毕业设计（论文） - 图文

安徽工程大学

毕业设计（论文）说明书

课题名称 某型轻型卡车悬架系统设计

院 别 机械与汽车工程学院 专 业 车辆工程 班 级 车辆093 学 号 3090104311 姓 名 刘冬冬 指导教师 肖平

2013年5月25日

安徽工程大学毕业设计（论文）

某型轻型卡车悬架系统设计

摘 要

由于汽车悬架系统性能的优劣直接决定着汽车行驶的平顺性、乘坐的舒适性以及操纵的安全性，因此对悬架的设计以及分析尤为重要。

现在国内汽车主要采用的是传统的被动悬架，但它的刚度和阻尼都是固定的，在汽车行驶过程中无法随路面状况、载荷等因素的变化而变化，严重影响了悬架的性能。

主动悬架由于可以根据汽车振动情况及时主动地产生和调整所需悬架控制力以优化汽车的行驶性能，所以对其研究日益受到人们的关注。而作动器作为主动悬架组成元件中产生力的装置，其优劣对悬架的性能有着重要影响。我们在这将设计一种气压作动器，它可以显著地提高了悬架系统的性能。因此，安装这种作动器的主动悬架将会对汽车行驶产生良好的效果。

本课题以某款轻卡汽车的悬架系统为研究对象，对悬架的弹性元件、阻尼元件等进行计算与设计，并在此基础上对该悬架系统进行作动器的相关设计。然后利用PROE软件对悬架系统进行三维建模，并通过ADAMS动力学仿真软件对1/4悬架以及1/2悬架进行仿真分析，实现对汽车悬架的设计。

关键字：悬架；作动器；设计；建模；仿真

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刘冬冬：某型轻型卡车悬架系统设计

Design of a light truck suspension system

Abstract

Because the automobile suspension system performance directly determines the ride comfort, ride comfort and safety of manipulation, so the suspension design and analysis are particularly important.

Now the domestic automobile is mainly used in the traditional passive suspension, but its stiffness and damping are fixed, in the running process of the automobile can not be changed with the condition of the road surface, load and other factors change, seriously affected the performance of suspension.

Active suspension due to the vibration of vehicle can be based on the timely initiative to produce the required adjustment to optimize and control the driving performance of vehicle suspension, so its research has attracted people's attention. While the actuators as active suspension device generates a force components, has an important effect on the quality of suspension performance. The actuator in this will design a kind of pressure, it can significantly improve the performance of suspension system. Therefore, the installation of this active suspension actuator on the vehicle will produce good results.

The suspension system of a light truck as the research object, the calculation and design of suspension damping element, elastic element, and on the basis of the suspension system for design of actuator. Then the 3D model of the suspension system by using PROE software, and the 1/4 suspension and 1/2 suspension was simulated by the dynamic simulation software ADAMS, realize the design of automobile suspension.

Key words: suspension; actuator; design; modeling; simulation

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目录

引言??????????????????????????????????1 第1章 绪论??????????????????????????????2

1.1 悬架的发展历史及发展趋势?????????????????????2 1.2 悬架的功用和组成?????????????????????????3 1.3 悬架的分类????????????????????????????4

第2章 悬架的结构设计及作动器的设计???????????????6

2.1 悬架的结构类型设计????????????????????????6 2.2 悬架弹性元件及阻尼元件的设计计算?????????????????6 2.3 前悬架导向机构的设计???????????????????????16 2.4 悬架其他附件的设计????????????????????????19 2.5 新型气压作动器主动悬架的设计???????????????????20

第3章 悬架的建模过程???????????????????????23

3.1 三维软件PROE的介绍???????????????????????23 3.2 前悬架的建模及装配????????????????????????23 3.3 后悬架的建模及装配????????????????????????25 3.4 悬架系统的装配??????????????????????????27

第4章 基于ADMAS的1/4车体主动悬架的仿真实验???????29

4.1 运动学软件ADMAS的介绍?????????????????????29 4.2 1/4车体主动悬架模型的建立????????????????????29 4.3 1/4车体主动悬架的仿真实验与结果分析???????????????34

第5章 基于ADMAS的1/2车体主动悬架的仿真实验???????36

5.1 1/2车体主动悬架模型的建立????????????????????36 5.2 1/2车体主动悬架的仿真实验与结果分析???????????????37

结论与展望??????????????????????????????41 致谢??????????????????????????????????42 参考文献???????????????????????????????43

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刘冬冬：某型轻型卡车悬架系统设计

插图清单

图1-1 汽车三种悬架的模型图????????????????????????2 图1-2 非独立悬架?????????????????????????????5 图1-3 独立悬架??????????????????????????????5 图2-1 双横臂悬架?????????????????????????????6 图2-2 钢板弹簧悬架????????????????????????????6 图2-3圆柱螺旋弹簧????????????????????????????8 图2-4 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高??????????????????10 图2-5 确定钢板弹簧各片长度的作图法???????????????????12 图2-6 钢板弹簧各片自由状态下的曲率半径?????????????????14 图2-7 减振器特性图???????????????????????????16 图2-8 双横臂悬架侧倾中心W????????????????????????17 图2-9 双横臂式独立悬架的纵倾中心????????????????????18 图2-10 上、下横臂在横向平面内的布置方案?????????????????18 图2-11 球销式接头????????????????????????????19 图2-12 横向稳定杆的安装示意图??????????????????????20 图2-13 卷耳???????????????????????????????20 图2-14 气压作动器主动悬架示意图?????????????????????21 图2-15 单活塞干双作用缓冲气缸??????????????????????22 图3-1 前轮???????????????????????????????23 图3-2 制动盘??????????????????????????????23 图3-3 万向节??????????????????????????????24 图3-4 上横臂??????????????????????????????24 图3-5 下横臂??????????????????????????????24 图3-6 螺旋弹簧?????????????????????????????24 图3-7 减震器??????????????????????????????24 图3-8 连杆???????????????????????????????24 图3-9 横向稳定杆????????????????????????????24 图3-10 前悬架??????????????????????????????25 图3-11 前悬架（作动器）??????????????????????????25 图3-12 后轮???????????????????????????????25 图3-13 制动盘??????????????????????????????26 图3-14 减振器??????????????????????????????26 图3-15 钢板弹簧?????????????????????????????26 图3-16 U型螺栓?????????????????????????????26 图3-17 U型底座?????????????????????????????26 图3-18 车桥???????????????????????????????27 图3-19 后悬架??????????????????????????????27 图3-20 后悬架（作动器）??????????????????????????27 图3-21 悬架系统?????????????????????????????28 图4-1 设置圆柱体选项??????????????????????????30 图4-2 设置球体选项???????????????????????????30 图4-3 创建中的前悬架模型????????????????????????31

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图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图

4-4 前悬架模型????????????????????????????31 4-5 设置长方体选项??????????????????????????31 4-6 创建测试平台的模型????????????????????????31 4-7 设置弹簧选项???????????????????????????32 4-8 创建弹簧?????????????????????????????32 4-9 设置球副选项???????????????????????????32 4-10 设置固定副选项??????????????????????????32 4-11 设置旋转副选项??????????????????????????33 4-12 设置移动副选项??????????????????????????33 4-13 设置点-面约束副选项???????????????????????33 4-14 创建悬架模型的约束????????????????????????34 4-15 路面行程?????????????????????????????34 4-16 车身行程?????????????????????????????35 4-17 车身垂直加速度??????????????????????????35 5-1 前悬吊??????????????????????????????36 5-2 前悬架??????????????????????????????36 5-3 定义车辆参数???????????????????????????37 5-4 悬挂同向仿真激振?????????????????????????37 5-5 前束角-车轮跳动行程????????????????????????38 5-6 路面激励选项???????????????????????????38 5-7 路面文件?????????????????????????????39 5-8 车轮跳动行程???????????????????????????39 5-9 悬架的行程????????????????????????????39 5-10 车身跳动的行程??????????????????????????40 5-11 车身的垂直加速度?????????????????????????40

