畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）輕型載貨汽車后懸架的設(shè)計(jì)

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1、山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要 本文通過傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以依維柯歐霸輕卡為原型車，詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算了漸變剛度鋼板彈簧后懸架。 文中首先介紹了懸架系統(tǒng)領(lǐng)域的研究與設(shè)計(jì)及其發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)；其次詳細(xì)概述了懸架系統(tǒng)對(duì)汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的影響；再次著重闡述了鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟和設(shè)計(jì)要求，各主要零部件結(jié)構(gòu)的選型及計(jì)算；板簧弧高及曲率半徑的計(jì)算，材料強(qiáng)度、剛度的驗(yàn)算、校核；減振器的選??；最后還根據(jù)SAE圓弧法做了鋼板彈簧的運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算，分析了板簧系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)軌跡和關(guān)鍵角的變化，并用最小二乘法求出關(guān)鍵點(diǎn)軌跡的曲率中心和曲率半徑。鋼板彈簧懸架有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制造成本低等特

2、點(diǎn)，長(zhǎng)期以來在各種大中型車輛上得到廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：輕型載貨汽車；后懸架；鋼板彈簧；設(shè)計(jì) ABSTRACT This article through the traditional design calculation method and computer technology, combining with IVECO Light Truck Tire as the prototype, the car design calculation after gradient stiffness &leaf spring suspen

3、sion. This paper firstly introduces the suspension system research and design and development status quo and tendency; Secondly detailed overview of the suspension system and manipulation stability comfort ability influences; Introduces emphatically the leaf spring again suspension design processe

4、s of the ship unlades and design requirements, the structure of the main parts selection and calculation, leaf-spring curvature, material strength, stiffness checking and checking, shock absorber selection and installation Angle calculation; Finally is done according to SAE arc method of leaf spri

5、ng, analyzes the motion analysis and calculation of the track and key point leaf-spring system changes, and the Angle least-square method of point out the curvature center and track curvature radius. Keywords: light commercial vehicle；rear suspension；leaf spring；design 目 錄

6、 摘要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2 1.3研究?jī)?nèi)容和方法 4 1.4本章小結(jié) 6 2 懸架系統(tǒng)總體方案的確定 7 2.1設(shè)計(jì)要求 7 2.2懸架系統(tǒng)概述 7 2.3懸架系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案確定 9 2.4懸架系統(tǒng)各主要零部件選型 11 2.5技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 15 3 懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的確定 18 3.1懸架靜撓度和動(dòng)撓度的選擇 18 3.2懸架彈性特性 20 3.3后懸架主、副簧剛度的分配關(guān)系 21 3.4懸架側(cè)傾剛度及其在前、后軸的分配 22 4彈性元件的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 4.1初選

7、參數(shù) 23 4.2 各片長(zhǎng)度的確定 26 4.3鋼板彈簧的剛度驗(yàn)算 28 4.4總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算 29 4.5鋼板彈簧總成弧高的核算 31 4.6各種工況下校核 32 5減振器設(shè)計(jì) 35 5.1相對(duì)阻尼系數(shù)ψ的選擇 35 5.2減振器阻力系數(shù)δ的確定 36 5.3最大卸荷力的確定 37 5.4筒式減振器工作缸直徑的確定 38 5.5減振器工作行程檢驗(yàn) 38 6鋼板彈簧運(yùn)動(dòng)分析 39 6.1鋼板彈簧壓平前的計(jì)算 40 6.2鋼板彈簧反弓后的計(jì)算 43 7總結(jié)與展望 47 7.1 總結(jié) 47 7.2展望 47 參考文獻(xiàn) 48 致謝 50

8、附錄 51 57 1 緒論 1.1研究背景及意義 鋼板彈簧懸架(簡(jiǎn)稱板簧懸架)又分為少片變截面鋼板懸架與等截面多片板簧懸架。目前國(guó)內(nèi)95%以上的重卡懸架系統(tǒng)是以鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨(dú)立懸架，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠。缺點(diǎn)是汽車平順性、舒適性較差；簧下質(zhì)量大，無(wú)法適應(yīng)重卡輕量化的發(fā)展，并且不能同時(shí)兼顧重卡的舒適性與操縱穩(wěn)定性。 國(guó)內(nèi)汽車懸架彈簧生產(chǎn)企業(yè)160余家，遍布全國(guó)各地，具有規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)(生產(chǎn)規(guī)模在0.8萬(wàn)噸以上)約80余家。產(chǎn)品質(zhì)量水平剛達(dá)到國(guó)外先進(jìn)國(guó)家90年代水平。大部分企業(yè)規(guī)模較小，生產(chǎn)集中度低，散亂差

