汽车扭杆弹簧的设计及分析
汽车扭杆弹簧的设计及分析[20191208103257]
摘要
本文首先对悬架的发展史和悬架的发展趋势进行了适当的阐述，并介绍了汽车悬架系统的分类、组成与作用。着重介绍了扭杆弹簧的特点与分类。本设计首先确定设计的是双横臂式扭杆弹簧，查阅相关资料并计算出扭杆弹簧的相关参数，设计的主要尺寸参数有扭杆杆身直径d、扭杆有效工作长度L、过渡段尺寸及渐开线花键尺寸，设计出各个尺寸后需校核扭杆弹簧的扭转刚度和渐开线花键强度。计算扭杆弹簧独立悬架的垂直线刚度，利用MATLAB仿真软件对扭杆弹簧悬架的垂直线刚度和载荷因子进行仿真，通过分析垂直线刚度值符合实际，确定力臂的安装角为40°，使得力臂在常用载荷下保持在水平或比水平高一点的位置，使弹簧的刚度随着载荷的增加而增大，同时能够使得汽车在常用载荷下兼顾舒适性和操纵稳定性。
关键字:扭杆弹簧设计仿真分析MATLAB
目录
1.前言 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2悬架的发展史 1
1.3悬架的发展趋势 2
1.4课题研究的内容 3
2.悬架 5
2.1汽车悬架系统的作用、组成和分类 5
2.1.1汽车悬架系统的作用 5
2.1.2汽车悬架系统的组成 5
2.1.3汽车悬架系统的分类 6
2.2弹性元件的分类 7
2.2.1钢板弹簧的结构与特点 8
2.2.2螺旋弹簧的结构与特点 8
2.2.3扭杆弹簧的结构与特点 8
2.2.4气体弹簧的结构与特点 8
2.2.5橡胶弹簧的结构与特点 9
3.扭杆弹簧的设计 10
3.1扭杆弹簧的分类 10
3.2扭杆弹簧的设计 10
3.2.1设计扭杆的直径d 11
3.2.2端部渐开线花键设计 12
3.2.3过渡段的设计 13
3.2.4扭杆工作长度设计 14
3.3扭杆弹簧的校核 16
3.3.1扭转刚度的校核 16
3.3.2渐开线花键强度校核 17
4.扭杆弹簧的仿真及分析 18
4.1扭杆弹簧的仿真 18
4.2仿真结果分析 24
5.结论与展望 25
5.1研究结论 25
5.2研究展望 25
参考文献 27
致谢 28
1.前言
1.1课题研究的目的和意义
现代轿车悬架系统中普遍使用的弹性元件是扭杆弹簧和螺旋弹簧。豪华汽车多选用主动空气悬架以提高乘坐舒适性；普通轿车、客车多选用螺旋弹簧悬架，螺旋弹簧具有变形大、重量轻而且所需的安装空间比钢板弹簧小的优点；绝大多数客车和货车选用钢板弹簧悬架，由于其悬架刚度大，所以适用于重型车辆，但由于其本身质量大就会直接影响汽车的乘坐舒适性；而扭杆弹簧，多用于小型、中型轿车和货车上，由于其具有其它弹性元件不具备的优点，扭杆弹簧单位质量存储的能量远远大于其它弹性元件，因此，扭杆弹簧适用于大多数的重型卡车和SUV。扭杆弹簧可以满足大载荷、布局空间小、高性能的要求，而其他弹簧不能同时满足这些要求，扭杆弹簧便成为了坦克等特殊机械装备的最佳选择。本课题设计的扭杆弹簧既要能体现出其结构简单所需空间小、贮存能量大、无需维护和高性能等优点，然而对于这个注重舒适性的时代，在空载状态下为了能够保持较好的舒适性就要使弹簧的刚度小一点；而弹簧在满载状态下必须有较大的刚度来提供良好的操控稳定性，即设计的扭杆弹簧的弹簧特性应为非线性的且符合实际情况，扭杆弹簧悬架应使得汽车既能保持良好的操控稳定性又兼顾舒适性。
1.2悬架的发展史