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刘冬冬：某型轻型卡车悬架系统设计

表表表表表表

表格清单

2-1 普通圆柱螺旋弹簧的尺寸系列?????????????????????9 2-2 钢板弹簧各片长度?????????????????????????12 2-3 钢板弹簧各片的曲率半径和弧高???????????????????15 2-4 国外轿车独立悬架的一些参数????????????????????18 4-1 设计点的坐标???????????????????????????29 5-1 参数说明?????????????????????????????37

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引 言

随着经济的高速发展，人们的生活水平的提高，对汽车乘坐舒适性和行驶安全性的要求越来越高，设计一个具有良好综合性能的悬架成为现代汽车研究的一个重要课题。由于主动悬架可以随着汽车的行驶状态而自适应地改变其刚度和阻尼参数，具有优良的减振性能和操纵稳定性，将是未来汽车悬架研究的一个重要方向。

主动悬架控制理论实质上是经典控制理论，现代控制理论与汽车动力学理论相结合的产物。现在主动悬架产生力的主要有直接驱动式、机电式和液压式作动器等等，直接驱动式作动器耗电量非常大，在汽车上不合适使用；机电式作动器的功率较低，滚珠丝杠或谐波齿轮的价格昂贵且定位精度较低，系统容易发热，会有卡死率；液压式作动器对液体有一定的要求，需要冷却、过滤，有一定的污染。

汽车平顺性是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。由于平顺性主要根据乘坐者的舒适程度来评价，所以也称为乘坐舒适性。车辆振动还会导致车上乘员疲劳和货物的破损，使整车零部件过早地磨损和疲劳损坏。因此，平顺性直接影响到乘员的舒适性，也影响车辆动力性和经济性，是车辆在市场竞争中争夺优势的一项重要性能指标。

在以前由于技术和设备上的限制，汽车的行驶平顺性一般是在制成样车并进行试验后才能最后确定。因而在设计阶段由于计算工具的限制和缺少路面谱资料难于精确地预测这种性能，影响行驶平顺性的悬架参数和有关整车参数由主要设计人员的经验和粗略计算来确定。现在我们可以根据ADMAS技术仿真实验来确定汽车的平顺性，它缩短了设计周期，提高了设计质量，对悬架进行优化设计，尽可能地达到一次设计成功的要求。

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第1章 绪论

1.1 悬架的发展历史以及发展趋势

1.1.1 悬架的发展历史

科技进步是人类永恒的追求。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—叶片弹簧进行探索。一直到20世纪30年代，才逐渐被螺旋弹簧代替。汽车诞生后，随着对悬架研究的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等。1934年第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架诞生了。被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变。它是一系列路况的折中，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，采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，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，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等。

半主动悬架的研究工作开始于1973年,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，但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调整，这和主动悬架极为相似。由于半主动悬架结构较简单，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，具有广阔的发展空间【1】。

图1-1 汽车三种悬架的模型图

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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中率先提出的。它在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车的悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。装备主动悬架的汽车，在不良路面高速行驶时，车身平稳，轮胎噪音小，转向和制动时车身保持水平。

由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在半主动和主动悬架的研究方面起步晚，与国外的差距大。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，并且在轿车上应用，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，仍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少数几个研究机构对主动悬架展开研究。（图1-1）

1.1.2 悬架的发展趋势

由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。

(1)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。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面：通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；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；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高。

(2)半主动悬架的研究集中在两个方面：执行策略的研究；执行器的研究。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。

(3)主动悬架研究也集中在两个方面：可靠性；执行器。由于元器件较多，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。电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。

总体来说，主动悬架的减振效果好，性能优越，解决了“平顺性和操纵稳定性 ”的矛盾。但元件成本较高，工作时需要较多的能量，整车质量也有所增加；半主动悬架的减振性能接近主动悬架，操纵稳定性优于被动悬架。被动悬架的性能相对最差，但它的成本最低，也不需消耗能量。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。先进的计算机技术、自动控制技术、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。同时，悬架的发展也给这些相关学科提出更高的理论要求，二者相辅相成，相互促进，从而实现真正的可持续发展【1】。

1.2 悬架的功用和组成

悬架是现代汽车上重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶

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平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力，从而提高了汽车的乘坐舒适性，并且延长了汽车部件的使用寿命。

现代汽车悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都由弹性元件﹑减振器和导向机构等三部分组成。此外，还辅设有缓冲块和横向稳定器。

犹豫汽车行驶的路面不可能绝对平坦，因此，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车架（或车身）上时，可能引起汽车机件的早期损坏，还将使驾驶员感到极不舒适，或使货物受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间保持弹性联系。但弹性系统在受到冲击后将产生振动，持续的振动易使乘员感到不舒适或疲劳，故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减（振幅迅速减小）。为此，在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减震器。

车轮相对于车架和车身跳动时,车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车的某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。

在多数轿车和客车上，为了防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件——横向稳定器。

为限制弹簧的最大变形并防止弹簧直接撞击车架，在货车上辅设有缓冲块。在一些轿车上也设有缓冲块，以限制悬架的最大变形。

应当指出，悬架只要具备上述功能，在结构上并非一定要设置上述这些单独的装置不可。例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，它本身还能起到传递各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的作用，因而没有必要再另行设置导向机构。此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，其本身具有一定的减振能力，因而在对减振要求不高的车辆上，也可以不装减震器。

由实践得知，悬架对汽车的行驶平顺性、稳定性、通过性、燃油经济性等多种使用性能都有影响，因此在选择悬架参数及布置导向机构时，应注意满足这些性能的要求。在悬架设计中应满足这些性能的要求，其要点如下：

1）保证汽车有良好的行驶平顺性。为此，汽车应有较低的振动频率。

2）具有合适的衰减振动的能力。它应与悬架的弹性特性很好的匹配，保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。

3）保证汽车有良好的操纵稳定性。导向机构在车轮跳动时，应不使主销定位参数变化过大，车轮运动与导向机构运动应协调，不出现摆振现象。转向时整车应有一些不足转向特性。

4）制动或加速时，要保证车身稳定，减小车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。 5）有良好的隔音能力。

6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。

7）可靠地传递车身与车轮间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

1.3 悬架的分类

现代汽车悬架的发展十分快，其分类方法有很多种。主要根据汽车导向机构的不同

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悬架可分为独立悬架和非独立悬架。

非独立悬架的结构特点是特点是两侧车轮安装于一个整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮，当车轮上下跳动时定位参数变化小。以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，其主要优点是：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度（特别是前悬架），使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴（桥）和车身倾斜（图1-2）；当两侧车轮不同步跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振；前轮跳动时，悬架易于转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凸凹不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；车轴（桥）上方要求有与弹簧行程相适应的空间。因此这种悬架广泛应用于总质量较大的货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架常见的形式有：纵置板簧式非独立悬架；螺旋弹簧非独立悬架；空气弹簧非独立悬架；汽油弹簧非独立悬架等。

独立悬架的结构特点是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。其主要优点是：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；由于采用段开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着力（图1-3）；其缺点是:结构复杂，成本较高，维修困难。这种悬架主要用于乘用车和部分质量不大的商用车上。

独立悬架中多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧作为弹性元件，钢板弹簧和其他形式的弹簧用得较少。独立悬架的结构类型很多，主要可按车轮运动形式分为以下四类：车轮在汽车横向平面内摆动的悬架（横臂式独立悬架）；车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架（纵臂式独立悬架）；车轮沿主销移动的悬架，其中包括：烛式悬架和麦弗逊式悬架；车轮在汽车的斜向平面内摆动摆动的悬架（单臂式独立悬架）。

