前懸架設計是汽車工程設計中至關重要的一環(huán)，它直接影響著汽車的行駛性能、操控穩(wěn)定性以及乘坐舒適度。隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，人們對整車性能指標的關注度越來越高。在諸多懸架中，麥弗遜懸架憑借非懸掛、質(zhì)量小、成本低、占用空間小等一系列優(yōu)點，成為了目前汽車行業(yè)中應用最廣泛的一種懸架種類。故本文基于比亞迪宋PLUS混合動力轎車中的麥弗遜前懸架為研究對象，基于麥弗遜懸架和車輛工程的研究現(xiàn)狀，充分利用已有的麥弗遜懸架設計知識，知網(wǎng)等論文網(wǎng)站的豐富文獻，還有CAD,CATIA等軟件所設計的模型分析。對比亞迪宋PLUS混合動力橋車中的前懸架取長補短，對前懸架的組成及作用進行分析研究，讓自己所學知識得以展現(xiàn)。關鍵詞：麥弗遜懸架，彈性元件，減震器，傳力裝置AbstractFrontsuspensiondesignisacrucialpartofautomotiveengineeringdesign,whichdirectlyaffectsthedrivingperformance,handlingstability,andridecomfortofacar.Withtherapiddevelopmentoftheautomotiveindustry,people'sattentiontovehicleperformanceindicatorsisincreasing.Amongmanysuspensions,MacPhersonsuspensionhasbecomethemostwidelyusedtypeofsuspensionintheautomotiveindustryduetoitsadvantagessuchasnonsuspension,smallweight,lowcost,andsmallspaceoccupation.Therefore,thisarticleisbasedontheMacPhersonfrontsuspensionintheBYDSongPLUShybridsedanastheresearchobject.BasedonthecurrentresearchstatusofMacPhersonsuspensionandvehicleengineering,itfullyutilizestheexistingknowledgeofMacPhersonsuspensiondesign,richliteratureonpaperwebsitessuchasCNKI,andmodelanalysisdesignedbyCAD,CATIA,andothersoftware.LearnfromthestrengthsandweaknessesofthefrontsuspensionintheBYDSongPLUShybridaxlevehicle,analyzeandstudythecompositionandfunctionofthefrontsuspension,andshowcasetheknowledgelearned.Keywords:MacPhersonsuspension,elasticcomponents,shockabsorbers,transmissiondevices目錄第一章 引言 51麥弗遜汽車前懸架的組成及優(yōu)點 52．前懸架的校核 6二、參數(shù)確定 62.1比亞迪宋plus基礎汽車的參數(shù)數(shù)據(jù) 72.2懸架其他主要參數(shù)的選定 7三．