摘 要

本文通过查找国内外先进的悬架设计方法的相关书籍与文献，结合现代汽车市场的发展规律，展开了对小型SUV悬架系统进行分析设计与研究。

本文先结合目前市场上流行的小型SUV的悬架系统进行利弊分析，然后选择合适的前后悬架搭配。在此基础上，结合本款车型的车身车重等基础数据，分别进行前、后悬架相关参数的计算，最后设计出相关零件并组装成型并对其建模仿真进行平顺性分析。

此外本次设计还归纳了设计方法，编制相关程序，将设计过程程序化，以利于日后悬架设计的便利化。

关键词：小型SUV；悬架设计；平顺性；程序化

Abstract

In this paper, by looking up relevant books and literatures on advanced suspension design methods at home and abroad, combined with the development laws of the modern automobile market, the analysis and design of small-scale SUV suspension systems are carried out.

This paper first combines the advantages and disadvantages of the small SUV suspension system currently on the market, and then select the appropriate front and rear suspension. Based on this, combined with basic data such as the vehicle body weight of this model, the parameters of the front and rear suspensions are calculated separately. Finally, the relevant parts are designed and assembled, and the smoothness analysis is performed on the modeled simulation.

In addition, this design also summarizes the design method, compiles related procedures, and programs the design process to facilitate future suspension design.

Keywords: small-scale SUV; suspension design; smoothness analysis; programming.

目录

第1章 绪论 1

1.1 悬架系统概述 1

1.2 悬架设计的目的以及意义 1

1.3 悬架计的主要内容 1

第2章 小型SUV的基本参数确定 3

第3章 悬架系统的选择 4

3.1 非独立悬架 4

3.2 独立悬架 5

3.3 前、后悬架的选择 8

第4章 悬架主要参数的确定 9

4.1 悬挂质量分配系数 9

4.2 前、后悬架自然振动频率（偏频）n： 9

4.3 前、后悬架静挠度 10

4.4 前、后悬架动挠度 10

第5章 弹性元件的设计 12

5.1 弹簧刚度设计 12

5.2 螺旋弹簧设计 13

5.2.1 前悬弹簧设计 13

5.2.2 后悬弹簧设计 16

第6章 减振器的设计 19

6.1 相对阻尼系数的确定 19

6.2 阻尼系数的确定 20

6.3 最大卸荷力的确定 21

6.4 筒式减振器工作缸直径D的确定 22

第7章 横向稳定杆的设计 24

7.1 横向稳定杆的侧倾刚度 24

7.2 横向稳定杆直径的设计 26

第8章 汽车平顺性分析 28

8.1 车辆振动简化模型 28

8.2 不同道路路面的模拟 29

8.2.1 脉冲输入 30

8.2.2 白噪声输入 31

8.3 汽车平顺性分析 32

8.3.1 脉冲输入 32

8.3.2 白噪声输入 33

第9章 结论 34

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

汽车悬架系统是汽车主要的几大系统之一，本次设计的目的是基于对各种悬架系统的结构、性能的优缺点分析后，为小型SUV设计合适的悬架系统，确定其主要参数并绘制悬架系统的主要零件。

1.1 悬架系统概述

悬架系统是由悬架弹簧、减振器、防倾杆、悬吊副梁、纵向杆、下控臂、转向节臂、橡皮衬套和连杆等部件所组成，其将车身、车架与车轮连接起来，并允许两者之间发生相对运动。悬架系统必须同时支持与其相反的驾驶、搬运和乘坐质量。对于悬架来说尽可能保持车轮与路面接触很重要，因为作用在车辆上的所有道路或地面力是通过与轮胎的接触来完成的。悬架还可以保护车辆本身以及任何货物或行李免受损坏和磨损。汽车前、后悬架的设计可能会有所不同。

1.2 悬架设计的目的以及意义

根据汽车的车型与功用定位的不同而为其选择不同的悬架系统，有利于缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此而引起的振动，从而提高汽车行驶的平顺性与乘坐的舒适性。

本次设计将为小型SUV悬架系统的选择提供一种可行性的方案，同时以解决实际工程问题作为一种学习的方法，更好的锻炼设计者的知识运用能力，在掌握理论知识的同时积累实操经验，促进个人能力的成长，为汽车关键零部件的自主设计，自主生产贡献一份力。