图1-2 非独立悬架 图1-3 独立悬架

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第2章 悬架的结构设计及作动器的设计

2.1 悬架的机构类型设计

在本设计某轻型卡车悬架的设计中，我选用的车型为江淮好运轻卡60马力4×2载货车（HFC1030K5T）车型，相关数据如下：

整车整备质量：1950kg 额定载重：1140kg 最大总质量：3220kg 后桥载荷：1930kg

轴距：2600mm 前轮距：1300mm 后轮距：1240mm

在此采用采用主动悬架的形式；由于质量不是很大，在轻型卡车的前悬架中可以采用双横臂独立悬架，后悬架采用钢板弹簧非独立悬架。

2.2 悬架弹性元件及阻尼元件的设计计算

双横臂式独立悬架分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大，造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性，保证汽车具有良好的行驶稳定性。

不等双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。不等臂双横臂上臂比下臂短，当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。

图2-1 双横臂悬架 图2-2 钢板弹簧悬架

钢板弹簧在汽车上可以纵置或横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂，质量加大，所以只有极少数汽车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故在汽车上得到广泛的应用。纵置钢板弹簧有对称和不对称之分。一般选用对称式钢板弹簧，本车采用纵置对称式钢板弹簧。目前国内货车所用的钢板弹簧材料多数用60Si2Mn钢或55SiMnVB钢这些材料有较高的弹性极限、屈强比及疲劳强度，而且价格便宜。60Si2Mn弹簧钢适用于厚度在12mm 以下的钢板弹簧，对于较厚的钢板弹簧可采用淬透性较好的55SiMnVB弹簧钢。

本车型选用的板簧单片厚度小于12mm，材料为60Si2Mn。为了提高钢板弹簧疲劳寿命， 采用表面喷丸处理工艺和减少表面脱碳层深度的措施【2】.

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2.2.1 悬架基本参数的确定

一、 悬架的固有频率

悬架固有频率的选取主要依据ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》，目前固有频率的取值与人体步行时身体上下运动的频率相近。货车在满载时，前悬架固有频率要求n1在1.5～2.1Hz，而后悬架则要求n2在1.7～2.17Hz，我们初取n1=1.8Hz， n2=2.0Hz。

二、悬架的静挠度fc

悬架静挠度fc是指汽车满载静止时悬架上的载荷F?与此时悬架刚度c之比，即

fc?F?c。

汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量分配系数?近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动是不存在联系。因此，汽车前、后部分车身的固有频率n1、n2（亦称偏频）可用下式表示

n1?c1m1?2??；n2?c2m2?2?? (2-1)

式中，c1、c2为前、后悬架的刚度(N/cm)；m1、m2为前、后悬架的簧上质量(kg)。由于此款轻型卡车的最大总质量为3220kg，后桥载荷为1930kg，所以我们可以算出前桥的载荷为(3220kg-1930kg=)1290kg；在前悬架我们采用的是双横臂悬架；后悬架采用的是钢板弹簧悬架，所以我们估计前悬架的簧下质量为90kg；后悬架的簧下质量为130kg，则前悬架的簧上质量为m1=(1290kg-90kg)/2=600kg；后悬架的簧上质量为

m2=(1930kg-130kg)/2=900kg。

当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可用下式表示

fc1?m1gc1 ；fc2?m2gc2 (2-2)

式中，g为重力加速度，g=981cm/s2。

将fc1、fc2代入式(2-1)中得到

n1?5fc1；n2?5fc2 (2-3)

把n1＝1.8Hz、n2=2.0Hz代入式（2-2）中得fc1=7.72cm、fc2=6.25cm。符合货车静挠度的变化范围fc?5~11cm。

降低悬架系统的振动频率和增大悬架的静挠度可以提高汽车行驶的平顺性，但需要说明的是，增大悬架的静挠度会带来一些新的矛盾，主要有以下几点：

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刘冬冬：某型轻型卡车悬架系统设计

1、静挠度增大后，为使汽车不经常碰撞缓冲块，就要求相应地增加动挠度，这就势必抬高车架上各总成的高度，提高汽车的重心，同时，在汽车振动时和载荷增减时，汽车高度将会显著的变化，这些都对汽车行驶稳定性产生不利影响。

2、静挠度增大后，弹簧显得很软，在紧急制动时会产生严重的汽车“点头”现象；在转弯时，由于悬架侧倾刚度的降低，会使车身产生较大的侧倾角，这些对乘坐舒适性都是不利的。

3、静挠度和动挠度增大后，车轮垂直位移增大，对行驶稳定性不利。

4、增大静挠度对纵置钢板弹簧而言，要增大弹簧长度，使布置发生困难，同时增加弹簧重量。

三、悬架的动挠度fd

悬架的动挠度fd是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或1/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对货车，fd取6～9cm。这里取fd1=7.5cm,fd2=8cm。

四、悬架的刚度

由fc?mgc可以得出悬架的刚度，簧上质量m1＝600kg；m2=900kg,代入公式得悬架刚度为:

c1?m1gfc1??600kg?981cm/s2?/7.72cm?762.4N/cm?76N/mm；c1?m1gfc1?900kg?981cm/s2/6.25cm?1412.6N/cm?141.3N/mm。

五、螺旋弹簧的选择

螺旋弹簧（如图2-3所示）广泛应用于独立悬架中，它与钢板弹簧相比，有质量小，无需润滑，所占纵向空间小，不怕泥污等优点。但它只能承受垂直方向力，而且不足有减振作用，因此在悬架中必须要有导向机构和减振器。

??

图2-3 圆柱螺旋弹簧

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安徽工程大学毕业设计（论文）

按照本次设计汽车的参数知：汽车整车整备质量为1950kg，发动机前置前轮驱动的轴荷分配满载时，前轴约占总质量的45%~50%，本设计中取950kg。

空载时弹簧受力为F1=950kg×9.81m/s2/2=4660N。 满载时弹簧受力为F2=600kg×9.81m/s2=5886N。

初选弹簧 查《机械零件手册》选取弹簧的旋绕比C=6(一般在4～16范围内)，选择簧条截面为圆形的圆柱压缩螺旋弹簧，材料为热轧弹簧钢。其基本参数如下：

簧条直径d=5～80mm 切变模量G=78×103Mpa 弹性模量E=197×103Mpa 许用切应力?p=590Mpa

8KDF8KCF???p 32?d?d4C?10.615?K=

4C?4CKCF得 d=1.6

由公式 ??

(2-4) (2-5) (2-6)

?P式中：?—切应力，Mpa； F—工作载荷，N； D—弹簧中径，mm；

d—簧条直径，mm； C—旋绕比，C=D/d； K—曲度系数；

k—弹簧刚度，N/mm；

f—工作载荷下的变形量，mm。

代入数据C=6，F=F2=5886N，?p=590Mpa，得K=1.2525，d=13.85mm，根据表2-1弹簧直径系列选取d=14mm。

表2-1 普通圆柱螺旋弹簧的尺寸系列

第一0．3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 弹簧系列 1.2 1.6 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 8 12 16 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 丝直径 d/mm 第二0.32 0.55 0.65 1.4 1.8 2.2 2.8 3.2 5.5 6.5 7 系列 9 11 14 18 22 28 32 38 42 55 65 弹簧中径 D/mm 2 2.2 2.5 2.8 3 3.2 3.5 3.8 4 4.2 4.5 4.8 5 5.5 6 6.5 8 8.5 9 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 35 38 40 42 45 48 50 52 55 58 60 65 70 80 85 90 95 100 105 10 115 120 125 130 135 140 145 150 160 170 180 90 200 压缩2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5 4.75 5 有效圈弹簧 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15 16 18 20 22 25 28 30 - 9 -