設計與校核 83.1懸架各項參數(shù)計算 83.1.1簧上質(zhì)量計算 82.3.2靜撓度的計算 92.3.3剛度計算 93.2彈簧設計 93.2.1彈簧鋼絲直徑的計算 93.3減震器的設計 113.3.1減震器作用及類型 113.3.2雙筒式液力減振器 113.3.3其他減震器的優(yōu)缺點 123.4經(jīng)濟性指標分析 133.5減震器參數(shù)設計 133.5.1相對阻尼系數(shù) 13參考文獻 16引言汽車作為現(xiàn)代文明社會的標志之一，已成為當今人們出行不可或缺的組成部分。并且隨著社會的不斷發(fā)展，人民生活水平越來越高，對汽車舒適程度也提出更高要求；同時隨著高速公路的迅速發(fā)展，對汽車高速性能的要求也逐漸提高，尤其是越來越關注汽車行駛過程中其操縱穩(wěn)定性和行駛平穩(wěn)性。同時伴隨著汽車的日益普及，車輛的安全性、舒適性和通過性也越來越受到公眾的重視。而這些汽車性能指標，都需要依靠車輛的懸架系統(tǒng)的更新迭代來提升。懸掛系統(tǒng)可以吸收和緩和地面激勵對車身的沖擊，衰減彈性系統(tǒng)引起的振動，而這些將直接影響汽車行駛安全性和舒適性。目前常用的懸掛系統(tǒng)有以下八種：非獨立懸架、獨立懸架、橫臂式懸架、多連桿式懸架、縱臂式懸架、燭式懸架、麥弗遜式懸架、主動懸架，它們在各有所長，在他們各自不同的領域中都發(fā)揮著自己的作用，而其中麥弗遜懸架憑借著非懸掛、質(zhì)量小、成本低、占用空間小等優(yōu)點,成為了目前汽車中應用最廣泛的一種懸架種類。所以本課題基于比亞迪宋plus所使用的麥弗遜式前懸架為設計核心對其進行深度研究分析，取長補短，以此設計出一款更為適合的現(xiàn)代化前懸架1麥弗遜汽車前懸架的組成及優(yōu)點麥弗遜前懸架，作為現(xiàn)代汽車中廣泛使用的一種獨立懸掛系統(tǒng)，以其結(jié)構(gòu)簡潔、響應迅速和成本效益高而備受青睞。弗遜前懸架的核心部件包括彈性元件、減震器以及傳力裝置。這些部件相互協(xié)作，共同構(gòu)成了一個既穩(wěn)固又靈活的懸掛系統(tǒng)。彈性元件是麥弗遜前懸架中的重要組成部分。它承擔著吸收和緩沖路面沖擊的任務，為乘客提供舒適的乘坐體驗。彈性元件的設計使得它能夠在受到壓力時發(fā)生形變，從而吸收來自路面的震動，減少車身的晃動。減震器在麥弗遜前懸架中扮演著至關重要的角色。減震器與彈性元件緊密結(jié)合，共同形成一個可以上下運動的滑柱。當車輛行駛在不平坦的路面上時，減震器通過其內(nèi)部的阻尼機制，限制彈性元件的形變范圍，防止車身過度晃動。同時，減震器還可以根據(jù)行駛路況和駕駛習慣的不同，通過調(diào)整其行程和阻尼力，來實現(xiàn)對懸掛軟硬及性能的設定。傳力裝置作為麥弗遜前懸架的支撐結(jié)構(gòu)，連接著車輪與車身。它能夠?qū)碜攒囕喌牧土赜行У貍鬟f到車身上，確保車輛行駛的穩(wěn)定性和安全性。傳力裝置的設計使得麥弗遜前懸架在承受側(cè)向力時具有較高的剛度和穩(wěn)定性，從而提高了車輛的操控性能。此外，值得注意的是，大部分麥弗遜前懸架還會配備橫向穩(wěn)定桿。橫向穩(wěn)定桿的作用是在車輛轉(zhuǎn)彎時，通過產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩來抵抗車身的側(cè)傾，從而提高車輛的操控穩(wěn)定性和乘坐舒適性。總的來說，麥弗遜前懸架以其獨特的組成和結(jié)構(gòu)特點，為現(xiàn)代汽車提供了穩(wěn)定、舒適且經(jīng)濟的懸掛解決方案。然而，盡管麥弗遜前懸架在許多方面表現(xiàn)出色，但其對左右方向的沖擊缺乏阻擋力，抗剎車點頭作用較差等缺點也不容忽視。2．前懸架的校核在設計汽車前懸架時，為了確保其性能、穩(wěn)定性和安全性，需要進行一系列的校核工作。以下是一些關鍵校核點：（1）.結(jié)構(gòu)強度和剛度：檢查懸架系統(tǒng)的各個部件（如擺臂、減震器、彈簧等）是否具備足夠的強度和剛度，以承受車輛在行駛過程中產(chǎn)生的各種力和力矩。（2）.