双横臂扭杆弹簧独立悬架设计说明书.doc

江苏大学-汽车与交通工程学院-车辆0803 2012.2.23双横臂扭杆弹簧独立悬架设计说明书姓名：李玲玉班级：车辆0803学号：3080401063江苏大学2012年2月20日目录目录 2一、前言 3二、悬架的选择 3三、悬架主要参数确定 41、 悬架静挠度 42、悬架的动挠度 53、悬架弹性特性 54、悬架侧倾角刚度 5四、弹性元件设计 61、扭杆弹簧分类 62、扭杆弹簧的设计 63、扭杆弹簧的校核 12五、导向机构设计 131、对前轮独立悬架导向机构的要求 132、悬架导向机构参数 133、纵向平面内上、下横臂的布置方案 144、横向平面内上、下横臂的布置方案 155、水平面内上、下横臂动轴线的布置方案 156、上、下横臂长度的确定 177、下摆臂结构的强度设计 17六、转向节设计 181、转向节参数选择 182、转向节的校核 18七、参考文献 20一、前言悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把悬架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来其主要任务是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，并且缓和路面传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力[1]。

悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成二、悬架的选择悬架可以分为独立悬架和非独立悬架，独立悬架主要用于对乘坐舒适性较高的场合，如：乘用车和部分商用车的前悬架，非独立悬架主要用于商用车后悬架，成本相对较低本次设计任务是限乘5人的轿车前悬架，对舒适性要求很高，故采用独立悬架目前乘用车的前悬架广泛采用上下臂不等长的双横臂独立悬架和麦弗逊式独立悬架悬架依据弹性元件的不同，目前主要有螺旋弹簧、钢板弹簧、扭杆弹簧及空气弹簧相比其他弹簧，扭杆弹簧有如下优点：1.单位质量的储能是钢板弹簧的3倍，所以采用扭杆弹簧的悬架质量轻、结构简单、占用空间小2.悬架扭杆固定在车身上，减小了非簧载质量，提高汽车的平顺性和操控稳定性3.可通过调整扭杆弹簧固定端的安装角度，实现对车身高度的调节 4.扭杆弹簧在越野车、轻型客、货车上应用比较广泛在轿车悬架上也有使用（雷诺-5型、富康）表一 几种弹性元件的单位质量储能量弹性元件单位质量储能量/()钢板弹簧76～115圆柱螺旋弹簧178～280扭杆弹簧247～365空气弹簧所以在满足舒适性要求的前提下，我们选择扭杆弹簧作为该轿车前悬架的弹性元件即该车前悬架选用双横臂不等长扭杆弹簧独立悬架。

具体可以参考南京依维柯的前悬架（如下图所示）图1 南京依维柯前悬架三、悬架主要参数确定1、 悬架静挠度悬架静挠度，是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时悬架刚度之比，即 ：表二 现代轿车常用偏频和挠度范围车型偏频静挠度 动挠度 乘用车0.9～1.610～307～9汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一因现代汽车的质量分配系数ε近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系根据汽车设计理论可以得出：汽车前、后部分的车身的固有频率和(亦称偏频)可用下式表示[1]（此处只讨论前悬架）前悬架偏频：对普通级（排量1.6L）以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求在1．00～1．45Hz原则上轿车的级别越高，悬架的偏频越小为满足限乘5人的要求，动力性不宜太小，排量至少在2.0L以上所以选取前悬架偏频所以前悬架静挠度：2、悬架的动挠度悬架的动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大垂直位移要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块依据表二，选取该轿车动挠度3、悬架弹性特性悬架受到的垂直外力与由此所引起的车轮中心相对于车身位移(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。

其切线的斜率是悬架的刚度设计时以乘坐5人为上限，每人以65Kg计算，空载时前轴荷分配为60%，依据汽车设计，满载前轴荷分配在47%～60%[2]，在此取满载前轴荷分配为54%悬架受到的垂直外力：满载时悬架的刚度：4、悬架侧倾角刚度 悬架侧倾角刚度系指簧上质量产生单位侧倾角时悬架给车身的弹性恢复力矩乘坐侧倾角刚度过小而侧倾角过大的汽车，乘员缺乏舒适感和安全感侧倾刚度过大而侧倾角过小的汽车又缺乏汽车发生侧翻的感觉，同时使轮胎侧偏角增大，如果发生在后轮会使汽车增加了过多转向的可能要求在侧向加速度时，轿车车身侧倾角在2.5°～4°,前、后轮侧偏角之差应当在1°～3°范围内对轿车，前、后悬架侧倾角刚度比值一般为1．4～2．6所以选取车身侧倾角为，前后悬架侧倾角刚度为四、弹性元件设计作为悬架弹性元件的—种——扭杆弹簧的两端分别与车架(车身)和导向臂连接工作时扭杆弹簧受扭转力矩作用1、扭杆弹簧分类按照断面形状不同，扭杆弹簧分为圆形、管形、片形等几种1）圆形断面扭杆工艺性良好和装配容易而得到广泛应用采用圆断面组合式扭杆时，可以用2、4或6根组合形成的组合式扭杆故在本次设计的悬架中选取圆形断面扭杆2）管形断面扭杆有材料利用合理和能够用来制作组合式扭杆的优点。

