摘 要

本文以宝骏E200纯电动轿车为设计目标，对其前后悬架进行了选型和设计仿真。首先确定悬架的刚度，轴荷分配等因素，再对减振器进行选型，螺旋弹簧，横向稳定杆和其他连接件进行结构分析与设计计算，然后根据宝骏E200的总布置来确定悬架各部件之间的位置关系，并通过三位软件Catia得到了前后悬架装配总成，进而得到对应的装配图，零件图等CAD图纸。最后，在Catia中获取前麦弗逊悬架关键硬点坐标，并在Adams Car中进行建模和平行轮跳仿真，从而得到轮跳过程中四轮定位参数的变化情况，以进一步验证分析设计的合理性。

关键词：麦弗逊独立悬架 单横臂独立悬架 Catia建模 Adams仿真分析

Abstract

This paper takes Baojun E200 pure electric car as the design goal, and selects and designs the front suspension and rear suspension. Firstly,determine the stiffness of the suspension, the distribution of the axle load and other factors, then select the damper, coil spring, stabilizer bar and other joints for structural analysis and design calculation, and then determine the suspension according to the overall arrangement of Baojun E200. The positional relationship between the components, and the front suspensions and rear suspension assembly was obtained through the three-digit software Catia, and the corresponding assembly drawings, part drawings and other CAD drawings were obtained. Finally, the key hard point coordinates of the former MacPherson suspension are obtained in Catia, and the modeling and parallel wheel jump simulation are performed in Adams Car to obtain the variation of the four wheel alignment parameters during the wheel jump process to further verify the analysis design. Rationality.

Key words：McPherson Independent Suspension；Single cross arm independent suspension；Catia modeling；Adams simulation analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 课题研究目的 1

