【導(dǎo)讀】夏利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運(yùn)用。為了闡述懸架的設(shè)計(jì)過程，說明書分別從設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析、優(yōu)化設(shè)。計(jì)等方面對(duì)夏利用麥?zhǔn)綉壹艿脑O(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹。架的物理模型和數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，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)向橫拉桿斷開點(diǎn)的位置。附錄中還提供了基于MATLAB的仿真、優(yōu)化程序和基于UG的夏利汽車車輪自生成程序。

　　

【正文】 第 6 頁(yè) 圖 車輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) B1BA4TEO2DC 可看作剛體，根據(jù)圖 所示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，剛體運(yùn)動(dòng)后的實(shí) 際位置，可以看作由圖 所示的初始位置，先繞 Y 軸正轉(zhuǎn) ?1 角后繞 X 軸正轉(zhuǎn) ?2 角， 這樣保證了車輪無(wú)繞主銷軸線的偏轉(zhuǎn)。兩次旋轉(zhuǎn)后， B1,A4 點(diǎn)的坐標(biāo)為： [B1]=[Qx][Qy][B1’]+[O2] （ ） [A4]=[Qx][Qy][A4’]+[O2] （ ） [Qx]的歐拉參數(shù)為： q0=cos( ?2 /2)。q1=sin( ?2 /2)。q2=0。q3=0 [Qy]的歐拉參數(shù)為： q0=cos( ?1/2)。q1=0。q2=sin( ?1/2)。q3=0 (1)(2)整理得，并設(shè) d=A4T, t=B1T 則有， ?? 另設(shè)， p1=dcos ?+tsin?, p2=(dcos ?tsin?)cos ?1 得到， d cos ??t sin ? ?XA4 ?XB1 1,0,0 ?cos ?1,0, sin ?1 0 ?? YA4 ?YB1 = 0, cos ?2,?sin ?2 ?0,1,0 ??dsin ??t cos ? ?? ?? ZA4 ?ZB1 0,sin ?2,cos ?2 ?sin ?1,0, cos ?1 d cos ??t sin ? XA4 ?XB1 ?1=arcsin 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) p1 p2 O2 點(diǎn)的坐標(biāo)為： [O2]=[B1][Qx][Qy][B1’] （ ） E 點(diǎn)的坐標(biāo)為： [E]=[Qx][Qy][E’]+[O2] （ ） C 點(diǎn)的坐標(biāo)為： [C]=[Qx][C’]+[O2] （ ） D 點(diǎn)的坐標(biāo)為： [D]=[Qx][D’]+[O2] （ ） 主銷后傾角 ?: tan ?( XA4 ?XT )( ZA4 ?ZT ) （ ） 主銷內(nèi)傾角 ?: tan ?(YA4 ?YT )(ZA4 ?ZT ) （ ） 車輪外傾角 ?: tan ?(YC ?YD)( ZC ?ZG) （ ） 1/2 輪距的變化 ?B : ?B YC ?YCo （ ） 基于 MATLAB 軟件的運(yùn)動(dòng)特性仿真分析 實(shí)際問題中的懸架參數(shù) 以前軸的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，汽車的前進(jìn)方向?yàn)? X 軸方向， Y 軸指向駕駛者的右 側(cè)， Z 軸根據(jù)右手螺旋定則 來(lái)確定。夏利轎車前懸左側(cè)空間機(jī)構(gòu)在上述坐標(biāo)系中的 坐標(biāo)如表 所示。以表中的坐標(biāo)值和部分相關(guān)點(diǎn)之間的距離為初始狀態(tài)值，以車 輪的上下跳動(dòng)量為輸入，車輪的定位參數(shù)為輸出，根據(jù)空間機(jī)構(gòu)學(xué)的理論知識(shí)和 節(jié)的理論分析 ，運(yùn)用 MATLAB 軟件建立懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析程序，源程序 如附錄 B 所示。 [15] YB1 ?YA4 p1 ?2 =arcsin ?arctg 2 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 表 靜態(tài)時(shí)懸架空間機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)和車輪定位角 懸架上的點(diǎn) 減振器上支點(diǎn) 減振器下支點(diǎn) 下擺 臂擺動(dòng)軸線與下擺臂中心交點(diǎn) 輪胎接地點(diǎn) 下擺臂擺動(dòng)軸線的前端點(diǎn) 轉(zhuǎn)向節(jié)臂球頭銷中心 轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點(diǎn)球頭銷中心的設(shè)計(jì) 坐標(biāo) 前輪中心 主銷內(nèi)傾角 kingpin inclination 主銷后傾角 caster angle 前輪前束量 toe_in angle 車輪外傾角 camber angle X 軸坐標(biāo)（ mm） 11 104 14 2 20 2mm 20 Y 軸坐標(biāo)（ mm） 680 264 Z 軸坐標(biāo)（ mm） MATLAB 仿真程序的建立 中的數(shù)據(jù)用 OFFICE 中的記事本制成 txt 文件，作為程序的輸 入。 