運動范圍和間隙：校核前懸架在跳動范圍及轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的運動情況，檢查各個部件之間的間隙是否滿足要求，確保無干涉現(xiàn)象。（3）.減振性能：評估懸架系統(tǒng)的減振性能，包括對路面不平度的吸收能力和對車身振動的抑制能力。這有助于確保乘客的乘坐舒適性和車輛的行駛穩(wěn)定性。（4）.控穩(wěn)定性：檢查前懸架對車輛操控穩(wěn)定性的影響，包括轉(zhuǎn)向響應、側(cè)傾控制等方面。通過優(yōu)化懸架設計，可以提高車輛的操控性能，增強駕駛體驗。（5）.制動性能：評估前懸架在制動過程中的表現(xiàn)，確保制動時車身的穩(wěn)定性和安全性。這包括檢查制動點頭現(xiàn)象、制動距離等參數(shù)。（6）.耐久性：對懸架系統(tǒng)進行耐久性測試，模擬長時間、高負荷的行駛條件，檢查各部件的磨損和變形情況，以確保懸架系統(tǒng)的使用壽命和可靠性。二、參數(shù)確定懸架設計可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細設計兩個階段，有時還要反復交叉進行。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總成的布置，因而一般要與總布置共同配合確定。此次設計是對比亞迪宋plus的前獨立懸架設計。參數(shù)如表2-1所示2.1比亞迪宋plus基礎汽車的參數(shù)數(shù)據(jù)項目項目參數(shù)車型級別能源類型長/寬/高（mm）發(fā)動機最大功率(kW)電動機最大功率(kW)發(fā)動機最大扭矩(N·m)電動機最大扭矩(N·m)軸距(mm)前輪距(mm)后輪距(mm)整備質(zhì)量（kg）滿載質(zhì)量（kg）前輪胎規(guī)格尺寸后輪胎規(guī)格尺寸前懸掛形式發(fā)動機布置形式比亞迪宋plus緊湊型suv混合動力4775/1890/167081(110Ps)145(197Ps)13532527651630163017702145235/50R19235/50R19麥弗遜式獨立懸掛前置后驅(qū)表2-1比亞迪宋plus汽車的基礎參數(shù)數(shù)據(jù)2.2懸架其他主要參數(shù)的選定在確定零件尺寸之前，需要先確定懸架的空間幾何參數(shù)。麥弗遜式懸架的受力圖如圖3-1所示圖2-1麥弗遜式懸架的受力分析按圖所示，根據(jù)車輪尺寸，確定G點離地高度為172.4mm，根據(jù)車身高度確定C大致高度為760mm，O點距車輪中心平面120mm，減震器安裝角度14°。三．設計與校核3.1懸架各項參數(shù)計算3.1.1簧上質(zhì)量計算車型滿載空載發(fā)動機前置前輪驅(qū)動發(fā)動機前置后輪驅(qū)動發(fā)動機后置后輪驅(qū)動47%～60%45%～50%40%～46%56%～66%51%～56%50%～62%表3.1各類乘用車車軸荷分配情況因為比亞迪宋PLUS為發(fā)動機前置后輪驅(qū)動所以滿載取55%,空載取60%滿載時：m式中:mq一一前懸架簧上質(zhì)量，單位：mF一一前軸的載荷，根據(jù)表3.1mf一一非簧載質(zhì)量(簧下質(zhì)量)，一般占前軸載荷的5%~7%在設計麥弗遜懸架時，偏頻是一個影響汽車行駛平順性的一個重要參數(shù)，偏頻是汽車前懸架與簧上質(zhì)量所組成的振動系統(tǒng)的固有頻率。可用公式（3-2）來計算偏頻，但是對于大多數(shù)汽車而言，其懸掛質(zhì)量分配系數(shù)ε=0.8～1.2，因而可以近似地認為ε=1，即前后橋上方車身部分的集中質(zhì)量的垂直振動是相互獨立的，并用偏頻n1，n2表示各自的自由振動頻率，偏頻越小，則汽車的平順性越好。