科学技术的进步，是人类永恒的追求。早在马车时代,为提高乘坐舒适性,人类就开始研究马车的悬架。1776年,叶片弹簧因在马车上的运用而申请了专利,但一直到1930年左右,螺旋弹簧才逐渐被广泛应用。汽车的问世，伴随着对悬架进行了深入的探索，继而涌现出了扭杆弹簧、空气弹簧、钢板弹簧等弹性元件。1934年出现了史上第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架[1]。依据经验或优化设计的方法来确定被动悬架的参数,在行驶状态下保持稳定。这只是对于普通道路状况而言,难以适应各种道路状况,减振性能不佳。从而选择具有非线性特性的弹簧以及能够调节车身高度的策略来消除这种弊端,即使能得到一定的效果,但很难完全克服被动悬架的缺点。便宜的轿车普遍适用被动悬架,麦弗逊式悬架普遍被应用在现代轿车的前悬架上,后悬架可以是纵向摆臂悬挂和多连杆悬架等。
1973年，D.A.Crosby和D.C.Karnopp率先提出半主动悬架的研究。半主动悬架主要是通过改变阻尼力的大小,正常情况下不研究悬架刚度的变化。工作原理是:根据簧载质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号,按照一定的控制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度。它产生力的方式与被动悬架几乎相同,也能够像主动悬架一样按照运行状况改变阻尼或者刚度系数。有级式半主动悬架的阻尼被分为几个等级,驾驶员可以根据“路感”手动选择或由传感器信号自动选择阻尼等级;无级式半主动悬架的阻尼会随着汽车行驶的道路条件和行驶情况的变化能够在极短的时间内大范围的不断变化。半主动悬架结构较简单,节约能量，无需浪费,并与主动悬架的性能相似,有很好的发展空间[2]。
随着道路交通网的迅猛发展，车速大为提升,被动悬架的弊端渐渐显现出来，约束了汽车性能的进一步优化,为此人们开发了能兼顾舒适性和操纵稳定性的主动悬架。美国通用汽车公司于1954年在悬架设计中首先提出了主动悬架的概念。被动悬架是它的设计依据，刚度和阻尼的调节控制装置得到了相应的补充,确保悬挂系统无论在何等条件下行驶时都能维持最好的运转状态。控制装置由测量系统、反馈控制系统、能源系统等组成。1980年到1990年之间,主动悬架已成为各个世界闻名的汽车公司的研发对象。其中奔驰、沃尔沃、洛特斯、丰田等在汽车上的试验较为成功。配备主动悬架的车辆,即使在坏路面上飞驰时,车身仍然可以维持在一个很稳定的状态,胎噪小,汽车在制动和转向也能保持水平的状态。乘坐舒适性好是其主要优点,但它也有构造复杂、消耗大、成本大、可靠性差等缺陷。
但我国的汽车由于各种各样的原因，大多数选用被动悬架。对于半主动和主动悬架的探索相对落后,同国外相差甚远。上世纪80年代后期，福特公司和日产公司已将半主动悬架较为成功的运用到了轿车上。尽管主动悬架早被提出,但由于其构造复杂,而且涉及到很多学科,所以一直难以有较大的突破。直到1990年，仍然只适用于大排量的高档车辆。
1.3悬架的发展趋势
随着社会的快速发展，不断提高汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求, 具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将会是今后汽车悬架发展的趋势。
(1)由于被动悬架的构造是机械结构,刚度和阻尼均为固定值,根据随机振动理论,它仅可以确保在某些特定道路条件下才能收获良好成效。但由于其成熟的理论，结构简单、性能可靠、成本低，不需要额外的能源的原因使其被广泛应用。目前,对于我国仍有很高的研究价值。被动悬架的主要研究内容集中在三个方面:1）经过对汽车进行受力分析后,创建数学模型,而后再利用计算机仿真技术或者有限元分析法进行优化设计，探索悬架的最优参数;2）开发出刚度可变的弹簧以及阻尼可变的减振器,这样使得无论在何种道路条件下，悬架都能保持在一个最佳状态，同时车辆能够维持良好的运行状态;3）探讨导向机构,大大提高车辆悬架的稳定性，同时仍然能够满足舒适性的要求。