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拉伸2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 n/圈 弹簧 18 19 20 22 25 28 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80 90 100 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 自由高压缩19 20 22 24 26 28 30 32 35 38 40 42 45 48 度弹簧 50 52 55 58 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 130 140 150 160 170 180 190 H0/mm 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 450 480 500 520 550 580 600 数 根据弹簧直径查《机械设计手册》GB1222选取圆柱螺旋弹簧，其基本参数如下: d=14mm，C=6，D=85mm，?p=740Mpa，fsd=16.81mm。

Gd4f78?103?144?16.81弹簧的有效圈数n===3.73，取n=4。

8?5886?8538FD3压缩圈数取为n2=2，则总圈数n1=n+ n2=4+2=6。 六、钢板弹簧的选择

1、钢板弹簧主要参数的确定 1)、单个钢板弹簧承受的载荷

Fw1??G1?Gu1?2 (2-7)

式中，G1--簧上质量为1930kg×9.81m/s2=18933.3N；Gu1--簧下质量为130kg×9.81m/s2=1275.3N。导入数据，得FW1=8829N。

2)、满载弧高

满载弧高是指钢板弹簧装到车轴(桥)上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳孔径）连线间的最大高度差。它用来保证汽车给定的高度。当fa?0时，钢板弹簧在对称位置上工作。考虑使用期间钢板弹簧塑性变形的影响和为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取fa?10~20mm，在本此设计中我们取fa?10mm。

图2-4 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高

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3)、钢板弹簧长度的确定

钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。增加钢板弹簧的长度，能显著降低弹簧应力，提高使用寿命；降低弹簧刚度，改善汽车行驶平顺性；在垂直刚度c给定的条件下，又能明显的增加钢板弹簧的纵向角刚度。钢板弹簧的纵向角刚度，系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形；选用长些的钢板弹簧，会在汽车布置上产生困难。对其长度的选取在原则上，在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长一些。对货车后悬架L=(0.35~0.45)轴距。

本设计中，钢板弹簧长度暂定L＝500mm。 4)、 钢板断面尺寸及片数的确定

(1) 钢板断面宽度b的确定 有关钢板弹簧的刚度、强度等，可按照截面简支梁的计算公式计算，但需引入挠度增加系数?加以修正。因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩J0。对对称钢板弹簧，总惯性矩为：

3J0???L?ks?c???48E? (2-8)

??式中，s为U该螺栓中心距(mm)；k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（刚性夹紧取:k=0.5，挠性夹紧:取k=0）；c为钢板弹簧垂直刚度(N/mm)，c?Fw/fc；?为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠算数n1，再估计一个总片数n0，??n1n0，然后用??1.5?；E为材料的弹性模量(Mpa)。 ?1.04?1?0.5????初定?）

本车的钢板弹簧选择挠性夹紧，k=0；初选与主片等长的重叠片数为n1=0片，总数为n0=5片，??0，?＝1.442；U形螺栓中心距初取s=90mm；E=4.06x105Mpa。

钢板弹簧总截面系数W0用下式计算

W0?Fw?L?ks?4??w? (2-9) 式中，对于55SiMnVB或60Si2Mn等材料，表面经喷丸处理后，推荐[σw]在下列范围内选取：前弹簧和平衡悬架弹簧为350～450 Mpa；后主簧为450～550 Mpa；后副簧为220～250 Mpa。本设计初取[σw]＝500Mpa。

计算钢板弹簧的平均厚度hp：

hp?2J0/W0＝?L?ks????w??6Efc? (2-10) 代入计算后得hp＝11.84mm,符合一般要求在6～12mm的范围不符，因此此选择可行。

有了hp以后，再选钢板弹簧的片宽b。增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦和弹簧的总厚。推荐片宽与片厚的比值bhp在6～10范围内选取，取8,即b=94.72mm，取钢板宽度为95mm。

(5) 钢板弹簧片厚h的选择 选择弹簧片数n=5。一般地，钢板弹簧各片厚h应在

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2刘冬冬：某型轻型卡车悬架系统设计

（1+0.1）hp的范围内选取。并尽量选择同一厚度。在一副弹簧中虽然可以选择不同厚度，但不宜超过三组，为使叶片寿命接近，最厚片与最薄片之比应小于1.5。叶片断面尺寸b和h最后选取要符合我国型材规格。

根据数据，取h=13mm。并且片厚都相同。

(6) 钢板断面尺寸形状的确定 本车钢板断面形状选择矩形断面形状。矩形断面钢板弹簧的中性轴，在钢板断面的对称位置上。工作时，一面受拉应力，一面受压应力，而且上下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等，因材料的抗拉性能低于抗压性能，所以在受拉作用的一面首先产生疲劳断裂。但矩形截面制造简单，成本低廉，因此，选择此种截面形式。

2、钢板弹簧各片长度的确定

钢板弹簧各片长度就是基于实际钢板各片展开图接近梯形梁的形状这一原则来作图的。首先假设各片厚度不同，则具体进行步骤如下：

先将各片厚度hi的立方值hi3按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上（图2-5），再沿横坐标量出主片长度的一半L/2和U形螺栓中心距的一半s/2，得到A、B两点，连接A、B即得到三角形的钢板弹簧展开图。AB线与各叶片上侧边的交点即为各片长度。如果存在与主片等长的重叠片，就从B点到最后一个重叠片的上侧边端点连一直线，此直线与各片上侧边的交点即为各片长度。各片实际长度尺寸需经圆整后确定。

图2-5 确定钢板弹簧各片长度的作图法

用做图法绘制的钢板弹簧长度如下：

表2-2 钢板弹簧各片长度

序号 1 2 3 4 5

断面（mm） 13?95 L（mm） 500 400 300 200 100 - 12 -

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1.从主菜单依次选择Review→Postprocessing Window或单击F8键即可进入ADMAS/ Postprocessor进行曲线绘制。

2.在主菜单中选择Plot→Create Plots。

3.在弹出的对话框中Plot Configure File栏单击鼠标右键，依次选择Search→/Plot_configs.tbl。

4.在选择文件对话框里选择mdi_suspension_Parallel Wheel Travel.plt。

5.在Plot Title栏中输入：Baseline Parallel Wheel Travel Analysis-UAN_FRT_SUSP。 6.点击OK即完成曲线绘制，可以选页查看各曲线。 我们得到以下曲线：

图5-5 前束角-车轮跳动行程

(5) 路面激励ADAMS/Car还在享数据库中的loadcases文件夹中提供了一个RPC3格式的示例文件，它包含左右车辙路面法向不平度的时间历程文件。

过程是Simulate→Suspension Analysis→Dynamic，如图5-6。

图5-6 路面激励选项

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仿真后查看结果得到以下曲线：

图5-7 路面文件

图5-8车轮跳动行程

图5-9 悬架的行程

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图5-10 车身跳动的行程

图5-11 车身的垂直加速度

5.2.2 仿真实验结果分析

通过图5-7、图5-8和图5-10的比较来看，路面的振动通过车轮和悬架传到车身上的振动越来越小，也就是说车轮和悬架都能衰减路面的振动，但相比较而言悬架衰减的幅度比较大，也就是说悬架起着主要减振的作用。

通过图5-9来看，悬架的跳动行程在大约294.6mm到300.5mm之间跳动，它的动行程大约为5.9mm，小于悬架规定的动挠度7.5mm，所以我们此次设计的悬架满足要求。

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结论与展望

本文通过对江淮好运轻型卡车悬架的设计，设计的悬架为气压作动器主动悬架，主动悬架目前在国内轻型卡车领域很少应用。而气压式作动器在悬架上的应用也较少，因此我的这个设计也是一个全新的设计。在设计这种气压作动器主动悬架时，主要应用传感器的检测灵敏、控制阀的精确操控以及控制单元ECU的合理控制。