一般對于鋼制彈簧的轎車，n1約為1～1.3Hz（60～80次/min）nq式中:nq一一前懸架的偏頻，單位：Cq一一前懸架的剛度，單位：N/m2.3.2靜撓度的計算不僅前懸架靜撓度與偏頻之間存在關聯(lián)關系，同時與前懸架彈簧的剛度也存在關聯(lián)關系。式(3-3)表示當懸架彈簧的剛度是常數(shù)時，靜撓度總等于在重力作用下的彈性變形，即:fcq=m式中:fcq一一前懸架的靜撓度，單位：此時我們可以根據(jù)公式（3-2）與公式（3-3）之間的懸架彈簧剛度，靜撓度，偏頻三者的關系推導得出公式（3-4）得到靜撓度與偏頻的關系式fcq=則f則懸架動撓度：fd=（0.5—0.7）QUOTEfcfc取fd=0.5QUOTEfcfc=0.5×173.6＝86.8mm計算值符合表3.3的數(shù)據(jù)范圍，同時滿足了，為了得到良好的平順性對于一般轎車而言，懸架總工作行程（靜擾度與動擾度之和）應當不小于160mm。而fc+fd=173.6+86.8=2.3.3剛度計算對公式（3-2）進行推導得到新公式（3-5）即可計算得出Cq=(2彈簧設計1.輪荷、彈簧力、彈簧剛度的計算F式中:Fq一一前懸架的設計輪荷，單位：N。（2）車輪到彈簧的力及位移傳動比車輪與路面接觸點和零件連接點間的傳遞比既表明行程不同也表明作用在該二處的力的大小不同。彈簧的剛度Ks與懸架剛度Kx可由傳遞比建立聯(lián)系；利用位移傳遞比ix便可計算出螺旋彈簧的剛度KsKs=Fw其中分數(shù)N.Ks當球頭支撐B由減震器向車輪移動t值時，根據(jù)文獻，懸架的行程傳遞比及力的傳遞比為ix=1/cos(δ-α)=1.005(4-4)iy=cos(代入數(shù)值可得ix=1.005iy=1.022所以，位移傳遞比iyix為1.027（3）彈簧在最大壓縮力作用下得變形量由于比亞迪宋PLUS的前懸架選定的偏頻f=1.2Hz.可得汽車懸架的線剛度Cx=4可得到彈簧的剛度CCsF3.2彈簧設計3.2.1彈簧鋼絲直徑的計算彈簧直徑d（mm）0.2～0.40.5～11.1～2.22.5～67～1618～427～145～125～104～104～84～8表3.1常用旋繞比取值范圍選擇彈簧旋繞比旋繞比（彈簧指數(shù)）影響著彈簧的加工工藝，當旋繞比過小時將給彈簧的制作帶來困難。一般的選擇范圍是C=4-8這里初選旋繞比C=8.但是旋繞比作為簧圈平均直徑與彈簧鋼絲直徑的比值，可以通過表3.5來取值。匾時考慮到剪力與簧圈曲率會對螺旋彈簧造成影響，故需要通過式(3-10)計算得到校正系數(shù)，即:K=4?C同時軸向載荷會在鋼絲中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力，從而會對螺旋彈簧造成影響，可通過式(3-9)計算螺旋彈簧在軸向力作用下的扭轉(zhuǎn)應力，即:τ式中:D一一簧圈平均直徑，單位：mm;d一一彈簧鋼絲直徑，單位：mm;C一一旋繞比;K一一校正系數(shù);τc一一彈簧的扭轉(zhuǎn)應力，單位：N/Fs一一彈簧力N該公式變形可得d=8?F式中:[τc]一一許用靜扭轉(zhuǎn)應力，采用碳鋼材料時，常取500N/mm此時我們即可通過公式（3-11）得出彈簧鋼絲直徑實際值dd=根據(jù)旋繞比和彈簧鋼絲直徑實際值，將其帶入公式（3-12）即可計算得簧圈平均直徑。D式中:D一一彈簧鋼絲直徑實際值，單位：mm（4)彈簧靜撓度的計算可根據(jù)式(3-13)結(jié)合彈簧力與彈簧剛度，計算螺旋彈簧的靜撓度f（5)彈簧圈數(shù)的計算然后可以結(jié)合彈簧剛度的變形公式(3-14)計算彈簧的工作圈數(shù)，即:ns=G式中:nsG一一切變模量，N/mm,查閱文獻可知：碳素彈簧鋼絲(GB/T4357)切變模量為79×103N/mm,為了保證車輛的穩(wěn)定安全性所以彈簧總?cè)?shù)通常要比工作圈數(shù)多1.5～2圈所以本次設計的彈簧總?cè)?shù)取12圈。