摘 要

本文以本田思域2016款180TURBO 手动豪华版为设计目标，对麦弗逊独立悬架的设计过程做了详细介绍。设计内容包括尺寸设计计算、三维建模、空间特性分析以及仿真计算。本文首先对减振器、螺旋弹簧、控制臂等主要零件进行结构分析和尺寸计算。之后根据空间布置要求，利用CATIA进行悬架装配，并获取硬点坐标、车轮定位参数等信息。根据这些信息在ADAMS/Car模块中进行空间特性分析，观察车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角以及前轮前束随跳动时的变化情况。之后通过ADAMS/Insight模块对其进行硬点优化，减小了悬架在随着车轮上下跳动过程中车轮定位参数的变化范围，实现了优化的目的。

关键词：麦弗逊独立悬架；零件设计；CATIA三维建模；ADAMS仿真分析

Abstract

This paper takes the Honda Civic 2016 180TURBO manual luxury version as the design goal, and introduces the design process of a McPherson suspension. The design includes calculations of part size, 3D modeling, and suspension simulation. The structural analysis and size calculation of the main parts such as damper, coil spring and control arm are first carried out in this paper. Then, according to the space layout requirements, the CATIA is used for suspension assembly, and information such as hardpoint coordinates and wheel positioning parameters are obtained. Based on this information, the spatial characteristics of the ADAMS/Car module were analyzed, and the camber angle of the wheel, the caster angle of the kingpin, the kingpin inclination angle, and the toe angle with the changing of wheel travel were observed. Then, hard point optimization was carried out through ADAMS/Insight module to reduce the variation range of wheel positioning parameters of the suspension in the process of the suspension jumps up and down with the movement of wheels.

Key Words：Macpherson suspension；part design；CATIA modeling；ADAMS simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1 课题研究背景和意义 1

1.1.2国内研究现状 2

1.1.3国外研究现状 2

1.2 课题研究内容、方法和目标 3

1.2.1研究内容 3

1.2.2研究方法 3

1.2.3 研究目标 3

第2章 麦弗逊悬架概述 5

2.1 悬架的类型 5

2.2 悬架设计要求 5

2.3 悬架特点 6

第3章 麦弗逊悬架参数 7

3.1 车型基本参数 7

3.2悬架主要参数的确定 7

3.2.1悬架频率的选择 7

3.2.2 静挠度 7

3.2.3动挠度 8

3.2.4 悬架的工作行程 8

3.2.5悬架刚度 8

3.2.6基本特性参数总结 9

3.3减振器设计 9

3.3.1 减振器类型选择 9

3.3.2相对阻尼系数Ψ的选择 10

3.3.3减振器阻尼系数的确定 11

3.3.4 最大卸荷力F₀的确定 11

3.3.5 减振器主要尺寸的确定 12

3.3.6减振器主要技术参数总结 12

3.4 悬架弹性元件设计 12

3.4.1螺旋弹簧材料选择 12

3.4.2螺旋弹簧参数计算 13

3.4.3螺旋弹簧的校核 15

3.4.4弹簧参数列表 15

3.5导向机构设计 15

3.5.1 导向机构的设计要求 15

3.5.2 导向机构的布置参数 16

3.5.3导向机构的受力分析 16

3.5.4横臂长度的确定 17

3.6 横向稳定杆设计 17

3.6.1 横向稳定杆的作用 17

3.6.2 横向稳定杆的设计 18

第4章 麦弗逊悬架零件三维设计 19

4.1 螺旋弹簧 19

4.2 筒式减振器 19

4.3 导向机构建模 19

4.4 其余零件 20

4.4.1 转向节 20

4.4.2 减振器连接件 20

4.4.3 球销 20

4.5装配图 21

第5章 麦弗逊悬架运动学分析 23

5.1 模型简化 23

5.2悬架仿真模型建立 23

5.3悬架运动仿真 24

5.3.1 悬架参数设置 24

5.3.2仿真结果分析 25

5.4悬架硬点参数的优化设计 28

5.4.1 ADAMS/Insight介绍 28

5.4.2 灵敏度分析 28

5.4.3 硬点优化 29

5.4.4优化前后对比分析 30

第6章 结论 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1引言

1.1.1 课题研究背景和意义

我国的汽车销量世界第一，保有量世界第二。越来越多的人们拥有了汽车在大家享受汽车便利性的同时，对乘坐舒适性的要求也越来越高。这对汽车设计的要求也相应提高。汽车设计的过程应该从整体出发，再进行各个零件的优化设计，最后进行整车调试，以达到理想的目标。