(2)半主动悬架系统的研究应集中在两个方面:1）执行策略的研究;2）执行器的研究。阻尼可调的减振器分为两种,一种是经过调整节流孔的大小来实现的;另外一种是经过调整减振液的粘性来实现的。正常情况下通过利用电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节来改变节流孔的大小,这种方法的缺陷是成本高,结构复杂。然而经过调整减振液的粘性的方式存在构造简易、本钱小、无噪音和冲击小等优势,所以已是当前的主流发展趋势。执行策略的研究是通过确定性能指标，然后进行控制器的设定，目前，模糊控制在这方面应用较多[3]。
(3)主动悬架的研究也主要集中在两个方面:1）可靠性;2）执行器。由于大量的传感器、单片机、输出输入电路和接口应用于主动悬架系统,因为组件的数量太多,可靠性大大降低。因此，提高组件的集成度，是一个不可逾越的阶段。液压器件被电动器件替代是执行器探索研究的主要内容。此后替代液压执行机构的将会是电气动力系统，由于该系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具备比较多的优势。根据电磁储能原理,估计自校正控制器,希望设计电磁存储的高性能和低功耗的自适应主动悬架,使得主动悬架的探索从理论研究转移到了实际应用。
从整体上看,主动悬架的减振效果更好,性能优越,可以兼顾平顺性和操纵稳定性。但同时也存在着元件成本较高,损耗的能量多,额外增大了整车质量,所以主动悬架会大幅度的加大了成本和能量损耗;半主动悬架有着与主动悬架相似的减振性能,而操纵稳定性比被动悬架好，可靠性高,它的发展必由之路会是便于调节阻尼的减振器和算法清晰有效的控制策略。性能比较差是它的缺陷,但它也有成本底、节约能源的优点。被动悬架在目前一段时间内仍然会是使用最为广泛的悬架系统,经过对悬架结构以及各种参数的进一步优化可以不断的提高悬架性能。
悬架技术的革新与相干学科的发展是密不可分的。先进的计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的不断发展提供了强有力的保障。悬架的进一步发展同样依赖着相关学科的理论发展,其实这两者之间是相互依存、相互促进的关系,只有这样才能够真正兑现可持续发展。
1.4课题研究的内容
本课题主要是针对轿车扭杆弹簧悬架中的扭杆弹簧进行设计及分析，研究内容主要分为两大块：
扭杆弹簧的设计：
（1）扭杆直径d的设计
（2）端部渐开线花键设计
（3）过渡段设计
（4）扭杆工作长度设计
（5）扭转刚度和花键强度的校核
扭杆弹簧的的仿真及分析
（1）扭杆弹簧的仿真
（2）仿真结果的分析
2.悬架
2.1汽车悬架系统的作用、组成和分类
2.1.1汽车悬架系统的作用
悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的所有传力装置的总称。当今汽车上的重要的总成部件之一就是悬架，车架（或车身）与车轴（或车轮之间的）弹性连接就是靠悬架而实现的。它的作用是将路面给车轮的作用力即垂直反力（支承力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所产生的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶[4]。悬架的主要职能有三个：
1）连接车体和车轮，并用适度的刚性支撑车轮；
2）吸收来自路面的冲击，提高乘坐舒适性；
3）有助于行驶中车体的稳定，提高操纵性能。
它的各个功用是密切相关的，但它们之间也是矛盾的，如果提升乘坐舒适性，必然会影响操纵稳定性。因此，悬架系统的设计就是为了能够取得最佳的平衡状况[5]。