即n=12（7)動撓度的計算當螺旋彈簧在最大壓力作用下，相鄰簧圈的間隙一般始終保持在0.5～1.5mm。本次設計中取0.5。因此我們可以用式(3-15)來判斷動撓度的數(shù)值，f式中:fds一一螺旋彈簧動撓度，單位：（7)最大彈簧力的計算根據(jù)靜撓度與動撓度的數(shù)值，可通過式(3-16)計算最大彈簧力Fsmax=(8)扭轉(zhuǎn)應力的計算和校核根據(jù)式（3-17）計算最大彈簧力作用下的扭轉(zhuǎn)應力，即:τm=8?式中:Zm一一最大彈簧力作用下的扭轉(zhuǎn)應力，;然后通過式(3-18)校核螺旋彈簧所需承受的最大應力，即:τm<【τ式中:【τm】一一最大許用扭轉(zhuǎn)應力，采用碳素材料時，常取800為保障安全性，本次設計取【因為756.84<800成立所以本次設計3.3減震器的設計3.3.1減震器作用及類型減振器的功能是吸收懸架垂直振動的能量，并轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使振動迅速衰減。汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力式減震器。其作用原理是，當車架與車橋作往復相對運動時，減震器中的活塞在缸筒內(nèi)業(yè)作往復運動，于是減震器殼體內(nèi)的油液反復地從一個內(nèi)腔通過另一些狹小的孔隙流入另一個內(nèi)腔。此時，孔與油液見的摩擦力及液體分子內(nèi)摩擦便行程對振動的阻尼力，使車身和車架的振動能量轉(zhuǎn)換為熱能，被油液所吸收，然后散到大氣中。減振器大體上可以分為兩大類，即摩擦式減振器和液力減振器。故名思義，摩擦式減振器利用兩個緊壓在一起的盤片之間相對運動時的摩擦力提供阻尼。由于庫侖摩擦力隨相對運動速度的提高而減小，并且很易受油、水等的影響，無法滿足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價低、易調(diào)整等優(yōu)點，但現(xiàn)代汽車上已不再采用這類減振器。液力減振器首次出現(xiàn)于1901年，其兩種主要的結(jié)構(gòu)型式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減減振器振器相比，搖臂式減振器的活塞行程要短得多，因此其工作油壓可高達75-30MPa，而筒式只有2.5-5MPa。筒式減振器的質(zhì)量僅為擺臂式的約1/2，并且制造方便，工作壽命長，因而現(xiàn)代汽車幾乎都采用筒式減振器。筒式減振器最常用的三種結(jié)構(gòu)型式包括:雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。3.3.2雙筒式液力減振器雙筒式液力減振器雙筒式液力減振器的工作原理如圖4-4所示。其中A為工作腔，C為補償腔，兩腔之間通過閥系連通，當汽車車輪上下跳動時，帶動活塞1在工作腔A中上下移動，迫使減振器液流過相應閥體上的阻尼孔，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌簟＼囕喯蛏咸鴦蛹磻壹軌嚎s時，活塞1向下運動，油液通過閥Ⅱ進入工作腔上腔，但是由于活塞桿9占據(jù)了一部分體積，必須有部分油液流經(jīng)閥Ⅳ進入補償腔C;當車輪向下跳動即懸架伸張時，活塞1向上運動，工作腔A中的壓力升高，油液經(jīng)閥Ⅰ流入下腔，提供大部分伸張阻尼力，還有一部分油液經(jīng)過活塞桿與導向座間的縫隙由回流孔6進人補償腔，同樣由于活塞桿所占據(jù)的體積，當活塞向上運動時，必定有部分油液經(jīng)閥Ⅲ流入工作腔下腔。減振器工作過程中產(chǎn)生的熱量靠貯油缸筒3散發(fā)。減振器的工作溫度可高達120攝氏度，有時甚至可達200攝氏度。