摘 要

汽车双横臂悬架是一种常见的悬架类型，合理选择悬架的结构和几何尺寸能够获得满意的汽车行驶性能。本文以雷克萨斯ES轿车的后悬架为研究对象，通过ADAMS建立设计的悬架模型并对其进行仿真分析，然后对所建立的悬架模型的一些几何参数进行优化设计，以得到合适的后轮外倾角和后轮前束。最后通过CATIA对优化之后的悬架进行建模，并在CAD中完成悬架的装配图和零件图。

本文的研究内容主要是双横臂悬架的几何参数对车轮定位参数的影响，然后通过ADAMS建模仿真优化，这样可以降低车辆悬架系统研究的时间和成本，研究结果表明双横臂独立悬架作为后独立悬架，通过优化之后能得到合适的车轮定位参数，对提高车辆行驶平顺性和横向稳定性有很大的作用。因此本次研究具有重要的指导意义。

关键词：双横臂独立悬架；运动学仿真与优化；三维建模；ADAMS

Abstract

Automotive double wishbone suspension is a common type of suspension. Reasonable choice of suspension structure and geometry can achieve satisfactory driving performance. In this paper, the rear suspension of the Lexus ES sedan is taken as the research object. The designed suspension model is established by ADAMS and its simulation analysis is carried out. Then some geometric parameters of the established suspension model are optimized to get the right rear wheel. The camber angle and the front wheel toe. Finally, the optimized suspension is modeled by CATIA, and the assembly drawing and part drawing of the suspension are completed in CAD.

The research content of this paper is mainly the influence of the geometric parameters of the double wishbone suspension on the wheel positioning parameters, and then optimized by ADAMS modeling and simulation, which can reduce the time and cost of vehicle suspension system research. The research results show that the double cross arms are suspended independently. As a rear independent suspension, the optimized wheel positioning parameters can be optimized to improve the ride comfort and lateral stability of the vehicle. Therefore, this study has important guiding significance.

Key Words: double wishbone independent suspension; kinematics simulation and optimization; 3D modeling; ADAMS

目 录

第1章 绪论 5

1.1研究目的及意义 5

1.2国内外研究现状 5

1.3设计的主要内容和技术方案 6

1.3.1设计的主要内容 6

1.3.2技术方案 6

第2章 弹性元件主要参数的确定 7

2.1悬架的偏频 7

2.2悬架的静挠度 7

2.3悬架的动挠度 8

2.4悬架刚度设计 8

2.4.1刚度设计 8

2.4.2刚度验证 8

2.5悬架弹簧的分类 10

2.6弹簧材料的选择 10

2.7弹簧参数计算 10

2.7.1弹簧直径D的设计 10

2.7.2丝径d的设计 10

2.7.3弹簧刚度和圈数的设计 11

2.7.4弹簧节距t、弹簧长度L、自由高度的设计 12

第3章 减振器设计 13

3.1减振器的综述 13

3.2相对阻尼系数 13

3.3减振器阻尼系数的确定 14

3.4最大卸荷力的确定 15

3.5减振器工作缸直径的确定 15

第4章 导向机构的设计 17

4.1横向稳定杆的设计 17

4.2 上、下横臂的设计 19

4.2.1设计要求 19

4.2.2导向机构的布置参数 20

4.2.3上、下横臂长度的确定 22

第5章 基于ADAMS的悬架建模和优化 23

5.1ADAMS软件简述 23

5.2双横臂悬架的建模 23

5.3模型的仿真 24

5.4模型的优化 27

第6章 CATIA建模 30

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

雷克萨斯ES是LEXUS雷克萨斯历史上最成功、销量最高的车型之一，自第一代ES面世以来，雷克萨斯ES在国际市场上已成为豪华、优雅、舒适的代名词。要满足用户对舒适性更高的要求，汽车行驶平顺性和操纵稳定性就得达到更高的水平，而汽车悬架对轿车的这两个性能有着非常重要的作用。根据《TUV 汽车报告》^[2]如果车辆车轮定位参数的外倾角和/或前束不符合规定值的话，会造成行驶性能受到影响，难以保持直线行驶，并且轮胎磨损加剧，轮胎寿命降低。双横臂独立悬架比麦弗逊悬架结构扁平，同时还可以使用副车架，在运动学上也具有更大的优点。本次决定设计一款双横臂独立后悬架，并对其进行优化和三维建模，是一种目前较为先进的优化设计方法。