9、問題較嚴(yán)重。其中真正形成大規(guī)模、大批量生產(chǎn)的企業(yè)為數(shù)不多，大多仍停留在簡(jiǎn)單生產(chǎn)工藝的水平上，產(chǎn)品成本較高，難以參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)高檔次汽車鋼板懸架彈簧的企業(yè)只有4家：一汽集團(tuán)遼陽(yáng)汽車彈簧廠、東風(fēng)汽車懸架彈簧有限公司、重慶紅巖汽車彈簧廠、山東汽車彈簧廠，他們都具有生產(chǎn)多種疊片簧、漸變剛度彈簧、少片變截面鋼板彈簧和雙曲率半徑及平直段的汽車鋼板彈簧的能力。國(guó)內(nèi)能夠同時(shí)生產(chǎn)客車、貨車、轎車懸架彈簧的廠家也只有三個(gè)：一汽集團(tuán)遼陽(yáng)汽車彈簧廠、東風(fēng)汽車懸架彈簧有限公司、山東汽車彈簧廠[1]。 自主開發(fā)是中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的保障。我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)初具規(guī)模，但是面臨著能源緊

10、張、技術(shù)落后、自主品牌嚴(yán)重缺乏以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇帶來的壓力。我國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)要加速、持續(xù)和健康的發(fā)展，并成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，必須堅(jiān)持產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，選擇面向自主發(fā)展具有中國(guó)特色的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)、技術(shù)的進(jìn)步、以及民族品牌的崛起。 所以為了適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)的自主開發(fā)道路，對(duì)鋼板彈簧懸架進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算并進(jìn)行推廣交流顯得尤為重要。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動(dòng)懸架的缺陷逐漸成為整車性能，特別是轉(zhuǎn)向時(shí)不側(cè)傾、制動(dòng)時(shí)不點(diǎn)頭要求的瓶頸，為此人們開發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動(dòng)懸架。主動(dòng)懸架的概念是1

11、954年美國(guó)通用汽車公司在懸架設(shè)計(jì)中率先提出的主動(dòng)懸架的模型，它在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，汽車懸架在任何路面上保持最佳的運(yùn)行狀態(tài)控制裝置通常由測(cè)量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等組成。20 世紀(jì)80年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠家競(jìng)相研制開發(fā)這種懸架。豐田、洛特斯、沃爾沃、奔馳等在汽車上進(jìn)行了較為成功的試驗(yàn)，裝置主動(dòng)懸架的汽車，即使在不良路面高速行駛時(shí)，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)車身保持水平特點(diǎn)乘坐非常舒服，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，成本昂貴，可靠性存在問題[2]。 由于種種原因，我國(guó)的汽車絕大部分采用被動(dòng)懸架，在半主動(dòng)和主動(dòng)懸架的研究方面起步晚，與國(guó)外

12、的差距大，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，半主動(dòng)懸架在20世紀(jì)80 年代后期趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果，主動(dòng)懸架雖然提出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破，進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車，未見國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報(bào)道，只有北京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等少數(shù)幾個(gè)單位對(duì)主動(dòng)懸架展開研究。 1.2.2懸架的發(fā)展趨勢(shì) 由于汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，具有安全、智能和清潔的綠色智能懸架將是今后汽車懸架發(fā)展的趨勢(shì)。 被動(dòng)懸架是傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機(jī)振動(dòng)理論，它只能保證在特定的路況下達(dá)到較好效果，但它的理

13、論成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠， 成本相對(duì)低廉且不需額外能量， 因而應(yīng)用最為廣泛，在我國(guó)現(xiàn)階段，仍然有較高的研究?jī)r(jià)值。被動(dòng)懸架性能的研究主要集中在三個(gè)方面：①通過對(duì)汽車進(jìn)行受力分析后，建立數(shù)學(xué)模型，然后再用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或有限元法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)；②研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運(yùn)行狀態(tài)；③研究導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩(wěn)定性有大的提高[3]。 半主動(dòng)懸架的研究集中在兩個(gè)方面：①執(zhí)行策略的研究；②執(zhí)行器的研究。阻尼可調(diào)減振器主要有兩種，一種是通過改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼，一種是通過改變減振液的粘性調(diào)節(jié)，阻尼節(jié)流孔的大小一般通過電磁閥或步進(jìn)電

