双横臂扭杆弹簧独立悬架设计说明书.doc

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1、双横臂扭杆弹簧独立悬架设计说明书姓名：李玲玉班级：车辆0803学号：3080401063江苏大学2012年2月20日目录目录2一、前言3二、悬架的选择3三、悬架主要参数确定41、 悬架静挠度42、悬架的动挠度53、悬架弹性特性54、悬架侧倾角刚度5四、弹性元件设计61、扭杆弹簧分类62、扭杆弹簧的设计63、扭杆弹簧的校核12五、导向机构设计131、对前轮独立悬架导向机构的要求132、悬架导向机构参数133、纵向平面内上、下横臂的布置方案144、横向平面内上、下横臂的布置方案155、水平面内上、下横臂动轴线的布置方案156、上、下横臂长度的确定177、下摆臂结构的强度设计17六、转向节设计181

2、、转向节参数选择182、转向节的校核18七、参考文献20一、前言悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把悬架(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，并且缓和路面传给车架(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1。悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成。二、悬架的选择悬架可以分为独立悬架和非独立悬架，独立悬架主要用于对乘坐舒适性较高的场合，如：乘用车和部分商用车的前悬架，非独立悬架主要用于商用

3、车后悬架，成本相对较低。本次设计任务是限乘5人的轿车前悬架，对舒适性要求很高，故采用独立悬架。目前乘用车的前悬架广泛采用上下臂不等长的双横臂独立悬架和麦弗逊式独立悬架。悬架依据弹性元件的不同，目前主要有螺旋弹簧、钢板弹簧、扭杆弹簧及空气弹簧。相比其他弹簧，扭杆弹簧有如下优点：1.单位质量的储能是钢板弹簧的3倍，所以采用扭杆弹簧的悬架质量轻、结构简单、占用空间小。2.悬架扭杆固定在车身上，减小了非簧载质量，提高汽车的平顺性和操控稳定性。3.可通过调整扭杆弹簧固定端的安装角度，实现对车身高度的调节。 4.扭杆弹簧在越野车、轻型客、货车上应用比较广泛。在轿车悬架上也有使用（雷诺-5型、富康）。表一

4、几种弹性元件的单位质量储能量弹性元件单位质量储能量/()钢板弹簧76115圆柱螺旋弹簧178280扭杆弹簧247365空气弹簧所以在满足舒适性要求的前提下，我们选择扭杆弹簧作为该轿车前悬架的弹性元件。即该车前悬架选用双横臂不等长扭杆弹簧独立悬架。具体可以参考南京依维柯的前悬架（如下图所示）图1 南京依维柯前悬架三、悬架主要参数确定1、 悬架静挠度悬架静挠度，是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时悬架刚度之比，即 ：表二 现代轿车常用偏频和挠度范围车型偏频静挠度 动挠度 乘用车0.91.6103079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

5、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不存在联系。根据汽车设计理论可以得出：汽车前、后部分的车身的固有频率和(亦称偏频)可用下式表示1（此处只讨论前悬架）前悬架偏频：对普通级（排量1.6L）以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求在100145Hz。原则上轿车的级别越高，悬架的偏频越小。为满足限乘5人的要求，动力性不宜太小，排量至少在2.0L以上。所以选取前悬架偏频所以前悬架静挠度：2、悬架的动挠度悬架的动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大垂直位移。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。依据表二，选取该轿车动挠度。3、悬架弹性特性悬

6、架受到的垂直外力与由此所引起的车轮中心相对于车身位移(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。设计时以乘坐5人为上限，每人以65Kg计算，空载时前轴荷分配为60%，依据汽车设计，满载前轴荷分配在47%60%2，在此取满载前轴荷分配为54%。悬架受到的垂直外力：满载时悬架的刚度：4、悬架侧倾角刚度悬架侧倾角刚度系指簧上质量产生单位侧倾角时悬架给车身的弹性恢复力矩。乘坐侧倾角刚度过小而侧倾角过大的汽车，乘员缺乏舒适感和安全感。侧倾刚度过大而侧倾角过小的汽车又缺乏汽车发生侧翻的感觉，同时使轮胎侧偏角增大，如果发生在后轮会使汽车增加了过多转向的可能。要求在侧向加速度时，轿

7、车车身侧倾角在2.54,前、后轮侧偏角之差应当在13范围内。对轿车，前、后悬架侧倾角刚度比值一般为1426。所以选取车身侧倾角为，前后悬架侧倾角刚度为四、弹性元件设计作为悬架弹性元件的种扭杆弹簧的两端分别与车架(车身)和导向臂连接。工作时扭杆弹簧受扭转力矩作用。1、扭杆弹簧分类按照断面形状不同，扭杆弹簧分为圆形、管形、片形等几种。（1）圆形断面扭杆工艺性良好和装配容易而得到广泛应用。采用圆断面组合式扭杆时，可以用2、4或6根组合形成的组合式扭杆。故在本次设计的悬架中选取圆形断面扭杆。（2）管形断面扭杆有材料利用合理和能够用来制作组合式扭杆的优点。（3）片形断面扭杆在一片断了以后仍能工作，所以工