但此设计中存在的问题是：这个作动器没有能够设计出当车辆车身倾斜时，作动器上的气缸具体要升出多少的距离。这个过程我对控制单元并没有具体的编程、计算。

另外，在本设计中另一个主要点是，对悬架的仿真实验。ADMAS软件为汽车动力学仿真的研究提出了一条崭新的道路。本文主要在汽车行驶中对平顺性和稳定性的仿真应用，完成了一些探索。应用ADAMS软件双横臂前独立悬架为例进行了建模和运动学仿真，并对悬架结构进行了优化设计。由于这对于我来说是一个全新的软件，因此我要从基础开始学习。到最后能够仿真出悬架的模型结果。虽然我能得到悬架的仿真的结果，但由于我不熟悉的原因，没有能得出整车模型的仿真结果，只得到了1/4和1/2的仿真结果，存在很大的缺陷。因此，对于悬架的仿真将有很大的工作来做，例如考虑车辆在行驶时的真实情况等。

随着近些年来控制技术的不断发展和进步，应用到主动悬架上的控制策略也得到了质的改善。主动悬架研究的主要目的就是要缓解和消除地面激励所引起的车体振动，而任何控制算法的执行都需要时间，所以为了更好的发挥主动悬架的减振作用，主动悬架需要一个能够有预见功能的控制器，因此预见控制被渐渐引入到主动悬架的控制领域。预见控制解决了以往控制算法的控制滞后的问题，给悬架系统提供一个提前量，因此这种控制器的控制效果会明显提高。

而气压作动器主动悬架的发展、设计与应用，也会随着主动悬架的发展有很大的空间。这种主动悬架我们主要利用的是气压的各种优点，因此这种悬架会有很好的发展前景。

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致 谢

在毕业设计工作即将全部结束之际，我仅以我个人的名义向敬爱的肖平老师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意。在大四下学期毕业设计的这一段时间里，肖老师给予了我很大的帮助和关怀！在肖老师启发和指导之下，我的论文得以及时完成。肖老师敬业的工作、严谨的治学态度和不断创新进取的精神以及在生活中亲切、友好的品格，将是我今后学习和工作的榜样和目标。

感谢学校、学院以及车辆教研室的领导和老师们，为我们提供了良好的学习研究环境。他们爱岗敬业的精神，深深的感染了我。从他们身上我还看到了他们在工作和科学研究时的严谨的态度，并体会到了科学研究的真正意义和价值。他们不但是传授知识的导师，同时也是传授人生观、价值观的良师益友。

同时更要感谢我车辆093班的同学和我的室们友，在学习和生活上他们给予了我许多的帮助，解决了我遇到的很多难题，用甘共苦，与我一起度过了这段难忘的时光。

最后，向在百忙之中评审本文和参加答辩的各位教授、专家致以最衷心的感谢。

刘冬冬

2013年6月10日

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3、钢板弹簧的刚度验算

采用共同曲率法验算刚度。前提是，假定同一截面上各片曲率变化值相同，各片所承受的弯矩正比于其惯性矩，同时该截面上各片的弯矩和等于外力所引起的弯矩。

刚度验算公式为：

?n3?c?6?E/??ak?1?Yk?Yk?1?? (2-11)

?k?1?其中 ak?1??l1?lk?1? Yk?1?J Yii?1kk?1?1?Ji?1k?1i

式中，?为经验修正系数，?＝0.90～0.94；E为材料弹性模量；l1、lk?1为主片和第k+1片的一半长度。

式中主片的一半l1，如果用中心螺栓到卷耳中心间的距离代入，求得的刚度值为钢板弹簧总成的自由刚度cj；如果用有效长度，即l1'??l1?0.5ks?代入式中，则求得的刚度值是钢板弹簧总成的夹紧刚度cz。

a2?l1?l2?50mm a3?l1?l3?100mm a4?l1?l4?150mm a5?l1?l5?200mm

Y1?0.0006 Y2?0.0005 Y3?0.0004 Y4?0.0003 Y5?0.0002

代入数据，得出刚度为:c?1.5?104N/mm。

4、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算

1)、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0

钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端(不包括卷耳孔半径)连线间的最大高度差，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0，用下式计算

H0?fc?fa??f (2-12)

式中，fc为静挠度；fa为满载弧高；Δf为钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高变

s?3L?s??fa?fc?化，?f? ；s为U形螺栓中心距；L为钢板弹簧主片长度。

2L2代入数据, Δf=4.12mm。 得 H0?fc?fa??f=20.37mm。

钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径：

R0?L2?8H0? (2-13) 带入数据，得R0=1534mm。

2)、钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同，装配后各片产生预应力，其值确定了自由状态下的曲率半径Ri。各片自由状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好

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地贴紧，减少主片工作应力，使各片寿命接近。

矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定

Ri?R0??1??2?0iR0?(Ehi)?? (2-14) 式中，Ri为第i片弹簧自由状态下的曲率半径(mm)；R0为钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径(mm)；?0i为各片弹簧的预应力(Mpa)；E为材料弹性模量(Mpa)，取E＝4.06×105Mpa；hi为第i片的弹簧厚度(mm)。

图2-6 钢板弹簧各片自由状态下的曲率半径

设计各片的预应力，可取第一，二片的预应力为-80～-150Mpa，最后几片的预应力取20～60Mpa。根据要求，弹簧预应力取为-85，-80，20，20，30 Mpa。所确定的预应力还应该满足这样的条件，即在未受外界载荷的作用时，钢板弹簧任何断面预应力的内力矩（弯矩）之代数和等于零，即?Mi???i0Wi?0

i?1i?1nnbhi2式中，Wi为钢板弹簧第i片的截面系数，Wi?；?i0为钢板弹簧第i片的预应力。

6将相关数据代入公式，验算合格，预应力取值同上。

矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由式(2-14)计算如下：

R1?1467mm R2?1425mm R3?R4?1407mm R5?1389mm 如果第i片的片长是Li，则第i片弹簧的弧高为：

Hi?L2i/(8Ri) (2-15) 代入数据，得：

H1?74mm H2?61mm H3?55mm H4?43mm H5?31mm 5、钢板弹簧总成弧高的核算

由于钢板弹簧各片在自由状态下的曲率半径Ri是经选取预应力?i0后用式(2-14)计算，受其影响装配后钢板弹簧总成自由状态下的弧高与用式R0=L2/8H0计算的结果会不同。因此，需要核算钢板弹簧总成的弧高。

根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此可求得等厚叶片弹簧的R0为：

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1R0???LiRi?i?1n?L (2-16)

ii?1n式中，Li为钢板弹簧第i片长度。

代入数据验算，R0＝1544mm,与预先设定的R0相差不多。

钢板弹簧总成的弧高为H?L2?8R0?，代入数据得H?80mm，两次计算的弧高几乎相等，因此，选择的各片预应力数值合理。

表2-3 钢板弹簧各片的曲率半径和弧高 弹簧片号 曲率半径（mm） 弧高（mm） 1 2 3 4 5

6、钢板弹簧的强度验算

汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，其前半段出现的最大应力?max：

' ?max???G2m2l1?l2??c???[?l1?l2?W0]?G2m2??bh1? (2-17)

1467 1425 1407 1407 1389 74 61 55 43 31 '式中，G2为作用在后轮上的垂直静负荷；m2为驱动时后轴负荷转移系数，货车：=1.1～m21.2；?为道路附着系数，取??0.8；b为钢板弹簧片宽；h1为钢板弹簧主片厚度。 代入数据后得，?max?742.8Mpa小于许用应力??W??1000Mpa，符合要求。

2.2.2 减振器的选择

一、减震器的类型选择

悬架中用得最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的粘性摩擦形成了振动阻力，将振动能量转变为热能，并散发到周围的空气中去，达到迅速衰减振动的目的。如果热量的耗散仅仅是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称为单项作用式减振器；反之称为双向作用式减振器。后者因减震作用比前者好而得到广泛应用。因此本设计也采用双向作用式减震器。