fopen 命令以只讀的形式打開已建立的 txt 文件，當(dāng)文件不存在是返回錯(cuò) 誤。如下所示。 infile=input(39。請(qǐng)輸入原始數(shù)據(jù)名稱： 39。,39。s39。)。 unit=fopen(infile,39。r39。)。 if unit0 disp(39。原始數(shù)據(jù)文件不存在，無(wú)法打開 39。)。 end for 循環(huán)控制的 fscanf 語(yǔ)句對(duì)完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀入，如下所示； for i=1:3 0 0 39。 39。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 end 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) d0(i,1)=fscanf(unit,39。%f39。,1)。 ，根據(jù)式 —，通過矩 陣工具建立懸架運(yùn) 動(dòng)過程的算法。依次求出懸架在擺動(dòng)任意角度時(shí)的新 E、 F、 G、 H 點(diǎn)的坐標(biāo)； ，根據(jù)式 — 求出懸架的定位參數(shù)； 、線寬的情況下用 plot 命令畫圖，部分程序如下。 figure(1)。 plot(Lt,derta,39。r39。)。 title(39。輪距變化量 39。)。text(0,0,0,39。origin39。)。 xlabel(39。輪距變化量 39。)。 ylabel(39。車輪跳動(dòng)量 39。)。 grid。 hold on。 仿 真結(jié)果及分析 圖 輪距變化量和車輪跳動(dòng)量的關(guān)系曲線 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 如上文所述，幾乎所有的獨(dú)立懸架中，車輪的上下跳動(dòng)量都會(huì)導(dǎo)致輪距發(fā)生 變化。輪距變化的缺點(diǎn)是會(huì)引起滾動(dòng)輪胎的側(cè)偏，從而產(chǎn)生側(cè)向力、較大的滾動(dòng) 阻力和導(dǎo)致直線行使能力的下降。此外，輪距變化對(duì)轉(zhuǎn)向也有較大的影響。 圖 為輪距變化量與車輪上下跳動(dòng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。因麥弗遜式前懸的側(cè) 傾中心位置較高，所以輪距變化量較大。輪距變化量為上跳時(shí) ?b ＝ 4mm，下跳時(shí) ?b ＝ 21mm，（這是不利因素）。但作為城市用車，它的車輪跳動(dòng)量范圍很小 ,一般 在 20mm20mm 范圍內(nèi)變化，所以設(shè)計(jì)方案依然可行。 圖 車輪外傾角和輪距變化量的關(guān)系曲線 外傾角是指車輪中心平面和道路平面垂直直線之間的夾角。一方面，通過設(shè) 置外傾角可以消除支承及轉(zhuǎn)向節(jié)中的間隙；另一方面，外傾角還可以保證汽車在 承載時(shí)車輪和地面保持垂直。理想的外傾角為 ?5 ?10 ，這樣可以使磨損均勻和 滾動(dòng)阻力小，但為了獲得良好的輪胎轉(zhuǎn)向側(cè)偏性 能，實(shí)際所取的車輪外傾角大都 偏離理想值，空載時(shí)外傾角在理想值附近；加載狀態(tài)下，車輪有輕微的負(fù)外傾角。 圖 為夏利轎車前輪外傾角與車輪上下跳動(dòng)量的關(guān)系曲線，其麥佛遜懸架在 車輪上跳時(shí)曲線向負(fù)角方向凹入，彰顯了此懸架的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)車輪向下跳動(dòng)時(shí)，外 39。 39。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 傾角向正角方向變化，意味著車身內(nèi)側(cè)車輪承受側(cè)向力的性能很好。 圖 主銷內(nèi)傾角和車輪跳動(dòng)量的關(guān)系曲線 主銷內(nèi)傾角和主銷偏移距之間有著 緊密的聯(lián)系。小的主銷偏移距可以有效地 保證汽車的不足轉(zhuǎn)向特性，但為了得到較小的或負(fù)值主銷偏移距，就必須有較大 的主銷內(nèi)傾角。 從圖 中可以看出，主銷內(nèi)傾角為負(fù)值，負(fù)的主銷內(nèi)傾角有利于汽車的轉(zhuǎn)向 回正力矩。主銷內(nèi)傾角的絕對(duì)值隨著車輪上跳動(dòng)量的增加而增變，下跳量的增加 而減小，角度在 ? 16 范 圍內(nèi)變化。這樣的變化趨勢(shì)使車 輪在上跳過程中主 銷偏移距不斷變大，轉(zhuǎn)向回正力矩也不斷增大，從而保證了汽車的直線行駛性能。 但同時(shí)，前橋的縱向力敏感性也愈大。 0 0 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 圖 主銷后傾角和車輪跳動(dòng)量的關(guān)系曲線 正的主銷后傾角可以保證汽車的直線行使性能，將正的主銷后傾角和負(fù)的車 輪拖距聯(lián)合使用，這樣不僅可以使縱傾中心離車輪較近，以減小轉(zhuǎn)向時(shí)的輸入力 矩，還可以減小路面不平度對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響。大的主銷后傾角在汽車直線行駛 時(shí)并不單有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。