14、機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無(wú)級(jí)的調(diào)節(jié)，這種方法成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜通過改變減振液的粘性來改變阻尼系數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)噪音和沖擊等特點(diǎn)，因此是目前發(fā)展的主要方向。在國(guó)外，改變減振液粘性的方法主要有電流變液體和磁流變液體兩種，北京理工大學(xué)的章一鳴教授進(jìn)行了阻尼可調(diào)節(jié)半主動(dòng)懸架的研究，林野進(jìn)行了懸架自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制決策研究，哈工大的陳卓如教授對(duì)車輛的自適應(yīng)控制方面進(jìn)行了研究，執(zhí)行策略的研究是通過確定性能指標(biāo)，然后進(jìn)行控制器的設(shè)定。目前，模糊控制在這方面應(yīng)用較多。 主動(dòng)懸架研究也集中在兩個(gè)方面：①可靠性；②執(zhí)行器由于主動(dòng)懸架采用了大量的傳感器、單片機(jī)、輸出輸入電路和各種接口，元器件的增加降低了懸架的可靠性

15、，所以加大元件的集成程度，是一個(gè)不可逾越的階段。執(zhí)行器的研究主要是用電動(dòng)器件代替液壓器件，電氣動(dòng)力系統(tǒng)中的直線伺服電機(jī)和永磁直流直線伺服電機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，今后將會(huì)取代液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計(jì)自校正控制器，可望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動(dòng)懸架，使主動(dòng)懸架由理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。 懸架技術(shù)的每次跨越，都和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)制造技術(shù)、運(yùn)動(dòng)仿真等為懸架的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的保障，懸架的發(fā)展也給相關(guān)學(xué)科提出更高的理論要求，使人類的認(rèn)識(shí)邁向新的、更高的境界[4]。 在重型車輛領(lǐng)域，電子控制空氣懸架和橡膠懸架代表了目前

16、汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展方向。在歐美汽車懸架的發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復(fù)合式懸架→被動(dòng)全空氣懸架→主動(dòng)全空氣懸架(即ECAS系統(tǒng))或橡膠懸架”過程。在歐美，橡膠懸架和空氣懸架的價(jià)格相差不大，但是使用環(huán)境不同，空氣懸架不能超載，因此在牽引車上應(yīng)用廣泛。 橡膠懸架適應(yīng)能力強(qiáng)，可用于超載環(huán)境，因此主要應(yīng)用在非公路用車或使用工況惡劣、對(duì)車輛載荷要求大的汽車上。目前ECAS系統(tǒng)在歐洲部分大客車上已經(jīng)開始應(yīng)用，預(yù)計(jì)，隨著車輛控制技術(shù)的發(fā)展，ECAS空氣懸架系統(tǒng)將成為汽車懸架的一個(gè)發(fā)展方向。 1.3研究?jī)?nèi)容和方法 1.3.1研究?jī)?nèi)容 汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)主要是為了提高汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性

17、。 汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也相應(yīng)地分為兩大部分：一是對(duì)汽車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性；另一是對(duì)汽車操縱穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的懸架特性。 前一部分主要是對(duì)懸架的彈性元件和阻尼元件特性展開工作，主要是將路面、輪胎、非簧載質(zhì)量、懸架、簧載質(zhì)量作為一個(gè)整體進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激勵(lì)下，影響汽車平順性的彈性元件以及阻尼元件的力學(xué)特性，因此可以稱之為懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究。后一部分主要是對(duì)懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，主要是研究在車輪與車身發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如何引導(dǎo)和約束車輪的運(yùn)動(dòng)、車輪定位及影響轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的一些懸架參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。這一部分的研究稱為懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究

18、?？紤]了彈性襯套等連接件對(duì)懸架性能的影響，則懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)即為懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)。懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)是闡述由于輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位等主要懸架參數(shù)的變化特性。這樣懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究就包括了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面的內(nèi)容[5]。 本課題主要是輕型載貨汽車懸架的設(shè)計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容有： (1)研究國(guó)內(nèi)外汽車懸架系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、市場(chǎng)等情況，研究各種類型汽車懸架的優(yōu)缺點(diǎn)、使用情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本原理等內(nèi)容； (2)分析汽車懸架的設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)懸架設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，確定汽車懸架的結(jié)構(gòu)； (3)懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的計(jì)算； (4)懸架系統(tǒng)各主要零部件的選型及詳細(xì)設(shè)計(jì)；

19、 (5)懸架系統(tǒng)彈性元件曲率；各特殊工況下強(qiáng)度，剛度的驗(yàn)算校核； (6)根據(jù)SAE圓弧法對(duì)鋼板彈簧懸架的運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算，分析了板簧系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)軌跡和關(guān)鍵角的變化，并用最小二乘法求出關(guān)鍵點(diǎn)軌跡的曲率中心和曲率半徑； (7)懸架系統(tǒng)裝配圖及其零部件工程圖紙的繪制。 1.3.2研究方法 為了使設(shè)計(jì)研究結(jié)果建立在科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕A(chǔ)上，使設(shè)計(jì)更符合實(shí)際情況，對(duì)割草車總體設(shè)計(jì)提出了以下研究方法： (1)通過實(shí)習(xí)、調(diào)查、上網(wǎng)以及文獻(xiàn)檢索等多種有效方法，系統(tǒng)收集汽車懸架的研究成果和相關(guān)的專業(yè)信息； (2)在對(duì)國(guó)內(nèi)外懸架的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)等情況進(jìn)行系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上，確定設(shè)計(jì)策略，作為構(gòu)思總體設(shè)計(jì)方案

