摘 要

悬架系统是组成汽车最重要的零部件之一，悬架系统性能直接关系到汽车行驶平顺性和操纵稳定性等方面。本文主要分析目标车辆的发展现状，以目标车辆后悬架为研究对象，利用Creo软件对其后悬架系统进行结构设计，建立三维实体模型，再利用Creo Simulate软件进行网格的划分，并建立壳单元的有限元模型，对主要零件在静态工况下施加相应的边界条件和载荷条件，分析得到最大应力小于材料屈服极限，中间轴和摇臂均满足刚度强度要求，最后使用Creo机构模块，对后悬架进行机构仿真计算，最终得到合理设计方案，为目为目标车辆后悬架结构设计提供依据。

关键词：目标车辆；后悬架；结构设计；有限元分析；机构仿真

Abstract

Suspension system is one of the most important parts of automobile. The performance of suspension system is directly related to ride comfort and control stability of automobile.Take the rear suspension of the target vehicle as the research object, use Creo software to conduct structural design for the rear suspension system, establish 3d solid model, use Creo Simulate software to conduct grid division, and establish the finite element model of shell element. Apply corresponding boundary conditions and load conditions to the main parts under static working conditions, and analyze to find that the maximum stress is less than the material yield limit, the middle shaft and rocker arm meet the requirements of stiffness and strength. Finally, use Creo mechanism module to conduct mechanism simulation calculation for the rear suspension, and finally get a reasonable design scheme. It provides the basis for the structure design of the rear suspension of the target vehicle.

Key Words: Target vehicle; Rear suspension; Structural design; Finite element analysis; Mechanism simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 1

1.3本文研究内容 3

第2章 目标车辆的后悬架结构设计 4

2.1后悬架的设计要求 4

2.2后悬架的工作原理 4

2.3后悬架的组成 4

2.4尺寸及连接方式 5

2.5三维模型的建立 5

2.6本章小结 6

第3章 后悬架机构模型建立与仿真 7

3.1机构零件运动计算 7

3.2 后悬架模型机构设置 7

3.3 后悬架模型机构分析 9

3.3.1中间轴的受力 9

3.3.2中间轴的受力 9

3.3.3摇臂的受力 10

3.4本章小结 11

第4章 目标车辆后悬架有限元模型的建立 12

4.1有限元分析的概述 12

4.2 后悬架几何模型的有限元分析 12

4.2.1后悬架几何模型的导入 12

4.2.2后悬架单元的选择 12

4.2.3后悬架网格的划分 13

4.3整体强度校核 14

4.4后悬架主要零部件的有限元分析 15

4.4.1中间轴的有限元模型 15

4.4.2轴承的有限元模型 16

4.4.3摇臂的有限元模型 17

4.4.4车轮连接臂的有限元模型 17

4.5本章小结 18

第5章 空气弹簧和轮胎 19

5.1空气弹簧的简介 19

5.2轮胎的选择条件 19

5.3空气弹簧的选型 19

5.4本章小结 19

第6章总结与展望 21

6.1总结 21

6.2展望 21

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着我国经济和城市化进程的迅速发展，城市的规模与结构都不断地扩大，同时人口和车辆也随之增加。我们出行的交通方式越来越便捷了，但同时过多的车辆也造成了很多不良的后果，例如城市早晚高峰期交通拥堵、城市交通安全等问题造成了无法预估的损失，由此引起了无人驾驶技术方面在近些年来受到越来越多的关注。
无人驾驶技术由现在成熟的电脑智能科技搭配我们乘坐的汽车，不再需要人力去操控干涉汽车的行驶，这样可以避免人为不正确的操作，发生道路安全事故的几率就会大幅度降低。而无人驾驶技术的车辆安全性主要体现在悬架系统的综合性能，悬架是汽车里的重要组成部分，当发生碰撞时悬架能否保证车辆不发生侧翻这些现象尤为重要。

