畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-全功率燃料電池汽車前懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全功率燃料電池汽車前懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是daind。作為全功率燃料電池汽車前懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文從匹配選型、設(shè)計(jì)計(jì)算和ADAMS同向輪跳分析等方面對燃料電池汽車懸架設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。說明書在幾種常用的前懸架中，通過對比分析選擇麥弗遜懸架作為設(shè)計(jì)對象，參考部分電動(dòng)車和燃料電池汽車，根據(jù)燃料電池汽車特性在傳統(tǒng)麥弗遜懸架的基礎(chǔ)上，主要對橫向穩(wěn)定桿、螺旋彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減振器進(jìn)行再設(shè)計(jì)計(jì)算；根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)用CATIA建立燃料電池汽車懸架的三維模型；應(yīng)用ADAMS對燃料電池汽車懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析了同向輪跳時(shí)車輪定位參數(shù)和輪距的變化情況，從而對所設(shè)計(jì)的懸架進(jìn)行評價(jià)。 關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架；ADAMS分析；燃料電池汽車

AbstractSuspensionisanimportantandbasicassemblyofchassis.Asthefrontsuspensionsystemdesignoffullpowerfuelcellvehicle,thispaperintroducesthesuspensiondesignfromtheaspectsofsuspensionselection,calculationandsimulation.Firstly,themanuallistsseveralcommonfrontsuspensions,andselectstheMcPhersonsuspensionasthedesignobjectthroughcomparativeanalysis.Accordingtosomeelectricvehiclesandfuelcellvehiclesandthecharacteristicsoffuelcellvehicles,onthebasisofthetraditionalMcPhersonsuspension,itmainlyredesignsandcalculatesthespiralspring,shockabsorber,guidemechanismandlateralstabilizerbar.Thenitbuildsthethree-dimensionalmodelbyusingCATIA.ThekinematicssimulationoffuelcellvehiclesuspensioniscarriedoutbyusingADAMS,andthechangesofwheelalignmentparametersandtrackwidthareanalyzedwhenthewheelsarejumpinginthesamedirection,soastoevaluatethedesignedsuspensionKeyWords:McPhersonsuspension;Adamsanalysis；fuelcellvehicle

目錄第1章緒論 第1章緒論1.1選題背景意義汽車已經(jīng)逐漸成為日常生活的必需品，每年數(shù)量都以千萬的速度遞增，這也就導(dǎo)致了目前常被人詬病的尾氣排放，另外能源問題也一直為汽車發(fā)展敲響警鐘，在這兩個(gè)嚴(yán)峻的大背景下，新型能源汽車開發(fā)成為各國廠商研發(fā)的重點(diǎn)，燃料電池以其獨(dú)特的優(yōu)勢占有一席之地。氫氣作為一個(gè)清潔可持續(xù)的燃料，氫燃料電池汽車是環(huán)境友好型新能源汽車ADDINNE.Ref.{6CD4CB89-557A-4942-BA12-B0E8E6EB236C}[1]，與純電動(dòng)汽車相比，具有不需要長時(shí)間充能而且續(xù)駛里程長、動(dòng)力性高的特點(diǎn)，是2l世紀(jì)最有發(fā)展前景的新能源環(huán)保型汽車。根國際能源署預(yù)測2030世界汽車銷量的2%-3%將有氫燃料電池汽車占據(jù)，2050年，其比重將進(jìn)一步提高到15%左右ADDINNE.Ref.{14F8BCD7-719A-440D-A189-395FB758D4AA}[2]。所以說氫燃料電池汽車在未來的汽車市場中將占據(jù)重要位置。懸架作為現(xiàn)代汽車的基本總成之一，它在傳遞車輪和車身之間的一切力和力矩的同時(shí)，還要做到緩和路面沖擊載荷，并快速衰減振動(dòng)，以滿足乘客對行駛平順性和舒適性的要求。不過現(xiàn)在大多燃料電池汽車除了動(dòng)力部分外，其他結(jié)構(gòu)都是借用傳統(tǒng)汽車的，本題將基于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)，根據(jù)燃料電池本身特性、結(jié)構(gòu)布置等方面因素，重新設(shè)計(jì)計(jì)算懸架的彈性元件、阻尼元件和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等零件，以滿足使用要求。