摘 要

2017年全球汽车市场持续保持景气，我国汽车销量占世界销量的三分之一的比重，仍然是全球第一大汽车市场，是全球汽车厂商的兵家必争之地。随着汽车工业不断发展，汽车市场上的竞争愈发激烈，消费者挑选汽车的眼光也越来越高。人们不仅仅要求车子皮实耐用，还对汽车的安全性、操控稳定性等颇为关心。因此许多以前只在中高级轿车上见到的配置，纷纷下放到了常见的平民级车型中，像多连杆悬架由于操控性、乘坐舒适性好但结构复杂，占用空间大，因此之前在紧凑级车型上鲜有见到，但近几年越来越多的紧凑级车型(尤其是中国品牌)使用多连杆悬架作为汽车的后悬架，来提高车辆行驶中的总体表现，并在同级别车型中凸显性价比，获得消费者的青睐。

本次设计的主要内容是：大众高尔夫的后悬架设计，后悬架采用的是越来越普及的多连杆独立悬架，弹性元件采用螺旋弹簧，减振器采用液力减振器，并且进行参数设计计算。使用catia三维建模软件对悬架的结构进行建模、装配与仿真。最后进行单自由度的平顺性分析，对悬架的性能进行评估，论证多连杆独立悬架整体设计的合理性。

本次设计选用的是较为先进的多连杆独立悬架，消费者对此配置的呼声很高，但受制于成本与设计难度，多连杆悬架在紧凑级车型中尚未普及，随着市场的发展，相信此悬架系统将会得到更广泛的应用。本设计通过平顺性分析，验证了多连杆悬架具有良好的性能。本次设计的多连杆独立悬架系统有美丽的发展前景。

关键词：独立悬架；多连杆；平顺性

Abstract

In 2017, the global auto market continued to maintain its prosperity. China's auto sales accounted for one-third of the world's sales, and it is still the world's largest auto market. It is a battleground for global auto makers. With the continuous development of the automotive industry, the competition in the automotive market has become increasingly fierce, and the eyes of consumers in selecting cars have become higher and higher. People not only require the car to be durable, but they also care about the safety and handling stability of the car. As a result, many of the configurations previously seen only in mid- to high-class sedans were decentralized to the common civilian-class models. For example, multi-link suspensions are compact due to their good manoeuvrability, ride comfort, but complex structure and large space requirements. There are few new models on the market, but in recent years, more and more compact-class models (especially Chinese brands) have used multi-link suspensions as the rear suspension of vehicles to improve the overall performance of vehicles while driving. The same level of models highlight cost-effective, to obtain the favor of consumers.

The main contents of this design are: the rear suspension design of VW Golf, the rear suspension adopts the increasingly popular multi-link independent suspension, the spiral spring is adopted as the elastic component, and the hydraulic damper is used as the shock absorber. And parameter design calculations. The catia 3D modeling software was used to model, assemble and simulate the suspension's structure. Finally, a single degree of freedom ride comfort analysis was performed to evaluate the performance of the suspension and demonstrate the rationality of the overall design of the multi-link independent suspension.

The design of this design is a more advanced multi-link independent suspension, consumers have a high demand for this configuration, but subject to cost and design difficulties, multi-link suspension is not yet popular in the compact-class models, with the market It is believed that this suspension system will be used more widely. This design, through the analysis of ride comfort, verifies that the multi-link suspension has good performance. The multi-link independent suspension system designed this time has a beautiful development prospect.

