【導(dǎo)讀】轎車前懸所使用的是麥弗遜式獨(dú)立懸架。麥弗遜式獨(dú)立懸架有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、占用空間小等眾多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代輕型汽車中得到了廣泛的運(yùn)用。了設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。論文首先完成了懸架中關(guān)鍵零部件如：螺旋彈簧、橫向穩(wěn)。特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特征，并以此為基礎(chǔ)建立了懸架的物理模型和數(shù)學(xué)模型。最后，運(yùn)用機(jī)械優(yōu)化理論，以干涉量的加權(quán)均值為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了轉(zhuǎn)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)位置可以明顯地。減小干涉量，從而降低懸架跳動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的影響程度。

　　

【正文】 [XFi,YFi,Zfi]T。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為： min ?? ??ni nFEF iE12 /)(? 式中： 222 )()()( ZEZ F iYEY F iXEXFiF iE ?????? 222 )()()( ZEZFYEYFXEXFFE ?????? FiE 和 FE 分別表示擺臂擺動(dòng)角 ? i和處于平衡位置時(shí)，點(diǎn) F、 E 間的距離。 目標(biāo)函數(shù)值反映了懸架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向桿系與懸架桿系的運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)誤差。優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定斷開(kāi)點(diǎn)最佳位置的坐標(biāo) [ *F ]=[X *F ,Y *F ,Z *F ]T，使二者運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)誤差最小。 運(yùn) 用 MATLAB 編程（源程序見(jiàn)附錄 C）可得到如圖 所示的仿真結(jié)果。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析 圖 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開(kāi)點(diǎn)優(yōu)化前后干涉量的比較關(guān)系 具體運(yùn)算過(guò)程見(jiàn)程序。從斷開(kāi)點(diǎn)優(yōu)化前后干涉量的比較關(guān)系圖上 可以看出 ，在新的斷開(kāi)點(diǎn)位置下干涉量的加權(quán)平均值明顯減小， 意味著車輪上下時(shí)轉(zhuǎn)向橫拉桿與懸架運(yùn)動(dòng)之間的干涉量明顯減小，汽車的操縱穩(wěn)定性能得以提高。 可利用得到的結(jié)果對(duì)主轉(zhuǎn)向臂進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 4 關(guān)鍵零部件的校核 螺旋彈簧的強(qiáng)度校核 高徑比 b： b= 22370 4 .1 5 .390HD ? ? ? （ ） 滿足穩(wěn)定性要求。 彈簧材料長(zhǎng)度 L L= 32109 0 7 . 5 2 . 1 5 1 0c o s c o s 8 . 8 9Dn? ?? ??? ? ?mm （ ） 彈簧的實(shí)際性能參數(shù) 實(shí)際彈簧剛度： K 4yx39。s39。s ???N/m （ ） 平衡位置彈簧所受的壓縮力： P=)cos( cosN 039。v??? ???= （ ） 相應(yīng)的彈簧變形： 4339。