20、的指導(dǎo)思想； (3)在分析懸架設(shè)計(jì)要求和各種類型懸架的優(yōu)缺點(diǎn)、使用情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本原理的基礎(chǔ)上，參考實(shí)習(xí)、調(diào)研得到的資料，分析懸架的設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)懸架設(shè)計(jì)的技術(shù)條件； (4)在整車主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求、技術(shù)條件要求，對(duì)懸架進(jìn)行初步選型設(shè)計(jì)； (5)研究目前懸架的基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論和機(jī)械設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)，確定其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)方案和主要技術(shù)參數(shù)； (6)對(duì)懸架主要參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行曲率、剛度、強(qiáng)度驗(yàn)算、校核及運(yùn)動(dòng)分析； (7)根據(jù)整車布置和結(jié)構(gòu)需要，最終繪出標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械工程圖紙。 1.4本章小結(jié) 本章主要介紹了汽車懸

21、架系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。以及懸架領(lǐng)域主要的研究?jī)?nèi)容。由于世界汽車工業(yè)的飛速發(fā)展必然帶來中國(guó)汽車工業(yè)的技術(shù)升級(jí)以及生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型，加上人們對(duì)汽車舒適性、操控性的要求越來越高，新型懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)會(huì)發(fā)展的更快，而國(guó)內(nèi)為節(jié)約成本，懸架系統(tǒng)的制造都采用普通材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，加工工藝也相對(duì)落后。再加上懸架加裝在底盤后的調(diào)校技術(shù)差距較大，所以導(dǎo)致整車的平順性和操控性不足。因此需要我們不僅在彈性元件材料的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及懸架系統(tǒng)的調(diào)試對(duì)整車性能的影響等這些方面做出更多的努力。 2 懸架系統(tǒng)總體方案的確定 2.1設(shè)計(jì)要求 懸架與汽車的多種使用性能有關(guān)，在懸架的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)滿足以下幾方面的要

22、求： (1)保證汽車有良好的行使平順性。為此，汽車應(yīng)有較低的振動(dòng)頻率，乘員在車中承受的振動(dòng)加速度應(yīng)不超過國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)2631—78規(guī)定的人體承受振動(dòng)界限值，振動(dòng)加速度的界限值是振動(dòng)頻率和人承受振動(dòng)作用的時(shí)間的函數(shù)。承受振動(dòng)作用的時(shí)間越長(zhǎng)，容許的加速度值越小。而頻率的影響表現(xiàn)在某一頻段（對(duì)于垂直振動(dòng)，此頻段為4～8Hz）容許振動(dòng)加速度為最小，而在其余頻段內(nèi)，振動(dòng)加速度與頻段成線形關(guān)系。在設(shè)計(jì)中要考慮這一點(diǎn)。 (2)有合適的減振性能。它應(yīng)與懸架的彈性特性很好的匹配，保證車身和車輪在共振區(qū)的振幅最小，振動(dòng)衰減快。 (3)保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在車輪跳動(dòng)時(shí)，應(yīng)不使主銷定位參數(shù)變化過大

23、，車輪運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)應(yīng)協(xié)調(diào)，不出現(xiàn)擺振現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向時(shí)整車應(yīng)有一些不足轉(zhuǎn)向特性。 (4)汽車制動(dòng)和加速時(shí)能保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾（即所謂的“點(diǎn)頭”或“后仰”）的可能性。 (5)能可靠地傳遞車身與車輪間的一切力和力矩，零部件質(zhì)量輕并有足夠的強(qiáng)度和壽命[6]。 2.2懸架系統(tǒng)概述 2.2.1懸架系統(tǒng)的主要作用 懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳力裝置的總稱。它把車架（或車身）與車軸（或車輪）彈性的連接起來，主要由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器組成（在有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿）。其主要作用是： (1)緩和、抑制由不平路面引起的振動(dòng)和沖擊，保證乘員乘坐舒適和所運(yùn)

24、貨物完好； (2)除傳遞汽車垂直力以外，還傳遞其他各方向的力和力矩，并保證車輪和車身（或車架）之間有確定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使汽車具有良好的駕駛性能[7]。 2.2.2懸架結(jié)構(gòu)形式分析 懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩類。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是左、右車輪用一根整體軸連接，再經(jīng)過懸架與車架（或車身）連接。獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是左、右車輪通過各自的懸架與車架（或車身）連接。 圖2.1 懸架的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖 a）非獨(dú)立懸架 b)獨(dú)立懸架 (1)非獨(dú)立懸架 以縱置鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨(dú)立懸架，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工作可靠。缺點(diǎn)是由于整車布置上的限制，鋼板

