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1、本科生毕业设计第1章 绪 论1.1 课题的研究目的和意义汽车悬架系统对整车行驶动力学（如操纵稳定性、行驶平顺性等）有举足轻重的影响，是汽车总布置设计、运动校核的重要内容之一，由于汽车悬架系统是比较复杂的空间机构，这些就给运动学、动力学分析带来较大困难。人们采用不同的途径或手段对其进行分析研究，包括试验、简化成理想约束条件下的机构分析。过去多用简化条件下的图解法和分析计算法对汽车悬架和转向系统的运动学及动力学性能进行分析计算，用多自由度的质量阻尼刚体数学模型对汽车行驶状况进行仿真。所得的结果误差较大，并且费时费力。随着计算机技术的长足进步，虚拟技术已经成为世界汽车开发设计的应用潮流。上世纪90年
2、代中期以来，数字化设计与虚拟开发技术的应用在世界范围内得到大力推广，这是基于计算机辅助设计（CAD）、计算机仿真分析、计算机辅助制造（CAM）及虚拟制造、计算机辅助实验及虚拟实验等先进技术的全新的汽车设计开发技术体系和流程。特别二十世纪八十年代以来这种情况得到了改变，而多体系统动力学的成熟，使汽车动力学的建模与仿真产生了巨大飞跃，特别是ADAMS软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出。基于ADAMS的虚拟样机技术，可把悬架视为是由多个相互连接、彼此能够相对运动的多体运动系统，其运动学及动力学仿真比以往通常用儿个自由度的质量一阻尼刚体（振动）数学模型计算描述更加真实反映悬架特性及其对汽车行驶动力学
3、影响。在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，周期长。运用虚拟样机技术，结合虚拟设计和虚拟试验，可以大大简化悬架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，提高产品质量和产品的系统性能，获得最优设计产品1。本课题研究的目的和意义就在于对麦弗逊式悬架进行虚拟设计及基于ADAMS的优化分析，在试制前的阶段进行设计和试验仿真，并且提出优化设计的意见，在产品制造出之前，就可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率。1.2 汽车悬架技术研究现状和发展趋势m 1 簧下质量m 2车身质量k1、k2
4、隔振弹簧c阻尼器 u动作器l轮胎图1.1三种悬架的模型图完美是人类永恒的追求。在马车出现的时候, 为了乘坐更舒适, 人类就开始对马车的悬架（叶片弹簧）进行孜孜不倦的探索。在1776年，马车用的叶片弹簧取得了专利, 并且一直使用到20世纪30年代叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧代替2。汽车诞生后,随着对悬架技术研究的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性件，1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。 被动悬架的模型如图1.1（a） 所示，被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定, 在行驶过程中路况保持不变，很难适应各种复杂路况，减振的效果较差。为了克服这种缺陷，采用了
5、非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，该方法虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、夏利、赛欧等车，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果，但它的理论成熟、结构简单、性能可靠，成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛，在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。1、被动悬架性能的研究主要集中在三个方面（1）通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬
6、架的最优参数；（2）研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态； （3）研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有大的提高。 被动悬架在一定的时间内仍将是应用最广泛的悬架系统，通过进一步优化悬架结构和参数可以继续提升悬架性能。半主动悬架的研究工作开始于1973年，由D.A.Crosby 和D.C. Karnopp 首先提出，模型如1.1（b）。半主动悬架以改变悬架的阻尼为主，一般较少考虑改变悬架的刚度。工作原理是根据弹簧上质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度，半主动悬架产生力的方式与被动悬架相似，
7、但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调节，这和主动悬架极为相似，有级式半主动悬架是将阻尼分成几级， 阻尼级由驾驶员根据“路感”选择或由传感器信号自动选择，无级式半主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无级调节。由于半主动悬架结构简单，工作时不需要消耗车辆的动力，而且可取得与主动悬架相近的性能，具有很好的发展前景3 。2、半主动悬架的研究集中在执行策略的研究和执行器的研究两个方面阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼，一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼，节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节。这种方法成本较高， 结构复
8、杂，通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数， 具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。在国外，改变减振液粘性的方法主要有电流变液体和磁流变液体两种。北京理工大学的章一鸣教授进行了阻尼可调节半主动悬架的研究，林野进行了悬架自适应调节的控制决策研究，哈工大的陈卓如教授对车辆的自适应控制方面进行了研究，执行策略的研究是通过确定性能指标，然后进行控制器的设定。目前,模糊控制在这方面应用较多3。随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是1954年美国通用汽车公司在悬架设计