1.1.2 课题研究意义 1

1.1.3 国外研究现状 1

1.1.4 国内研究现状 2

1.2 设计基本内容和预期目标 2

1.2.1 设计基本内容 2

1.2.2 预期目标 3

第2章 悬架系统概述 4

2.1 悬架的功用和设计要求 4

2.2 麦弗逊悬架结构分析 4

2.3 单横臂悬架结构分析 5

2.4 悬架选型分析 5

第3章 悬架技术参数的计算 6

3.1 悬架频率的确定 6

3.2 悬架挠度的计算 6

3.2.1 悬架静挠度的计算 6

3.2.2 悬架动挠度的计算 7

3.3 悬架刚度的计算 7

第4章 悬架主要零件的设计 8

4.1 悬架减振器的设计 8

4.1.1 相对阻尼系数ψ的选择 9

4.1.2 减振器阻尼系数δ的确定 9

4.1.3 减振器最大卸荷力F₀的确定 10

4.1.4 减振器工作直径D的确定 10

4.1.5 最小导向长度的确定 11

4.1.6 活塞尺寸的计算 11

4.1.7 减振器技术参数总结 12

4.2 弹性元件的设计 12

4.2.1 弹性元件的确定 12

4.2.2 螺旋弹簧刚度的计算 12

4.2.3 螺旋弹簧材料的选择 13

4.2.4 前悬架螺旋弹簧设计 15

4.2.5 后悬架螺旋弹簧设计 17

4.3 导向机构的设计 18

4.3.1 独立悬架导向机构的设计要求 18

4.3.2 导向机构的布置参数 19

4.3.3 横臂长度的确定 20

4.4 横向稳定杆的设计 20

第5章 悬架零件的三维设计 23

5.1 前悬架的主要零件设计 23

5.1.1 螺旋弹簧 23

5.1.2 减振器 23

5.1.3 转向节 24

5.1.4 球销及其附件 25

5.1.5 控制臂 26

5.1.6 减振器套筒 27

5.1.7 横向稳定杆与减振器套筒连接杆 27

5.1.8 横向稳定杆 28

5.1.9 麦弗逊悬架装配图 28

5.2 后悬架的主要零件设计 30

5.2.1 横臂 30

5.2.2 螺旋弹簧 30

5.2.3 减振器 31

5.2.4 节臂 31

5.2.5 减振器套筒 32

5.2.5 单横臂悬架装配图 32

第6章 麦弗逊悬架仿真 33

6.1 悬架参数确定 33

6.1.1 悬架硬点坐标的确定 33

6.1.2 悬架建模 33

6.2 平行轮跳仿真 34

6.2.1 仿真参数的设定 34

6.2.2 前轮前束变化曲线 35

6.2.3 前轮外倾角变化曲线 35

6.2.4 主销后倾角变化曲线 36

6.2.5 主销内倾角变化曲线 37

6.3 仿真小结 38

第7章 结论 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 课题研究目的

由于能源危机和环境危机的影响，各企业都开始研究纯电动汽车，纯电动汽车由于缺少发动机，油箱的零部件，使得其动力总成的布置与构造与传统汽车相比有一定的差异。目前纯电动汽车电机布置形式有前置，有后置，有中置，由于布置方式以及零件的质量等差异，导致纯电动汽车的传动系统，簧上质量等相比燃油汽车有一定的差异，而这些差异不可避免的导致纯电动汽车悬架与传统汽车悬架存在一定的差异。所以，根据这些原因，纯电动汽车的悬架应优化设计。纯电动汽车宝骏E200就是采用的前悬麦弗逊式独立悬架，后悬单横臂式独立悬架。

1.1.2 课题研究意义

悬架系统对汽车的性能有极大的影响，如果能将纯电动汽车的悬架优化好，将能极大的提高纯电动汽车的燃油经济性，行驶平顺性，操纵稳定性等性能。故当纯电动汽车的各项性能都有了提升后，将有效的促进纯电动汽车的普及，减少燃油的使用，可以有效地缓解能源危机；同时，由于纯电动汽车无排放物，可以减少环境污染；电动汽车的普及可以降低因汽车行驶带来的噪音问题；因为纯电动汽车无发动机，油箱等，故其运转部件比较少，维修保养方面的工作量和花费较少，而且如果动力电池耐用的话，纯电动汽车比传统燃油汽车的使用寿命更长。针对宝骏E200纯电动汽车的动力结构，前后悬簧上质量，簧下质量，整车质量的不同，需要对汽车的前麦弗逊式独立悬架和后单横臂式独立悬架进行设计优化，使得其悬架性能可以达到最大化。

1.1.3 国外研究现状

在国外，Siyu Tao^[1]开发了一种增强型高斯过程模型技术，并通过车辆悬架设计问题比较几种版本协同优化方法，在其使用的增强型GP建模方法中，使用所谓的块金参数的平滑效果来有效地估计模型参数以减少搜索空间。此外，研究了各种版本的协同优化方法，其中发现增强的协作优化（ECO）方法可以有效地优化悬架，提高汽车的平顺性。Xiaotian Xu^[2]提出了一种带有惰性装置的四自由度被动悬架系统的多目标优化设计, 在优化过程中，考虑了四个目标：乘客的头部加速度（HA），波峰因数（CF），悬架偏转（SD）和轮胎偏转（TD）。 前两个目标对于驾驶员的健康和舒适是重要的，后两个目标量化了悬架系统的性能。 簧载质量和非簧载质量之间的弹簧ks和阻尼cs常数，惯性系数B和轮胎弹性系数被认为是设计参数。 非支配排序遗传算法（NSGA-II）用于解决该优化问题。 结果表明，在设计目标中存在许多可以适用于行业悬架设计的最佳权衡。Marco GUBITOSA^[3]在一维模拟环境中建立的15自由度（DOF）车辆模型已经被验证为与在测试轨道上获得的实验结果良好相关的第一步，下一步则实施基于天钩的控制策略以考虑系统的主动行为，并且在车辆在道路上进行虚拟测试时定义作用在悬架减震器上的负载曲线，从而实现汽车主动悬架的优化设计。Emre Sert^[4]提出了一种利用实验设计和多体仿真优化后悬架几何的方法，并使用统计Taguchi方法进行实验设计以降低翻车风险。Subodh Subedi, MS^[5]创建了一个开放式轮式公式汽车的简化三维CAD模型，并在有和没有ASB的情况下分析FormulaSAE®赛车性能来对悬架进行优化设计。

1.1.4 国内研究现状

在国内，范正武^[6]提出了一种优化的多目标粒子群优化算法，用于汽车悬架系统的多目标优化分析，在平滑度的优化中，减少了轮胎动载荷对路面的破坏，优化效果更好。周创辉^[7]设计了一种新型液电馈能式悬架系统方案，实现了减振和回收能量的目的；刘鹏^[8]通过对电动轮驱动汽车悬架系统硬点参数进行了优化，使其能够达到与目标车型一致或者相接近的操纵性能。宋晓琳^[9]将免疫算法与汽车悬架系统相结合，提出了汽车主动悬架的液压伺服系统的虚拟实验仿真平台，实现了免疫控制策略的虚拟实验验证。