25、彈簧不可能有足夠的長(zhǎng)度（特別是前懸架），使之剛度較大，所以汽車平順性較差；簧下質(zhì)量大；在不平路面上行駛時(shí)，左、右車輪互相影響，并使車軸（橋）和車身傾斜；當(dāng)汽車直線行駛在凹凸不平的路面上時(shí)，由于左右兩側(cè)車輪反向跳動(dòng)或只有一側(cè)車輪跳動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，離心力也會(huì)產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；車軸（橋）上方要求有與彈簧行程相適應(yīng)的空間。這種懸架主要用在貨車、大客車的前、后懸架以及某些轎車的后懸架上。 (2)獨(dú)立懸架 獨(dú)立懸架的優(yōu)點(diǎn)是：簧下質(zhì)量??；懸架占用的空間??；彈性元件只承受垂直力，所以可以用剛度小的彈簧，使車身振動(dòng)頻率降低，改善了汽車行駛平順性；由于有可能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的位置高

26、度，使整車的質(zhì)心高度下降，又改善了汽車的行駛穩(wěn)定性；左、右車輪各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)互不影響，可減少車身的傾斜和振動(dòng)，同時(shí)在起伏的路面上能獲得良好的地面附著能力。獨(dú)立懸架的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維修困難。這種懸架主要用于轎車和部分輕型貨車、客車及越野車上[8]。 2.3懸架系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案確定 本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)為輕型載貨汽車后懸架系統(tǒng)，考慮到經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性要求，所以選用非獨(dú)立懸架。 汽車懸架的彈性元件一般有以下四種，見表2.1： 表2.1 彈性元件四種形式 鋼板彈簧 螺旋彈簧 扭桿彈簧 氣體彈簧 橡膠彈簧 其中螺旋彈簧和扭桿彈簧一般應(yīng)用于獨(dú)立懸架中，本文不作考慮。 以下分別為其

27、他三種懸架。 2.3.1板簧懸架 鋼板彈簧懸架(簡(jiǎn)稱板簧懸架)又分為少片變截面鋼板懸架與等截面多片板簧懸架。目前國(guó)內(nèi)95%以上的載貨汽車懸架系統(tǒng)是以鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨(dú)立懸架，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠。 缺點(diǎn)是汽車平順性、舒適性較差；簧下質(zhì)量大，無(wú)法適應(yīng)輕量化的發(fā)展，并且不能同時(shí)兼顧舒適性與操縱穩(wěn)定性。而空氣懸架則充分利用了空氣彈簧變剛性的特性，達(dá)到同時(shí)兼顧這兩個(gè)方面的目的。 2.3.2空氣懸架 空氣懸架系統(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件,以空氣做彈性介質(zhì),在一個(gè)密封的容器內(nèi)充入壓縮空氣(氣壓為0.5~0.7Mpa)，利用氣體的可壓縮性，實(shí)

28、現(xiàn)其彈性作用的。這種彈簧的剛度可變，具有較理想的彈性特性。 目前空氣懸架控制模式主要有兩種，一種是采用機(jī)械高度閥手動(dòng)調(diào)節(jié)。另一種為電子控制(ECAS)，使傳統(tǒng)空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，提高了懸架操作舒適性和反應(yīng)靈敏度。 2.3.3橡膠懸架 橡膠懸架是以橡膠彈簧為彈性元件，由于橡膠彈簧具有變剛度的特點(diǎn)，因此，整個(gè)懸架有較強(qiáng)的承載能力。橡膠懸架在承載性、可靠性等方面都比傳統(tǒng)使用的鋼板懸架更具優(yōu)勢(shì)，而且能夠適應(yīng)礦山作業(yè)等惡劣工況。 2.3.4總結(jié) 綜上所述，目前國(guó)內(nèi)最主要的懸架仍然為鋼板彈簧懸架，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠?？紤]到成本控制及制造因素，本設(shè)計(jì)

29、依舊采用鋼板彈簧后懸架。 鋼板彈簧懸架(簡(jiǎn)稱板簧懸架)又分為少片變截面鋼板懸架與等截面多片板簧懸架。少片變截面鋼板彈簧克服了多片鋼板彈簧質(zhì)量大，性能差（由于片間摩擦的存在，影響了汽車的行駛平順性）的缺點(diǎn)。這種板簧對(duì)實(shí)現(xiàn)車輛輕量化，節(jié)約能源和合金彈簧鋼材大為有利，故應(yīng)用日漸廣泛。但其制造加工工藝復(fù)雜，成本高。所以本車選用等截面多片板簧，并設(shè)計(jì)成為漸變剛度，主副簧結(jié)構(gòu)的多片鋼板彈簧后懸架，以節(jié)約成本并有效提高其行駛平順性[9]。 原型車為依維柯輕型載貨汽車，其后懸架系統(tǒng)如圖2.2： 圖2.2 依維柯S系列后懸架 1-后鋼板彈簧；2-緩沖塊；3-減振器；4-吊耳；5-后鋼板彈簧后支架；