二、减震器的阻尼系数δ

减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力F与减振器振动速度v之间有如下关系：

F??v (2-18)

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式中，δ为减振器阻尼系数。

图2-7示出减振器的阻力一速度特性图。该图有如下特点：阻力一速度特性由四段近似直线线段组成，其中压缩行程和伸张行程的阻力一速度特性各占两段；各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数δ=F/v，所以减振器有四个阻尼系数。在没有特别指明时，减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数而言。通常压缩行程的阻尼系数δy=Fy/vy与伸张行程的阻尼系数疗δs=Fs/vs不等。

(a)阻力-位移特性 (b)阻力-速度特性

图2-7 减振器特性图

汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数ψ的大小来评定振动衰减的快慢程度。ψ的表达式为：

???（2cms） (2-19) 式中，c——悬架系统垂直刚度，N/mm；

ms——簧上质量，kg。

式3-8表明，相对阻尼系数ψ的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量ms的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。ψ值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；ψ值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数ψy取得小些，伸张行程时相对阻尼系数ψs取得大些。两者之间保持中ψy=(0.25～0.5)ψs的关系。 设计时，先选取ψy与ψs的平均值ψ。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取ψ=0.25～0.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，ψ值取小些。对于行驶路面条件较差的汽车，ψ值应取大些，一般取ψs〉0.3；为避免悬架碰撞车架，取ψy=0.5ψs。在本设计中取ψ1=0.3，ψ2=0.35。 则减震器的阻尼系数为

????2cms （2-20）式中，c1=76N/mm，ms1=600kg；c2=141.2N/mm，ms2=900kg。

得?1=128N·s/mm；?2=250N·s/mm。

2.3 前悬架导向机构的设计

2.3.1 导向机构设计要求

对前轮独立悬架导向机构的设计要求是： 1) 悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过±4.0mm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。

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2) 悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应该产生纵向加速度。

3) 汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在0.4g侧向加速度作用下，车身侧倾角小于等于6°～7°，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。

4) 制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后俯作用。

此外，导向机构还应有足够强度、并可靠地传递除垂直力以外的各种力和力矩【2】。 2.3.2 导向机构的布置参数

一、侧倾中心

双横臂式独立悬架的侧倾中心由如图2-8所示。由于本设计采用非相互平行的双横臂,可以将横臂内外转动点的连线延长，以便得到极点P，并同时获得P点的高度。将P点与车轮接地点N连接，即可在汽车轴线上获得侧倾中心W。

图2-8 双横臂悬架侧倾中心W

二、侧倾轴线

在独立悬架中，汽车前部与后部侧倾中心的连线称为侧倾轴线，侧倾轴线应大致与地面平行，且尽可能离地面高些。平行是为了使得在曲线行驶时前、后轴上的轴荷变化接近相等，从而保证中性转向特性；而尽可能高则是为了使车身的侧倾限制在允许范围内。

然而，前悬架的侧倾中心高度受到允许的轮距变化限制，并且几乎不可能超过150mm。因此，在独立悬架（纵臂式悬架除外）中，侧倾中心高度为：

前悬架0～120mm

设计时首先要确定（与轮距变化有关的）前悬架的侧倾中心高度，然后确定后悬架的侧倾中心高度。当采用钢板弹簧非独立悬架时，后悬架的侧倾中心高度要取的更大些。

三、纵倾中心

双横臂式悬架的纵倾中心可用作图法得出，见图2-9。自铰接点E和G作摆臂转动轴C和D的平行线，两线的交点即为纵倾中心O。

图2-9 双横臂式独立悬架的纵倾中心

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四、横向平面内上、下横臂的布置方案

比较图2-10中的 a、b、c三图可以清楚地看到，上、下横臂布置不同，所得侧倾中心位置也不同，这样就可根据对侧倾中心位置的要求来设计上、下横臂在横向平面内的布置方案。

a) b) c)

图2-10 上、下横臂在横向平面内的布置方案

本设计按照图a）进行设计。

五、上下横臂长度的确定

双横臂式独立悬架的上、下臂长度对车轮上、下跳动时前轮的定位参数影响很大。现代所用的双横臂式前悬架，一般设计成上横臂短、下横臂长。这一方面考虑到布置发动机方便，另一方面也是为了得到理想的悬架特性。现代轿车设计时，l2/l1取为0.6～1.0之间。美国克莱斯勒和通用汽车公司分别认为，上下横臂长度之比取0.7和0.66为最佳。根据我国汽车设计经验，在初选尺寸时，l2/l1取0.65为宜。

下表是国外一些轿车的上下臂长及球销距的尺寸：

表2-4 国外轿车独立悬架的一些参数

车牌名 奔驰600(西德) 伏尔加(苏) 雷诺(法) 王子(日) 伏克斯豪尔(英) 雪佛兰(美) 上臂长 A，mm 330 200 215 245 250 190 下臂长 C，mm 479 445 350 305 380 330 球销距 B，mm 256 250 200 200 200 215 A CA B0.702 0.45 0.61 0.80 0.66 0.60 1.29 0.8 1.07 1.22 1.25 0.89

所以我们取l1=320mm，l2=208mm。上下横臂铰点间距离为200mm。

2.4 悬架其他附件的设计

2.4.1 接头

控制臂或推力杆常通过位于它们端部的接头与其他部件实现连接。这些接头应满足下述要求：应有较小的摩擦；在使用期间不需要进行保养，以减少使用成本和降低劳动强度；接头应有一定的弹性；具有隔声性能。目前，在接头内设计有橡胶衬套或者塑料衬套，橡胶衬套使接头有弹性变形，并有隔声性能；塑料衬套应该用聚氨脂、聚酰胺脂、

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或四氟乙烯材料制造。

根据结构不同，接头有轴销式和球销式接头两种。接头所连接的两部分之间的相对运动形式和传力特点，将影响接头形式的选择。位于转向轮内侧的双横臂独立悬架上的接头，由于转向时车轮绕主销轴线回转，同时车轮在垂直面内有位移，因此要求横臂与转向节连接处接头能够完成空间运动，故在此处选择球销式接头。

图2-11 球销式接头

图2-11所示球销式接头的特点是，用塑料制成整体式球碗，利用塑料的弹性将球头销压入球头碗后再装到球座上，工作时球头销的球面部分在球头碗内滑动。这种球头能承受各个方向的作用力，在使用中又不需要保养。

2.4.2 横向稳定杆的作用

现代汽车大多都装有横向稳定杆来加大悬架的侧倾角刚度以改善汽车的行驶稳定性。横向稳定杆在独立悬架中的典型安装方式如图2-12所示。当左右车轮同向等幅跳动时，横向稳定杆不起作用；当左右车轮有垂向的相对位移时，稳定杆受扭，发挥弹性元件的作用。通常，在汽车的前、后悬架中都装有横向稳定杆，或者只在前悬架中安装。若只在后悬架中安装，则会使汽车趋于过多转向。横向稳定杆带来的不利因素有：当汽车在坑洼不平的路面行驶时，左右轮之间有垂向相对位移，由于横向稳定杆的作用，增加了车轮处的垂向刚度，会影响汽车的行驶平顺性【3】。

在有些悬架中，横向稳定杆还兼起部分导向杆系的作用，其余情况下则在设计时应当注意避免与悬架的导向杆系发生运动干涉。为了缓冲隔振和降低噪声，横向稳定杆与车轮及车架的连接处均有橡胶支承。

图2-12 横向稳定杆的安装示意图 图2-13 卷耳

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2.4.3 卷耳形式的选择

钢板弹簧端部做成卷耳状，再通过钢板弹簧销固定在车架的托架或吊耳的孔中。卷耳有多种形式，卷耳主要对制造工艺性，叶片的应力情况，主片的工作条件等产生影响。一般选择卷耳上卷式结构，其特点是制造工艺性良好，但因卷耳中心线与主片断面中心线之间存在一定距离，所以工作时叶片内应力较大。因此应使弹簧第二片端部也要向上卷起，包在第一片卷耳上，使主片工作条件改善，工作可靠性提高。由于所悬架的