8、作可靠性好，除此之外还有工艺性良好、弹性好、扭 角大等优点。2、扭杆弹簧的设计设计扭杆弹簧需要确定的主要尺寸有扭杆直径d和扭杆长度L。扭杆弹簧采用45CrNiMoVA优质合金弹簧钢制造扭杆。采用淬火，回火热处理工艺，表面硬度在4452HRC。为了提高疲劳强度，扭杆需要经预扭和喷丸处理。经过预扭和喷丸处理的扭杆许用切应力可在800900MPa范围内选取，轿车可取上限，货车宜取下限1。本次设计案例是是轿车，故=900MPa。 图2 扭杆弹簧受力及相关尺寸示意图(1)设计扭杆直径d设计时以乘坐5人为上限，每人以65Kg计算，空载时前轴荷分配为60%，依据汽车设计，满载前轴荷分配在47%60%2，在此

9、取满载前轴荷分配为54%。选取上横臂长度为245mm.对于圆截面的扭杆弹簧的两端花键连接，应力集中系数，则产生的扭转力F为 取整后得：d=18mm式中，为扭杆承受的最大扭矩；为扭转切应力，可取允许扭转切应力(900MPa)代人计算。表三 扭杆弹簧直径长度及直线度偏差扭杆弹簧长度（L）公差直径（d）允许公差扭杆弹簧直线度公差由表三得 ：的公差为所以图3 扭杆弹簧端部,杆部与过渡段 (2)端部渐开线花键设计 (摘自GB/T 3478.1-2008) 为使端部和杆部寿命一样，推荐端部直径D=(1.21.3)d=（21.623.4）mm 故， 取 D=22mm 花键轴大经上偏差为0，公差等级选为IT6

10、，查机械制图常用及优先轴公差带极限偏差（GB/T 1800.4-1999）得下偏差为-0.013mm6所以 花键长度查常用键的长度系列(GB/T 1095-2003)值得：图4 渐开线花键 两端采用无切削加工的直齿渐开线花键联结，花键标准压力角为，模数取2。因此花键齿数z=10 则分度圆直径 小径 周节 基本齿槽宽 基本齿厚 又根据下表，花键长度和公差等级，选取齿向公差。则该外渐开线花键可表示为： GB3478.1-83表四 渐开线花键齿向公差 (3)过渡段设计从端部直径到杆部直径之间的一段称为过渡段。为了使这段应力集中降到最小，过渡段的尺寸应该是逐渐变化的。 过渡段长 过渡圆角 过渡段可以分

11、为靠近直径为D的花键端部的非有效部分和靠近直径为d的杆部的有效部分，即这一部分可以看作是扭杆工作长度的一部分，称为有效长度Le有效长度Le可用下式计算 (4)扭杆工作长度设计 设计前根据对汽车平顺性的要求先行选定悬架的刚度。该设计要求是轿车，对平顺性要求很高，因此选取悬架的固有频率 由 得：图5 双横臂独立悬架示意图已知上横臂长221mm，下横臂长340mm，球销长204mm。主销内倾角，主销偏移距10mm，主销后倾角,车轮接地点侧向滑移量为10mm。上横臂轴水平斜置角：-5下横臂轴水平斜置角：10因此求得：b=220mm，a=435mm，d=204mm，e=122mm则则扭杆刚度扭杆的工作长

12、度用下式计算 取式中，G为切变模量，设计时取；为扭杆的扭转刚度。分析上式可知：扭杆直径d和有效长度L对扭杆的扭转刚度有影响。 a.增加扭杆直径d会使扭杆的扭转刚度增大，所以汽车平顺性变坏。 b.增加扭杆有效长度L能减小扭杆的扭转刚度，使汽车平顺性获得改善。扭杆的工作长度L等于杆身长Lo再加上有效长度Le的两倍，即 根据表三，扭杆直线度公差为 所以 3、扭杆弹簧的校核 (1)扭转刚度校核 该设计要求为轿车，平顺性要求很高。 扭转刚度： 满足轿车的舒适性要求 (2)渐开线花键强度校核 校核渐开线花键强度能否满足扭矩要求 满足表花键许用应力要求的: 五、导向机构设计1、对前轮独立悬架导向机构的要求

13、(1)悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过4.Omm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。 (2)悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度。 (3)在04g侧向加速度作用下，车身侧倾角不大于67，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转 向效应。 (4)汽车制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用。2、悬架导向机构参数表五 导向机构参数悬架导向机构参数选取值推荐值前轮外倾角主销内倾角主销便宜距主销后倾角前轮前束角车轮接地点侧向滑移量图6 导向机构示意图3、纵向平面内上、下横臂的布置方案 上、下横臂轴抗前俯角的匹配对主销后倾角的变化有较大影响。下图给出了六种可能