30、6-前支架； 7-蓋板；8-U型螺栓 采用變剛度鋼板彈簧的目的是為了在空載（帶駕駛員）和滿載時(shí)都能獲得良好的平順性。汽車空載時(shí)，只要主簧起作用，載荷增加時(shí)隨著主簧的變形與副簧逐漸貼合，至設(shè)計(jì)載荷附近主副簧完全貼合共同起作用。變剛度板簧有利于提高汽車平順性，但在布置上要求有足夠的變形空間。 2.4懸架系統(tǒng)各主要零部件選型 2.4.1葉片斷面 最常用的板簧材料為熱軋彈簧扁鋼。矩形斷面，為了提高斷面葉片的疲勞強(qiáng)度，改善葉片間潤(rùn)滑的情況，通常其制成兩頭帶圓弧或兩面有較大的凹陷弧度的矩形（如圖2.3 (a)）。 單面帶拋物線的斷面（如圖2.3 (b)）和單面帶槽的斷面（如圖2.3 (c)、

31、(d)）都采用改進(jìn)后的特殊矩形斷面。其共同特點(diǎn)是使斷面的幾何形狀在垂直方向（厚度方向）不對(duì)稱，變形時(shí)的中性軸上移，葉片的上表面拉力減少，下面的壓力增加（一般材料的抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度），提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度，使疲勞壽命約提高了30％，同時(shí)可節(jié)約10％～14％的材料。 由于矩形斷面設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單，制造加工方便。所以本設(shè)計(jì)采用矩形斷面。 圖2.3 鋼板彈簧的截面形狀 (a) 標(biāo)準(zhǔn)型；(b) 單面單槽；(c) 拋物線側(cè)邊；(d)單面雙槽 2.4.2 葉片的端頭形狀 葉片的端頭形狀有直角形、梯形、橢圓形幾種。如圖2.4所示： (a)直角片端 (b)梯形片端 (

32、c)橢圓形片端 圖2.4 葉片端頭形狀 直角形的制造容易，在載貨汽車上應(yīng)用比較廣泛，但是這種形狀的葉片端部剛度大，易引起壓應(yīng)力集中，因而增加了葉片的磨損和摩擦，很難設(shè)計(jì)成與等強(qiáng)度梁近似的結(jié)構(gòu)，此外，彈簧的質(zhì)量也很大。梯形的能制成比較接近等強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，克服了直角形的某些缺點(diǎn)。橢圓形的葉片末端壓延成所需要的變截面形狀，以得到等強(qiáng)度梁，并可增加葉片端部的彈性，減少片間的摩擦，改善應(yīng)力沿葉片長(zhǎng)度方向的分布，從而使彈簧的質(zhì)量減小，這種端頭形狀的葉片在國(guó)外已日趨廣泛采用，在國(guó)內(nèi)因制造困難，故目前還比較少應(yīng)用。 由于本次設(shè)計(jì)是輕型載貨汽車的后懸架，考慮到制造工藝和經(jīng)濟(jì)性的要求，采用直角形端頭形狀。

33、 2.4.3 鋼板彈簧與車架的連接形式的確定 鋼板彈簧與車架的連接形式目前常見的有鉸鏈連接、滑動(dòng)連接、橡膠塊連接等。鉸鏈連接可承受垂直載荷和水平載荷，滑動(dòng)連接只能傳遞垂直載荷，橡膠塊連接可有很好的減振作用，但橡膠塊易老化。本設(shè)計(jì)選用鉸鏈連接。 2.4.4 吊耳及鋼板彈簧銷的結(jié)構(gòu) 大多數(shù)板簧的支撐方式為一端采用固定卷耳，另一端采用擺動(dòng)吊耳。擺動(dòng)吊耳的結(jié)構(gòu)可以用C形、叉形以及分體式等。彈簧銷的支承、潤(rùn)滑則可用螺紋式，自潤(rùn)滑式。滑動(dòng)軸承，橡膠支承，或者將板簧支承在橡膠座內(nèi)。螺紋式的好處在于可同時(shí)承受垂向及側(cè)向載荷，板簧側(cè)面不必加工，螺紋可起儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑和防塵的作用。螺紋表面滲碳以達(dá)到一定的硬度，

