三十左右。中国汽车行业的成长壮大经历可以被我们分成四个过程，分别是从改革开放到1994年的从无到有过程，再是从1994年到2004年的从小到大过程，从2004年到2018年的战略转移，最后是从2018年到现在的由大变强过程。

中国汽车的产量在2009年的时候完成了千万辆的生产目标，并且成功地成为世界上汽车总产量榜首的国家，并且一直不断的发展壮大成为连续九年都是世界汽车总产量的第一的国家[]，如今我国汽车市场规模已经不断扩张发展为全世界最大的汽车市场。但是成为全世界前车市场规模最大的国家并不能说明我国已经是汽车强国，目前我国自主品牌的汽车自主研发力度严重不足，缺少自主知识产权，这也是我国汽车行业在汽车市场的激烈角逐中严重缺乏核心竞争能力的主要原因之一。中国的汽车行业在过去几十年的发展中大多都是仅仅引进国外汽车公司的生产技术，但是却没有引进国外汽车的产品设计开发技术，进而造成国外汽车占据国内很大一片市场。中国车企应该引进国外转向系统、悬架系统、制动系统及发动机等核心技术，掌握其设计原理和设计理念。要想提高我国汽车行业在世界汽车行业领域的核心竞争能力，迫切需要车企加大自主创新力度，创新对汽车关键零部件的设计和国家以及车企应该加大对这方面的资金投入。

21世纪以来科技不断进步、社会不断发展、汽车行业不断改进、人们生活水平质量的提高，我们不仅仅对道路有了新的要求，对于汽车的几大行驶性能和舒适性（特别是汽车的行驶安全性能）也不断提出新的要求，汽车人也在不断迎接这些挑战攻克难题。道路改善、车速提高，国内外绝大多数汽车企业都极为重视汽车在行驶过程中的平顺性能和操纵稳定性能这两项指标。汽车的悬架系统对汽车行驶过程中的操纵稳定性和平顺性能有着重要的影响，要求汽车悬架系统能与汽车底盘很好的匹配，性能优越。

本文研究目的是设计一款2.0L轿车前麦弗逊悬架，并对其进行 adams仿真优化，使车轮定位参数受车轮上下跳动影响较小，提高整车的操纵稳定性和行驶平顺性。

1.2 国内外研究历史及现状

从1924年麦弗逊悬架诞生至今，被无数汽车人改进研究，不断发展完善，到目前麦弗逊式悬架的研究已经比较成熟。麦弗逊悬架设计方案已经成熟，各零件的设计均有学者进行详细介绍和论证，如周长城等人对汽车悬架弹性力学元件的力学计算作出详细推导与论证，对汽车的减振器也做出详细的设计理论^[22]。在硬点优化方面也有许多学者提出了新的优化方案，如张军等提出的粒子群算法实现悬架硬点坐标的优化，减小了车轮定位参数随车轮上下跳动的变化^[16];何志刚等应用改进型非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ对悬架系统进行寻优计算,得到Pareto最优解集，优化结果表明悬架定位参数在车轮跳动过程中的变化量有不同程度的减小^[17]；张宇等借鉴生物进化规律提出遗传算法的优化方式，对麦弗逊悬架的运动特性提升很多^[18]。

1.3 研究内容、目标和技术路线

1.3.1 研究内容

1. 查阅资料，撰写汽车悬架系统的综述。内容包括：悬架系统的主要类型、各悬架类型的优缺点及在不同车型上的使用情况。
2. 针对所选车型，设计悬架的总体布置方案，计算悬架总体参数（偏频、悬架刚度、动挠度、静挠度）。
3. 弹簧元件的设计计算：包括弹簧形式、材料的选择，直径、圈数等参数的计算及强度校验。
4. 减振器结构类型的选择，性能参数的计算、尺寸参数的设计。
5. 横向稳定杆的形状及杆径计算、强度校核。其他悬架结构元件的设计。

（6）基于ADAMS建立悬架模型并对其进行优化。

（7） 通过CATIA进行悬架三维建模，通过AUTOCAD进行系统总装工程图和零件工程图的绘制。

1.3.2 研究目标

针对目前国内外汽车行业的发展形势，对麦弗逊悬架进行设计，减小车轮跳动对车轮定位参数的影响，以提高麦弗逊悬架的操纵稳定性及行驶平顺性，通过CATIA进行三维建模并利用adams进行优化仿真。

1.3.4 技术路线

（1）分析麦弗逊悬架的设计要求和结构特点；

（2）查找工具书，对悬架各零件进行尺寸设计；

（3）利用CATIA软件建立麦弗逊悬架的三维模型；

（4）获取三维模型中的硬点坐标，在adams car中建立仿真模型；

（5）在adams car中进行左右轮同向跳动仿真实验，得到车轮跳动对车轮定位参数的影响曲线图 ；

（6）利用adams/insight对悬架硬点坐标进行优化，得到优化坐标；

（7）利用优化后的坐标修改仿真模型，并再次进行左右轮同向跳动仿真实验；

（8）对比两次仿真实验结果，并进行分析；

（9）重复进行优化，得到最优硬点坐标；

（9）在CATIA中利用上述最优硬点坐标修改三维模型。

第2章 悬架简介及结构分析

2.1 悬架功用及分类

2.1.1 悬架功用

悬架系统使汽车行驶系统中重要组成部件，是车轮（或车桥）和车架间弹性连接装置的总称。悬架系统可以传递地面作用于车轮上的制动力、驱动力、垂直反力以及这些力所产生的力矩，增加地面和轮胎之间相互作用的摩擦力，保证汽车能够平稳安全的行驶，保证车轮在不平路面行驶或载荷发生变化是有较好的运动规律，保证汽车的操纵稳定性。减振器、弹性元件和导向装置是悬架系统中最重要的部件，这些部件使其所组成的悬架系统能够缓冲来自地面的冲击，衰减由不平整路面所产生的振动和传递各个方向的力和力矩，使汽车能够平顺的行驶。