所以說本題具有一定的實(shí)際的意義，同時(shí)也迎合了時(shí)代發(fā)展的需求。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀研究氫燃料電池汽車以有半個(gè)多世紀(jì)，目前已經(jīng)有較大的實(shí)用價(jià)值。1968年，通用汽車公司推出上第一款真正意義上的氫燃料電池汽車，自此，燃料電池汽車成為汽車大家族中的一員，各大汽車公司和研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)加大對燃料電池研發(fā)的力度ADDINNE.Ref.{0CE6465C-84A7-46DD-ADED-3B7E4070615B}[3]。特別是近些年來，氫燃料電池汽車方面頻頻傳來喜人的消息，其中德國就對其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作了規(guī)劃，在2012，德國政府、奔馳和大眾就聯(lián)合宣布要共同建立氫燃料加注網(wǎng)絡(luò)，到2015年建成1000個(gè)加氫站；在技術(shù)方面，現(xiàn)代汽車公司從2000年開始，在接下來十三年中完成了三次氫燃料電池的研發(fā)，收個(gè)有批量生產(chǎn)氫燃料電池汽車的廠商誕生。2016年3月10日，本田汽車公司推出首款量產(chǎn)版的氫燃料電池汽車—ClarityFuelCell，并推向市場，該款氫燃料電池汽車充氣時(shí)間只需三分鐘，單次充氣最高續(xù)航里程達(dá)到750公里ADDINNE.Ref.{47EC8DC0-6FA8-469D-BB94-E634F81A3D08}[4]，這進(jìn)一步增強(qiáng)了氫燃料電池汽車的實(shí)用性。迄今為止，我國投入了十幾年時(shí)間在氫燃料電池汽車技術(shù)的攻關(guān)與研發(fā)上成果顯著，從一無所有到現(xiàn)在已經(jīng)初步具備了小批量生產(chǎn)的條件，但我國的技術(shù)與頂尖燃料電池汽車技術(shù)仍存在不小的差距，首先是在燃料電池堆和整車性能方面，其次對于氫的制取儲存也稍顯不足，另外整車成本也不占優(yōu)勢?？偠灾?，全球從未對氫燃料電池汽車的研究，有不少喜人的成就，但是目前仍受配套基礎(chǔ)設(shè)施和氫氣高效生產(chǎn)、存儲、運(yùn)輸?shù)纫蛩刂萍s，市場接受度不高，反過來影響了它的發(fā)展未來還需進(jìn)一步發(fā)展完善。自1886年汽車誕生以來，對懸架的研究從未停止，彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器的種類不斷增多，懸架形式也不斷豐富。如今，汽車已不單是一種交通工具，市場對其的舒適性的要求逐漸提高，不過道路交通的發(fā)展使得汽車車速有了很大的提高，以往的被動(dòng)懸架已經(jīng)不能滿足高舒適性需求。為此能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動(dòng)懸架誕生，不過技術(shù)難于突破而且造價(jià)不菲，在汽車上沒有得到廣泛應(yīng)用。半主動(dòng)懸架從改變阻尼來提升性能，沒有復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以造價(jià)不高，而且對整車動(dòng)力幾乎不會有影響，所以市場接受高，研究機(jī)構(gòu)和廠商也愿意取去進(jìn)一步研究，其技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)后期就趨于成熟，在轎車上應(yīng)用的反向較好。但就我國而言，對于此類技術(shù)研究起步晚、研究機(jī)構(gòu)少，目前仍以被動(dòng)懸架為主。目前懸架設(shè)計(jì)方法基本成熟。各種建模、畫圖、分析軟件的開發(fā)應(yīng)用為汽車行業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)力的支持，汽車產(chǎn)品在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中不論是速度還是質(zhì)量都有很大的提升ADDINNE.Ref.{6BCB8528-AA87-40DC-BE32-B6C0B7C15D9B}[5]。具體到汽車懸架系統(tǒng)的開發(fā)方面,逆向技術(shù)、造型技術(shù)和仿真技術(shù)的應(yīng)用也是十分廣泛ADDINNE.Ref.{E0EC0DC5-E0E6-475B-9101-A428F1E0A83B}[6]，而且根據(jù)積累的的材料，各個(gè)公司都有一套自己的平臺，大多的創(chuàng)新發(fā)展都是基于原有平臺再開發(fā)，基本結(jié)構(gòu)不會有太大的變化，而是調(diào)整參數(shù)來提升性能。本次燃料電池汽車的懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)也基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車懸架，結(jié)構(gòu)上大同小異，不過具體參數(shù)需要做適應(yīng)性調(diào)整。本次設(shè)計(jì)只考慮了載荷和載荷分配兩個(gè)方面對前懸架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。