3）片形断面扭杆在一片断了以后仍能工作，所以工作可靠性好，除此之外还有工艺性良好、弹性好、扭 角大等优点2、扭杆弹簧的设计设计扭杆弹簧需要确定的主要尺寸有扭杆直径d和扭杆长度L扭杆弹簧采用45CrNiMoVA优质合金弹簧钢制造扭杆采用淬火，回火热处理工艺，表面硬度在44～52HRC为了提高疲劳强度，扭杆需要经预扭和喷丸处理经过预扭和喷丸处理的扭杆许用切应力[τ]可在800～900MPa范围内选取，轿车可取上限，货车宜取下限[1]本次设计案例是是轿车，故[τ]=900MPa 图2 扭杆弹簧受力及相关尺寸示意图(1)设计扭杆直径d设计时以乘坐5人为上限，每人以65Kg计算，空载时前轴荷分配为60%，依据汽车设计，满载前轴荷分配在47%～60%[2]，在此取满载前轴荷分配为54%选取上横臂长度为245mm.对于圆截面的扭杆弹簧的两端花键连接，应力集中系数，则产生的扭转力F为 取整后得：d=18mm式中，为扭杆承受的最大扭矩；τ为扭转切应力，可取允许扭转切应力(900MPa)代人计算。

表三 扭杆弹簧直径长度及直线度偏差扭杆弹簧长度（L）公差直径（d）允许公差扭杆弹簧直线度公差由表三得 ：的公差为所以图3 扭杆弹簧端部,杆部与过渡段 (2)端部渐开线花键设计 (摘自GB/T 3478.1-2008) 为使端部和杆部寿命一样，推荐端部直径D=(1.2～1.3)d=（21.6～23.4）mm 故， 取 D=22mm 花键轴大经上偏差为0，公差等级选为IT6，查机械制图常用及优先轴公差带极限偏差（GB/T 1800.4--1999）得下偏差为-0.013mm[6]所以 花键长度查常用键的长度系列(GB/T 1095--2003)值得：图4 渐开线花键 两端采用无切削加工的直齿渐开线花键联结，花键标准压力角为，模数取2因此花键齿数z=10 则分度圆直径 小径 周节 基本齿槽宽 基本齿厚 又根据下表，花键长度和公差等级，选取齿向公差则该外渐开线花键可表示为： GB3478.1-83表四 渐开线花键齿向公差 (3)过渡段设计从端部直径到杆部直径之间的一段称为过渡段为了使这段应力集中降到最小，过渡段的尺寸应该是逐渐变化的。

过渡段长 过渡圆角 过渡段可以分为靠近直径为D的花键端部的非有效部分和靠近直径为d的杆部的有效部分，即这一部分可以看作是扭杆工作长度的一部分，称为有效长度Le有效长度Le可用下式计算 (4)扭杆工作长度设计 设计前根据对汽车平顺性的要求先行选定悬架的刚度该设计要求是轿车，对平顺性要求很高，因此选取悬架的固有频率 由 得：图5 双横臂独立悬架示意图已知上横臂长221mm，下横臂长340mm，球销长204mm主销内倾角，主销偏移距10mm，主销后倾角,车轮接地点侧向滑移量为10mm上横臂轴水平斜置角：-5°下横臂轴水平斜置角：10°因此求得：b=220mm，a=435mm，d=204mm，e=122mm则则扭杆刚度扭杆的工作长度用下式计算 取式中，G为切变模量，设计时取；为扭杆的扭转刚度分析上式可知：扭杆直径d和有效长度L对扭杆的扭转刚度有影响 a.增加扭杆直径d会使扭杆的扭转刚度增大，，所以汽车平顺性变坏 b.增加扭杆有效长度L能减小扭杆的扭转刚度，使汽车平顺性获得改善扭杆的工作长度L等于杆身长Lo再加上有效长度Le的两倍，即 根据表三，扭杆直线度公差为 所以 3、扭杆弹簧的校核 (1)扭转刚度校核 该设计要求为轿车，平顺性要求很高。

扭转刚度： 满足轿车的舒适性要求 (2)渐开线花键强度校核 校核渐开线花键强度能否满足扭矩要求 满足表花键许用应力要求的: 五、导向机构设计1、对前轮独立悬架导向机构的要求 (1)悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过±4.Omm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损 (2)悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度 (3)在0．4g侧向加速度作用下，车身侧倾角不大于6°～7°，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转 向效应 (4)汽车制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用2、悬架导向机构参数表五 导向机构参数悬架导向机构参数选取值推荐值前轮外倾角主销内倾角主销便宜距主销后倾角前轮前束角车轮接地点侧向滑移量图6 导向机构示意图3、纵向平面内上、下横臂的布置方案 上、下横臂轴抗前俯角的匹配对主销后倾角的变化有较大影响下图给出了六种可能布置方案的主销后倾角λ值随车轮跳动的曲线图中横坐标为λ值，纵坐标为车轮接地中心的垂直位移量各匹配方案中β1、β2角度的取值见图注，其正负号按右手定则确定。

图7 的匹配对λ的影响为了提高汽车的制动稳定性和舒适性，一般希望主销后倾角的变化规律为：在悬架弹簧压缩时后倾角增大；在弹簧拉伸时后倾角减小，用以造成制动时因主销后倾角变大而在控制臂支架上产生防止制动前俯的力矩第1、2、6方案的主销后倾角变化规律是比较好的，所以这三种方案在。