14、布置方案的主销后倾角值随车轮跳动的曲线。图中横坐标为值，纵坐标为车轮接地中心的垂直位移量。各匹配方案中1、2角度的取值见图注，其正负号按右手定则确定。图7 的匹配对的影响为了提高汽车的制动稳定性和舒适性，一般希望主销后倾角的变化规律为：在悬架弹簧压缩时后倾角增大；在弹簧拉伸时后倾角减小，用以造成制动时因主销后倾角变大而在控制臂支架上产生防止制动前俯的力矩。第1、2、6方案的主销后倾角变化规律是比较好的，所以这三种方案在现代汽车中被广泛采用。我们选择初选方案2，即4、横向平面内上、下横臂的布置方案 比较下面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

15、的要求来设计上、下横臂在横向平面内的布置方案。 图8 上下横臂在横向平面内的布置方案 本次设计的乘用车对舒适型要求很高，我们选择初选方案a5、水平面内上、下横臂动轴线的布置方案 上、下横臂轴线在水平面内的布置方案有三种，如下图所示。下横臂轴MM和上横臂轴NN与纵轴线的夹角，分别用1和2来表示，称为导向机构上、下横臂轴的水平斜置角。图9 水平面内上下横臂轴布置方案为了使轮胎在遇到凸起路障时能够使轮胎一面上跳，一面向后退让，以减少传到车身上的冲击力，还为了便于布置发动机，大多数前置发动机汽车的悬架下横臂轴MM的斜置角为正，而上横臂轴NN的斜置角2则有正值、零值和负值三种布置方案，如上图的a、b、c

16、所示。行业推荐轿车的主销后倾角原始值为-1+2。当车轮上跳时，悬架每压缩lOmm，主销后倾角变化范围为1040。本设计中初选主销后倾角原始值为，悬架每压缩10mm，主销后倾角变化图10 国外选择上下横臂轴线纵向倾角的线图图10中为以不同减速度制动时前轮车身下沉量， 为抗前俯率，为下横臂摆动轴线与水平线夹角，为主销后倾角，为主销后倾角的变化率，为上下横摆臂轴线夹角 按照初选的 则 ，不满足要求。所以以上初选的值需要调整。调整所以选取对于乘用车，抗前俯率（抗点头率）6、上、下横臂长度的确定 双横臂式悬架的上、下臂长度对车轮上、下跳动时前轮的定位参数影响很大。现代轿车所用的双横臂式 前悬架，一般设计

17、成上横臂短、下横臂长。这一方面是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运动特性。设计悬架时，希望轮距变化要小，以减少轮胎磨损，提高其使用寿命，因此应选择在0.6附近：为保证汽车具有良好的操纵稳定性，希望前轮定位角度的变化要小，这时应选择在1.0附近。综合以上分析，该悬架的应在0.61.0范围内。根据我国乘用车设计的经验，在初选尺寸时，取0.65最佳。 因此，我们初选上横臂长为221mm，下横臂长为340mm，球销距为204mm7、下摆臂结构的强度设计 图11 下横臂受力图下臂受力如图11: ， 减震器的位置距车轮为236mm 可以计算得到R点处存在最大弯矩，为 采用工字梁结构，选

18、用碳素结构钢Q235铸造而成，安全系数1.5，式中：下横臂校核合格，可以选用Q235材料。同理得：上横臂选用工字梁同样满足要求。六、转向节设计1、转向节参数选择根据以往车型，我们选择转向节参数如下：2677.56418978703535242、转向节的校核计算转向节时应该指出它的两个部分，即轮轴和羊角叉轮轴在重力作用下承受的弯矩： 轮轴在水平面内由于推力（制动力）而承受的弯矩： 前进过程中受到的弯矩为前进过程中受到的弯曲应力外轴承所承受的力内轴承所受的力 转向节主销和羊角叉除了上面列举的载荷外，还承受制动时所产生的扭矩；在这种情况下，制动力矩从从制动鼓经过制动蹄，制动盘传到叉子主销和前轴的梁，

19、不经过车轮的轴A，因为轮轴之间装着轴承。 车轮上所受的重量对转向节叉子和主销造成的弯矩，等于，这样使两个零件之间在横向的垂直面内产生压力。 转向节主销和羊角叉之间由于推力（制动力）而在垂直面内产生的压力如下： 叉子上部： 叉子下部： 由此可见叉子下部的载荷比上部大，所以只要校核下部满足要求，则上部肯定满足要求。 下部承受应力： 该转向节采用45钢，故满足要求。七、参考文献1王望予. 汽车设计. 第四版. 北京：机械工业出版社，2011.52刘涛. 汽车设计. 北京：北京大学出版社，2008，13余志生. 汽车理论. 第五版. 北京：机械工业出版社，2011，14陈家瑞. 汽车构造（下册）. 第三版. 北京：机械工业出版社，2010，75濮良贵，纪名刚. 机械设计. 第八版. 北京：高等教育出版社，2006.56刘朝儒，吴志军，高政一. 机械制图. 第五版. 北京：高等教育出版社，2001，87宋镜瀛（译）. 汽车理论设计计算（下册）. 北京：龙门聊合书局，1953，98张耀宸，马占永. 机械加工工艺设计实用手册. 北京：航天工业出版社1993，12