悬架作为车辆中最基本的一个组成系统，将车架连接到车轮的弹性部件直接影响着车辆的各种性能。从理论上讲，车辆悬架是不能满足完美性要求的汽车部件，因为悬架系统需要同时满足操纵稳定性和乘坐舒适性这两个的要求。外观上看悬架是由支撑连杆和弹簧等弹性元件组成的结构，实际悬架设计过程中有很多的技术要求。为了在乘坐过程中可以有良好的舒适性，则必须最大限度地缓冲汽车因为各种因素造成的震动，弹簧在设计时就要的有较低的弹性系数，但弹性系数较低又会使汽车发生加速“抬头”、刹车“点头”以及左右侧倾这些不利于车辆正常行驶的现象，同时也容易导致汽车操纵不稳定，不利于汽车的转向等。
随着无人驾驶技术的发展，目标车辆悬架设计与仿真也会有很大的应用空间。本次设计题目目的是通过Creo对车辆后悬架建模，进行结构设计与仿真，分析车辆受冲击时的悬架收缩能力，保障整车的安全性。
随着车辆碰撞试验与无人驾驶技术越发深入发展，ABD GST引导软目标车的设计越来越多的应用到车辆性能测试实验当中，以便更加精确的得到测试数据。本次毕业设计的题目是目标车辆的后悬架结构设计与仿真，目的是设计合适的车轮缩回机构，在GST软目标车辆受到载荷时使车轮收缩回到底盘，保护车辆。设计需要通过Creo软件对其进行建模和运动受力分析，在承受整车载重时，具有良好的受压收缩能力，保证汽车的平顺行驶能力，从而保护悬架提高悬架的使用寿命。 

1.2研究现状

目标车辆是一种对ADAS功能进行测试验证的系统级平台车，目前已广泛应用于智能车辆的开发验证阶段。由于其运行工况的要求，假车底盘需要具有主动伸缩的功能，进而保证被测车辆的完整性。吉林大学的蔡章林^[1]用ADAMS/Car软件，在车辆悬架和整车动力学方面进行详细的分析研究。他首先论证了模型可行性,接着讨论悬架系统对车辆操纵稳定性的影响，最后研究了影响操纵稳定性的若千因素。清华大学的张越今^[2]使用多体系统动力学的理论方法，应用软件ADAMS对机械系统分析,完成了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了动力学性能受到汽车中柔性元素(橡胶减振元件)的影响。武汉理工大学的鲍卫宁^[3]利用ADAMS/View软件,首先建立了某轿车前悬架的麦弗逊式悬架的多体动力学模型，并分析了车轮跳动和转向时，悬架的各种参数的受到影响时的变化。付涛、王大镇、弓清忠、祁丽^[4]运用混合粒子群优化算法对LQG控制器的权值矩阵进行优化求解，在Matlab/Simulink环境下，对不同工况下的车辆悬架进行了仿真分析。仿真得到的数据可以表明，车辆悬架的行驶平顺性和操纵稳定性上经过混合粒子群算法优化后有所改善。另外，键合图理论建立系统的状态方程在建模方面具有简单、容易求解的特点，应用前景十分广阔。Mohd Avesh、Rajeev Srivastava^[5]为通过实施主动悬架系统来提高舒适性和安全性，提出了主动节气悬架系统，这是一种基于模糊逻辑的控制方式，来实现节油型小客车的设计升级要求。孟源^[6]对主动悬架系统不同的控制技术进行了整理，阐述了各种不同的控制技术并不独立，各自之间有一定的关联。目前悬架系统由原来的被动悬架技术向主动悬架系统进行转移。Siqi Shao,Hongliang Zhou,Haifeng LIU^[7]针对主动悬架半车系统，提出了一种分布式模型预测控制(DMPC)方法。实现了一种基于延拓/通用最小残差(C/GMRES)方法的快速MPC实时优化方法，并利用车载网络FlexRay在这些控制器之间交换控制信息最终提高车辆的舒适性。
关于汽车悬架的结构设计方面，梁玉瑶，王琳，韦鹏^[8]使用ADAMS/Car软件建立了车辆麦弗逊前悬架模型，对此模型进行双轮平行跳动和异向跳动仿真试验，通过实验数据结果分析在车轮跳动过程中各定位参数的变化范围。然后利用ADAMS/Insight软件，调整了前轮定位参数中的转向拉杆内外点、减震器上下支点、下摆臂外点等硬点坐标，对汽车前轮定位参数进行了优化。来飞，胡博在^[9]中分析出不同种类的控制算法之间并不存在着孤立的关系，它们彼此之间可以结合使用从而更大程度地提高悬架系统的整体结构优化和整车性能。 
关于汽车悬架的仿真计算方面，悬架实际结构上是复杂的非线性系统,目前大多数车辆悬架的设计、研究、分析，都是使用多种软件进行三维建模,将建立的模型导入到仿真软件软件进行仿真模拟计算，最后进行有限元分析得出悬架的最终悬架的设计数据。Yu Bin、Wang Zhice、Zhu Dayou、Wang Guoye、Xu Dongxin、Zhao Jie^[10]使用MATLAB程序获得了悬架刚度和阻尼系数。通过对结果的分析，得出了越野车辆的振动性能相对于悬架刚度和阻尼系数的规律。
通过对国内外现状分析可以得出，车辆悬架结构的设计与仿真主要进行这几个方面的研究，首先是悬架的作用是保证车辆行驶的平顺性以及操纵稳定性；另外再进行结构设计，一般是使用ADAMS/Car或ADAMS/Insight建立悬架三维实体模型并进行结构优化；最后结合ADAMS/Car中提供的悬架系统试验台，利用ADAMS/Control软件中的控制模块与MATLAB进行联合仿真。