根据试验结果得出，悬架会影响到乘坐舒适性、稳定性、燃油经济性等多种使用性能，所以，当选取悬架的参数以及如何设置导向机构时，得注意必须要符合上述性能的要求，其主要内容如下：
1）确保汽车的行驶平顺性良好。因此，汽车的振动频率必须得低。
2）有合适的减振性能。减振性能能够和悬架的弹性特性相匹配，必须确保在共振区车身和车轮的振幅小，振动缓和迅速。
3）确保汽车有优越的操控稳定性。当车轮跳动时，导向机构不会大幅度的改变主销定位参数，车轮同导向机构运动规律相互匹配，避免发生摆振。车辆在转向时应该有些许不足转向特性。
4）汽车制动和加速时能保持车身稳定，减少车身纵倾的可能性。
车身同轮子间的所有力以及力矩都能够通过悬架来传输，而且悬架的零部件质量小，但强度、寿命是绰绰有余的[6]。
2.1.2汽车悬架系统的组成
即使汽车悬架存在多种类型，在正常情况下弹性元件、减振器和导向机构是组成悬架的三大部分。
因为车辆运动时的道路状况不可能为完全平畅的，所以地面给予车轮的力即垂直反力大多数为冲击性的，尤其当飞驰在道路条件很差的道路上时，这种冲击力的数值会变得很大。由于这种冲击力对车身的冲击，有可能会导致汽车零部件的早期损坏；这种冲击力对于旅客和货物而言，旅客会感到很不舒服，货物可能会损坏。为减轻这种冲击，除了在汽车行驶系统中选用有弹性的充气轮胎以外，在悬架系统中必须装有弹性元件来保持车架（或车身）与车桥（或车轮）之间的弹性联系。
但由于这种冲击力会使弹性系统出现振动现象，乘员会因为不停的振动而感到不舒服或者疲惫，所以悬架应该还得具备减振的功用，快速衰减振动（振幅立即减小）。因此，减振器被安装在各种形式的汽车悬架中。即弹性系统引发的振动将通过减振器来减弱。当减振器阻尼力越大时，缓和振动的时间越短，同样也存在缺点，难以完全展现出并联连接的弹性元件的作用；同时，阻尼力过大有可能会损毁减振器连接零件及车架。为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求[7]：
1)悬架在压缩过程中，要求减振器的阻尼力小一点，便于充分使用弹性元件的弹性性能来缓解冲击。
2)在悬架伸张行程内，减振器的阻尼力应较大，以求迅速减振。
3)车轴相对于车身的速率太大时，减振器可以增大它的液流通道截面，使得阻尼力一直保持在一定范围之间，为了不受到过强的冲击载荷。
当车轮相对车架发生跳动时，车轮（尤其是转向轮）的轨迹必须满足有关规定，不然会影响汽车的一些行驶性能（尤其是操控稳定性）。因此，悬架中某些传力机构同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，称为导向机构[4]。
弹性元件、减振器和导向机构各自有缓冲、减振和导向的作用，但三者相同的作用是传力。
2.1.3汽车悬架系统的分类
汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。
利用整体式车轴来连接车轮，车轮以及车轴都是利用弹性悬架从而和车架固定在一起，这是非独立悬架的结构特点。由于恶劣的道路条件使得一边的车轮颠簸时，将不可避免的导致车辆的另外一边的车轮也摆动。
由于其存在构造简单、可靠性高的长处，所以货车的前、后悬架普遍选用它。对于轿车，非独立悬架一般只应用于后悬架。对于悬架构造，尤其是导向机构，由于选取的弹性部件不同，有时会存在很大差异。选取螺旋弹簧、气体弹簧时，导向机构应该复杂一点；而钢板弹簧自身有导向和些许减振的功用，所以选取它能够使悬挂结构大为简化。因此，它被选为大多数非独立悬架的弹性元件。非独立悬架存在非簧载质量大的特点，高速行驶时悬架受到较大的冲击载荷，平顺性较差。其常见的形式有：