悬架系统是整车的一个重要组成部分。悬架作为连接车身和地面的部件，在确保行驶安全性的前提下，应尽量提高行驶舒适性和减少质量。一般来说，悬架随车轮上下跳动时，其定位参数变化范围越小，操纵性能和乘坐舒适性就越好。现代轿车的主流是采用带有横向稳定杆的麦弗逊悬架，而后悬架则主要是复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。在当今市场上，许多车型都采用麦弗逊悬架，如广州本田飞度、东风标致307、保时捷911、东风本田思域、一汽大众迈腾等。

本文设计的麦弗逊悬架属于独立悬架，是摆臂式与烛式悬架的结合，主要结构是由螺旋弹簧、减震器以及A字下摆臂组成，其具有尺寸小、结构紧凑、定位参数随车轮跳动变化小等优点。同时麦弗逊悬架也有一些缺点，由于对侧向力没有很好的支撑，导致高速行驶转向时前轮外倾角会倾向于变得过大，并且由于支撑点较少，导致对车身的支撑力较弱，所以刹车时往往带来更明显的“点头”现象^[1]。因此需要在麦弗逊悬架的基础上进行优化，尽可能减小其缺点带来的影响。

汽车四轮定位参数一直是消费者和车企关注的重点。以往在开发过程中，传统车企通常通过不断改变其定位参数来确定较好的参数，这样做极大地降低了效率，提高了研发成本，浪费研发人员的精力。还有一部分车企采用对标类似车型的方式，提高了效率，但带来的问题是与所设计的车型匹配度不能让人满意。

在虚拟样机发明之后，这一状况有了很大的改观。虚拟样机通过在计算机上进行大量的模拟仿真，高效率地进行模拟实验，弥补了以往开发过程中时间长，成本高的缺点，因而广泛应用于现代汽车设计。本文采用ADAMS/Car软件进行仿真和优化。这是一款在汽车动力学仿真上市场占有率很高的一款产品。通过ADAMS进行悬架模型的搭建并进行仿真分析和优化，可以较好解决前轮定位参数的问题。

通过对麦弗逊悬架的设计和研究，以及三维建模软件和仿真软件的使用，为以后的工作和研究打下基础。

1.1.2国内研究现状

在麦弗逊悬架设计过程中，底盘调校效率低与性能指标计算精度低的问题一直存在。对此，陈广彦等人在《面向麦弗逊悬架性能开发的柔性减振器建模及应用》中对麦弗逊侧向力的成因进行了分析，并提出其可能对悬架系统产生的影响，并且提出了一种新的柔性减振器，提高了减振性能^[2]。

陈双等人在普通双筒液压减振器的基础上，在《汽车悬架减振器总成结构改进及试验分析》利用液压阻尼原理，对减振器进行了改进，提出了缩径工作缸和双活塞两种新的限位缓冲结构，从而确保了在极限位置时减振器的阻尼力能够合理匹配^[3]。

在《麦弗逊悬架减振器侧向力分析综述》一文中，刘收银、周忍等人综合阐述了汽车侧向力的生成，包括了转弯、加速、制动时的各种工况。确定了麦弗逊悬架的几何结构对侧向力的影响因素，并提出了麦弗逊悬架的改进建议^[4]。

江铮等人在《基ADAMS/Car的麦弗逊前悬架性能分析与优化》中使用CATIA和ADAMS软件对麦弗逊悬架的运动性能作出研究，利用CATIA建立三维模型和在ADAMS里进行仿真分析，这种方法使分析结果更加精确，可以提升开发效率和，减少开发成本^[5]。

蔡茂等人在《碳纤维麦弗逊悬架控制臂轻量化设计》中利用OptiStruct这款拓扑优化软件对碳纤维悬架控制臂进行了结构上的优化。从而得到了控制臂材料的最优化分布。使得优化后的控制臂在符合强度、刚度的基础上，重量减少了45%^[6]。

耿雪霄等人在《基于MATLAB软件的麦弗逊悬架系统的阻尼匹配优化研究》中利用性能频域法分析悬架刚度与减振器阻尼系数对性能的影响，在考虑舒适性与安全性的前提下，选择了一个折中的数值。^[7]。

许兵等人在《麦弗逊悬架硬点位置 Kamp;C特性灵敏度研究》一文中，利用ADAMS/CAR研究硬点坐标的改变对悬架运动特性的灵敏度，观察车轮定位参数随硬点坐标改变时的变化，从而得到其灵敏度影响，缩短了开发周期，提高开发效率^[8]。

冯金芝等人在《控制臂改进型麦弗逊悬架运动学性能研究》提出一种将三角形控制臂前铰接点向后移动的改进型悬架，提高了汽车的操纵稳定性与运动学性能^[9]。

1.1.3国外研究现状

Reddy K ,V等人在《A comprehensive kinematic analysis of the double wishbone and MacPherson strut suspension systems》一文中提出了一种依靠易测量物理特性来对支撑弯曲建模的新方法，同时保持了较高的精度。利用Altair的MotionSolve模块来进行仿真。，输入支撑柱的简单尺寸，就可提供高保真度模型，并且与传统运动学和物理测试的顺应性结果较符合^[10]。