1.2国内外研究现状

目前，国外企业开发了很多基于多体系统动力学理论的仿真软件(如Adams）,从而降低了悬架系统的动力学建模的工作量。C. Kavitha 研究了通过使用双横臂独立悬架以自控制的方法控制外倾角和前束来改善车辆操纵特性的方法，这是通过两个带有执行器的伸缩臂实现的，这些伸缩臂动态地改变车轮的外倾角和前束角，以提供最佳的牵引力和机动性。Gabor Stepen等人利用拉格朗日方程建立5自由度模型，分析模型系统中的参数，研究了阻尼对摆振的影响。Kourosh H等人通过Maple-V设计了一种具有4个精度点的独立悬架机构的六杆机构，使其在颠簸过程中保持车轮的外倾角。

我国对汽车悬架运动学的研究是从80年代才逐渐发展，但是随着计算机辅助软件的开发和利用，国内的学者也对汽车独立悬架的设计和优化进行大量的研究。例如李江等人研究了独立悬架系统中与操纵稳定性相关的设计参数、设计要求及这些参数对操纵稳定性的影响。湖南大学以ADAMS/Car为工具，建立力湖南大学整车虚拟样机，在计算机上进行整车动力学的操纵稳定性的仿真分析。武汉理工大学的何天明等人先详细分析了前双横臂悬架的运动学特性，然后根据欧拉法和矩阵变换的原理推导出主要硬点在导向机构运动过程中的坐标变换,由此得出悬架性能参数的数学理论模型。然后通过ADAMS建立几何模型，利用Matlab软件编写程序，最终得到悬架运动学特性的仿真曲线，发现其运动学性能参数满足悬架理论设计的要求。

通过上面所举出的研究实例可以看出目前对悬架研究的主要方法是通过计算机辅助软件建模，并对建立的模型进行仿真分析，得到满足性能要求的悬架几何参数，由此提高悬架研究的工作效率以及研究时间。

1.3设计的主要内容和技术方案

1.3.1设计的主要内容

本次设计的主要内容包括：（1）查阅资料，撰写汽车悬架的综述，其中包括悬架的主要类型、各种悬架的优缺点以及在不同车型上的使用情况。（2）针对所选择的车型，设计悬架的总体布置方案，计算悬架的总体参数（偏频、悬架刚度、动挠度、静挠度）。（3）进行弹簧原件的设计计算和减振器结构类型的选择，性能参数的计算和尺寸参数的设计。（4）进行导向机构的设计计算。（5）基于ADAMS建立悬架模型并对其进行优化。（6）通过CATIA进行三维建模，导出装配图和零件图。

1.3.2技术方案

第2章 弹性元件主要参数的确定

2.1悬架的偏频

出于不同的目的，对乘坐舒适性的要求是不同的，并且对于乘坐舒适性的要求在汽车中是最高的而悬架的偏频对乘坐舒适性的影响很重要。根据振动力学的理论可以推导出后悬架偏频为：

(2.1)

式中表示的是后悬架的固有频率，其中代表的是后悬架的刚度，表示的是弹簧所承受的质量即簧上质量。

该理论表明，如果汽车以相对高的速度驱动单个路障，则前悬架和后悬架的纵向频率小于1并且车辆的纵向振动小于车辆的纵向振动。 不同类型的车辆对前、后悬架偏频的有不同的要求。对于轿车，如果汽车的发动机排量小于1.6升，后悬架的满载偏移频率要求为1.17 hz至1.58 hz。当汽车的发动机排量超过1.6升时，后悬架的满载偏移频率要求为0.98 hz至1.30 hz。本次设计为2.0L轿车后独立悬架，以雷克萨斯ES 2018款为例，其中主要参数如下表。

表2.1 轿车主要参数

本款车为高级轿车，对平顺性的要求较高，排量大于1.6L,初选悬架的偏频=1。

2.2悬架的静挠度

后悬架的静挠度为

=/

(2.2)

式中为汽车满载、静止时后悬架上的载荷，为后悬架的刚度，如果设计的悬架有线性弹性特性，则 =g/,式中g为重力加速度，g=9.8m/，为后悬架的簧上质量，将代入式（2.1）得到

=5/

(2.3)

由式（2.3）反解出

（2.4）

2.3悬架的动挠度

悬架除了静挠度以外，还应该具有一定的动挠度，用来防止在恶劣情况下行驶时缓冲块经常撞击。对于轿车，悬架动挠度取7~9cm，这里初选所设计的后悬架的动挠度=8cm。

2.4悬架刚度设计

2.4.1刚度设计

根据所选的轿车雷克萨斯ES的参数参数，以及轿车的平顺性和舒适性对前、后悬架的偏频、静挠度和动挠度参数的要求，分别对前悬架以及后悬架的刚度进行设计，这里设计的后悬架的刚度可用下式计算