1.3 悬架计的主要内容

对于本次设计的采用的研究方案如下：

1. 查阅文献，了解悬架系统的不同类别与主要构造；

2. 结合实际问题选择合适的悬架系

统；

3. 计算确定相关的技术参数；

4. 设计各关键零件并建立三维模型；

5. 搭建simulink对悬架进行平顺性分析，得出结论；

6. 开发悬架自动设计小程序，将设计程序化。

理论学习

选择悬架系统

后悬架

前悬架

建模

建模

分析

图表 1

第2章 小型SUV的基本参数确定

在本次设计中，我们参考上汽通用公司D2UC平台的某SUV车身及重量等的基本参数，并加以适当改进，详细的数据见下表：

表格 1

第3章 悬架系统的选择

汽车悬架有两种类别，分别是独立悬架和非独立悬架。这两种悬架区分的依据是，两侧的车轮是否由一根断开的车架相连接。

3.1 非独立悬架

非独立悬架是一种结构非常简单的悬架，其是由一根不断开的大梁将两侧的车轮相连接，而车轮与车桥一起是通过弹性悬架系统连在车架，或者是车身的下面。总的来说，非独立悬架又主要可以分为以下几种类型：

1） 钢板弹簧式非独立悬架

这种非独立悬架的弹性元件为钢板弹簧，它的结构非常的简单，但是简单的结构却能实现多种功能。除了起到减震作用之外，它同时可以起导向机构的作用。由于货车不需要太好的减震性能，所以这种悬架在货车的前、后悬架中被广泛使用。

2） 螺旋弹簧式非独立悬架

因为当螺旋弹簧用作弹性元件时，其只能承受垂直的载荷，而且其振幅较大，频率比较低，所以要在这种悬架系统中加设导向机构以及减振器，现如今，螺旋弹簧式非独立悬架一般只用作轿车的后悬架。

3） 空气弹簧式非独立悬架

因为路面状况是非常复杂的，有的路况好，有的路况差，这就要求汽车的弹簧的刚度能随着路面不平整度的变化而变化。当汽车空载的时候，因为弹簧被压缩的不是很厉害，所以车身会相对高一些。然而在满载时，因为弹簧被压缩的比较厉害，所以车身也会相应的被压得比较低，有时候甚至会出现撞击缓冲块的情况。对于某一些的专用车辆，可能有时要装载一些很重的货物，行驶在一些非常差的路况，所以相应的要求其弹簧的刚度能随时调整变化。在这种情况下，就要使用空气弹簧式非独立悬架来达到目的了。

因为空气弹簧非独立悬架本身的结构特性，使得其可以较为容易的根据情况的不同来改变车身的高度。一般来讲，可以通过调节空气弹簧内部的空气压力来改变其刚度，使其适应不同的载荷，从而来实现这个目的。

4） 油气弹簧式非独立悬架

相对其他的弹簧来说，体积较小、质量较轻、承载能力很强、较为容易实现车身高度的调节，这些都是油气弹簧式非独立悬架的优点。除此之外，其还兼有阻尼减振和自润滑等特点。总的来讲，油气悬架和传统悬架大致功用上其实是差不多的，只是加入了液压传动的控制技术而已。

油气悬架最主要的优点是，具有非线性变化刚度的特性。根据前文所述，这种特点可以实现弹簧的刚度调节。除此之外，油气弹簧的单位储能会比其他的弹簧大，而且因为结构特性，其将减震弹簧和减振器一体化了，所以无需再使用额外的减振器；同时，在其承受加大的载荷的时候，可以通过刚性闭锁将其锁死。

油气弹簧悬架具有一些主动悬架的特性，但是因为它的结构比较复杂，所以维修和维护起来比较麻烦，而且它刚度的变化是通过外装控制器实现的，所以要添加额外的装置。

因为确保了恒定的外倾角，所以独立（和半独立）悬架在需要承受大载荷的车辆上最常见。其具有相对柔软的弹簧，并且不会（出于成本和简单的原因）使用主动悬挂。现在非独立前悬架的使用已经仅仅局限于较重的商业车辆。

3.2 独立悬架

独立悬架系统是指，汽车每一侧的车轮都是单独的通过弹性元件连接于车身或者车架之下，一侧轮胎的跳动不不影响另一侧轮胎的运动规律。因此，独立悬架相对非独立悬架拥有更好的减震性能。独立悬架大体可以也可以分为以下几种：