34、一般其擠壓應(yīng)力為7Mpa。自潤(rùn)滑式多用于轎車及輕型載貨汽車，具有不必加潤(rùn)滑脂及噪聲小的特點(diǎn)。重卡上多使用滑動(dòng)軸承式，一般采用銅合金或粉末冶金襯套，工作擠壓應(yīng)力約為3.5~7Mpa，這種結(jié)構(gòu)中，板簧卷耳兩側(cè)必須加工至規(guī)定寬度以便與支架或吊耳配合傳遞側(cè)向力。在采用橡膠支承時(shí)必須充分考慮其對(duì)懸架特性的影響。 本文采用一端采用固定卷耳，另一端采用擺動(dòng)吊耳。擺動(dòng)吊耳結(jié)構(gòu)采用分體式自潤(rùn)滑式。 2.4.5 鋼板彈簧卷耳和襯套 鋼板彈簧主片端部制成以便安裝彈簧銷和用以與托架或吊耳連接。常用的卷耳型式有上卷耳、平卷耳、下卷耳、鍛造卷耳等，上卷耳應(yīng)用比較多。采用下卷耳主要是因?yàn)橛袝r(shí)需要用來保證彈簧運(yùn)動(dòng)軌跡

35、與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，但是它在載荷作用下容易張開。車身高度受限時(shí)，采用下卷耳。平卷耳可以減少卷耳的應(yīng)力，應(yīng)縱向力作用方向和彈簧主片斷面的中心線重合，但制造復(fù)雜。鍛造卷耳，強(qiáng)度較高，它與彈簧主片分開為兩個(gè)零件，用螺栓連接起來，但由于制造成本比較高，目前應(yīng)用較少。本設(shè)計(jì)鋼板彈簧前端采用上卷耳式，后端采用吊耳式。 在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈簧主處需要得到加強(qiáng)，將第二、三片端部制成加強(qiáng)卷耳的包耳。由于本設(shè)計(jì)是輕型貨車，只將第二片設(shè)計(jì)成包耳。 鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國(guó)內(nèi)外汽車上已經(jīng)廣泛采用塑料襯套。因它具有耐磨，耐腐蝕、減振、不需要潤(rùn)滑、重量輕的優(yōu)

36、點(diǎn)。常用的塑料襯套材料為尼龍1010，聚甲醛等。 2.4.6 彈簧夾箍 彈簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯(cuò)位之外，還能在彈簧回彈時(shí)，將力傳遞給其他簧片，減少主片應(yīng)力。彈簧夾箍結(jié)構(gòu)如下圖所示。目前使用最多的是可拆式夾箍。為了防止彈簧橫向扭曲時(shí)在簧片上產(chǎn)生過大的應(yīng)力，在夾箍和彈簧片表面之間會(huì)留有一定的間隙，一般不小于1.5mm，夾箍與彈簧片側(cè)面間隙為0.5～1mm。對(duì)于不經(jīng)常拆裝換片的彈簧，大都采用了不可拆式夾箍，這種夾箍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少制造費(fèi)用，而且彈簧裝配方便，多用于轎車和輕型載貨汽車上。此車采用不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。 2.4.7鋼板彈簧中心螺栓 中心螺栓的作用，除了夾緊各片彈簧外

37、，又是安裝鋼板彈簧的定位銷。中心螺栓在U形螺栓松動(dòng)時(shí)易剪斷，因此應(yīng)有一定的強(qiáng)度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧斷面強(qiáng)度，因此其直徑不宜做的過大，一般與簧片厚度相等。下表是推薦的中心螺栓直徑尺寸。中心螺栓一般用15MnVB材料作成，機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)。對(duì)于重型載貨汽車，中心螺栓多用40Cr或40MnB制成。 表2.2 中心螺栓直徑尺寸 中心螺栓直徑 8 10 12 14 16 簧片厚 ＜7 7～9 9～11 11～13 13～16 中心孔直徑 8.5 10.5 12.5 14.5 16.5 本車類型為輕卡，但為漸變剛度板簧，所以，因此由表2.2得出中

38、心螺栓直徑先初步確定為12mm，由此得中心孔直徑為12.5，螺栓由材料15MnVB做成。 2.5技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 鋼板彈簧懸架主要由鋼板彈簧前后支架、若干片板簧、板簧蓋板、U型螺栓、中心螺栓、吊耳、板簧銷、緩沖塊、減振器等組成。它有加工工藝簡(jiǎn)單，可靠耐用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)為等截面漸變剛度鋼板彈簧懸架，二級(jí)主副簧結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.5所示。 圖2.5 變剛度板簧的結(jié)構(gòu)示意圖 彈性元件選用二級(jí)厚度鋼板彈簧，本設(shè)計(jì)采用矩形斷面，設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單，制造加工方便。選用最常用的板簧材料熱軋彈簧扁鋼。選用直角形的端頭，制造容易，在載貨汽車上應(yīng)用比較廣泛，成本低。但是這種形狀的葉片端部剛