使用范围是轻型货车，一般采用1/4包耳形式，卷耳销采用不可拆式，如图2-13。

2.4.4 钢板弹簧衬套的分析和选型

衬套一般以金属，橡胶或塑料三种材料制造。金属裤套可以承受较大的挤压应 力（平均可达到10N/mm2），弹簧销和卷耳也径尺寸小，结构紧凑，可降低卷耳根部应力。但金属衬套需要有良好的润滑，这种衬套大多用于载货汽车上。

塑料衬套一般采用尼龙或聚甲醛材料制成。由于塑料衬套本身有润滑性质，因此对润滑要求较低。塑料的热膨胀系数比金属大，而且吸水后膨胀，因此衬套壁厚不家过厚。确定衬套与卷耳孔径时，最好根据不同塑料的性能，经试验后给出合理的过盈量，并选择合适的弹簧销配合间隙。

橡胶衬套主要是靠橡胶扭转变形使卷耳相对弹簧销产生转动，由于橡胶和金属表面没有相对移动，因此衬套不存在磨损问题。为减少衬套在扭转变形时产生过大剪应力，衬套一般做的比较大，所以衬套设计应考虑卷耳强度。橡胶衬套的主要优点是无需润滑维护，并能吸收汽车高频振动，因此橡胶衬套在轿车以及轻型货车上得到广泛应用。橡胶衬套结构可分为硫化压结式和压装式两种，后者又有轴向压装和径向压装两种。

根据车型和润滑的难易程度，选择尼龙衬套。

2.5 新型气压作动器主动悬架的设计

2.5.1 悬架目前存在的缺点

传统悬架也即被动悬架，它是由外力驱动而起作用的，所以也被称为从动悬架。它的主要参数是根据经验或优化设计的方法来确定的，并且在行驶过程中保持不变。它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况。由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折中，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。被动悬架虽然成本低、可靠性较高，但是它无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。当我们采用刚性较大的螺旋弹簧来使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。又当我们采用较软的螺旋弹簧来使汽车适应崎岖不平的路面时，它提高乘坐汽车时的平稳性以及舒适性。但是这样的汽车操纵稳定性较差。

为此，人们提出一种主动悬架，这种悬架是在被动悬架系统的基础上附加一个可控制作用力装置。它通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器（液压缸、气缸伺服电机、电磁铁等等）；测量系统用来测量系统各状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器；控制系统的作用是处理数据和发送各种指令，其核心部件是电子计算机；能源系统的作用是为以上各部分提供能量。这种主动悬架能够根据汽车的运动和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。

力发生器或转矩发生器如传统的液压作动器、机电作动器以及电磁作动器都有各种

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各样的缺点，制约着悬架以及汽车的性能。如传统的液压作动器，它要用到很多种不同的阀体，这样汽车悬架结构就变得相对复杂，同时可靠性也会下降，此外这种悬架作动器成本较高、易污染，重量大、并且维护不方便，不利于普及。机电式作动器的效率相对而言就比较低、传动不精确、耗能大，工作的可靠性也不高。电磁作动器要同时利用到电子和机械部件，结构比较复杂，耗能也比较大。

2.5.2 新型作动器

在此，对于本设计我提出一种新型的气压作动器主动悬架，来提高轻卡在行驶中的各种性能。我设计这种悬架主要基于气压作动器功率大、响应快、基本无污染、重量轻、效率高等优点。

空气压缩机、储气罐和空气过滤器之间用气体管道连接；储气罐、左、右悬进气控制阀、气缸和左、右悬排气控制阀之间用气体管道连接；水平传感器和控制单元ECU之间用线路连接；控制单元和空气压缩机、左、右悬进气控制阀以及左、右悬排气控制阀之间用线路连接；控制单元和高度传感器之间用线路连接。气缸固定在车桥上。

图2-14 气压作动器主动悬架示意图

1-车架 2-减振器3-弹性元件 4-左悬排气控制阀 5-左悬气缸 6-左悬进气控制阀

7-储气罐 8-空气过滤器 9-空气压缩机 10-右悬进气控制阀 11-右悬气缸 12-右悬排气控制阀 13-车桥 14-车轮 15-水平传感器 16、17-高度传感器

工作过程：当车身向右倾斜时，水平传感器15将产生一种信号，将车身的倾斜情况将传给控制单元ECU，控制单元ECU会产生三个信号：信号①会传给空气压缩机9，让其工作压缩空气；信号②和③控制右悬进气控制阀10、右悬排气控制阀12，向气缸中进气，使气缸活塞上升，抬升右边车身，抵消车身的倾斜。同时位于气缸中的高度传感器16测出气缸活塞的位移，反馈给控制单元ECU来控制空气压缩机和进、排气控制阀的工作时间，以达到精确控制的目的。在此工作过程中左边气缸并不工作。同理当车身向左边倾斜时，此系统同样按相反的方式工作。在此过程中执行机构是气缸，这种气缸我们采用的是单活塞干双作用缓冲气缸（图2-15）；测量系统是水平传感器和高度传感器；控制系统是控制单元ECU；能源系统是空气压缩机、储气罐和空气过滤器。

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图2-15 单活塞干双作用缓冲气缸

A-压盖 B、I-进气阀 C-前缸盖D-缸体 E-活塞杆 F、H-缓冲活塞

G-活塞 J-后缸盖 K、L-排气阀

利用这种气压式作动器主动悬架可以很好地解决汽车在行驶过程中的平顺性问题，让我们乘坐更舒适、行驶更平稳。

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第3章 悬架的建模过程

3.1 三维软件PROE的介绍

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

3.2 前悬架的建模及装配

前悬架的主要零部件模型，主要步骤如下：

一、车轮的创建 主要用到旋转特征做出轮胎、轮毂和轮辋，然后用到拉伸特征做轮胎的花纹和轮胎螺孔，并且用到了染色的功能将轮胎染成黑色，将螺孔染成金黄色。如图3-1。

二、制动盘的创建 主要用到旋转特征做出制动盘的整体外形，然后用拉伸特征做出制动钳，用拉伸和螺旋扫描切口特征做出制动盘上的螺柱，在用到染色功能，将制动钳染成黑色。如图3-2。

三、万向节的创建 主要用到旋转特征做出万向节的整体外形，，再用拉伸特征做出万向节的其他部分。如图3-3。

四、上下横臂的创建 主要用拉伸特征来创建。如图3-4。

五、螺旋弹簧的创建 主要用到插入→螺旋扫描→伸出项来创建螺旋弹簧的簧丝，然后再用旋转特征做出其他部分。如图3-5。

六、减振器的创建 用到拉伸特征创建。如图3-6。

七、连杆的创建 用到旋转和拉伸特征来创建。如图3-7。

八、横向稳定杆的创建 用到插入→扫描→伸出项拉创建。如图3-8。

九、装配中主要用到中心对齐、面与面对齐以及两面之间的夹角关系来装配。

图3-1 前轮 图3-2 制动盘

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图3-3 万向节 图3-4 上横臂

图3-5 下横臂 图3-6 螺旋弹簧

图3-7 减震器 图3-8 连杆

图3-9 横向稳定杆

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图3-10 前悬架

图3-11 前悬架（作动器）

3.3 后悬架的建模及装配

前悬架的主要零部件模型，主要步骤如下：

一、车轮的创建 主要用到旋转特征做出轮胎、轮毂和轮辋，然后用到拉伸特征做轮胎的花纹和轮胎螺孔，然后用镜像特征做出另一半车轮，然后利用染色功能，将轮胎染成黑色，将螺孔染成金黄色。如图3-12。