s 105 2 ?????= （ ） 平衡位置時(shí)的彈簧長(zhǎng)度（上、下彈簧座的實(shí)際位置）： H=H0 ? == （ ） 彈簧對(duì)整車的影響 根據(jù)彈簧的實(shí)際剛度及懸架的行程傳遞比及力的傳遞比可以計(jì)算出懸架的實(shí)際線剛度： K 4yx39。s39。x 1 4 4 4 2 5 2 2 0iiK ????? （ ） 進(jìn)而可得到汽車的偏頻： f’= 4????= （ ） 并可對(duì)阻尼比 ? 進(jìn)行檢驗(yàn)： ?’=43 82 1035 C ?? ??= （ ） 根據(jù)夏利原型車的參數(shù)要求，經(jīng)比較可知此設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。 橫向穩(wěn)定桿的強(qiáng)度校核 Ⅱ 型橫向穩(wěn)定桿的強(qiáng)度校核須對(duì)下述三處進(jìn)行： （圖 ）： 端部向外彎的距離越大（ LsLs’），此區(qū)域的應(yīng)力 1v? 將越大。 1v? = )ll1(ldfC23276731s1sA ??? ???? （ ） l6=0。 1LL39。ss ??? (Ls’=725)。 fs=88mm。 Cs1=Cs[d1/d0]4。 A? ：比應(yīng)力 ( A? =)。 運(yùn)算結(jié)果為： 1v? = 圖 區(qū) H（圖 ）： 上述關(guān)系也適用于點(diǎn) H 處的應(yīng)力 2v? ：線段 l5=(LsLs’)越大，其應(yīng)力越高。 圖 2v? = 2A275731s1s )2()ll(ldfC32 ?? ????? （ ） 各參數(shù)的定義同上。 運(yùn)算結(jié)果為： 2v? = （圖 ）： 盡管通常此 處比中段產(chǎn)生的應(yīng)力較低，但由于疲勞應(yīng)力的作用，多半會(huì)在此處發(fā)生斷裂。按橫向穩(wěn)定桿中線所確定的半徑 R 越大，其應(yīng)力就越高。線段 l9 的符號(hào)是個(gè)有影響的參數(shù)，應(yīng)將其納入計(jì)算公式中。算出比值 p=R/l1 和 q=l9/l10 后，可通過(guò)查圖表確定系數(shù) Km。桿端向外彎曲 l9 越小， Km值就越小，因而應(yīng)力也越小。 R=18mm。 l9=0。 l10=523mm。 P=R/l10=。 q=l9/l10=0 根據(jù) p、 q 查圖可得 Km=。 3v? =m1031s1s KldfC32 ???? （ ） 運(yùn)算結(jié)果為： 3v? = 按上述三個(gè)應(yīng)力中最大者選擇鋼號(hào)，所選的鋼應(yīng)滿足： 3,2,1vs3,2,1vs1B / ?? ???? ?? ?? ? ：強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)， ? =~。選擇 60Si2Mn 彈簧鋼 圖 因?yàn)? 1 1 , 2 , 31 . 1 4 1 9 1 0 7 4 2 . 1 4B z u s vM P a M P a? ? ?? ? ? ?， 所以穩(wěn)定桿的強(qiáng)度足夠。 結(jié)果分析 Ⅱ 型橫向穩(wěn)定桿所需的制造材料越少，使用的材料越便宜，則越經(jīng)濟(jì)。由上述公式可以看出，桿徑的大小和桿件的材料取決于許多可改變的參數(shù)。如果將這些參數(shù)適當(dāng)?shù)刈饕恍└淖?，則可有效地降低成本。據(jù)此，應(yīng)注意： (1)剛度取決于傳遞比，即應(yīng)盡可能使橫向穩(wěn)定桿的固定點(diǎn)靠近車輪。在這種情況下，線段長(zhǎng)度與線段長(zhǎng)度相比很小，并且值接近 1。 (2)為更充分 的利用材料，在使用 2 型橫向穩(wěn)定桿時(shí)，盡可能縮短線段和的長(zhǎng)度。同時(shí)，為了得到較細(xì)的桿徑，應(yīng)力隨之略微提高。 (3)為縮短的長(zhǎng)度，鉸接點(diǎn)應(yīng)盡可能地外移。（此處是否可以考慮加長(zhǎng)中臂，這樣一方面可保證點(diǎn)外移，另一方面可以避免與下擺臂發(fā)生干涉。） (4)為使成本降低和應(yīng)力值減少，彎曲段的數(shù)目要少，由中段向端部過(guò)渡半徑要小。 