摘 要

本文以本田2017款SPIRIOR 2.0L车型的前麦弗逊悬架为研究对象，文章主要包括以下内容：

第一，陈述了此次设计的目的及意义，包含了国内外对汽车悬架系统的研究现状分析，对麦弗逊悬架的结构组成及其作用特点做了详细介绍，并确立了此次设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施。

第二，收集与悬架设计相关的整车参数，对悬架的性能参数(动静挠度、工作行程、弹性特性及其刚度)和主要零件(包括螺旋弹簧、导向机构、减振器以及横向稳定杆)的具体结构进行设计与校核,然后利用UG建立悬架各零部件的三维模型并完成装配。

第三，在 ADAMS/CAR模块中创建悬架的仿真模型，设置虚拟试验台进行仿真试验，分析仿真结果，找到悬架模型在设计中存在的问题。然后利用Insight模块对仿真模型进行优化设计，提升悬架性能。

关键词：麦弗逊悬架，结构设计，三维建模，运动仿真

ABSTRACT

This paper takes the front McPherson suspension of Honda's 2017 SPIRIOR 2.0l model as the research object, and mainly includes the following contents:

First, the purpose and significance of this design is stated, including the analysis of the research status of automotive suspension system at home and abroad, the structure and function characteristics of McPherson suspension are introduced in detail, and the basic content of this design, the goal, the technical plan and measures to be adopted are established.

Second, gathering and vehicle parameters of suspension design related to the suspension of performance parameters of the elastic properties (static deflection, work schedule, and stiffness) and the main parts (including helical spring, steering mechanism, shock absorber, and the horizontal stabilizer bar) of the concrete structure design and check, then using UG to establish three-dimensional model of parts of suspension and complete the assembly.

Thirdly, create a suspension simulation model in the ADAMS/CAR module, set up a virtual test bed for simulation test, analyze the simulation results, and find the problems existing in the design of the suspension model. Then the Insight module is used to optimize the simulation model and improve the suspension performance.

Keywords: McPherson suspension, structural design, 3d modeling, motion simulation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪 论 1

