汽车设计课程设计 双横臂独立悬架—转向系统 双横臂独立悬架-转向系统分析与设计汽车设计课程设计102207指导教师：2015年12月目录一．设计任务 11.问题描述 12.设计内容 2二.设计过程 51 总体尺寸确定和优化 51.1 总体几何尺寸及基本参数的选择与确定 51.2 导向机构和转向梯形机构的运动学设计 51.3转向机构几何参数的确定及优化 61.4 用ADAMS软件对导向机构进行优化设计 102悬架弹性元件和阻尼元件的结构选型和参数计算 152.1结构选型 152.2参数计算 163悬架系统受力分析和主要承载构件的结构设计 203.1 导向机构的受力分析 20三．设计小结 26参考资料 26全套图纸加扣 3346389411或3012250582 双横臂独立悬架-转向系统的分析与设计（汽车设计课程设计）一．设计任务1.问题描述图1所示为汽车前轮采用的一种双横臂悬架-转向系统机构示意图（简化），导向机构ABCD由上横臂AB、转向主销BC和下横臂CD及车架AD构成其中，A、D分别为上、下横臂与车架联接的铰销中心（假定两铰销轴线均平行于车辆纵向），B、C分别为转向主销BC与上、下横臂联接的球铰中心。
在车辆横向垂直平面内，上、下横臂相对水平面的摆角分别用φ、ψ表示，转向主销内倾角用b0表示转向传动机构采用由齿轮-齿条转向器驱动的断开式转向梯形机构GFEE¢F¢G¢（F¢与F，G¢与G对称，图中省略）其中，左轮转向梯形机构EFG由齿轮-齿条转向器输出齿条EE¢、左轮转向横拉杆EF、左轮转向节臂FG及车架构成E、E¢分别为转向器齿条上与左右转向横拉杆铰接的球铰中心， F为左轮转向横拉杆EF与左轮转向节臂FG铰接的球铰中心，G为左轮转向节臂FG与左轮转向主销BC连线的交点，且FG^BC另外，车轮轴线KH与转向主销BC交于H，与车轮中心面交于JABCDEFGHKE¢P转向器齿条ab0y(后视图)(地面)b2RDGBFAEE¢(水平俯视图)K前后C转向器齿轮JYL1L2L3BJa0图1描述悬架ABCD导向机构运动学的机构几何参数主要有：上横臂杆长AB=h1，转向主销球铰中心距BC= h2，下横臂杆长CD=h3，上、下横臂的摆角、（横臂向外下倾时，取负值），转向主销内倾角b0为简便计，不考虑主销后倾角的影响，并假设上、下横臂与车架铰接的轴线均平行于车辆纵向，则图示导向机构ABCD的上、下横臂AB、CD和转向主销轴线BC将始终在过前轮轴线的汽车横向垂直平面内运动。
在水平俯视图中，描述EFG左轮转向梯形机构运动学的机构几何参数主要有：EE’=L1，EF= L2，FG= L3，车架上齿条移动方向线EE’与前轮轴线的偏移距Y（轴线在前方时取正值），转向节臂FG相对于汽车纵向的安装角α0另外，左右车轮的转向角分别用α、β表示双横臂独立悬架系统的弹性元件可采用螺旋弹簧或扭杆弹簧，阻尼元件常用筒式减振器根据整车结构布置，弹簧和阻尼元件通常安装于下横臂与车架（车身）之间，但也有安装于上横臂与车架（车身）之间的情形因此，导向机构各构件及各连接铰点的受力大小与方向，与弹簧元件的类型和安装位置密切相关2.设计内容试按上述悬架结构型式，设计某前轮驱动的微型汽车双横臂前悬架-转向系统，其参数选择范围如下：轮距B=1200~1400mm，轴距L=2000~2500 mm满载时整车总质量为m=1000~1300kg，最高车速Vmax=140km/h，最大爬坡度20%，0-100 km/h加速时间不超过14秒，最小转向半径Rmin =4000~4500mm前轮轮胎外径为2R=520mm，轮胎宽度b=145 mm导向机构几何参数：AB=h1=160~200mm， BC=h2=200~300mm，CD= h3 =330~380mm， JH=80~110mm，BH=90~150mm，车辆处于满载平衡位置时，前悬架导向机构的位置参数为j=2~6°，y=2°~10°，b0=7~10°。