5 工藝性與經(jīng)濟(jì)性分析 螺旋彈簧的工藝性 螺旋彈簧作為懸架系統(tǒng)中的重要元件對(duì)整車性能有著重要的影響 [2] 。它的彈性特性、 使用壽命、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等在很大程度上決定了整車的乘坐舒適性、行駛平順性和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在大擺動(dòng)量下保持車輪定位參數(shù)的能力。其中，彈簧的工藝性對(duì)彈簧的使用特性有著至關(guān)重要的影響作用 [23] 。 彈簧主要在動(dòng)載荷下工作，因此，要求彈簧材料具有高的抗拉強(qiáng)度極限、屈服極限、彈性極限、和疲勞極限，同時(shí)要求具有高的沖擊韌性和塑性。彈簧的工作性能要求彈簧在不發(fā)生塑性變性的情況下，能夠產(chǎn)生較大的彈性變性和積蓄較大的變性能 [24] 。彈簧材料單位體積所積蓄的最大變性能 Uu V? 稱為最大彈性比變形能 表 各種彈簧變形能的計(jì)算公式和其比值 彈簧類型 變性能計(jì)算公式 利用系數(shù) k 變形能的比值 直桿的拉伸和壓縮 22()Vk E? 1/2 板彈簧 1/6 圓形截面材料扭轉(zhuǎn)螺旋彈簧 1/8 圓形截面材料扭桿彈簧 22()Vk G? 1/4 由表 可知 22eu G?? 或 22eu E?? 式中， e? 和 e? 為剪切和拉伸極限強(qiáng)度。 從以上兩式可以看出，最大彈性變性能與材料彈性極限的平方成正比，而與材料的彈性模量成反比。因而提高材料的彈性極限和降低彈性模量，可以提高彈簧的積蓄變性能。 在變載荷作用下工作的彈簧，其材料應(yīng)具有較高的疲勞極限。疲勞極 限和材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度成正比，并且，材料表面狀態(tài)對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度影響也很大，因此，要盡可能地消除材料的表面缺陷，不允許有裂紋、劃傷、飛邊等；當(dāng)材料長(zhǎng)期在變載荷下工作時(shí)，材料將會(huì)因熱能的積聚而使其溫度變得很高，此時(shí)其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生不同程度的變化，如炭化物的球化和石墨化。這些組織的不穩(wěn)定性將促使材料的高溫性能變異：強(qiáng)度、硬度、疲勞極限和彈性模量等不同程度的降低。因此，還要求材料具有足夠的熱穩(wěn)定性。 彈簧材料的選用，應(yīng)根據(jù)彈簧所受的載荷性質(zhì)、使用要求、工作條件、尺寸規(guī)范、工作應(yīng)力大 小和使用壽命高低以及價(jià)格等因素進(jìn)行選擇 [25] 。在確定彈簧材料的截面尺寸和形狀時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮國(guó)標(biāo)或部標(biāo)規(guī)定的尺寸規(guī)格，盡量避免使用非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的材料。此外，材料的選擇還要考慮經(jīng)濟(jì)因素。在滿足了彈簧性能的條件下，應(yīng)盡可能使用價(jià)格低、來(lái)源方便的材料，以降低制造成本。 一般來(lái)講彈簧材料的加工方法有冷拉（軋）和熱拉（軋）兩種 [26] 。冷拉（軋）材料不但強(qiáng)度高，表面質(zhì)量好，而且制造工藝簡(jiǎn)單。因此，對(duì)中小型 彈簧，疲勞壽命要求高的彈簧，應(yīng)盡量選用冷拉（軋）或冷拉（軋）后磨光的彈性鋼絲。冷拉彈簧材料又可根據(jù)淬火方式分為兩種：鉛淬冷拉碳素彈簧鋼絲和油淬火回火鋼絲。前者鋼絲表面質(zhì)量好，強(qiáng)度高，并具有很好的塑性。缺點(diǎn)是在成材過(guò)程中，由于冷拉加工所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，經(jīng)低溫回火后尺寸變化較大，因而影響彈簧尺寸精度。油淬火回火鋼絲沒(méi)有殘余應(yīng)力，冷成形彈簧精度容易控制，低溫回火后尺寸變化很小，特別是沒(méi)有殘余應(yīng)力，抗松弛性能比鉛淬冷拉鋼絲要好。