路面不平度在車輪接地點(diǎn)上引起的交變側(cè)向力會(huì)產(chǎn) 生繞轉(zhuǎn)向節(jié)軸的力矩，力矩作用在轉(zhuǎn)向橫拉桿上就會(huì)引起轉(zhuǎn)向沖擊和轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。 如圖 所 示，夏利轎車的主銷后傾角隨著車輪的上跳而變大，隨著車輪的 下跳而變小。此變化特性意味著車輪在受到?jīng)_擊或遇到障礙物后縱傾中心將向后 移動(dòng)，這樣可以保證汽車的抗俯仰和抗前蹲特性。 基于 MATLAB 軟件轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點(diǎn)的優(yōu)化計(jì)算 麥佛遜式懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向梯形的影響 汽車懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向梯形之間通過轉(zhuǎn)向橫拉桿相聯(lián)系（圖 為夏利轎 車左前懸橫向穩(wěn)定桿的位置圖）。當(dāng)轉(zhuǎn)向橫拉桿的斷開點(diǎn)位置選擇不當(dāng)時(shí)，汽車運(yùn) 動(dòng)過程中將出現(xiàn)橫拉桿與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)、前輪擺振等現(xiàn)象，這些 不利 情況的出現(xiàn)將會(huì)加劇輪胎磨損，破壞操縱穩(wěn)定性。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 圖 夏利轎車左前懸橫向穩(wěn)定桿的位置圖 麥弗遜懸架轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點(diǎn)位置的優(yōu)化 上文中已經(jīng)應(yīng)用空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論對(duì)夏利轎車用麥弗遜式懸架進(jìn)行空間運(yùn) 動(dòng)學(xué)計(jì)算，并求出了車輪上下跳動(dòng)時(shí)懸架中各關(guān)鍵點(diǎn)在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。下文將 進(jìn)一步采用優(yōu)化理論確定斷開點(diǎn)的最佳位置，使干涉量最小。 圖 懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型簡(jiǎn)圖 開點(diǎn)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立思路和步驟 (1)設(shè)轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點(diǎn) F（圖 ）的坐標(biāo)為 [F]=[XF,YF,ZF] T ，作為優(yōu)化變量 。 (2)根據(jù)已知的轉(zhuǎn)向節(jié)臂端點(diǎn) E 的位置坐標(biāo)和假設(shè)的 F 點(diǎn)位置坐標(biāo)，求出 EF 的長(zhǎng)度 (用 F 點(diǎn)坐標(biāo) XF, YF 和 ZF 的函數(shù)式來(lái)表示 )。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) (3)根據(jù)麥弗遜式懸架的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用坐標(biāo)變換求出轉(zhuǎn)向節(jié)臂端點(diǎn) E 在車輪 跳動(dòng) (本文中以主銷轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)代替 )一定角度時(shí)所 到達(dá)新位置 E1 的空間坐標(biāo) 。 (4)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，下擺臂 A1B1 繞 L 軸擺動(dòng) (實(shí)際上是繞瞬心軸擺動(dòng) )。 E 點(diǎn) 也繞懸架的瞬心軸擺動(dòng)到新位置 E2，在此過程中，假設(shè) EF 是斷開的， F1 點(diǎn)固定 不動(dòng)，不會(huì)隨著 E 點(diǎn)的位置變化而運(yùn)動(dòng)。這樣 E2 到 F1 之間的距離必然不等于從 E 到 F 的距離，這個(gè)距離變化量在本文中稱為干涉量。根據(jù)車輪主銷的方向 (向內(nèi) 或者向外 )和角度，以及跳動(dòng)的方向 (上或下 )和距離，可以求出一系列的干涉量 。 (5)將 (4)中得到的所有干涉量的絕對(duì)值加權(quán)相加，取為優(yōu)化設(shè)計(jì) 數(shù)學(xué)模型中的目 標(biāo)函數(shù)，而 XF, YF 和 ZF 為優(yōu)化變量，根據(jù)車輛總布置中所允許的 F 點(diǎn)空間位 置變化范圍，可以確定 XF , YF 和 ZF 的取值范圍，作為約束條件。 圖 車輪跳動(dòng)過程中 F 點(diǎn)的軌跡空間曲線圖 利用前面運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)得到的點(diǎn) E 的坐標(biāo)和已知的點(diǎn) F 的原始坐標(biāo)，即可進(jìn)行 如下的計(jì)算：設(shè)轉(zhuǎn)向斷開點(diǎn)的位置坐標(biāo)： [F]=[XF,YF,ZF] ，斷開點(diǎn)的位置受結(jié)構(gòu) T 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 3629651