為了提供溫度升高后油液膨脹的空間，減振器的油液不能加得太滿，但一般在補償腔中油液高度應達到缸筒長度的一半，以防止低溫或減振器傾斜的情況下，在極限伸張位置時空氣經(jīng)油封7進入補償腔甚至經(jīng)閥Ⅲ吸入工作腔，造成油液乳化，影響減振器的工作性能。圖4-4雙筒式減振器工作原理圖1-活塞；2-工作缸筒；3-貯油缸筒；4-底閥座；5-導向座；6-回流孔活塞桿；7-油封；8-防塵罩9-活塞桿振器特性曲線的形狀取決于閥系的具體結(jié)構(gòu)和各閥開啟力的選擇。一般而言，當油液流經(jīng)某一給定的通道時，其壓力損失由兩部分構(gòu)成。其一為粘性沿程阻力損失，對一般的湍流而言，其數(shù)值近似地正比于流速。其二為進入和離開通道時的動能損失，其數(shù)值也與流速近似成正比，但主要受油液密度而不是粘性的影響。由于油液粘性隨溫度的變化遠比密度隨溫度的變化顯著，因而在設計閥系時若能盡量利用前述的第二種壓力損失，則其特性將不易受油液粘性變化的影響，也即不易受油液溫度變化的影響。不論是哪種情形，其阻力都大致與速度的平方成正比。通常情況下，當減振器活塞相對于缸筒的運動速度達到0.lm/s時閥就開始打開，完全打開則需要運動速度達到數(shù)米每秒。減震器特征曲線有三種典型，第一種為斜率遞增型的，第二種為等斜率的(線性的)，第三種為斜率遞減型的。其中第一種在小速度時，阻尼力較小，有利于保證平坦路面上的平順性，第三種則在相當寬的振動速度范圍內(nèi)都可提供足夠的阻尼力，有利于提高車輪的接地能力和汽車的行駛性能。根據(jù)汽車的型式、道路條件和使用要求，可以選擇恰當?shù)淖枘崃μ匦浴?.3.3其他減震器的優(yōu)缺點與前述的雙筒式減振器相比，單筒充氣式減振器具有以下優(yōu)點:①工作缸筒n直接暴露在空氣中，冷卻效果好;②在缸筒外徑相同的前提下，可采用大直徑活塞，活塞面積可增大將近一倍，從而降低工作油壓;③在充氣壓力作用下，油液不會乳化，保證了小振幅高頻振動時的減振效果;④由于浮動活塞將油、氣隔開，因而減振器的布置與安裝方向可以不受限制。其缺點在于:①為保證氣體密封，要求制造精度高;②成本高;③軸向尺寸相對較大;④由于氣體壓力的作用，活塞桿上大約承受190-250N的推出力，當工作溫度為100℃時，這一值會高達450N，因此若與雙筒式減振器換裝，則最好同時換裝不同高度的彈簧。雙筒充氣式減振器的優(yōu)點有:①在小振幅時閥的響應也比較敏感;②改善了壞路上的阻尼特性;③提高了行駛平順性;④氣壓損失時，仍可發(fā)揮減振功。3.4經(jīng)濟性指標分析當我們討論前懸架的經(jīng)濟性指標分析時，實際上是在探討懸架系統(tǒng)對車輛整體經(jīng)濟性能的影響。在本次的設計中，通過改進了以下幾個方面以提高整體的經(jīng)濟性。首先是提高了懸架系統(tǒng)的可靠性和耐久性,以此降低了零件更換、定期保養(yǎng)等方面的頻率，減少了維修次數(shù)及維修成本；其次是該懸架系統(tǒng)的操控性和穩(wěn)定性更好，可以減少一部分不必要的燃油消耗，提高燃油效率；還有降低了材料的成本，使用了低成本但是同樣性能可靠的材料，以此降低制造成本；最后因為在本次設計中所使用為新型材料，可以降低環(huán)境影響并提高可持續(xù)性。3.5減震器參數(shù)設計3.5.1相對阻尼系數(shù)相對阻尼系數(shù)ψ的物理意義是：減震器的阻尼作用在與不同剛度C和不同簧上質(zhì)量ms阻尼系數(shù)表達式為ψ=式中:δ一一懸架的阻尼系數(shù);ψ一一相對阻尼系數(shù)。 通常情況下，將壓縮行程的相對阻尼系數(shù)ψc取小些，伸張行程時的相對阻尼系數(shù)ψ0取得大些，兩者之間保持ψc在減振器設計過程中，應根據(jù)不同懸架結(jié)構(gòu)形式或車型來優(yōu)先確定減振器相對阻尼系數(shù)，主要分為三種情況:1.對于彈性元件不存在內(nèi)摩擦的懸架來說，取ψ=0.25～0.35，