1.3課題研究內(nèi)容在本課題中，主要內(nèi)容和設(shè)計(jì)任務(wù)是以下幾個(gè)方面，同時(shí)設(shè)計(jì)需要反復(fù)交叉進(jìn)行，以滿足設(shè)計(jì)要求根據(jù)參考車型的基本參數(shù)，結(jié)合燃料電池汽車特性對前懸架的主要零部件（如橫向穩(wěn)定桿、彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器等）進(jìn)行再設(shè)計(jì)。根據(jù)上一階段的成果，畫出三維模型，在此基礎(chǔ)上仿真分析所設(shè)計(jì)懸架的性能將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖。本次研究的主要目的是為了讓我在研究過程中對汽車懸架的設(shè)計(jì)流程有更深層次的認(rèn)識，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程過熟悉相關(guān)軟件。

第2章懸架方案分析2.1懸架概述懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間彈性連接裝置的總稱ADDINNE.Ref.{C90E065F-F836-4DFA-A676-59DE677648DE}[7]。它在傳遞車輪和車身之間的一切力和力矩的同時(shí)，還要做到緩和路面沖擊載荷，并快速衰減振動(dòng)，以滿足乘客對行駛平順性和舒適性的要求。要保證懸架能夠起到上述作用，首先要是在車輪與車身之間使用彈性元件，既能承受垂直載荷，又能依靠變形吸收能量，緩和沖擊，普通乘用車懸架上使用的彈性元件一般有鋼板彈簧、螺旋彈簧等；當(dāng)有彈性連接時(shí)，汽車可以看成由簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量和彈簧組成的雙質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)阻尼元件就可以用來來衰減承載系統(tǒng)的振動(dòng)，改善汽車的平順性，目前廣泛使用的減振器是液力減振器；另外，為了能確保傳遞一切力和力矩，通常要裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，保證汽車受力時(shí)限制車輪定位參數(shù)的變化，確保側(cè)傾中心和縱傾中心處在合適位置。除此之外，有些懸架還會加裝橫向穩(wěn)定桿和緩沖塊，以抵抗側(cè)傾、限制行程。圖2.1汽車懸架結(jié)構(gòu)圖目前，懸架的有兩個(gè)大類，分別是獨(dú)立和非獨(dú)立懸架，這是根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的不同來分的。非獨(dú)立懸架應(yīng)用于整體式車橋上，車橋與車輪相聯(lián)，一側(cè)車輪受沖擊時(shí)另一側(cè)車輪也會運(yùn)動(dòng)，如圖2.2所示。由結(jié)構(gòu)決定，其簧下質(zhì)量比較大，特別是在高速且受到?jīng)_擊力時(shí)，從平順性會因沖擊力過大而受影響。不過鋼板彈簧常作為其彈性元件，且能兼起導(dǎo)向作用，所以懸架結(jié)構(gòu)會大為簡化，成本也會降低。通常在貨車和大客車上會用這種懸架，轎車可以將其作為后懸架使用。獨(dú)立懸架采用斷開式車橋，兩側(cè)車輪相互獨(dú)立，和車架（或車身）彈性連接，所以能夠能夠獨(dú)立跳動(dòng)，如圖2.2，這樣前部空間會增大，前部質(zhì)心高度可以降低，這樣有利于降低整車質(zhì)心，提高行駛穩(wěn)定；獨(dú)立懸架的跳動(dòng)量比較大，相比非獨(dú)立懸架，轉(zhuǎn)向要好一些，同時(shí)彈簧剛度設(shè)計(jì)值可低一些，允許其有較大的變形，一次獲得較好的平順性；此外，獨(dú)立懸架簧下質(zhì)量比較小，沖擊時(shí)受到的力比較小。因此在乘用車和部分商用車經(jīng)常采用獨(dú)立懸架。圖2.2非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架2.2懸架選型 在上2.1中講到，獨(dú)立懸架在操縱穩(wěn)定性和行駛平順性方面具有加大的優(yōu)勢，故本次前懸架的定位為獨(dú)立懸架。但是，獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)類型多，前懸架上用的多的是叉臂式、多連桿式和麥弗遜式這四種。2.2.1雙橫臂式獨(dú)立懸架圖2.3雙橫臂式獨(dú)立前懸架雙橫臂獨(dú)立懸架（見圖2.3）有等長式和不等長式，但我們不希望看到輪距在行駛過程中變化過大，所以通常選用不等長式，在設(shè)計(jì)過程中合理選擇上下臂長比，其主銷的角度和輪距會在比較小的范圍內(nèi)變動(dòng)。雙橫臂獨(dú)立懸架在轎車前輪上應(yīng)用較多，其減振器的負(fù)荷小，壽命長，而且側(cè)傾中心高度低，穩(wěn)定性較好。不過結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所占用的空間比較大，不適用結(jié)構(gòu)緊湊的前驅(qū)車上。2.2.2雙叉臂式獨(dú)立懸架圖2.4雙叉臂獨(dú)立懸架它又稱雙A臂懸架（見圖2.4），橫向力可有兩個(gè)叉臂同時(shí)承受，所以橫向變形小，轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)傾小，能夠精確定位前輪各種參數(shù)。同時(shí)通過合理設(shè)計(jì)叉臂，能達(dá)到雙橫臂懸架一樣的效果，同時(shí)其輪胎接地面積大，路面適應(yīng)好，運(yùn)動(dòng)性能出色。