典型悬架系统的机械原理分析与仿真_机械原理典型题目

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机械原理研究性学习

典型悬架系统的机械原理

分析与仿真

指导教师：郭 盛

作者：赵明宇 12223087

张 威 12223084 覃海波 12223089

机械原理研究性学习

一、《机械原理》研究性教学研究目标及任务分工.........................................................................3

二、概述..................................................................................................................................................3

三、典型悬架——麦弗逊悬架.........................................................................................................51、麦弗逊式悬架运动学分析............................................................................................................62、整体机构自由度的计算................................................................................................................83、C点坐标计算.................................................................................................................................94、C点速度及加速度的WORKING MODEL仿真.....................................................................................10

四、麦弗逊悬架的优缺点...............................................................................................................121、优点：..........................................................................................................................................122、缺点:.............................................................................................................................................12

五、探究心得..................................................................................................................................13

六、结束语.....................................................................................................................................13

七、参考文献..................................................................................................................................14

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一、《机械原理》研究性教学研究目标及任务分工

研究目标：

① 研究悬架总成以及各类悬架的分类

② 研究典型麦弗逊式悬架的运动机理及坐标计算分析 ③ 在mathematica平台进行曲线绘制 ④ 提交一份研究性报告并进行课上展示 任务分工：

赵明宇：workingmodel模型制作word报告拟写 覃海波：悬架运动学分析以及数值计算

张 威：运动轨迹的研究及mathematica曲线绘制

二、概述

悬架概念：车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。

作用：把作用于车轮的垂直反力、纵向反力和侧向力以及这些力引起的力矩传递到车架，并使车辆具有良好的乘坐舒适性、平顺性和行驶稳定性。

组成：弹性元件、阻尼元件（减振器）、导向杆系三部分组成，在一些车辆上还要加装横向稳定器。

分类：非独立悬架：两侧车轮刚性的连接在一起，只能共同运动的悬架。广泛应用于货车、客车和轿车后桥。

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非独立悬架

独立悬架：两侧车轮由断开式车桥连接，车轮单独通过悬架与车架连接，可以单独跳动。广泛应用于轿车前悬架。

独立悬架

其它几种悬架

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三、典型悬架——麦弗逊悬架

由于独立式悬架更具有典型性，应用范围更为广泛，所以我们选取了独立式悬架中以结构简单、成本低廉、舒适性尚可的优点赢得了广泛的市场应用的麦弗逊悬架作为例子，进行了如下分析：

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1、麦弗逊式悬架运动学分析

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2、整体机构自由度的计算

为方便计算，我们去掉了悬架中转向部分杆件，只保留了重要部分以便于分析。在此机构中，n=4, Pl=5,Ph=1，所以F=3n-2Pl-Ph=1。该悬架为自由度为一的机构。

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3、C点坐标计算

当车轮上下跳动时,摆臂CO上下摆动,以O 为转动中心。轴线AB 的方程可表示为

(x-xa)/(xb-xa)=(y-ya)/（yb-ya）=（z-za）/(zb-za)(1)垂直AB 过点C 的平面方程为

x–xc+ A1(y–yc)+ B1(z–zc)= 0(2)式中, A1 =(yb–ya)/(xb–xa);B1 =(zb–za)/(xb–xa)解方程(1)和(2)可得O(xo , y0, zo)的坐标为

X0 = t1 + xa Yo = A1 t1 + ya Zo = B1t1 + za

式中, t1 =［xc-xa+ A1(yc-ya)+ B1(zc-za)］/(1 +A1+B1)悬架运动时C 点以O 点为圆心作摆动,其轨迹方程为：

22(x – x0)2+(y – y0)2 +(z – z0)2= L2（3）

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x – xc + A1(y – yc)+ B1(z – zc)= 0(4)

式中, L = CO

根据C点轨迹方程赋值在绘制出的C点轨迹

附：程序语句：show3d(ploteq3d((x-3)^2+(y-4)^2+(z-2)^2=9,{x,-5.657, 5.657},{y,-0.914, 1.914},{z,-3.967，8.306})，ploteq3d((x-3)+(y-4)+5(z-2)=0,{x,-5.657, 5.657},{y,-0.914, 1.914},{z,-3.967, 8.306}),{ShowWireframe, false},{ViewAngle, 17,-106, 86},{x,-5.657, 5.657},{y,-0.914, 1.914},{z,-3.967, 8.306})

4、C点速度及加速度的working model仿真

我们利用workingmoedel对麦弗逊式悬架做了仿真分析，在左侧车轮处加一个凸轮，模仿凹凸不平的路面，并利用其作图功能获得C点的速度和加速的图线，结果如下图所示：