2.1.2 悬架分类

目前汽车的悬架被我们分为了独立悬架和非独立悬架两种基本的类别。非独立悬架的特点左右两侧的车轮之间是通过整体式车桥连接起来的，且两侧车轮的运动相互干扰的，为独立式车架两侧的车轮是可以相对的独立的运动的很少出现相互干涉，其连接是通过断开式车桥。

目前现存的非独立悬架被我们分为空气弹簧非独立悬架、螺旋弹簧非独立悬架、纵置板簧式非独立悬架等几种基本的类型。非独立式悬架之所以还未完全被独立式悬架淘汰，是应为其具有工作可靠、结构简单、成本低、维修方便等等优点存在，特别是在大客车、重型客车和载货汽车后悬架上应用的较多，但是它的缺点是左右轮如果发生相对运动是会有很大干涉影响的，比较的容易产生轴转向问题，其布置需要设置较大的安装空间。

现存的独立悬架被我们按照其按结构形式的差异被分为多连杆式独立悬架、横臂式独立悬架、纵臂式独立悬架、烛式悬架以及麦弗逊式独立悬架等。麦弗逊独立悬架在这些独立悬架中的应用范围最为广泛，主要原因是麦弗逊式独立悬架的结构较其他独立悬架而言更加简单，成本相对其他悬架来说更加的低廉，舒适度相对其他悬架而言更加的好。从麦弗逊悬架诞生到现在的几十年的发展过程，其结构不断地被设计师们改进与发展，发展至今的麦弗逊悬架系统中又增添了横向稳定杆等能提高汽车操稳性和平顺性的构件。麦弗逊悬架的应用范围可谓是极其的广泛，基本上现在市面上的轿车的前悬架都是采用麦弗逊式独立悬架。

2.2 麦弗逊式独立悬架分析

2.2.1 麦弗逊悬架结构分析

图2.1 麦弗逊式独立悬架^[19]

如图2.1是本次需要设计的麦弗逊式独立悬架的结构简图。减振器、弹簧和三角形下摆臂是构成麦弗逊式独立悬架的最主要的部件。此外，麦弗逊式独立悬架还包括缓冲块、横向稳定杆、弹簧盖罩等部件。其中，螺旋弹簧通过上下两个罩盖被套在了减振器的上面，两个罩盖的存在也限制了螺旋弹簧的上下跳动。构成麦弗逊式独立悬架的下摆臂大都被设计成为了三角形的结构，有些则设计成L型。下摆臂的设计采用了刚度、强度和抗疲劳能力都较好的材料，其能够非常好的承受和传递车轮传递过来的侧向作用力。

2.2.2 麦弗逊悬架各部件连接关系

如图2.2为麦弗逊悬架的简化结构示意图。各个部件间的连接关系为——转向节总成与下三角摆臂之间为球铰链连接，转向节与转向横拉杆之间为球铰链连接，下三角控制臂与车架之间为螺钉连接，转向节总成通过轴承套在半轴上，转向节与减振器之间为螺钉连接，减振器上端与车身之间为螺钉连接，转向横拉杆与转向齿条之间为球笼式万向节连接。

2.2.3 麦弗逊悬架优缺点分析

图2.2 麦弗逊式独立悬架结构图^[19]

麦弗逊独立悬架在独立悬架中的应用范围最为广泛，主要原因是麦弗逊式独立悬架的结构较其他独立悬架而言更加简单，成本相对其他悬架来说更加的低廉，舒适度相对其他悬架而言更加的好。从麦弗逊悬架诞生到现在的几十年的发展过程，其结构不断地被设计师们改进与发展，如今又增添了横向稳定杆这些更加能提高汽车操纵稳定性的装置。麦弗逊悬架的应用范围可谓是极其的广泛，基本上现在市面上的轿车的前悬架都是采用的麦弗逊式独立悬架。麦弗逊式独立悬架最大的特点是其车轮可以沿着主销移动，相对于烛式悬架而言，其最大改进是麦弗逊的主销是可以摆动的。

麦弗逊式独立悬架相对比于双横臂式独立悬架，其最大的特点是其四个车轮定位参数的变动量受车轮的上下跳动的影响较小，结构相对的更加紧凑，操纵稳定性能更好。取消了上摆臂结构的麦弗逊式独立悬架使布置汽车转向系统和发动机的空间更多了；因为麦弗逊悬架的主销是可以摆动的，使得其承受和传递侧向力的性能得到很好的改善。麦弗逊式独立悬架的道路适应性较其他悬架而言性能更好，使用寿命更长，技术含量也相对较低，节约成本。

1. 麦弗逊独立悬架结构设计

3.1 悬架总体设计要求

保证汽车拥有较好行驶平顺性和操纵稳定性的最重要的部件是汽车的悬架，对其的设计有一定要求：

1. 确保整车良好的行驶平顺性。避免车上人员所受到的振动强度超过国际标准；
2. 确保良好的减振能力。使车辆在受载荷冲击而发生振动时，悬架能够迅速衰减此振动；
3. 确保整车良好的操纵稳定性。应使车轮定位参数受车轮发生上下跳动的影响尽可能的小，车轮在和导向机构发生相对运动时要协调，避免出现摆振的现象，并能保证汽车转向时的不足转向特性；
4. 具有抗侧倾能力，以提高汽车的稳定性；
5. 可以可靠地稳定地传递来自车轮传递的力和力矩；
6. 结构紧凑，占用空间小。

3.2 悬架总体参数设计

3.2.1 汽车参数选定

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