不過因?yàn)橹圃斐杀靖撸ㄎ粎?shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，通常在超跑上應(yīng)用較多，普通乘用車上一般不會使用。2.2.3多連桿式獨(dú)立懸架多連桿獨(dú)立懸架（見圖2.5）是多根桿件同時(shí)受力，可以聯(lián)合控制車輪參數(shù)的變化，一般可以設(shè)計(jì)四到五根控制桿。因?yàn)闂U系多，懸架受力均勻，所以平衡性能好，操縱穩(wěn)定性好。同樣也因?yàn)闂U系多，結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜，占用空間大，設(shè)計(jì)時(shí)桿件布置需要精心設(shè)計(jì)，而且造價(jià)也很高，所以對于性能要求不是很高的普通汽車、空間小的緊湊型車上不會應(yīng)用這種懸架。2.2.4麥弗遜式獨(dú)立懸架這種懸架（見圖2.6）目前在轎車前懸架中很常見，以結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小著稱，它能夠使得前部可以布置發(fā)動(dòng)機(jī)。其減振器相當(dāng)于滑柱，螺旋彈簧套在減振器外面，車輪受減振器引導(dǎo)上下跳動(dòng)。麥弗遜懸架只有一根下控制臂，在對力的控制方面能力有所欠缺。通常在中低檔乘用車的很常見。圖2.5多連桿式獨(dú)立懸架圖2.6麥弗遜式獨(dú)立懸架2.3結(jié)論在前面的討論中，可以看到雙橫臂式、雙叉臂式、多連桿式和麥弗遜式四種懸架各有優(yōu)缺點(diǎn)，首先本次設(shè)計(jì)的車型是一款較緊湊的燃料電池前驅(qū)汽車，雖然沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)，但前部空間需要布置驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電池，因此前懸架所占用的空間不宜過大。所以就空間來看，麥弗遜式懸架是非常適合的；再來看性能，顯而易見，多連桿式和雙叉臂式懸架性能優(yōu)良，但本款車的定位不是高級汽車，應(yīng)用這兩種懸架會性能過剩，雖然麥弗遜懸架性能差強(qiáng)人意，但足以滿足在市區(qū)這些條件比較好的道路行駛。所以，綜合空間和性能等設(shè)計(jì)要求來看，結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜的麥弗遜式懸架是比較好的選擇。所以選用麥弗遜懸架作為全功率燃料電池汽車的前懸架。

第3章懸架設(shè)計(jì)參數(shù)3.1初始設(shè)計(jì)參數(shù)懸架設(shè)計(jì)確定好結(jié)構(gòu)形式之后就可以根據(jù)參考車型確定好設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)，為接下來的設(shè)計(jì)計(jì)算做好準(zhǔn)備。此次設(shè)計(jì)是全功率燃料電池汽車前懸架設(shè)計(jì)。初始參數(shù)如表3-1所示表3.1設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)數(shù)值長/寬/高（mm）4600/1800/1400軸距（mm）2700前輪距（mm）1600滿載質(zhì)量（kg）1800主銷內(nèi)傾角13°主銷后傾角2°10′車輪外傾角40′前束0軸荷分配（前軸）56%輪胎尺寸225/55R163.2懸架的彈性特性3.2.1懸架頻率的選擇這里取分配系數(shù)ε=1，這樣整車振動(dòng)就可以分開，前后橋振動(dòng)互不影響，分別用偏頻n1、n2表示前后懸架的自由振動(dòng)頻率，偏頻越小，則汽車的平順性越好，一般采用鋼制彈簧的轎車，n1約為1～1.3Hz（60～80次/min），n2約為1.17～1.5Hz（70～90次/min）ADDINNE.Ref.{594ACD80-D8B7-4D78-A483-36A5EFF1891C}[8]，這與人體步行時(shí)的自然頻率非常接近。這里取3.2.2剛度計(jì)算 懸架的靜撓度與動(dòng)撓度之和是其工作行程。單側(cè)簧上質(zhì)量ms=1800×0.56-702=464.0kg懸架剛度C=（2πn1）23.2.3懸架撓度計(jì)算之前提到，從平順性角度看，偏頻小一點(diǎn)好，不過也會隨之帶來一定載荷下變形量大的問題，對于一般轎車而言，懸架總工作行程（靜撓度與動(dòng)撓度之和）應(yīng)當(dāng)不小于160mm。懸架靜撓度fc=ms×g懸架動(dòng)撓度fd≥0.5fc=0.5×17.239=8.619cm取fd=9cm,則fc+fd=26.239cm>16cm，符合要求。3.3本章小結(jié)本章收集的數(shù)據(jù)制定了設(shè)計(jì)基本參數(shù)，同時(shí)確定了懸架的一些基本空間位置，而后選擇合適的偏頻，計(jì)算了懸架的動(dòng)、靜撓度。這些為下一章懸架具體參數(shù)設(shè)計(jì)做了準(zhǔn)備。