转向机构几何参数： EE¢= L1=50~580mm，EF= L2=180~500mm，FG= L3=100~140mm，Y=-80~80mm，BG=80~130mm，齿条左右移动行程为s=±50~70 mm转向节臂安装角a0=175~190°，转向梯形机构的最大压力角amax=45~50°要求每个学生完成以下课程设计内容：1．导向机构和转向梯形机构的运动学设计在上述参数范围内，独自选取一组整车参数和导向机构几何参数（比如，B=1250 mm，L=2050 mm，，单轮簧载质量W=300 kg，最高车速Vmax=140km/h，最大爬坡度20%，最小转向半径Rmin=4050 mm ；h1=180mm， h2=280mm， h3 =340mm，JH=90mm，BH=140mm，BG=110 mm ，j=2°，y=3.5°，b0=8°最大压力角amax=48°）将转向梯形机构GFE E¢F¢G¢近似看成水平面内的平面连杆机构，根据所选轴距、轮距、最小转向半径要求、最大压力角和转向节臂安装角的限制条件，在适当的转向器行程范围内（比如s=±60 mm），按阿克曼转向几何学原理，通过优化设计方法确定转向机构其它几何参数：L1、 L2、 L3、Y和a0。
并绘出左右车轮转向角关系的理论曲线和实际曲线；按比例画出上述导向机构和转向梯形机构运动简图附加选择题（可不做）：运用三维CAD/CAE软件等工具（如ADAMS），建立上述导向机构和转向梯形机构的机构运动学仿真模型，分析车轮从满载平衡位置上下跳动（比如，±60 mm）时，车轮定位参数前轮外倾角、前束和轮距的变化情况，绘出变化曲线如果变化太大，进行机构改进设计2．悬架弹性元件和阻尼元件的结构选型和参数计算根据单轮簧载质量W和汽车平顺性要求，确定悬架等效刚度和等效阻尼参数，并绘制它们随车轮上下跳动时的变化曲线；按满载平衡位置时的悬架等效刚度和等效阻尼参数，根据实际弹性元件和阻尼元件的安装位置，换算确定弹簧刚度和减振器参数（阻尼系数、拉伸和压缩行程）3．悬架导向机构的受力分析和主要承载构件的结构设计与强度核算考虑动载系数、紧急制动或紧急转向制动等恶劣工况，对悬架导向机构各杆件进行受力分析，确定各铰接点的受力大小和方向，为导向机构杆件形状和各铰接点的结构设计提供理论依据根据上述受力分析结果，进行导向系各构件的结构设计和强度验算，选择合理的承载结构、杆件截面形状和铰接形式结构设计时要灵活运用结构轻量化设计原理，并考虑制造工艺的可行性。
选用球铰时，一定要确认它的结构是受拉式还是受压式，以免用错上、下横臂与车架间支承铰可采用橡胶弹性铰，以提高悬架的隔振性能按车轮载荷和全浮式驱动半轴计算转矩，确定驱动半轴直径及与之相连接的轮毂结构尺寸，并选择合适的轮毂轴承，进行驱动桥转向节结构设计绘制上述双横臂前悬架系统总成及主要零部件（如上下横臂、转向节、支承铰销等）结构设计图附加题选择题（可不做）：完成上述悬架与转向系统的三维CAD模型（UG或CATIA等），导入ADAMS环境，考察各构件运动干涉情况和车轮随悬架上下跳动的运动姿态变化25二.设计过程1 总体尺寸确定和优化1.1 总体几何尺寸及基本参数的选择与确定 按照题目要求选定一组基本尺寸参数:满载质量为m=1000kg，最高车速=140km/h，最大爬坡度20%，前轮轮胎宽度145mm，轮胎半径260mm，轮距B=1300mm，轴距L=2500mm，单轮簧载质量为250kg1.2 导向机构和转向梯形机构的运动学设计对于导向机构几何参数的选择：为简化设计过程将上下横臂水平放置，如下图b所示；同时将上下摆臂轴线在纵向也布置成水平，另外取消主销的后倾角和车轮的前束和外倾因此只是考虑了主销的内倾角。