摘要
本文首先对悬架的发展史和悬架的发展趋势进行了适当的阐述，并介绍了汽车悬架系统的分类、组成与作用。着重介绍了扭杆弹簧的特点与分类。本设计首先确定设计的是双横臂式扭杆弹簧，查阅相关资料并计算出扭杆弹簧的相关参数，设计的主要尺寸参数有扭杆杆身直径d、扭杆有效工作长度L、过渡段尺寸及渐开线花键尺寸，设计出各个尺寸后需校核扭杆弹簧的扭转刚度和渐开线花键强度。计算扭杆弹簧独立悬架的垂直线刚度，利用MATLAB仿真软件对扭杆弹簧悬架的垂直线刚度和载荷因子进行仿真，通过分析垂直线刚度值符合实际，确定力臂的安装角为40°，使得力臂在常用载荷下保持在水平或比水平高一点的位置，使弹簧的刚度随着载荷的增加而增大，同时能够使得汽车在常用载荷下兼顾舒适性和操纵稳定性。
关键字:扭杆弹簧设计仿真分析MATLAB
目录
1.前言 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2悬架的发展史 1
1.3悬架的发展趋势 2
1.4课题研究的内容 3
2.悬架 5
2.1汽车悬架系统的作用、组成和分类 5
2.1.1汽车悬架系统的作用 5
2.1.2汽车悬架系统的组成 5
2.1.3汽车悬架系统的分类 6
2.2弹性元件的分类 7
2.2.1钢板弹簧的结构与特点 8
2.2.2螺旋弹簧的结构与特点 8
2.2.3扭杆弹簧的结构与特点 8
2.2.4气体弹簧的结构与特点 8
2.2.5橡胶弹簧的结构与特点 9
3.扭杆弹簧的设计 10
3.1扭杆弹簧的分类 10
3.2扭杆弹簧的设计 10
3.2.1设计扭杆的直径d 11
3.2.2端部渐开线花键设计 12
3.2.3过渡段的设计 13
3.2.4扭杆工作长度设计 14
3.3扭杆弹簧的校核 16
3.3.1扭转刚度的校核 16
3.3.2渐开线花键强度校核 17
4.扭杆弹簧的仿真及分析 18
4.1扭杆弹簧的仿真 18
4.2仿真结果分析 24
5.结论与展望 25
5.1研究结论 25
5.2研究展望 25
参考文献 27
致谢 28
1.前言
1.1课题研究的目的和意义
现代轿车悬架系统中普遍使用的弹性元件是扭杆弹簧和螺旋弹簧。豪华汽车多选用主动空气悬架以提高乘坐舒适性；普通轿车、客车多选用螺旋弹簧悬架，螺旋弹簧具有变形大、重量轻而且所需的安装空间比钢板弹簧小的优点；绝大多数客车和货车选用钢板弹簧悬架，由于其悬架刚度大，所以适用于重型车辆，但由于其本身质量大就会直接影响汽车的乘坐舒适性；而扭杆弹簧，多用于小型、中型轿车和货车上，由于其具有其它弹性元件不具备的优点，扭杆弹簧单位质量存储的能量远远大于其它弹性元件，因此，扭杆弹簧适用于大多数的重型卡车和SUV。扭杆弹簧可以满足大载荷、布局空间小、高性能的要求，而其他弹簧不能同时满足这些要求，扭杆弹簧便成为了坦克等特殊机械装备的最佳选择。本课题设计的扭杆弹簧既要能体现出其结构简单所需空间小、贮存能量大、无需维护和高性能等优点，然而对于这个注重舒适性的时代，在空载状态下为了能够保持较好的舒适性就要使弹簧的刚度小一点；而弹簧在满载状态下必须有较大的刚度来提供良好的操控稳定性，即设计的扭杆弹簧的弹簧特性应为非线性的且符合实际情况，扭杆弹簧悬架应使得汽车既能保持良好的操控稳定性又兼顾舒适性。
1.2悬架的发展史