1） 横臂式独立悬架

横臂式独立悬架顾名思义，包含一个或者两个横臂，其横臂只能在横向平面内做摆动运动。其中，只有一个横臂的叫单横臂式独立悬架，有两个横臂的叫双横臂式独立悬架。

单横臂式独立悬架具有结构比较简单，侧倾中心较高，有比较强的抗侧倾的能力等优点。但是其侧倾过高的特点又会造成一定的劣势。因为现在车辆的行驶速度越来越高，这个特点会会导致在轮胎跳动的时候，两侧的轮距变大，因此会加速轮胎的磨损。而且当车辆进行急转弯的时候，后轮的外倾角会变大，这样会导致后轮的侧倾刚度下降，从而会产生高速情况下甩尾的严重后果。单横臂式独立悬架主要的应用是在后轮悬架上，但是由于在行驶速度较高的时候会产生这些不良的后果，现在已经不怎么采用这种悬架了。

双横臂式独立悬架也有两种，分别是等长的双横臂式和不等长的双横臂式悬架，顾名思义，等长双横臂是指它的两个横臂是一样长的，不等长是指两个横臂不一样长。等长的双横臂式悬架，在车轮上下跳动的时候，能够保持主销倾角不变化，但轮距的变化大(这点与单横臂式相似)。因此会造成轮胎的磨损严重，现在也已是很少使用。而不等长双横臂式独立悬架，只要能够通过计算，合理的设计两个横臂的长度，并且能够布置得比较好，那么它的稳定性能还是可以得到保证的。目前，有很多轿车的前、后悬架都已经在采用不等长双横臂独立悬架了。而且有一些用于比赛的汽车的后轮也在采用这样的一种悬架。

2） 纵臂式独立悬架

纵臂式独立悬架的定义与横臂式独立悬架较为相似，其是一种摆臂只能在纵向平面进行摆动的独立悬架。它也是根据败摆臂的多少，可以分为单纵臂式和双纵臂式独立悬架。

在当车轮上下跳动的时候，单纵臂式独立悬架的主销后倾角产生较大的变化，这样就会比较影响汽车的转向特性，正因如此，单纵臂式悬架不用在转向轮上。

和单纵臂式独立悬架敲好相反，双纵臂式独立悬架有很多应用在转向轮上的情况。因为当两个摆臂长度一样的时候，它会形成一个平行的四杆结构，这样的一个几何结构保证了主销后倾角会保持不变，即使当车轮在上下跳动时。

3） 多连杆式独立悬架

多连杆式独立悬架的结构比较复杂，它是由三到五根杆件共同组合起来的，主要运用于一些高级的轿车的后置悬架上。多连杆式结合了横臂式和纵臂式的特点，它的车轮可以绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线内摆动。正因为如此，如果可以在设计时调试好摆动的角度，那么它就能在一定程度上综合横臂和纵臂式的所有优点，从而获得更好的性能。

总的来讲，多连杆式悬架的优点主要集中在：当车轮在跳动的情况下，它的轮距和前束的角度的变化都不大，这样有利于保证汽车的装箱能力，不管是在刹车或者是加速等一系列的木咋条件下。但是它也有不足之处，那就是在汽车行驶的比较快的情况下会出现轴的摆动情况。

4） 烛式独立悬架

烛式悬架是一种主销固定，而车轮沿着主销进行上下移动的悬架。

烛式悬架有着以下的优点：不管在什么情况下或者是悬架如何的变形，主销的定位角是不变的。这种特性给予了汽车较好的操纵性能与稳定性。

但是，烛式悬架有一个很大的缺陷，因为主销被固定，所以汽车行驶所产生的侧向力会全部由主销来承受。因为主销是套在主销筒套内部的，所以套筒与主销间会产生很大的摩擦力，加速了两者的磨损。再加之麦弗逊式悬架的出现，导致烛式悬架的应用现在已经很少了。

5） 麦弗逊式独立悬架

麦弗逊式悬架其实是烛式悬架的一种演变。其同样也是车轮沿着主销上下滑动的悬架。但是它在烛式悬架的基础上又进行了一些优化改动，为了减少上述的磨损，它的主销是可以摆动的。所以从某种意义上来说说，麦弗逊式悬架是一种摆臂式与烛式悬架的结合体。