=4

(2.5)

式中，为本次选择的后悬架的簧上质量；为后悬架设计计算的偏频。根据轿车轴荷分配情况，发动机前置前驱取满载前轴53%，后轴47%，所选的车型满载质量为1920kg,后轴轴荷为902kg，按照质量比为10：1，则后悬架簧上质量为406kg。代入算出悬架刚度为16N/mm。

2.4.2刚度验证

当初步设计了悬架刚度后，还应进行悬架静挠度和动挠度验证悬架的刚度是否合适。

1）静挠度验证

设计前、后悬架的刚度和之后，要对悬架静挠度进行计算以验证其是否符合车辆悬架设计，如果不符合设计要求，可能造成行驶过程中底盘与路面碰撞，同时还要满足前、后悬架静挠度关系要求。

将设计得到的悬架刚度设计式（2.4）代入式（2.2），可得悬架的静挠度为

== =248mm

(2.6)

同理可得前悬架的静挠度为

= =292mm

(2.7)

利用上式验算得的前、后悬架静挠度值，应在车辆悬架设计要求的范围之内，并且满足不同类型车辆对前、后悬架之间的静挠度关系，对于轿车，=(0.8~0.9),由式（2.6）、（2.7），/=0.849,满足设计要求。

2)动挠度验证

假设车辆行驶路面输入谱为(),车辆行驶速度为v,悬架的质量比为，悬架的刚度为，设悬架系统的阻尼比为，则悬架动挠度均方值为

=)v

(2.8)

则动挠度均值为

=

(2.9)

对于要求较高的轿车，静挠度与动挠度加起来应超160mm。本次设计的静挠度与动挠度 =328mm，满足设计要求。

2.5悬架弹簧的分类

悬架弹簧根据可以承受的最大剪应力高低分为低应力弹簧（750MPa以下）、常规应力弹簧（750~1000MPa）和高应力弹簧（大于1000MPa）三种。

根据形状的不同悬架弹簧可以分为等径弹簧、鼓形弹簧、塔形弹簧（简称塔簧）、香蕉形弹簧（简称香蕉簧）等。

根据工作原理的不同，悬架弹簧可以分为钢板弹簧，一般用在货车上；螺旋弹簧，扭杆弹簧和空气弹簧等，一般用在轿车上，大型客车也采用空气弹簧。本次设计的雷克萨斯ES轿车采用螺旋弹簧。

2.6弹簧材料的选择

材料的选择在很大程度上决定了悬架的使用性能，因此，选择合适的材料相当重要。目前，常用的悬架弹簧材料都是油淬回火钢丝，其中以硅锰弹簧钢丝居多，采用标准YB1T5318-2010。目前，在国内悬架弹簧常用的钢有三种型号，这三种型号的钢的化学成分、冶炼工艺均有很大的差别。常用的弹簧钢大部分是碳素弹簧钢，其化学成分除铁以外还有一定的碳元素以及其他杂质，而合金弹簧钢如60Si2Mn\55CrSi\55CrSiV等还包含一些合金元素。根据要求，本次设计的弹簧材料选用60Si2Mn，热处理为油淬回火，常用规格的许用剪应力在850MPa以下。

2.7弹簧参数计算

2.7.1弹簧直径D的设计

如果汽车弹簧安装在减振器外缸筒的外侧，这样安装可以节省悬架空间位置，本次设计采用这种弹簧安装在减振器外缸的外侧的方案，因此，弹簧直径和减振器外缸直径满足如下关系

D

(2.10)

2.7.2丝径d的设计

当选择弹簧材料之后，可以查表得出所选材料的许用剪切应力为[]，在弹簧受到的载荷F作用下，弹簧受到的最大剪切应力应该满足应力条件，而所受到的最大剪应力可以根据下式计算并满足条件

=K[]

(2.11)

上面公式中，C是弹簧的缠绕比，在数值上等于弹簧的直径与弹簧的丝径的比值，即C=D/d，对于悬架弹簧取值范围为4~16，取C=6,K是弹簧的曲度系数，可用下面的公式计算

K= =1.25

(2.12)

F=4069.8=3978.8N，查表得[]=900MPa,代入式（2.11）解得d9.19mm取d=10mm，满足使用规格要求，D=Cd=60mm

表2.1弹簧设计选材

2.7.3弹簧刚度和圈数的设计

在初始估计最大载荷F的作用下，根据经验先取弹簧的有效圈数为8圈，弹簧刚度，2.7.1计算的弹簧直径为D,2.7.2弹簧丝径计算值d，弹簧的有效圈数n四者之间有如下关系

n=

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