科学技术的进步，是人类永恒的追求。早在马车时代,为提高乘坐舒适性,人类就开始研究马车的悬架。1776年,叶片弹簧因在马车上的运用而申请了专利,但一直到1930年左右,螺旋弹簧才逐渐被广泛应用。汽车的问世，伴随着对悬架进行了深入的探索，继而涌现出了扭杆弹簧、空气弹簧、钢板弹簧等弹性元件。1934年出现了史上第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架[1]。依据经验或优化设计的方法来确定被动悬架的参数,在行驶状态下保持稳定。这只是对于普通道路状况而言,难以适应各种道路状况,减振性能不佳。从而选择具有非线性特性的弹簧以及能够调节车身高度的策略来消除这种弊端,即使能得到一定的效果,但很难完全克服被动悬架的缺点。便宜的轿车普遍适用被动悬架,麦弗逊式悬架普遍被应用在现代轿车的前悬架上,后悬架可以是纵向摆臂悬挂和多连杆悬架等。
1973年，D.A.Crosby和D.C.Karnopp率先提出半主动悬架的研究。半主动悬架主要是通过改变阻尼力的大小,正常情况下不研究悬架刚度的变化。工作原理是:根据簧载质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号,按照一定的控制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度。它产生力的方式与被动悬架几乎相同,也能够像主动悬架一样按照运行状况改变阻尼或者刚度系数。有级式半主动悬架的阻尼被分为几个等级,驾驶员可以根据“路感”手动选择或由传感器信号自动选择阻尼等级;无级式半主动悬架的阻尼会随着汽车行驶的道路条件和行驶情况的变化能够在极短的时间内大范围的不断变化。半主动悬架结构较简单,节约能量，无需浪费,并与主动悬架的性能相似,有很好的发展空间[2]。
随着道路交通网的迅猛发展，车速大为提升,被动悬架的弊端渐渐显现出来，约束了汽车性能的进一步优化,为此人们开发了能兼顾舒适性和操纵稳定性的主动悬架。美国通用汽车公司于1954年在悬架设计中首先提出了主动悬架的概念。被动悬架是它的设计依据，刚度和阻尼的调节控制装置得到了相应的补充,确保悬挂系统无论在何等条件下行驶时都能维持最好的运转状态。控制装置由测量系统、反馈控制系统、能源系统等组成。1980年到1990年之间,主动悬架已成为各个世界闻名的汽车公司的研发对象。其中奔驰、沃尔沃、洛特斯、丰田等在汽车上的试验较为成功。配备主动悬架的车辆,即使在坏路面上飞驰时,车身仍然可以维持在一个很稳定的状态,胎噪小,汽车在制动和转向也能保持水平的状态。乘坐舒适性好是其主要优点,但它也有构造复杂、消耗大、成本大、可靠性差等缺陷。
但我国的汽车由于各种各样的原因，大多数选用被动悬架。对于半主动和主动悬架的探索相对落后,同国外相差甚远。上世纪80年代后期，福特公司和日产公司已将半主动悬架较为成功的运用到了轿车上。尽管主动悬架早被提出,但由于其构造复杂,而且涉及到很多学科,所以一直难以有较大的突破。直到1990年，仍然只适用于大排量的高档车辆。
1.3悬架的发展趋势
随着社会的快速发展，不断提高汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求, 具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将会是今后汽车悬架发展的趋势。
(1)由于被动悬架的构造是机械结构,刚度和阻尼均为固定值,根据随机振动理论,它仅可以确保在某些特定道路条件下才能收获良好成效。但由于其成熟的理论，结构简单、性能可靠、成本低，不需要额外的能源的原因使其被广泛应用。目前,对于我国仍有很高的研究价值。被动悬架的主要研究内容集中在三个方面:1）经过对汽车进行受力分析后,创建数学模型,而后再利用计算机仿真技术或者有限元分析法进行优化设计，探索悬架的最优参数;2）开发出刚度可变的弹簧以及阻尼可变的减振器,这样使得无论在何种道路条件下，悬架都能保持在一个最佳状态，同时车辆能够维持良好的运行状态;3）探讨导向机构,大大提高车辆悬架的稳定性，同时仍然能够满足舒适性的要求。