与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架有着结构紧凑的优点，而且当车轮跳动时前轮的定位参数变化较小，因此会有更好的操纵性能与稳定性能。再加上由于取消了上横臂，它的空间占有率要比横臂悬架少很多，因此可以更有利于发动机或者转向系统的布置。与烛式悬架相比，它的主销也不会产生那么大的磨损。

现在的很多中、小型轿车的前悬架上都普遍运用了麦弗逊式悬架。总的来讲，麦弗逊式悬架虽然技术含量不是最高，结构也不复杂，但它的这些特性仍使其经久耐用，而且具有很强的道路适应能力。

对于独立悬架，因为车轮在转动的情况下，车轮不能固定垂直于平坦路面，因此在制动和行驶于变化路面情况下，车轮外倾角的控制是一个很重要问题。摇摆臂式在小型汽车中很常见，因为其弯曲度与负载无关，所以弹起比较柔和而且可以承载较大的负载。正因为与载荷无关，一些主动和半主动悬架可以保持行驶高度，从而保持外倾。

相比于摆动臂式和摆动轴式、麦弗逊式，多连杆式悬架允许工程师更好地控制几何形状，但成本和空间要求可能会更大。半拖曳臂式在两者之间，是摆动臂式和摆动轴式之间几何形状的可变折衷。

3.3 前、后悬架的选择

先说结论，对于前悬架我们选择麦弗逊式悬架，对于后悬架我们选择扭力梁式非独立悬架。

麦弗逊悬挂最大的特点是结构简单。结构简单带来的最大优势就是降低成本，更少的零件意味着更少的成本，而成本的降低给购车者带来的效益就是更低的售价，对于消费者和厂商来说是双赢的。

结构简单同时也决定了麦弗逊式独立悬架占用空间小。因为小型SUV，其为前置前驱，发动机在车前部。这也就意味着悬架应该占用尽可能小的空间，从而使得驾驶舱有着更大的空间。同时其还可以带来操控性较好、转向比较直接的好处。

结构简单也意味着更易维护修理。因为结构越复杂也越容易坏，结构越简单耐久性就越好。麦弗逊式独立悬架结构简单，决定了其在维护修理方面有着先天的成本优势

扭力梁式悬架有时也会被归于半独立式悬挂。因为在扭力梁式悬挂的结构中，两个车轮之间没有硬轴直接相连，而是通过一根扭力梁进行连接，扭力梁可以在一定范围内扭转。因此一个车轮遇到非平整路面时，扭力梁对另一侧车轮产生的干涉要小于一般的非独立悬架。

虽然扭力梁式悬挂相对于独立式悬挂来说舒适性要差一些，不过其结构简单可靠，也不占空间，而且维修费用也比独立悬挂低。对于小型SUV使用扭力梁式悬架可以最大程度上增加内部空间。

第4章 悬架主要参数的确定

4.1 悬挂质量分配系数

汽车的悬挂质量分配系数的公式为：

因为大部分汽车的，即接近1。所以我们取，此时有一个好处，就是前后轴上方车身部分的集中质量的垂直方向的运动是相互独立的。

4.2 前、后悬架自然振动频率（偏频）n：

汽车悬架的偏频公式为：

其中：

g—重力加速度

f—悬架垂直变形（挠度）

M—悬架簧载质量

K—悬架刚度

对于轿车而言，当其排量小于1.6L时，对于前悬架满载偏频的要求是：1.00-1.45Hz，对于后悬架满载偏频的要求是：1.17-1.58Hz；当发动机的排量大于1.6L时，对于前悬架满载偏频的要求是：0.80-1.15Hz，对于后悬架满载偏频的要求是：0.98-1.30Hz。因为我们设计的是小型SUV，而且根据国家规定，当乘用车排量大于1.6L时税率大幅上升，所以我们将此SUV的排量设计为小于1.6L，所以取第一个要求。

同时，当前后悬架偏频比：时，车身纵向振动小。而且人类步行频率大约为1Hz/s，为了追求较好的舒适度，同时满足以上的所有要求，我们前、后悬架偏频分别取 。

4.3 前、后悬架静挠度

当采用弹性为线性变化的悬架时，悬架的静挠度可以表示为：

对于轿车而言，后悬架的静挠度应为前挠度的0.8-0.9倍，即：

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