Key Words：independent suspension; multi-links; smoothness

目录

第一章 绪论 1

1.1 悬架系统概述 1

1.2 悬架的分类及选择 2

1.2.1. 麦弗逊悬架 3

1.2.2. 双横臂悬架 3

1.2.3. 拖曳臂悬架 3

1.2.4. 多连杆悬架 3

1.3 悬架设计要求 4

第二章 悬架参数计算 5

2.1 S车型参数搜集 5

2.2 确定悬架主要参数 5

2.2.1. 悬架频率选择 5

2.2.2. 悬架静挠度 6

2.2.3. 悬架的动挠度 6

第三章 弹性元件选择与计算 8

3.1 弹簧形式、材料的选择 8

3.2 确定弹簧基本参数 8

第四章 悬架导向机构设计 10

4.1 导向机构设计要求 10

4.2 导向机构布置参数 10

4.2.1. 选择多连杆类型 10

4.2.2. 定义下摆臂长度和方向 11

4.2.3. 定义下控制臂长度和方向 11

4.2.4. 定义上控制臂长度和方向 12

4.2.5. 定义纵臂的长度和方向 14

第五章 减振器及横向稳定杆设计 15

5.1 减振器概述及分类 15

5.2 减振器参数设计 15

5.2.1. 相对阻尼系数的确定 15

5.2.2. 阻尼系数的确定 15

5.2.3. 最大卸荷力的确定 16

5.2.4. 筒式减振器工作缸直径的确定 17

5.3 横向稳定杆设计 17

第六章 平顺性分析 19

6.1 汽车振动系统的简化与建模 19

6.1.1. 双质量系统的传递特性 20

6.1.2. 车身加速度、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载的幅频特性 20

6.1.3. M文件中代码的编写 22

6.2 图形输出 22

6.3 仿真结果分析 24

第七章 总结与展望 25

参考文献 26

附录 27

致谢 29

绪论

随着消费者对车辆行驶品质的要求越来越高，独立悬架这一配置越来越受消费者喜爱。其中应用的较多的是麦弗逊独立悬架和拖曳臂独立悬架，结构更复杂、舒适性、操控性更好的多连杆独立悬架并没有普遍应用，甚至在对成本比较敏感的紧凑级车型中仍使用扭力梁非独立悬架作为车辆的后悬架。但是随着加工技术的不断进步，制造成本不断降低，多连杆独立悬架也会走入寻常百姓家。尤其是大众品牌在经历了速腾断轴门之后，将速腾全系后悬架都改为了多连杆独立悬架，这也从侧面印证了多连杆悬架性能优异的事实。大众高尔夫，作为大众集团最出名的车型之一，无疑是大众汽车的招牌车型，历年是国内紧凑级两厢车的标杆车型。我觉得在同级竞品车型纷纷有独立后悬架配置加持的情况下，高尔夫这一明星产品不应在这一点上落后，相信日后高尔夫车型也会全系标配多连杆后独立悬架，因此设计课题具有一定前瞻性，_.可以为大众高尔夫设计师所参考。

我们买车的时候，会首先考虑车子做起来舒不舒服，为啥车子坐起来会不舒服呢？这是因为汽车在正常的行驶速度和范围内在路上行驶时，避免因汽车在行驶过程中不可避免的产生的起伏和冲击，这些震动会使人感到_.不舒服、难受，甚至呕吐，产生所谓的晕车现象，也会有使货物损坏_.的可能。平顺性主要是依靠在座的乘客_.的主观感受来进行评价，所以冠名为乘坐舒适性，它是目前大多数汽车的主要参考性能之一。在设计完成后，本文对所设计悬架结构建立双自由度振动模型，对其进行仿真，分析车身加速度、悬架动挠度和_.相对动载对路面不平度的频响特性。

当独立悬架被发明出来后, 外国工程师们就开展研究悬架运动学和弹性力学。提出了各种分析多连杆悬架运动学的方法，国内虽然有关悬架的论文不少，但是关于多连杆独立悬架系统的专著并不是很多，国内对于多连杆独立悬架的研究仍有进步空间。

悬架系统概述

从整体上来看，悬架连接车身与车轮，一边对着车身起支持作用，一边把轮胎受到的震动吸收，是影响汽车行进间操控稳定性最重要的机构。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通过轮胎的接触面来完成。 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。

悬架系统整体由弹性元件、阻尼原件、导向机构等部分组成。弹性元件可以缓冲来自起伏路面的冲击，阻尼元件可以避免弹性元件反复震荡，提升乘坐的舒适感与驾驶的稳定性。导向机构则可以传递驱动力，并且起到现状轮胎的定位参数的作用，让轮胎获得最佳的接地效果，同时将驱动力传导到车身。悬架还有一个重大的用途，是通过弹簧的反作用力将轮胎压在地面，稳定轮胎位置^[1]。

弹簧的首要功能就是缓和车轮在行进时收到的冲击力，不让震动直接传到至车身，除此之外，弹簧还可以将车高维持，是会影响很多重要因素，如：转向性能、行驶稳定性等。一般除了常见的金属制螺旋弹簧外还包括空气弹簧、钢板弹簧、叶片弹簧等多种形式。