图1 双横臂悬架结构形式在参数范围内，初步选取一组整车参数和导向机构几何参数悬架导向机构基本参数为：上横臂AB=200mm，下横臂CD=300mm，转向主销BC=350mm ，另外JH=100mm，BH=150mm满载平衡位置时，导向机构位置参数取j=5°，y=5°，b=10°1.3转向机构几何参数的确定及优化1.3.1 优化原理图2所示为四轮汽车转向示意图为了避免汽车转向时产生路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过快磨损，要求所有车轮在汽车转向时都作纯滚动因此，图中左右前轮转向角α和β应满足阿克曼转向几何学关系， （1）式中α---内侧车轮转角β---外侧车轮转角B---左右前轮转向主销轴线与地面交点之间的距离L---汽车轴距R---转向半径图2 四轮汽车转向示意图通常，由转向梯形机构近似实现式（1）的关系图3就是一种含驱动滑块的常用断开式转向梯形机构所谓驱动滑块，实际上是齿轮齿条式转向机的齿条即，方向盘的转向操纵，由齿轮齿条式转向机变换为齿条（滑块）的直线运动，从而驱使转向梯形机构实现左右前轮转向设S为转向齿条位移量（S1≤S≤S2），则容易求得左右前轮的转向角a和β如下。
图3 转向梯形布置方案齿轮齿条式转向机驱动的断开式转向梯形机构 （2） （3） （4）式中——转向机齿条左移时，左侧转向节臂与汽车横轴线的内侧夹角——转向机齿条左移时，右侧转向节臂与汽车横轴线的内侧夹角对于前方前置的情况：L1---转向机齿条左右球铰中心的距离；L2---左、右横拉杆长度；L3---左、右转向节臂长度；Lw------车轮中心至转向主销的距离；S1---转向齿条从中心位置向左的位移量（取正值）；S2---转向齿条从中心位置向右的位移量（取负值）；y---转向齿条左右球铰中心连线与左右转向主销中心连线之偏距图示位置取正值，反之取负值；S0---直线行驶时，转向齿条左球铰中心和左转向主销中心的水平距离；α0---转向节臂与汽车纵轴线的夹角则内外侧前轮的转向角和如下：由式（1），可得理想的右轮转角β0=tan （5）故优化设计目标函数为δ= （S1≤S≤S2） （6）δ——实际右轮转角β与理想右轮转向角β0之间均方根偏差n——取值次数可见，δ值越小，在各转角下，实际的右轮转角越接近于理想右轮转角，即优化结果越理想。
转向机构基本参数范围： EE¢= L1=50~580mm，EF= L2=180~500mm，FG= L3=100~140mm，Y=-80~80mm，BG=120mm，齿条左右移动行程为s=-60~60 mm转向节臂安装角a0=180°，转向梯形机构的最大压力角amax =46°1.3.2 优化结果根据以上原理，利用“断开式转向梯形机构（齿条驱动）优化设计”程序，对转向机构部分的参数进行优化参数优化结果：图4 转向机构优化软件根据设计条件要求，显然满足有：L1=560∈50,580,L2=375∈180,500,L3=100∈100,140;Y=25∈-80,80,α=45.94462∈45,50;。