二、制动盘和减振器如前悬架的建立步骤旋转和拉伸特征来建立。如图3-13和图3-14。

三、钢板弹簧的创建 主要用到了插入→扫描→伸出项的特征进行创建的。如图3-15。

四、U型螺栓的创建 主要用插入→扫描→伸出项和插入→螺旋扫描→切口特征来

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创建。如图3-16。

五、U型底座的创建 主要用拉伸特征和插入→螺旋扫描→切口特征来创建。如图3-17。

六、车桥的创建 用到旋转特征创建。如图3-18。

七、装配中主要用到两零件之间的中心线对齐、面与面对齐或者距离的大小以及两面之间的夹角关系来装配。

图3-12 后轮 图3-13 制动盘

图3-14 减振器 图3-15 钢板弹簧

图3-16 U型螺栓 图3-17 U型底座

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图3-18 车桥

图3-19 后悬架

图3-20 后悬架（作动器）

3.4 悬架系统的装配

整车的悬架系统装配截图如下：

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(15) 创建旋转副 先点击视图按钮，将视图方向设置为前视图，这个视图的下

面调整旋转副方向时的基准。点击约束库中的旋转副(Revolute Joint)

，设置旋转副的选项为“1Location”

和“Nonrmal To Grid”，如图4-11所示。

选择设计点“UCA_inner”为旋转副的位置点，放置旋转副后，直接在“Edit”菜单中选择“Modify”命令，修改刚刚创建的旋转副。系统弹出修改旋转副对话窗中点击改变位置(Change Position)按钮，系统弹出移动目标对

话窗。 图4-11 设置旋转副选项

在角度(Angle)栏中，输入5，按指向左侧的箭头，将旋转副的方向旋转50，满足上横臂轴水平斜置角为-50的 要求。

保持模型的视图为前视图，点击旋转副(Revolute Joint)，设置旋转副的选项为“1Location”和“Nonrmal To Grid”，选择设计点“LCA_inner”为旋转副的位置点，放置旋转副后，直接在“Edit”菜单中选择“Modify”命令，在修改旋转副对话窗中点击改变位置(Change Position)按钮，系统弹出移动目标对话窗，在角度(Angle)栏中，输入10，按指向右侧的箭头，将旋转副的方向旋转100，满足下横臂轴水平斜置角为100的要求。

(16) 创建移动副 点击约束库中的移动副(Translational Joint)

，设置移动副的

选项为“1Location”和“Pick Feature”，如图4-12所示，选择测试平台(Test_Patch)质

心的Marker(Test_Patch.cm)为移动副的位置点，垂直向上（或向下）创建测试平台和大地之间的约束副。

图4-12 设置移动副选项 图4-13 设置点-面约束副选项

(17) 创建点-面约束副 点击约束库中的点-面约束副(Inplane Joint Primitive) ，设置点-面约束副的选项为“2 Bodys-1Location”和“Pick Geometry Feature”，如图4-13所示，选择车轮(Wheel)和测试平台(Test_Patch)为参考物体，选择测试平台(Test_Patch)质心的Marker(Test_Patch.cm)为点-面约束副的位置点，选择垂直向上的方向为约束副的方向，创建车轮和测试平台之间的约束副。悬架所有约束模型如4-14图所示：

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图4-14 创建悬架模型的约束

4.3 1/4车体主动悬架的仿真实验与结果分析

4.3.1 1/4车体主动悬架的仿真实验

(1) 添加驱动 点击驱动库的直线驱动(Translational Joint Motion)

按钮，选择

测试平台和大地的移动副约束，创建直线驱动(TRANS_MOTION_1)。创建直线驱动后，直接在“Edit”菜单中选择“Modify”，可以修改直线驱动，在添加驱动对话窗的“F(time)=”栏中，输入驱动的函数表达式：100*sin（360d*time），它表示车轮的上下行程均为100mm。

在主工具箱中，选择仿真按钮，设置终止时间为5，工作步为100。然后点击开始按钮，进行仿真。在主菜单依次选择Review→Animation Contrils→Play，观察前悬架的运动仿真情况。

(2) 仿真结果绘图

从主菜单依次选择Review→Postprocessing Window或单击F8键即可进入ADMAS/ Postprocessor进行曲线绘制。

点击栏目选项,提出所需的曲线。 我们的到以下曲线：

图4-15 路面行程

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图4-16 车身行程

图4-17 车身垂直加速度

4.3.2 仿真实验结果分析

从图4-16中我们可以看到车身的行程在上下50mm之间，而路面的激励F=100*sin(360d*time)，也就是在图4-15中的上下100mm之间。通过悬架的作用，将车身的振动衰减了一半，提高了我们乘员乘坐的舒适性和汽车行驶的平稳性。当然我们也可以增加悬架的刚度和阻尼，来更一步的衰减振动。

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第5章 基于ADMAS的1/2车体主动悬架的仿真实验

5.1 1/2车体主动悬架模型的建立

在ADAMS/Car中建立汽车悬架模型具体步骤如下:

(1) 创建新模型 首先启动ADAMS/view，在欢迎对话窗中选择“Standard Interface”，“OK”。

(2) 创建前悬吊子系统 单击File→New→Subsystem，弹出New Subsystem对话框，在Subsystem Name栏中输入：UAN_FRONT_SUSP，如图所示。选择Minor Role为front。在Template Name栏中单击鼠标右键，选择Search项中的/_templates.tbl，弹出的对话框中选择_double_wishbone.tbl。单击Comment工具，弹出Modify Comment对话框，在Comment Text栏中输入：Baseline UAN Front Suspension，按“OK”。确定输入如图所示后按“OK”。在ADMAS/Car工作区域呈现前悬吊样图，如图所示。

图5-1 前悬吊

(3) 创建悬吊和转向系统 单击File→New→Suspension Assembly，弹出New Suspension Assembly对话框，在Assembly Name栏中输入：my_assembly，如图所示。单击Suspension Subsystem右侧的文件夹按钮，刚才建立的悬挂系统的名字自动出现。点中Steering Subsystem栏前的“√”。在Steering Subsystem栏中单击鼠标右键，选择Search项中的/sub_system.tbl，弹出的对话框中选择MDI_FRONT_ STEERING.sub，在如图所示。确定输入如图所示后按“OK”。在ADMAS/Car工作区域呈现前悬架样图，如图所示。

图5-2 前悬架

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5.2 1/2车体主动悬架的仿真实验与结果分析

5.2.1 1/2车体主动悬架的仿真实验

(1) 定义车辆参数 依次选择主菜单中Simulate→Suspension Analysis→Set Suspension Parameter在弹出的对话框输入如图5-3所示选项，点击“OK”。表中各参数意义如下表5-1所示。

表5-1 参数说明

栏目 输入或选项 Suspension Assembly 从当前对话中选择欲进行设置的悬架组合 Tire Unloaded Radius 轮胎自由半径 Tire Stiffness 轮胎刚度，必须为正数 Wheel Mass 车轮质量 Tire Property File 输入轮胎属性文件的名称和路径 Sprung Mass 簧上质量，对于大多数汽车，簧上质量约是整车质量的90% CGheight 簧上质量质心高度 Wheel base 轴距 Drive Ratio 拖动滚动选择条，选择全部驱动力分配在前轴的百分比 Brake Ratio 制动力分配系数 (2) 设置模式 单击Adjust→Kinematic toggle，设置Curren Mode (当前模式)为Kinematic (运动学) 后单击“OK”。

(3) 执行车轮同向激振仿真 单击Simulate→Suspension Analysis→Parallel Wheel Travel，填写对话框如图5-4所示，然后点击“OK”。

图5-3 定义车辆参数 图5-4 悬挂同向激振仿真

(4) 仿真 在主菜单依次选择Review→Animation Contrils→Play，观察前悬架的运动仿真情况。

(5) 仿真结果绘图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j5qv.html