螺旋弹簧在工作时，虽然可以通过弹性形变进行受力的缓冲，但是却不能将收到的这份冲击力消除，只能反反复复的跳动。抑制这样的动态就要靠减振器（阻尼元件）来发挥作用。应用在车上的减振器常见的原理是活塞体在密封的圆筒内上下运动，圆筒内装有油类和气体，活塞运动会受到一定的阻力，就这样把动能转化为内能，来限制弹簧激烈的上下弹跳^[2]。因此弹簧和减振器对车子的操控性和稳定性同样起着非常关键的作用。

悬架臂是车身与轮轴间的连接杆件，可以根据形状的不同分为叉型臂和直臂、梯形臂等不同种类。大多是钢板冲压而成，高级车型会使用质量更小强度更好的锻造制品，来降低非簧载质量，取得更好的操控性。

横向稳定杆也称为“防倾杆”，原理上它其实是一种扭杆弹簧，弹簧扭曲产生反向力矩，横向稳定杆横跨悬架两端，安装于独立悬架的控制臂上，当左右车轮上下跳动程度不一样时，例如在过弯时，外侧下压，内侧上跳，此时横向稳定杆可以传递左右纵向力矩，让左右车轮具有上下跳动的幅度相差不大，以此获得更稳定的行车姿势。

悬架的分类及选择

虽然各种不同的悬架同样具有保持车高、接受行进间负重和冲击的功能，不过彼此间的性能特性确实不尽相同的。这些性能与特性的差异，会影响到过弯、行驶性能、与安全性息息相关的操控性能、以及乘客乘坐时的舒适性。

悬架正日新月异得进步中，目前已经发展出许多不同种类。各方专家仍以“瞬间追踪路面的起伏，保持轮胎能狗维持在正确的接地状态”为目标，努力研究改进的技术和手法。

所谓的非独立悬架，就是通过车轴连接左右轮和轮圈的结构。非独立悬架因为轮胎的运动会传导给另一侧的车轮，因此在不平路面时接地性差。而且因为车轴的重量较大，增大了簧下质量，跳动时惯性大，有损于乘坐舒适感。不过因为该结构成本低，强度优异，常用在低价位的车型中作为后悬架，常见有钢板弹簧非独立悬架，扭力梁非独立悬架等^[3]。

独立悬架能够让左右车轮独立上下跳动，在应付凹凸起伏路面上表现亮眼，特别是在后轮驱动的车型中，可以有效地把动力传到给左右车轮。除此之外还能减轻运动机构的质量，兼顾操控稳定性和乘坐舒适性，性能优异。

麦弗逊悬架

麦弗逊式悬架使用伸缩式阻尼器的顶部作为上部转向枢轴。它被广泛应用于现代汽车的前悬架，并以美国汽车工程师Earle S. MacPherson的名字命名，后者最初发明并开发了该设计。麦弗逊悬架基本上是弹簧和减震装置以及下摆臂组成的简单结构。减振器的上端通过缓冲橡胶支撑车身，下部则由下臂支撑^[4]。其结构简单节省空间，重量较轻，也易于确保跳动行程，多应用于汽车前悬架。

双横臂悬架

双横臂悬架由上下成对的控制臂架起车轮，根据控制臂的形状不同，由双A臂、双叉臂等不同叫法。因为零件数目较多且结构复杂，因此会占用较多空间。双横臂悬架随着控制臂形状和安装位置的不同，可以比较自由的控制加减速及过弯时车子的姿态以及轮胎的定位参数。因为这种悬挂便于追求高刚度，所以常用在重视操纵稳定性的跑车和高级轿车当中。

拖曳臂悬架

拖曳臂悬架纵向上的占用空间较少，因此对于后驱车辆布局是非常有利的，可以使的空间利用率表现更好，并且方便安排备胎和油箱位置。组装悬架和车身十分简单，悬架结构简单：零件少，易于分离，因为没有衬套，滞后较小，易于保护后驱动。但是，拖曳臂的长度和宽度沿着车体和拖曳臂的旋转轴线具有相对较大的杠杆比率，因此在存在侧向载荷时，存在不利的前部拖曳。当身体侧向转动时，有一个不利的外倾角。如果有合适的分布设计，可以对外倾角修正，但这会影响车轮距变化。相应的变形参数与所有的几何特征有关系。缺少衬套不能有效地对振动抑制 ^[5]。