第4章麥弗遜懸架零件設(shè)計(jì)4.1螺旋彈簧設(shè)計(jì)作為懸架主要零件的彈性元件，在經(jīng)過不平路面時(shí)懸架能靠它減緩沖擊，降低不舒服的感覺，同時(shí)也可減少貨物被破壞的可能性。螺旋彈簧結(jié)構(gòu)緊湊、比能容量高、制造方便，在輕型以下汽車的懸架使用常螺旋彈簧作為彈性元件。60Si2MnA在交變載荷下的疲勞壽命比較高，本次設(shè)計(jì)選擇它為彈簧材料。4.1.1彈簧的受力對彈簧進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算可以得靜平衡位置處彈簧所受壓縮力P與車輪載荷N的關(guān)系式:P=N×cosβcos(β+δ-α)式中：β——車輪外傾角；δ——減振器軸線的內(nèi)傾角；α——減振器軸線與主銷軸線夾角。（1）最大受力彈簧所受的最大力Pdmax為Pdmax=k×P=1.4×4550=6825Nk——?jiǎng)虞d系數(shù)，這里取為1.54.1.2彈簧主要參數(shù)材料許用應(yīng)力根據(jù)所選用的彈簧材料，查資料可得60Si2MnA的性能如表4.1所示。表4.160Si2MnA性能參數(shù)參數(shù)數(shù)值許用剪切應(yīng)力[τ]640MPa剪切模量G80000MPa彈性模量E200000MPa許用應(yīng)力[σ]800MPa選擇彈簧旋繞比本次設(shè)計(jì)初選旋繞比C=8，因?yàn)檫x擇他對彈簧的加工有重要影響，如果過小會加工困難。彈簧絲直徑d根據(jù)旋繞比可得曲率系數(shù)K'=4C-14C-4+0.615C=1.18d≥1.6K'PdmaxCτ選d=14mm彈簧中徑D2D2=C×d=8×14=112mm選擇D2=110彈簧圈數(shù)n的選擇：有效圈數(shù)i取8，彈簧兩端碾細(xì)，總?cè)?shù)n=10圈校核剛度Cs=Gd48切應(yīng)力τ=8PD2K'π符合要求。4.1.3其他參數(shù)計(jì)算最大變形量F=PdmaxCs=6825彈簧的工作極限變形Fj≤1.12F=1.12×229.0=256.5mm（4-9工作極限載荷Pj≤PFjF=7712.32彈簧的幾何尺寸節(jié)距tt=d+Fn+0.1d=39.5mm（自由高度HoH0=n?t+1.5d=396mm（4取H0=400mm螺旋角α=tan-1tπD2=6.51°外徑D=D2+d=114mm（內(nèi)徑D1=D2-d=96mm4.2減振器設(shè)計(jì)麥弗遜懸架的減振器是在彈簧里面，兩者并聯(lián)工作。兩者共同工作可以快速衰減振動(dòng)能量。減振器主要依靠的是分子間摩擦，具體來說還車架與車橋間的相對運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇p振器中的活塞在缸筒內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，油液反復(fù)地通過一些窄小的孔隙進(jìn)行流動(dòng)，此時(shí)，孔壁與油液及液體分子內(nèi)就會有摩擦，摩擦在力上的反映是阻尼力、能量上的反映是熱量，所以動(dòng)能能夠快速被消耗。本次設(shè)計(jì)的減振器為雙向作用筒式減振器，其壓縮和伸張行程都能產(chǎn)生阻尼力，通過壓縮和伸張將懸架垂直振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵哼\(yùn)動(dòng)，再通過摩擦作用將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使振動(dòng)迅速衰減。4.2.1雙筒式減振器工作原理圖4.1雙向筒式減振器原理示意圖之前說到它無論是被壓縮還是被拉伸，都能衰減振動(dòng)，其工作機(jī)理是上下運(yùn)動(dòng)時(shí)都有油液在閥門中流動(dòng)，通過節(jié)流作用產(chǎn)生阻尼力。其結(jié)構(gòu)上有上下兩個(gè)腔室，腔室之間有4-伸張閥、8-流通閥，另外還有儲油缸筒，用以補(bǔ)償、存儲油液，它與下腔室有6-壓縮閥、7-補(bǔ)償閥（見圖4.1）。壓縮時(shí)，活塞向下滑動(dòng)，此時(shí)上腔空間增大，油壓降低，下腔減小，流通閥8會因油壓升高而被迫打開，油液流入上腔；同時(shí)，活塞自身也有體積，下移過程中會占用部分上腔空間，下腔仍然處于高壓狀態(tài)，所以部分油液會通過壓縮閥流入儲油缸筒。流動(dòng)過程的摩擦和閥門對油液的節(jié)流作用便產(chǎn)生了阻尼。伸張時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)方向相反，也就導(dǎo)致了上下腔壓強(qiáng)變化相反，所以伸張閥4被上腔高壓油液沖開，流入下腔；活塞上移，其占用的體積減小，上腔空間減下部分小于下腔增加空間，所以下腔仍然處于低壓狀態(tài)，儲油缸筒里的油液會沖開補(bǔ)償閥7被吸入下腔。同樣，這些分子間摩擦和閥門的節(jié)流作用就產(chǎn)生了阻尼。同時(shí)，因?yàn)樯舷虑婚g有常通孔（圖上未畫出），因?yàn)榻孛嫘?，所以阻尼力達(dá)很大，故當(dāng)速度較小時(shí)，上下油壓差不足以推開閥門時(shí)，就會產(chǎn)生很大的阻尼力快速消耗能量。當(dāng)速度達(dá)到閾值時(shí)，閥門會打開，阻尼特性會有所變化，閥門完全打開時(shí)，特性又會有所不同（見圖4.2）。因此通過調(diào)整閥門的預(yù)緊力，就能得到比較理想的壓縮、伸張行程阻尼特性。圖4.2閥的開啟程度對減振器特性影響示意圖4.2.2減震器參數(shù)相對阻尼系數(shù)相對阻尼系數(shù)ψ是減振器裝車后的基本參數(shù)。減震器的阻尼作用在與不同懸掛質(zhì)量和不同懸架剛度C和的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)，阻尼效果會有所不同。阻尼值大，振動(dòng)能迅速衰減，但是會把較大的路面沖擊力傳到車身；阻尼值小則相反。通常況下，壓縮行程阻尼小于伸張行程時(shí)的阻尼，兩者比值ΨSΨY=0.25-0.50。設(shè)計(jì)時(shí)，還要確定ΨS與取ΨSΨY=13ψ=ψs+ψY2計(jì)算得：=0.525，=0.175減震器阻尼系數(shù)的確定選擇圖4.3的布置形式，根據(jù)減震器的布置特點(diǎn)確定減震器的阻尼系數(shù)，則阻尼系數(shù)δ為：δ=2ψms?b2a圖4.3減震器的布置ω=2πn1=7.54Hz（根據(jù)懸架布置取a代入數(shù)據(jù)得阻尼系數(shù)：δ=3263.4N?s/m減振器最大卸載力F0當(dāng)減振器活塞速度達(dá)到一定值時(shí)，減振器需要打開卸載閥來減少傳遞到車身上的沖擊力。