1.1目的及意义（含国内外的研究现状分析） 1

1.1.1国外研究现状 1

1.1.2 国内研究现状 2

1.2悬架系统研究概述 2

1.2.1悬架的分类 2

1.3麦弗逊悬架的组成及特点 3

1.3.1麦弗逊悬架的组成 4

1.3.2麦弗逊悬架的特点 4

1.4设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 5

1.4.1设计的基本内容及目标 5

1.4.2拟采用的技术方案及措施 5

1.5本章小结 6

第2章 悬架主要参数的确定 7

2.1车型基本参数 7

2.2悬架性能参数的选取 7

2.2.1悬架的静挠度 7

2.2.2悬架的动挠度 8

2.2.3悬架的工作行程 8

2.2.4悬架的弹性特性 8

2.2.5悬架的刚度 9

2.3螺旋弹簧的计算 9

2.3.1材料的选择 9

2.3.2弹簧的刚度 9

2.3.3弹簧几何参数的计算 10

2.3.4弹簧的校核 10

2.3.5小结 12

2.4导向机构设计 12

2.4.1前轮独立悬架导向机构设计要求 12

2.4.2导向机构的布置参数 12

2.4.3导向机构受力分析 14

2.4.4摆臂轴线布置方式的选择 15

2.4.5下控制臂长度的确定 15

2.5减振器的设计计算 16

2.5.1相对阻尼系数的选择 16

2.5.2阻尼系数的确定 17

2.5.3最大卸荷力的确定 17

2.5.4工作缸直径的确定 18

2.5.5小结 18

2.6 横向稳定杆的设计计算 19

2.6.1选择稳定杆的结构尺寸 19

2.6.2杆体和橡胶件的设计计算 19

2.6.3 刚度校核及稳定杆应力校核 21

第3章 麦弗逊悬架建模与运动学分析 23

3.1麦弗逊悬架几何模型的建立 23

3.1.1麦弗逊悬架的简化和假设 23

3.1.2麦弗逊悬架系统的结构分析 23

3.1.3零部件模型 24

3.1.4几何模型装配及干涉分析 26

3.2麦弗逊悬架仿真模型 26

3.2.1测量硬点坐标 26

3.2.2仿真模型的建立 27

3.2.3测试台激励添加 28

3.3麦弗逊悬架运动仿真分析 29

3.3.1设置仿真参数 29

3.3.2仿真结果 30

3.4模型总结分析 32

第4章 麦弗逊悬架优化分析 34

4.1优化设计 34

4.2试验设计 34

4.2.1 试验设计原理 34

4.2.2基本步骤 35

4.3悬架模型优化分析 35

4.3.1创建优化目标 35

4.3.2建立设计变量 36

4.3.3添加优化目标和设计变量 36

4.3.4选择试验方法 37

4.3.5创建设计空间和工作矩阵 37

4.3.6运行试验 38

4.3.7试验变量的敏感程度分析 39

4.3.8悬架模型的可靠性评估 40

4.3.9设计变量的优化值 41

4.4优化前后仿真结果比较 41

4.5本章小结 43

第5章 总结与展望 44

5.1 全文工作总结 44

5.2后续工作展望 44

参考文献 45

致 谢 46

第1章 绪 论

1.1目的及意义（含国内外的研究现状分析）

在整车的研发中，针对于悬架的研究是一项重要的工作，悬架的作用是传递车轮和车架（或车身）之间的所有力或力矩，并缓和由于路面不平给车架（或车身）带来的冲击振动，保证汽车的行驶平顺^[1]。汽车悬架性能的优劣，对汽车的行驶平顺性及操纵稳定性都有重要影响，而且还关系着汽车动力性的发挥、承载系统和行驶系统的动载，以及影响着相关零部件的使用寿命等^[2]。优良的汽车悬架系统可以很大程度的缓解路面给车辆带来的冲击，减轻由于汽车振动给乘客带来胸闷、头晕等不良反应；其缓振功能也可以减轻振动给汽车零部件造成的损坏，减少故障，降低维修保养成本并提高行驶安全性。

传统的悬架设计需要进行多次物理样机的试制，依赖设计师的经验进行反复修改，这种设计方式效率低下，成本高昂，而产品的研发周期也变得很长。本次设计结合虚拟样机技术对悬架模型进行虚拟建模仿真和优化分析，对悬架设计中不合理的地方在虚拟模型中进行改进，可以大量减少设计成本，有效缩短研发时间，提高产品质量和产品性能，从而提升产品的市场竞争力。纵然当前的汽车悬架的设计制造技术已十分成熟，但是不论什么形式的悬架都有着或多或少的缺点，因此还需要进行不断的研究发展，进一步优化悬架的性能。

1.1.1国外研究现状

国外各汽车厂商很早就开始了麦弗逊悬架的研究，世界上首次使用麦弗逊悬架的商品车是1950年福特在英国的子公司生产的两款汽车。德国汽车专家Joerson Reimpel编写的《汽车地盘技术丛书》中，对各类悬架的形式结构、运动学特性进行了深入分析，研究了悬架的各位置参数其对整车操纵稳定性的影响^[4]；1986年R.J.Antoun指出利用机械系统动力学分析软件ADAMS 可以完成对复杂多体系统的运动学的仿真；2014年Yi,Y., Park,J., and Hong,K等研究人员开发出一种能够系统地自动实现悬架运动学与柔度特性的优化过程，首先利用试验设计法(DOE)进行灵敏度分析，然后根据分析结果将问题分成两个相互独立的部分，再利用基于梯度的优化算法求出最优解^[5]；2015年Mahala,M., Deb,A., and Chou,C等人系统的描述了三种常见的集总参数模型(LPMs)，即四分之一、二分之一和全车模型的数学描述，并利用典型的被动悬架系统特性求解了相应的响应参数^[6]；2017年，Jumi Bharali，Naman Garg 等人根据后扭力梁相关特性参数，在ADAMS中建立扭力梁的仿真模型，将其与有限元模型对比，得到精度满足要求的扭力梁仿真模型，再将衬套刚度和前束角作为设计变量，对后扭力梁进行了优化分析^[7]。

1.1.2 国内研究现状

国内对于悬架系统的研究从19世纪70年代才开始，但是在参考国外的文献书籍和研究成果的基础上，这方面的发展较为迅速，并逐步形成了一套较为成熟的评价标准。诸葛小宇、黄旭其和聂小勇等人在悬架三维设计方面，分别利用三维软件CATIA和PRO/E建立了麦弗逊悬架系统的三维模型，并为 CAD设计方法提出改进意见；而对于悬架的运动仿真及优化设计，翟润国、丁亚康、井绪文等人在针对车轮上下跳动过程中存在的车轮定位参数的变化特性不符合理想要求，导致轮胎磨损速度过快的问题，运用ADAMS/Insight 模块，通过优化悬架的部分硬点坐标，进一步提升了汽车的操纵稳定性，延缓了轮胎的磨损速度。

2011年5月武汉理工大学邵昭晖，发表论文《汽车麦弗逊悬架三维设计与运动分析》，运用PRO/E软件建立某轿车的麦弗逊悬架三维模型，利用仿真软件ADAMS对其进行运动学仿真分析，通过优化悬架模型的部分关键硬点坐标，增强了该车的操纵稳定性，增加了轮胎的使用寿命^[8]。

2016年6月吉林大学王迪，发表了论文《基于部件特性的麦弗逊式悬架动力学建模研究》，采用ADAMS软件自带的虚拟试验台对悬架静力学模型与运动学模型进行仿真试验，大大提高了求解速率，表明了模型的正确性^[9]。

2017年5月安徽理工大学叶良，发表论文《麦弗逊悬架系统的仿真分析与优化设计》，以奇瑞某型商用车为研究对象，利用ADAMS构建了麦弗逊前独立悬架的虚拟仿真模型，借助虚拟样机技术完成了对悬架性能的仿真优化设计，且优化后的悬架性能大为改善^[10]。