(2)半主动悬架系统的研究应集中在两个方面:1）执行策略的研究;2）执行器的研究。阻尼可调的减振器分为两种,一种是经过调整节流孔的大小来实现的;另外一种是经过调整减振液的粘性来实现的。正常情况下通过利用电磁阀或步进电机进行有级或无级的调节来改变节流孔的大小,这种方法的缺陷是成本高,结构复杂。然而经过调整减振液的粘性的方式存在构造简易、本钱小、无噪音和冲击小等优势,所以已是当前的主流发展趋势。执行策略的研究是通过确定性能指标，然后进行控制器的设定，目前，模糊控制在这方面应用较多[3]。
(3)主动悬架的研究也主要集中在两个方面:1）可靠性;2）执行器。由于大量的传感器、单片机、输出输入电路和接口应用于主动悬架系统,因为组件的数量太多,可靠性大大降低。因此，提高组件的集成度，是一个不可逾越的阶段。液压器件被电动器件替代是执行器探索研究的主要内容。此后替代液压执行机构的将会是电气动力系统，由于该系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具备比较多的优势。根据电磁储能原理,估计自校正控制器,希望设计电磁存储的高性能和低功耗的自适应主动悬架,使得主动悬架的探索从理论研究转移到了实际应用。
从整体上看,主动悬架的减振效果更好,性能优越,可以兼顾平顺性和操纵稳定性。但同时也存在着元件成本较高,损耗的能量多,额外增大了整车质量,所以主动悬架会大幅度的加大了成本和能量损耗;半主动悬架有着与主动悬架相似的减振性能,而操纵稳定性比被动悬架好，可靠性高,它的发展必由之路会是便于调节阻尼的减振器和算法清晰有效的控制策略。性能比较差是它的缺陷,但它也有成本底、节约能源的优点。被动悬架在目前一段时间内仍然会是使用最为广泛的悬架系统,经过对悬架结构以及各种参数的进一步优化可以不断的提高悬架性能。
悬架技术的革新与相干学科的发展是密不可分的。先进的计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的不断发展提供了强有力的保障。悬架的进一步发展同样依赖着相关学科的理论发展,其实这两者之间是相互依存、相互促进的关系,只有这样才能够真正兑现可持续发展。
1.4课题研究的内容
本课题主要是针对轿车扭杆弹簧悬架中的扭杆弹簧进行设计及分析，研究内容主要分为两大块：
扭杆弹簧的设计：
（1）扭杆直径d的设计
（2）端部渐开线花键设计
（3）过渡段设计
（4）扭杆工作长度设计
（5）扭转刚度和花键强度的校核
扭杆弹簧的的仿真及分析
（1）扭杆弹簧的仿真
（2）仿真结果的分析
2.悬架
2.1汽车悬架系统的作用、组成和分类
2.1.1汽车悬架系统的作用
悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的所有传力装置的总称。当今汽车上的重要的总成部件之一就是悬架，车架（或车身）与车轴（或车轮之间的）弹性连接就是靠悬架而实现的。它的作用是将路面给车轮的作用力即垂直反力（支承力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所产生的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶[4]。悬架的主要职能有三个：
1）连接车体和车轮，并用适度的刚性支撑车轮；
2）吸收来自路面的冲击，提高乘坐舒适性；
3）有助于行驶中车体的稳定，提高操纵性能。
它的各个功用是密切相关的，但它们之间也是矛盾的，如果提升乘坐舒适性，必然会影响操纵稳定性。因此，悬架系统的设计就是为了能够取得最佳的平衡状况[5]。