此時(shí)的活塞速度稱為卸載速度VVx=A?acosab式中，Vx——卸載速度，一般為0.15~0.3m/s;A——車身振幅，取±40mm；?——懸架振動(dòng)固有頻率。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得卸載速度為：Vs符合要求。伸張行程最大卸載力公式：F0=cδVs式中，c為沖擊載荷系數(shù)，取c=1.5；代入數(shù)據(jù)得最大卸載力：F減振器工作缸直徑D的確定根據(jù)最大卸載力可以得到工作缸直徑D：D=4F0π[P](1-λ2)其中，[P]——工作缸最大壓力，在3Mpa~4Mpa,取[P]=3N/mm2；λ——連桿直徑與工作缸直徑比值，λ=0.4~0.5，取λ=0.45。代入計(jì)算得工作缸直徑D為：D=25.52mm減振器的工作缸直徑D及其他尺寸見下表表4.2減振器工作缸直徑表工作缸直徑D（mm）203040（45）5065表4.3減振器其他尺寸表工作缸直徑D/mm基長L/mm貯油最大直徑D1/mm防塵罩最大直徑D2/mm活塞行程S/mm（間隔為10mm）2080344090-200301034856110-250401406575130-280501558090170-2806517090102190-280根據(jù)表4.2選擇減振器工作缸直徑D=30mm，對照表4.3選擇其他尺寸參數(shù)：取活塞行程S=230mm，基長L=103mm，則：LLmax取防塵罩直徑為55mm，貯油缸壁厚2mm、直徑為Dc=45mm4.3橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)4.3.1橫向穩(wěn)定桿的作用橫向穩(wěn)定桿直線行駛時(shí)不起作用，當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)傾時(shí)，它就相當(dāng)于一根扭桿彈簧。它可以和下擺臂或減振器滑柱連接。當(dāng)車輪只上下跳動(dòng)時(shí)，車身不會左右晃動(dòng)，穩(wěn)定桿不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，但當(dāng)車輛受橫向力時(shí)，車身會朝一側(cè)變形，那么橫向穩(wěn)定桿就會扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的彈力，抑制車輛側(cè)傾，車輛行駛穩(wěn)定性就得到了提高。4.3.2橫向穩(wěn)定桿參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)桿的尺寸：桿的直徑d=14mm，桿長L=1200mm，L1=100mm，c=410mm，a=90mm，b=100mm，L2=190mm，見圖4.4。圖4.4橫向穩(wěn)定桿簡圖剛度計(jì)算Kφ1=3EIL2式中:E——材料彈性模量，為20600N/mm2截面慣性矩I=πd464=1402mm4數(shù)據(jù)代入（4-17）的K?s1=4.3.3側(cè)傾角校核圖4.5計(jì)算側(cè)傾角剛度示意圖側(cè)傾角剛度計(jì)算根據(jù)圖4-10，可以得到計(jì)算懸架角剛度的參數(shù)，此時(shí)是沒有橫向穩(wěn)定桿的K（4-24）Csm,s,n——由懸架結(jié)構(gòu)可算得分別為805.56mm,3040.8mm，3243.6mmK?s=K?s1側(cè)傾角計(jì)算h=（4-26）h1,L1，L根據(jù)圖4-11，可得側(cè)傾角θ=μW(H-h)圖4.6四輪車的側(cè)傾其中H——整車質(zhì)心，取500mm;m1,m2——前后懸架側(cè)傾角剛度，分別代入計(jì)算的θ=2.184.4導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.4.1設(shè)計(jì)要求當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，我們希望車身的運(yùn)動(dòng)軌跡要合理，這就需要有東西來限制其運(yùn)動(dòng)，通常這個(gè)任務(wù)就由傳力機(jī)構(gòu)來承擔(dān)，所以稱這些傳力機(jī)構(gòu)為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。對前輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求（1）車輪產(chǎn)生的縱向加速度不應(yīng)過大，同時(shí)前輪定位參數(shù)變化要合理；（2）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，側(cè)傾角要小。（3）制動(dòng)和加速時(shí)，車身有抗前俯和抗后仰作用ADDINNE.Ref.{BB0D2FD8-A1FE-4F33-B7F0-1B4D5727C4E8}[9]（4）簧上質(zhì)量變化時(shí)，為防輪胎早期磨損，要保證輪距變化不超過±4.0mm；。4.4.2導(dǎo)向機(jī)構(gòu)布置參數(shù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承受了比較復(fù)雜的力，因此其布置是對汽車穩(wěn)定性和平順性有重要的影響，設(shè)計(jì)從側(cè)傾中心和縱傾中心考慮。側(cè)傾中心汽車在行駛過程中受到橫向力時(shí)，車身會繞側(cè)傾軸回轉(zhuǎn)，前后軸側(cè)傾中心的連線就是車輛的側(cè)傾軸。