1.2 设计基本内容和预期目标

1.2.1 设计基本内容

1. 查找宝骏E200的相关参数和可用的悬架类型，确定宝骏E200悬架的选型。
2. 学习研究麦弗逊悬架和单横臂悬架的零件具体结构，设计螺旋弹簧、阻尼器、导向机构和稳定杆等部件，完成Catia建模与装配，并导出相应的CAD图纸。
3. 运动Adams Car进行麦弗逊悬架建模仿真，分析轮跳过程中四轮定位参数的变化，验证设计的合理性。

1.2.2 预期目标

1. 设计计算和检验弹性元件，减振器，导向机构，横向稳定杆的结构及参数，运用Catia进行零件的建模与悬架装配。
2. 由Catia的模型导出CAD图纸，并进行材料，尺寸公差的标注。
3. 运用Adams Car对麦弗逊悬架进行平行轮跳仿真，对四轮定位参数变化图进行分析，验证悬架的设计是否合理。

第2章 悬架系统概述

2.1 悬架的功用和设计要求

悬架是汽车重要的组成，它弹性地连接车架（车身）和车轴（车轮）。其作用是：可靠的传递车身与车轮之间的力；确保平稳性。

为了让悬架有更好的性能特点，设计时满足的要求如下^[10]：

1. 行驶平顺性——保证车内乘客受到的低于国际标准。
2. 减振性能——保证共振区下车身和车轮振动衰减很快
3. 操纵稳定性——定位参数变化不大，主销摆动小。转向还应该为汽车提供良好的转向不足特性。
4. 抗侧倾能力——汽车制动和加速时能良好的抗前俯后仰。
5. 有良好的隔音能力。
6. 结构紧凑，占用空间较小。

2.2 麦弗逊悬架结构分析

麦弗逊悬架由烛式悬架改进而来，由立柱和横摆臂通过一定的安装形式组成

如图2.1所示为麦弗逊前悬架。筒式减振器7是滑动立柱，横摆臂12的内端连接车身，外端连接转向节8。减振器7的上端与车身相连，下端连接转向节8。横臂通过转向节吸收车轮大部分侧向力，剩余的侧向力被减振器吸收。

图 2.1 麦弗逊式独立悬架

上图结构为无主销结构，筒式阻尼器上的铰链的中心与横摆臂的外端处的球铰链的中心之间的连线是主销轴线。麦弗逊悬架的优点——增大了两前轮内的空间，提高了汽车的可布置性。缺点——滑动立柱易磨损。因此，目前的麦弗逊式悬架是前置前驱轿车和一些轻型乘用车的首选结构形式。

2.3 单横臂悬架结构分析

如图2.2所示为单横臂式独立悬架，主要零部件是横臂，弹性元件和减振器，结构简单，紧凑。在行驶过程中，单横臂悬架极易发生变形，改变轮距，轮胎侧向滑动，破坏轮胎与路面的附着。故当前悬安装单横臂悬架，内倾角与外倾角极易发生变化，这对转向操作有一定影响，所以很少用于前悬。

图 2.2单横臂式独立悬架

2.4 悬架选型分析

悬架选型为：前悬采用麦弗逊式独立悬架，后悬采用单横臂式独立悬架。

麦弗逊悬架的优点就是可增大汽车的空间，提高可布置性。因为宝骏E200尺寸较小，而且为前置前驱行驶，对于动力系统，转向系统的布置等有较高的要求。所以，为保证动力系统，转向系统的布置和行驶舱的空间，悬架应占用尽量少的空间。

麦弗逊悬架的简单结构可以使得降低制造成本，从而可以尽量的降低售价，这使得企业与消费者能双赢。

麦弗逊悬架因为结构简单而便于维修，悬架的强度和耐久性较高，维修成本低。

单横臂悬架虽然相比麦弗逊悬架舒适性差一些，但其结构简单紧凑，可以最大程度上增加汽车的的布置空间，设置在后悬还能有利于汽车的不足转向。

第3章 悬架技术参数的计算

3.1 悬架频率的确定

对于大多数汽车而言，悬架质量分配系数，因而可以近似，即，位于前后轴部分的车身的振动时独立的。自由振动频率为偏频，。钢制弹簧的轿车，，。取。

3.2 悬架挠度的计算

3.2.1 悬架静挠度的计算

满载静止时悬架的载荷与刚度的比值即为静扰度，即 。因，故有：

式中，、——悬架刚度（）；、——簧上质量（）。

若悬架为线性弹性，则静扰度表示为：

将、代入式（3.1）、（3.2）可得

分析式（3.5）、（3.6）可知：与成反比。

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