Saikat Dutta等人在《A nonlinear kinematic and dynamic modeling of Macpherson suspension systems with a magneto-rheological damper》中提出了一种磁流变减震器，对其运动学和动力学进行建模，对其相应作出评估，提高了乘坐舒适性^[11]。

M. Fahezal Ismail等人在《Modelling and Control of MacPherson Active Suspension System Using Composite Nonlinear Feedback under Chassis Twisted Road Condition》一文中提出了一种在不平道路下的麦弗逊悬架控制系统，能有效减少超过要求的瞬态相应^[12]。

M. S. Fallah, R. Bhat, W. F.Xie在《New Nonlinear Model of Macpherson Suspension System for Ride Control Applications》一文中提出了一种更通用的、新的用于行车控制应用的非线性麦弗逊模型，它包含了簧载质量的垂直加速度和受导向机构旋转的非簧载质量的运动^[13]。

Hassen Trabelsi等人在《Effectiveness of an interval computation approach to the dynamic simulation of a MacPherson Suspension system》一文中，利用基于随集成仿真进程而优化可行区间的计算方法来模拟麦弗逊悬架的动态特性，解决其参数化的微分方程，并且找到了收敛结果^[14]

1.2 课题研究内容、方法和目标

1.2.1研究内容

1.麦弗逊独立悬架的国内外研究分析

2.确定题目所对应的车型的悬架布置方式及重要布置参数

3.完成悬架主要元件具体结构的设计和校核，进行CATIA建模

4.运用ADAMS/CAR模块对悬架运动作仿真分析

5.最终建模并绘制三维设计图纸

1.2.2研究方法

1. 首先确定汽车的主要基本参数，如悬架静挠度、悬架动挠度、悬架侧倾角刚度等。

2. 确定弹性元件的主要参数，如节距、刚度等并进行。

3. 确定悬架导向机构的主要参数，如侧倾中心，抗制动纵倾性及悬架摆臂的定位角等。

4. 确定减震器的主要类型及主要参数，如相对阻尼系数、减振器阻尼系数及最大载荷力。

5.设计其他零件，并进行装配，之后通过ADAMS进行仿真分析和优化。

1.2.3 研究目标

1. 在汽车之家上查找相关车型的悬架参数，通过查阅相关手册与书籍来分析麦弗逊悬架的工作原理、主要结构的设计方法。

2. 根据整体的布置要求，设计要求、性能参数来设计主要零件的基本尺寸、运用CATIA建模并装配。

3. 绘制出悬架的主要零件的二维图及总装配的装配二维图

4. 最后运用ADAMS来对悬架运动进行仿真分析，进一步优化模型，并得到车轮运动特征参数。

第2章 麦弗逊悬架概述

2.1 悬架的类型

汽车上主流的悬架有三种，双轴汽车主要采用独立悬架与非独立悬架，而对于火车的后悬架，通常采用平衡式悬架。如今在一些中高级乘用车上还采用了主动悬架与半主动悬架等新技术^[15]。

非独立悬架是用一根钢轴来连接左右车轮，通过悬架连接车身，它维修方便，成本低廉，并且随着车轮的上下跳动，车轮定位参数变化范围小，因此轮胎受到的磨损也较小。但它的缺点则是簧下质量比较大，在高速工况下会导致行驶平顺性变差。同时由于左右车轮相互影响，使车轴和车身会随着左右轮胎跳动不一致而倾斜，因此其有着较差的行驶平顺性和操纵稳定性。因此，非独立悬架主要用于商用货车、城市大客车的前后轮以及部分乘用车的后轮。

独立悬架的则可以使左右车轮能独立运动，互不影响。其优点是非簧载质量小，由于悬架的弹性元件只承受垂直方向的力与部分侧向力，因此可以采用刚度较小的弹簧，加上合适的弹性元件布置，从而可使车身的振动频率降低，进而改善汽车的行驶平顺性。若车轴采用独立悬架，由于没有整根刚性轴连接车轮，发动机的布置可以进一步靠近地面，从而使汽车的质心进一步降低，能够提高汽车的行驶稳定性。但相较于非独立悬架，其成本较高，并且维修起来也更困难。因此在乘用轿车、小型商用车的前悬架多采用独立悬架。而越野车也常采用独立悬架形式，不仅可以更好地通过崎岖的路面，对于提高通过性也有很大的帮助。

2.2 悬架设计要求

悬架作为汽车的重要总成之一，其性能好坏影响着汽车乘坐的舒适感与操纵稳定性，在进行设计时，有以下设计要求

(1)保证汽车具有良好的行驶平顺性。汽车振动频率要小，乘客承受的振动加速度不应超过国际标准界限值。

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