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该图为我们在车轮处添加的驱动力图线，用以模仿凹凸不平的路面状况。该曲线由程序语句：

在mathematica平台得到

图一：C点以及驱动车轮的速度变化曲线

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图二：C点以及驱动车轮的加速度变化曲线

四、麦弗逊悬架的优缺点

1、优点：

麦弗逊悬挂拥有良好的响应性和操控性，而且结构简单，占用空间小，成本低，适合布置大型发动机以及装配在小型车身上

2、缺点:

稳定性差，抗侧倾和制动点头能力弱，增加稳定杆以后有所缓解但无法从根本上解决问题，耐用性不高，减震器容易漏油需要定期更换。

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五、探究心得

赵明宇：这次的机械原理研究性学习对我们来说是一个不小的挑战——如何利用我们所学的有限的知识来解决一个真正的机械问题。我们从一开始选题就非常头疼，根本不知道做什么好。最后，我们根据各方面的考察，选择了汽车悬架这个题目。悬架是一整套系统，其结构十分复杂，但我们经过自己仔细的分析后，巧妙的将其化繁为简，只保留杆件部分，减震及弹性元件的分析我们不作考虑，它们只为杆件部分的运动提供驱动。之后的仿真环节我们也是犯了难，我负责的是workingmodel仿真部分。开始的数十次尝试，都以杆件的全体散架为最终结果，几种杆件与弹簧组合方式均不成功，并且路面的凹凸不平无法模拟。但后来我们想到一个绝佳办法：以电机带动凸轮推动车轮上下起伏模仿路况，这一办法还是十分奏效的。接着我们又进行了关键点C点的速度 加速度分析，并利用mathematica平台绘制出了C点的轨迹。整个过程虽然曲折，困难较大，但结果我们小组的人还是很满意的，我个人也十分满意。它真正的锻炼了我们，我们获得了一个完整的探究过程。

张 威：通过本次课题实践，我们熟练掌握了working model仿真并对mathematica平台简单绘制图形有了一定认识,通过Mathematica的仿真，我们知道关键点C的运动轨迹是一个圆，这出乎我们的预料，如果不通过本次理论分析和实际仿真，我们是不可能通过直观观察清楚麦弗逊悬架的运动规律的，这再次验证理论研究的重要性。此外，我们对汽车悬架特别是麦弗逊汽车悬架有了更加深入的了解，这不仅让我们在实践中学以致用，更重要的是它激发了我们对机械知识的兴趣并且认识到了团队合作的巨大作用！在做的过程中我们遇到了许多困难，不管是计算的还是软件方面的，但通过上网查询、同学间的交流，最终将之一一克服！总之这次研究性学习对我们意义重大。

覃海波：通过本次研究性学习，我对汽车的悬架有了一定的了解，并且学习了working model的一些基本功能以及用图解法对机构进行速度与加速度分析。这都是我的学习结果，最主要的是在学习的过程。我们三人全程分工合作，彼此都完成了自己的任务，中途有困难我们都会一起讨论，使得我们的学习多了几分乐趣。例如在分析机构的过程中如何对机构进行简化才合理，我们尝试了多种方法，但是最后的结果都不对，后面我们将它简化成一个类似于5杆机构。由于进行空间分析的难度较大，所以我们就分析了一个点的轨迹，并且用Mathematica画出了轨迹图。我们的重点放在机构的平面分析上，并且完成了对特殊点的运动分析。总之，虽然做的过程有些困难，但是结果我们都还满意。

六、结束语

悬架就像整个汽车的骨骼，连接着车架与车桥，是整部车操控性和舒适性的重要保证，因此悬架达到最优是非常关键的一步，也是体现整车性能的关键一环。在整个研究性学习中，通过对典型麦弗逊悬架的研究，得出了关键点C的运动规律：在路面近似正弦规律起伏的状况下，C点速度也近似服从正弦规律起伏，但波动

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范围与车轮处范围相比，大大降低。

七、参考文献

［1］ 陈家瑞 马天飞 【汽车构造 】 第5版 人民交通出版社。［2］ 王望予 【汽车设计】 第4版 机械工业出版社 ［2］ 程耀东 李培玉 【机械振动学】 浙江大学出版社 ［3］ 于志生 【汽车理论】 第5版 机械工业出版社 ［4］ 李鹏 【汽车概论】 人民交通出版社

［5］ 姜铁均 傅强 【汽车机械基础】 同济大学出版社 ［6］ 刘维信 【机械最优化设计】 第2版 清华大学出版社 ［7］ 哈工大理论力学教研室 【理论力学】 第6版 高等教育出版社 ［8］ 刘惟信 【汽车设计】 清华大学出版社