1.3本文研究内容

GST车辆整体的操纵稳定性的行驶平顺性都受到悬架系统性能的影响，所以悬架在车辆的设计开发中起着非常重要的作用。本文主要对目标车辆的后悬架进行建模，并应用有限元法对悬架系统重要零件进行强度分析。

论文针对目标车辆后悬架进行结构设计与仿真分析。主要研究内容总结为以下几个方面：

1. 对后悬架系统进行结构分析，并计算悬架的主要参数，再根据设计要求确定合适的悬架类型，。
2. 用Creo三维建模软件来建立后悬架系统的零部件的模型，从实际角度出发，进行悬架的结构强度分析。
3. 通过Creo软件中机构分析模块对悬架模型简化后进行机构受力分析。
4. 对建立的零部件模型有限元分析,主要是中间轴和摇臂在施加载荷和约束的条件下能否满足目标车辆的设计要求。
5. 根据设计要求选择空气弹簧的类型

第2章 目标车辆的后悬架结构设计

2.1后悬架的设计要求

1. 可以保证车辆行驶平顺性的要求
2. 结构紧凑，采用较小的尺寸
3. 稳定传递车轮与车身之间的力和力矩，保证足够的强度、刚度的前提下尽量减小零部件质量

2.2后悬架的工作原理

目标车辆由一个外廓很低的底盘（车辆可以从上面碾压过去）和一个可分离的泡沫面板车身组成，当测试车辆从这个低外廓的车辆上碾压过去时，突然增大的压力超过了空气弹簧提供的升力，车轮受压缩进车底盘内，带动中间轴旋转，并由中间轴带动摇臂旋转压缩空气弹簧，这样车轮会缩进到底架中来保护GST的悬架，使试验车的悬架受到的的可能冲击最小化。

2.3后悬架的组成

本次课题设计的是采用空气弹簧式双轮独立悬架，其组成包括安装在车架上的箱体，空气弹簧，摇臂，转轴，连杆，车轮等零部件。后悬架的安装是通过后悬架箱体及中间轴、空气弹簧来进行固定安装。空气弹簧与箱体安装采用螺栓连接，箱体与车架采用焊接工艺，保证了较好的固定刚度，满足了良好的减震效果同时优化了布置空间。