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要將后軸的側(cè)傾中心設(shè)計(jì)的比前軸高，以保證汽車有不足轉(zhuǎn)向特性。一般來說，側(cè)傾中心越低，其側(cè)傾角剛度越大，獨(dú)立懸架的側(cè)傾中心高不宜超過150mm。根據(jù)圖4.7可以計(jì)算出麥弗遜懸架的側(cè)傾中心。G——下橫臂與轉(zhuǎn)向節(jié)的安裝點(diǎn)，離地高度d為240mm;E——減振器上安裝點(diǎn)，EG長度為640mm;D——下橫臂與車身連接點(diǎn)，GD長度為240；rs——主銷偏移距，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為15mm；?——下擺臂水平夾角，取為4°。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以算出側(cè)傾中心高度hw=111.77mm,后軸側(cè)傾中心高度為121mm,符合要求。圖4.7側(cè)傾中心計(jì)算圖縱傾中心麥弗遜的縱傾中心可以通過作圖法確定，首先連接橫擺臂前后安裝點(diǎn)EF并延長，再作減振器滑動(dòng)方向垂線，兩者交點(diǎn)即為縱傾中心ADDINNE.Ref.{1632D1D9-E6A5-49D6-AFC2-C984E5115469}[10]，如圖4.8顯然O點(diǎn)位置與T點(diǎn)和E、F的布置有關(guān)系。懸架的擺臂前后安裝點(diǎn)連線與主銷后傾角的匹配,影響汽車的點(diǎn)頭和后仰特性。圖4-5中,點(diǎn)O′是縱向平面內(nèi)前懸架相對于車身跳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)瞬心。γ——靜平衡位置的主銷后傾角-?′——擺臂的抗俯角當(dāng)-?′≠γ，運(yùn)動(dòng)瞬心會交于前輪的前方或后方。當(dāng)O′在前輪前方時(shí)，在懸架壓縮行程中γ角有減小趨勢，當(dāng)O′在前輪后方時(shí)，在懸架壓縮行程中γ角有增大趨勢。一般希望在壓縮時(shí)，γ能減小，所以在本次設(shè)計(jì)中-?′取為零，O′交于前輪后方。圖4.8計(jì)算圖縱傾中心圖4.9縱傾示意圖4.5懸架三維模型根據(jù)上述設(shè)計(jì)出的尺寸和布置數(shù)據(jù)，在CATIA中建立如下模型：螺旋彈簧圖4.10螺旋彈簧模型減振器圖4.11減振器模型導(dǎo)向機(jī)構(gòu)圖4.12導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型橫向穩(wěn)定桿圖4.13橫向穩(wěn)定桿模型懸架裝配圖4.14懸架裝配模型4.6本章小結(jié)本章根據(jù)設(shè)計(jì)基本參數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)算并校核了橫向穩(wěn)定桿、螺旋彈簧、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和雙筒式減振器、橫向穩(wěn)定桿和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，此外還設(shè)計(jì)了懸架的空間參數(shù)，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，使用CATIA完成了三維建模。

第5章ADAMS懸架跳動(dòng)分析通常對懸架、整車等進(jìn)行分析時(shí)，會選擇ADAMS。Adams是集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件，是廣泛使用的機(jī)械方針分析軟件，它可以對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化等系列操作，可以為機(jī)械設(shè)計(jì)提供極大的助力，Adams有多個(gè)模塊，都有著不同的作用。本次設(shè)計(jì)的分析采用Adamscar模塊，這是一個(gè)汽車模塊，通過這一模塊可以對懸架、整車等進(jìn)行建模和仿真ADDINNE.Ref.{26945284-B133-4BA2-80EB-6D764F15187B}[11]。5.1建模首先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及CATIA三維模型，可以確定關(guān)鍵連接點(diǎn)的位置，即懸架的硬點(diǎn)，表5.1是在Adams軟件里建立麥弗遜懸架時(shí)需要的硬點(diǎn)坐標(biāo)（以懸架右側(cè)坐標(biāo)為例，左右兩側(cè)坐標(biāo)關(guān)于XZ平面對稱）。表5.1硬點(diǎn)坐標(biāo)硬點(diǎn)X(mm)Y(mm)Z(mm)Drive_shaft_inr（驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)支點(diǎn)）0200327Lca_front（下控制臂前支點(diǎn)）-100430261lca_outer（下控制臂外支點(diǎn)）0730240lca_rear（下控制臂后支點(diǎn)）100430261Spring_lwr_seat（彈簧下支座點(diǎn)）14597.2613Strut_low_mount（減振器下安裝點(diǎn)）6.8648426Subframe_front（副車架前支點(diǎn)）-200430261Subframe_rear（副車架后支點(diǎn)）200430261Tiefod_inner（轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點(diǎn)）200400327Tiefod_outer（轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點(diǎn)）150750327Top_mount（減振器上安裝點(diǎn)）22581.2880Wheel_center（車輪中心）0800327確立硬點(diǎn)后，就可以通過硬點(diǎn)坐標(biāo)建立部件，建立完部件后在減振器上安裝點(diǎn)處、副車架與車身連接處和下擺臂前后前后安裝點(diǎn)加上襯套，可得圖5.1。