因此，對(duì)于轎車懸架用螺旋彈簧因其直徑小、尺寸精度要求較高、對(duì)鋼絲表面質(zhì)量要求較高，應(yīng) 優(yōu)先選用鉛淬冷拉碳素彈簧鋼絲。 當(dāng)汽車持續(xù)工作時(shí)，其彈簧因始終工作在交變應(yīng)力條件下，所以彈簧的工作溫度很高 .這就對(duì)車用彈簧材料的溫度穩(wěn)定性提出了很高的要求。表 給出了常用彈簧材料的最高工作溫度 [27] 。 表 5。 2 常用彈簧鋼的最高使用溫度 類型 代號(hào) 最高使用溫度（ 0C ） 鎳基合金 In coloy901① 500 In conel718(GH169) 600 In conelX750② 600 鈷基合金 S S816③ 400 L L605④ 600 鈮基合金 55 NbTiAl 600 ① coloy901 主要成分： %, Mn6% ,%, Fe34%, Ni 其余； ② conelX750 主要成分： Cr15%, Fe 7% ,%, Ti25%,%, Ni 其余 。 ③ S816 主要成分： %, % ,%, Cr20%, Ni20%,Mo4%, Nb4%,Co 其余 。 ④ L605 主要成分： Cr20%, Ni10%,W15%, Fe3% , Co 其余 。 在彈簧卷曲成型時(shí)，材料的外層縱向產(chǎn)生塑性拉伸變形，而內(nèi)層縱向產(chǎn)生塑性壓縮變形，在中性層兩側(cè)的某個(gè)范圍內(nèi)則為純彈性變形，彈性變形的范圍隨著相對(duì)彎曲半徑的加大而增大。但是，在載荷卸除之后由于中性層兩側(cè)純彈性變形的恢復(fù)，以及內(nèi)外層中縱向總變形中彈性變形部分的回復(fù)，而使零件的彎曲半徑發(fā)生改變，這種現(xiàn)象就是通常所說(shuō)的回彈 [28] 。 影響回彈的因素很多，主要有材料的機(jī)械性能、旋繞比和工藝裝置等。回彈量與材料的強(qiáng)度極限 b? 成正比，與彈性模量 E 成反比，也就是說(shuō)材料的 bE? 越大，則回彈量就越大。當(dāng)材料的機(jī)械性能不穩(wěn)定時(shí)，回彈量也不穩(wěn)定；旋繞比也影響著材料的回彈性能。當(dāng)旋繞比 C 越小時(shí)，回彈量也越小，反之亦然。 彈簧的卷制方式有兩種：?jiǎn)蝹€(gè)卷制和多個(gè)連續(xù)卷制。單個(gè)卷制一般用于條料制造的彈簧以及扭轉(zhuǎn)、拉伸和油封彈簧等。多個(gè)連 續(xù)卷制是一次卷成一串螺旋圈， 然后按尺寸分別切斷單個(gè)彈簧。為了在冷成形后得到所要求的形狀尺寸精度，在彈簧卷制過(guò)程必須控制好卷制力，若彈簧卷制力越小、卷繞后反向轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越高、轉(zhuǎn)數(shù)越多，則回彈量就越大，得到的彈簧尺寸精度越差。 彈簧卷制所用的工藝裝置主要有芯軸卷簧機(jī)和自動(dòng)卷簧機(jī) [29] 。用芯軸卷簧機(jī)卷制彈簧后還要做手工切斷、沖切、整修等輔助工序，因此，此方式僅用于小批量生產(chǎn)。對(duì)于向獨(dú)立懸架用螺旋彈簧等需大批量生產(chǎn)的彈簧一般使用自動(dòng)卷簧機(jī)。它可以自動(dòng)卷簧、切斷、計(jì)數(shù)等 ，勞動(dòng)強(qiáng)度小、生產(chǎn)效率高、材料利用率高，并能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)作業(yè)。 金屬材料的疲勞斷裂過(guò)程一般可以分為以下幾個(gè)階段：滑移，成核，裂紋擴(kuò)展，瞬時(shí)斷裂。金屬在表面的滑移帶、晶界、相界、切口等處一旦形成疲勞裂紋核以后，如果繼續(xù)受到交變載荷作用裂紋將開(kāi)始擴(kuò)展。通常我們用 ddN? （ ? 為裂紋寬度， N 為循環(huán)次數(shù) ）來(lái)衡量裂紋的擴(kuò)展速度，當(dāng) 73 10 /d mmdN? ??? 周時(shí)，成為慢速擴(kuò)展階段，也就是疲勞過(guò)程的第一階段。裂紋寬度 ? 大于 ,疲勞過(guò)程進(jìn)入到第二階段，擴(kuò)展速率增加，此時(shí)零件已經(jīng)相當(dāng)危險(xiǎn)，一旦凈截面的應(yīng)力達(dá)到材