多连杆悬架

多连杆悬架是一种通常用于独立悬架的车辆悬架的设计，属于双横臂悬架的进化型，使用三个或更多的侧臂，以及一个或多个纵臂。更广泛的考虑了具有三个控制连杆或更多的多个独立悬架链接。这些控制臂不必具有相同的长度，并且可以偏离它们“原本”的方向。通常每个臂在每端都有一个球形接头（球形接头）或橡胶衬套。当有任意方向载荷作用时，车轮前束将自动纠正（Toe recovery）。在车轮跳动行程中，外倾角自动纠正（Camber recovery）当碰到障碍物时，轮距适当增大。多连杆悬架可以良好兼容与后驱布置。当后轮驱动时，对转向力矩的控制很优秀。因此，它们对沿着它们自身长度的负载进行拉伸和压缩，而不是弯曲^[6]。一些多连杆机构使用拖曳臂，控制臂或叉臂，在一端有两个套管。由于各控制臂互相分离，所以配置的自由度极高，方便进行更细腻的教条。在数根控制臂共同支持下，可以严密的监控悬架系统的几何变化，使轮胎接地性更好。在高性能的高性能的FF驱动车以及大马力的后驱车型中，常用多连杆悬架作为后悬，提升在高速时的稳定性，确保驱动力的传输。

悬架设计要求

设计悬架时考虑的因素很多，主要有以下几点^[7]：

导向机构设计合理，确保车轮与车身之间的所有力和力矩均能稳定传递，车轮转动时车轮定位参数变化不大;

导向机构的运动应与转向连杆系统的运动协调一致，以避免发生运动干扰，否则可能导致方向盘振动;

侧倾中心和纵向中心位置合适，车辆具有抗侧倾能力。当车辆制动加速时，车身的稳定性得以保持，避免了汽车制动和加速过程中的车身俯仰；

悬架部件的质量应该很小，特别是非悬架部件的质量应尽可能小；

为了便于布局，应该在汽车的设计中对发动机，行李箱的空间设计给予特别的考虑；

所有部件应具有足够的强度和使用寿命，便于修理和养护；

低制造成本。

悬架参数计算

S车型参数搜集

本次设计选定的匹配车型为上海大众高尔夫2018款1.6L手动时尚版，大众高尔夫（Golf）第一次出现是1974年在由大众汽车以小型家用两厢车推出的。目前已经畅销全球，目前国内最新款是2018款，高尔夫是大众汽车公司生产最多的品种，也是最畅销的车型。据统计高尔夫在全球畅销车型排名中名列第三位，在国内市场更是有不可撼动的地位，其参数配置如下：

表2.1 参数配置表

确定悬架主要参数

悬架设计可以分为许多阶段，首先进行结构定型选取步骤，并且选择主要的悬架参数，接下来进行具体的设计步骤，需要来来回回的进行，因为整车的许多性能都会被悬架的设计所影响，因此悬架的布置以及参数选择，一定要细心考量。

悬架频率选择

汽车的悬架导向机构与簧上质量总体的振动系_.统的固_.有频率，对汽车平顺性的影响十分关键。现代汽车设计中，工程师普遍将悬挂质量分配系数设置为ε=0.9～1.1，因此可以近似地认为ε=1，即前后车轮上方的分配_.质量的垂直振动，可以看作是相互独立进行的，并用偏频这个名词，表示各自振动的自由频率，当然偏频越小，则可以说明汽车的平_.顺性越好^[8]。一般对于钢制弹簧的轿车而言，偏频多取约为1.1～1.4Hz（59～79次/min）， 约为1.20～1.6Hz（69～89次/min），因为这与正常人走路时的自然频率非常接近。本次设计中取n=1.1HZ

悬架静挠度

悬架静挠度定义是指汽车满载并且静止时，悬架上的载荷F与此时悬架刚度c之比。

因为前面我们近似认为汽车的质量分配系数ε等于1，所以汽车前、后轴上方车身两点的振动不考虑互相的牵扯。