圖5.1懸架ADAMS模型建立模型之后還需要建立運(yùn)動(dòng)副，具體見表5.2，成品圖見圖5.2。表5.2懸架硬點(diǎn)約束表序號連接位置運(yùn)動(dòng)副1控制臂和副車架轉(zhuǎn)動(dòng)副2控制臂和轉(zhuǎn)向節(jié)球頭副3滑柱圓柱滑動(dòng)副4減振器和轉(zhuǎn)向節(jié)固定副5轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)球頭副6轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向器虎克鉸7副車架車身固定副8減振器和車身虎克鉸9輪轂軸承和轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副圖5.2懸架硬點(diǎn)約束圖5.2分析車輪同向跳動(dòng)麥弗遜懸架系統(tǒng)仿真分析主要是進(jìn)行懸架系統(tǒng)左右雙向平行跳動(dòng)試驗(yàn)，分析出車輪定位參數(shù)的運(yùn)動(dòng)特性曲線ADDINNE.Ref.{1DE29FF3-24F0-4003-A68A-D8022DF24DED}[12]。通過之前懸架模板，創(chuàng)建裝配體，彈簧剛度為26.9N/mm，減振器阻尼為3.3N?s/mm。上下跳動(dòng)值設(shè)為75mm，步長100。5.2.1前束角圖5.3前束角變化圖前束角的變化情況圖見圖5.3。前束角我們希望盡量不變化，它如果在行駛過程中變化過大，會影響到直線行駛，車輪與地面的滾動(dòng)阻力會增大，加速輪胎的磨損。從圖5.3中可以看到，車輪上跳五十毫米時(shí)，變化為零至-0.6°，一般前輪前束角變化的理想值為-0.5°/50mm，所以直線行駛穩(wěn)定性會受到一定的影響，但偏差不大，還是基本符合要求的。5.2.2車輪外傾角車輪外傾角的變化情況圖見圖5.4。車輪外傾角變化的影響，同樣是落在了汽車直線行駛的能力上，不宜取得過大。外傾角的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是跳動(dòng)值在五十毫米以內(nèi)時(shí)，變化范圍不能超過1°-2°，因?yàn)榭赡軙?dǎo)致汽車有過多轉(zhuǎn)向或嚴(yán)重的不足轉(zhuǎn)向。車輪外傾角初始值在之前已經(jīng)確定了，為40′，從圖5.4中可以看到，在五十毫米跳動(dòng)范圍內(nèi)，外傾角變化趨勢為0.8°~-0.3°，變化量為1.1°，符合基本要求。圖5.4外傾角變化圖5.2.3主銷后傾角主銷后傾角的變化情況圖見圖5.5。主銷后傾角的存在，會使前輪產(chǎn)生回正力矩，提高直線行駛穩(wěn)定性。對于前置前驅(qū)的轎車，其主銷后傾角的取值范圍為0°~3°。從圖5.5可以看到車輪在五十毫米跳動(dòng)范圍內(nèi)，主銷后傾角從1.75°變化到3.15°，符合基本設(shè)計(jì)要求。圖5.5主銷后傾角變化圖5.2.4主銷內(nèi)傾角圖5.6是車輪上下跳動(dòng)75mm，主銷內(nèi)傾角的變化情況圖。圖5.6主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動(dòng)變化圖主銷內(nèi)傾角的變化情況圖見圖5.6。主銷內(nèi)傾角的存在可以讓前輪自動(dòng)回正，但是過大會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重，一般在7°~13°最好，之前確定好的初始數(shù)據(jù)中主銷內(nèi)傾角為13°。從圖5.6可以看到，上下跳動(dòng)過程中，主銷內(nèi)傾角變化在1°左右，即主銷內(nèi)傾角在11.65°~13.6°符合要求，不過為了減小變化幅度，可以增加減振器上安裝點(diǎn)的襯套剛度。5.2.5輪距圖5.7是車輪上下跳動(dòng)75mm,輪距變化情況圖。一般對于普通汽車，輪距變化會使輪胎磨損，所以我們希望輪距最好是不變化，但因?yàn)楠?dú)立懸架結(jié)構(gòu)問題，輪距在行駛過程中肯定會變化，一般標(biāo)準(zhǔn)是轎車單輪的輪距變化應(yīng)在-5mm/50mm~5mm/50mm之間。從圖5.7中可以看出，車輪上跳五十毫米,單輪輪距變化為0~-2.5mm，是符合要求的。圖5.7輪距隨車輪跳動(dòng)變化圖5.3本章小結(jié)本章根據(jù)三維模型和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過ADAMS建立了分析模型，而后對模型進(jìn)行了同向輪跳實(shí)驗(yàn)，分析了車輪跳動(dòng)時(shí)車輪定位參數(shù)的變化，從分析數(shù)據(jù)可以看出，四個(gè)車輪定位參數(shù)和輪距變化基本在合理范圍內(nèi)，所以說本次設(shè)計(jì)基本符合要求。

第6章結(jié)論本文是對全功率燃料電池汽車前懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求和參