9、中率先提出的，主动悬架的模型如图1.1（c）所示。它是在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。控制装置通常由测量系统、反馈控制系统、能源系统等组成。20世纪80年代，世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发这种悬架，丰田、洛特斯、沃尔沃、奔驰等在汽车上进行了较为成功的试验。1982年，瑞典的Volvo公司在Volvo740轿车上安装了Lotus全主动悬架；三菱汽车公司也生产了能调节车身高度和改变阻尼的全主动悬架系统；日产汽车公司独立开发了液压全主动悬架系统。装置主动悬架的汽车，即使在不良路面高速行驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和
10、制动时车身保持水平，特点是乘坐非常舒服，但结构复杂、能耗高,成本昂贵，可靠性存在问题3。3、主动悬架研究也集中在可靠性和执行器两个方面由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，元器件的增加降低了悬架的可靠性，所以加大元件的集成程度,是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件，气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论转化为实际应用，技术的每次跨越，都和相关学科的发展密切相关，计算机技术、自动控制技术
11、、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障，悬架的发展也给相关学科提出更高的理论要求，使人类的认识迈向新的、更高的境界。我国对半主动和主动悬架的研究方面起步较晚，与国外的差距大。同时由于半主动和主动悬架技术复杂、生产成本高等原因，我国的绝大部分汽车采用被动悬架。在西方发达国家，半主动悬架在20世纪80年代后期趋于成熟,福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果，主动悬架虽然提出早，但由于控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。进入20世纪90年代，仅应用于排气量大的豪华汽车，未见国内汽车产品采用此技术的报道，只有北京理工大学和同济大学等
12、少数几个单位对主动悬架展开研究4。1.3 设计的研究内容和方法本设计结合悬架设计的知识，应用虚拟样机技术，进行了麦弗逊式悬架的虚拟设计及优化，减少了开发周期，提高了设计效率。在悬架设计中，基于ADAMS平台参数化的特性生成悬架的仿真模型，依据仿真结果提出改进方案并进行优化设计，选定比较合适的空间结构参数和悬架性能参数，对悬架零件进行选取和模型建立最后完成悬架的装配。具体内容包括：（1）分析麦弗逊式悬架的结构和悬架设计要求，对减振器、弹簧的基本参数进行计算，利用空间机构知识进行分析。（2）使用ADAMS软件的View模块，对麦弗逊悬架进行合理简化，建立麦弗逊式悬架的空间机构模型，进行机构分析；对
13、完成的麦弗逊式悬架模型进行参数化处理，实现悬架模型的参数化，把所用到的设计变量和虚拟设计平台对应起来，分析悬架优化的目标参量及其测量表达式；（3）对所建立的模型进行悬架运动学仿真试验，研究考虑每个设计变量的变化对样机性能的影响，进行优化，对比讨论优化前后的仿真结果，最后对优化结果进行评价；（4）利用Pro/E软件对优化完的悬架进行模型的建立。第2章 麦弗逊悬架的概述2.1 悬架的作用和组成分类汽车悬架是汽车重要的组成部分，它是连接车轮与车架的弹性传力装置，不仅承受作用在车轮和车体之间的力，还可以吸收与缓和汽车在不平的路面上行驶时，所产生的振动和冲击，从而提高乘坐的舒适性，延长机件的寿命。悬架由
14、弹性元件，导向装置与减振器等三种元件和机构组成5。2.1.1 悬架的分类1、非独立式悬架两侧车轮安装于一根整体式车桥上，车桥通过悬挂与车架相连。这种悬挂结构简单，传力可靠，但是两轮受冲击振动时互相影响。当汽车行驶在左右倾斜的凸凹面上时，非独立悬架车辆的车体发生明显的倾斜，而且由于非悬挂质量较重，悬架的缓冲性能较差，行驶时汽车振动、冲击较大，该悬挂一般多用于载重汽车、普通客车和一些其他车辆上。图2.1 四种基本类型的独立悬架示意图2、独立式悬架汽车的每个车轮单独通过一套悬挂安装于车身或者车桥上，车桥采用断开式，中间一段固定于车架或车身上；此种悬挂两边车轮受冲击时互不影响，而且由于非悬挂质量较轻，
15、缓冲与减振能力很强，乘坐舒适，各项指标都优于非独立式悬挂，但该悬挂结构复杂，而且还会使驱动桥、转向系统变得复杂起来。采用此种悬挂的轿车、客车以及载人车辆，可明显提高乘坐的舒适性，并且在高速行驶时提高汽车的行驶稳定性。而越野车辆、军用车辆和矿山车辆，在坏路或无路的情况下，可保证全部车轮与地面的接触，提高汽车的行驶稳定性和附着性，发挥汽车的行驶速度。独立悬架的结构分有横臂式如图2.1（a）、纵臂式如图2.1（b）、烛式如图2.1（c）、麦弗逊式如图2.1（d）等多种，其中烛式和麦弗逊式形状相似，两者都是将螺旋弹簧与减振器组合在一起，但因结构不同又有重大区别。烛式采用车轮沿主销轴方向移动的悬架形式，
16、形状似烛形南而得名。特点是主销位置和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化，有利于汽车的操纵性和稳定性。麦弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主销，转向节可以绕着它转动。特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，这点与烛式悬架正好相反。这种悬架构造简单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性。所以，目前轿车使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架6。2.1.2 悬架的组成现代汽车的悬架尽管各有不同的结构型式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。导向机构在轻型汽车中，也是连接车架（或车身）与车桥（或车轮）的结构，除了传递作用力外，还能够使车架（或车身）随车轮按照一定的轨迹运