1.2悬架系统研究概述

1.2.1悬架的分类

现代汽车悬架机构形式的发展变化越来越迅速，按照导向机构的形式不同，可将其分类为独立悬架、非独立悬架和半独立悬架；而根据悬架作用原理的不同，又可将其分为主动悬架、半主动悬架和被动悬架，半主动悬架还可以细分为连续可调式（有级）和可切换式（无级）。其分类情况如图1.1所示。

（1）非独立悬架是左右车轮安装在一根整体的刚性轴或非断开式驱动桥桥壳上的悬架，多用于货车的前后悬架。非独立悬架的优点是结构十分简单，制造成本低廉，工作性能稳定，维修方便且使用期限长等，并且车轮的定位参数随着悬架上下跳动时的变化范围小，轮胎的损耗较少；由于侧倾中心较高，侧倾力臂较小，车身的侧倾角也会因此减少。但是，由于行驶时左右车轮的相互影响，在行经坑洼路面时，左右车轮跳动高度不一致，车身、车桥都会产生倾斜，导致车辆的行驶平顺性和操纵稳定性都较差。

图1.1 悬架系统分类框图

（2）独立悬架是左右车轮与车身（车架）间的弹性连接相互独立，车辆受到冲击载荷时两车轮的跳动互不影响的悬架。其优点是占用空间小，便于总体布置，并且能够降低发动机位置，减小汽车质心的高度，有利于提升行驶稳定性；由于左右车轮的运动互不影响，可以减少车身侧倾角度和受到的冲击振动，提升乘坐舒适性。独立悬架的缺点是结构较为复杂，维修难度以及制造成本都较高。汽车上常用的独立悬架主要有单横臂式、单斜臂式、单纵臂式、双横臂式及麦弗逊式等。

（3）半独立悬架也可以称作复合纵臂式后支持桥，其特点是有一个与两纵臂构成一体的具有扭转弹性的冲压横梁。该悬架的优点是结构简单，制造方便，占用空间小，有利于整体布置，左右车轮跳动时，外倾角的变化较小，具有缓和冲击振动和减轻过多轴转向效应的能力，如图1.2所示。

图1.2 悬架的类别

a)非独立悬架 b)独立悬架 c)半独立悬架

1.3麦弗逊悬架的组成及特点

1.3.1麦弗逊悬架的组成

麦弗逊式独立悬架多应用在汽车的前悬，它是双横臂式悬架的一种发展，即其上横臂被包含减振器和弹簧的立柱所取代，是近现代汽车上广泛采用的一种悬架，。麦弗逊悬架也可称作滑柱连杆式悬架，主要由减振器、螺旋弹簧和三角形下摆臂等三部分组成，大部分车型还会安装横向稳定杆。螺旋弹簧与减振器并联安装，螺旋弹簧只能作上下方向的跳动，通过改变减振器阻尼和活塞杆行程的长短可以设定悬架的软硬和缓震性能。为了减少转向阻力，减振器活塞杆的上端通过一个止推轴承安装在锥形的橡胶支座上，减振器下端与转向节通过固定副连接。其下控制臂为三角形结构，下控制臂内端通过铰链与副车架相连，外端通过球面副与转向节相连，它承受了车轮所受的大部分侧向力，因此在设计中应使下控制臂具有较好的强度和刚度性能^[11]。麦弗逊悬架的构造如图1.3所示。

图1.3 麦弗逊悬架的结构图

1.3.2麦弗逊悬架的特点

麦弗逊悬架的主销轴线是活塞杆上端安装点与下横臂外侧球铰中心的连线，与减振器的中心线不共线，这种布置使悬架的受力比较合理。螺旋弹簧的轴线与减振器活塞杆轴线之间有一个夹角，可以减少活塞杆与滑动轴承间的压力和摩擦力。麦弗逊悬架有着独特的优点：一是减振器安装在螺旋弹簧内部，不仅可减轻重量，还能降低制造成本，占用的空间小，有利于加宽发动机舱和横置发动机的安装；二是铰点较少，上下铰点距离大，弹簧行程大^[11]。其下控制臂与转向节的铰接点离车轮接地中心距离较近，使受力合理，轮距和定位参数的变化范围较小，轮胎的损耗减少，增强了行驶稳定性。但是它的一些缺点也是不可忽视的，麦弗逊悬架的抗侧倾能力较差、稳定性差、易于传递地面冲击，且滑动立柱摩擦和磨损较大。

1.4设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1.4.1设计的基本内容及目标

1.确立本文研究对象为本田2017款SPIRIOR 2.0L车型，该车前悬为麦弗逊独立悬架，后悬为多连杆独立悬架；

2.收集悬架设计的相关参数，包括前轮定位参数、整车质量参数、轮胎半径、轮距等，计算悬架的动静挠度、弹簧刚度和衬套刚度、减振器阻尼特性，完成悬架主要零件具体尺寸的设计并校核强度，然后在UG NX10.0中建立各零部件三维模型并装配，检查悬架系统各零部件的运动干涉情况，测量并记录悬架左侧关键硬点的三维坐标。

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