根据试验结果得出，悬架会影响到乘坐舒适性、稳定性、燃油经济性等多种使用性能，所以，当选取悬架的参数以及如何设置导向机构时，得注意必须要符合上述性能的要求，其主要内容如下：
1）确保汽车的行驶平顺性良好。因此，汽车的振动频率必须得低。
2）有合适的减振性能。减振性能能够和悬架的弹性特性相匹配，必须确保在共振区车身和车轮的振幅小，振动缓和迅速。
3）确保汽车有优越的操控稳定性。当车轮跳动时，导向机构不会大幅度的改变主销定位参数，车轮同导向机构运动规律相互匹配，避免发生摆振。车辆在转向时应该有些许不足转向特性。
4）汽车制动和加速时能保持车身稳定，减少车身纵倾的可能性。
车身同轮子间的所有力以及力矩都能够通过悬架来传输，而且悬架的零部件质量小，但强度、寿命是绰绰有余的[6]。
2.1.2汽车悬架系统的组成
即使汽车悬架存在多种类型，在正常情况下弹性元件、减振器和导向机构是组成悬架的三大部分。
因为车辆运动时的道路状况不可能为完全平畅的，所以地面给予车轮的力即垂直反力大多数为冲击性的，尤其当飞驰在道路条件很差的道路上时，这种冲击力的数值会变得很大。由于这种冲击力对车身的冲击，有可能会导致汽车零部件的早期损坏；这种冲击力对于旅客和货物而言，旅客会感到很不舒服，货物可能会损坏。为减轻这种冲击，除了在汽车行驶系统中选用有弹性的充气轮胎以外，在悬架系统中必须装有弹性元件来保持车架（或车身）与车桥（或车轮）之间的弹性联系。
但由于这种冲击力会使弹性系统出现振动现象，乘员会因为不停的振动而感到不舒服或者疲惫，所以悬架应该还得具备减振的功用，快速衰减振动（振幅立即减小）。因此，减振器被安装在各种形式的汽车悬架中。即弹性系统引发的振动将通过减振器来减弱。当减振器阻尼力越大时，缓和振动的时间越短，同样也存在缺点，难以完全展现出并联连接的弹性元件的作用；同时，阻尼力过大有可能会损毁减振器连接零件及车架。为解决弹性元件与减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求[7]：
1)悬架在压缩过程中，要求减振器的阻尼力小一点，便于充分使用弹性元件的弹性性能来缓解冲击。
2)在悬架伸张行程内，减振器的阻尼力应较大，以求迅速减振。
3)车轴相对于车身的速率太大时，减振器可以增大它的液流通道截面，使得阻尼力一直保持在一定范围之间，为了不受到过强的冲击载荷。
当车轮相对车架发生跳动时，车轮（尤其是转向轮）的轨迹必须满足有关规定，不然会影响汽车的一些行驶性能（尤其是操控稳定性）。因此，悬架中某些传力机构同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，称为导向机构[4]。
弹性元件、减振器和导向机构各自有缓冲、减振和导向的作用，但三者相同的作用是传力。
2.1.3汽车悬架系统的分类
汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。
利用整体式车轴来连接车轮，车轮以及车轴都是利用弹性悬架从而和车架固定在一起，这是非独立悬架的结构特点。由于恶劣的道路条件使得一边的车轮颠簸时，将不可避免的导致车辆的另外一边的车轮也摆动。
由于其存在构造简单、可靠性高的长处，所以货车的前、后悬架普遍选用它。对于轿车，非独立悬架一般只应用于后悬架。对于悬架构造，尤其是导向机构，由于选取的弹性部件不同，有时会存在很大差异。选取螺旋弹簧、气体弹簧时，导向机构应该复杂一点；而钢板弹簧自身有导向和些许减振的功用，所以选取它能够使悬挂结构大为简化。因此，它被选为大多数非独立悬架的弹性元件。非独立悬架存在非簧载质量大的特点，高速行驶时悬架受到较大的冲击载荷，平顺性较差。其常见的形式有：
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