39、度大，易引起壓應(yīng)力集中，因而增加了葉片的磨損和摩擦，很難設(shè)計(jì)成與等強(qiáng)度梁近似的結(jié)構(gòu)，此外，彈簧的質(zhì)量也很大。 懸架與車架采用鉸鏈連接。一端采用固定卷耳，另一端采用擺動(dòng)吊耳。擺動(dòng)吊耳結(jié)構(gòu)采用分體式自潤(rùn)滑式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。 鋼板彈簧前端采用上卷耳式。在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈簧主處需要得到加強(qiáng)，將第二、三片端部制成加強(qiáng)卷耳的包耳。由于本設(shè)計(jì)是輕型貨車，只將第二片設(shè)計(jì)成包耳。 鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國(guó)內(nèi)外汽車上已經(jīng)廣泛采用塑料襯套。因它具有耐磨，耐腐蝕、減振、不需要潤(rùn)滑、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。常用的塑料襯套材料為尼龍1010，聚甲醛等。本

40、文選用橡膠材料，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 采用不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。中心螺栓選用一般常用的15MnVB材料做成，機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)。U型螺栓，也采用普通鋼材制造。鋼板彈簧前后支架、板簧上下蓋板等設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造，而且都采用球墨鑄鐵等一般常用材料，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 橫向穩(wěn)定器選用普通彈簧鋼制造。汽車上加裝橫向穩(wěn)定器，就可以做到在不增大懸架垂直剛度c的條件下，增大懸架的側(cè)傾剛度，以保證汽車有不足轉(zhuǎn)向特性，提高整車的操縱穩(wěn)定性。 緩沖塊選用通常的硫化橡膠制造，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。有些汽車選用多孔聚氨酯，它兼有輔助彈性元件的作用，是一種有很高強(qiáng)度和耐磨性的復(fù)合材料。這種材料起泡時(shí)就形成了致密的耐磨外層，保護(hù)

41、內(nèi)部的發(fā)泡部分不受損傷。在載荷作用下彈性元件被壓縮，但其外廓尺寸增加卻不大，這點(diǎn)與橡膠不同。 減振器按其作用原理可分為單向作用和雙向作用式兩種。由于筒式減振器具有質(zhì)量小，性能穩(wěn)定，工作可靠，適宜大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以已經(jīng)成為汽車減振器的主流。筒式減振器又分為雙筒式、單筒式和充氣筒式等結(jié)構(gòu)，以雙筒式應(yīng)用最多。所以本文選用雙向作用筒式減振器。 綜上所述，本后懸架系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，不僅能滿足輕型載貨汽車各工況下的使用性能，而且還能相對(duì)提高整車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。 3 懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的確定 3.1懸架靜撓度和動(dòng)撓度的選擇 懸架靜撓

42、度是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛度之比， 式（3.1） 根據(jù)汽車?yán)碚摽芍浩嚽昂髴壹芘c其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行使平順性的主要參數(shù)之一。因現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)近似等于1，于是汽車前后軸上方車身兩點(diǎn)的振動(dòng)不存在聯(lián)系。因此，汽車前后部分的車身的固有頻率和（亦稱偏頻）可用式(3.2)表示 式（3.2） 式中 分別為前后懸架的靜撓度，單位為。 由上式可以看出：(1)懸架所受的垂直載荷一定時(shí)，懸架的剛度愈小，則汽車自然振動(dòng)頻率愈低。但是懸架的剛度愈小，在一定的載荷下懸架的垂

43、直變形就愈大，即車輪上下跳動(dòng)所需空間就愈大，這對(duì)簧載質(zhì)量大的貨車，在結(jié)構(gòu)上是難以保證的，故實(shí)際上貨車的車身自然振動(dòng)頻率往往偏高，而大大超過理想的頻率范圍。(2)當(dāng)懸架剛度一定時(shí)，簧載質(zhì)量愈大，則懸架的垂直變形就愈大，而自然頻率就愈低。故空車行使時(shí)的振動(dòng)頻率比滿載時(shí)的高?；奢d質(zhì)量也愈大。各型車的偏頻及撓度值如表3.1所示。 表3.1 懸架的靜撓度、動(dòng)撓度和偏頻 車 型 貨 車 1.5～2.2 50～110 60～90 驕 車 0.9～1.6 10～300 70～90 大客車 1.3～1.8 70～150 50～80 越野車 1.4～2.0

44、 60～130 70～130 在懸架設(shè)計(jì)中，先根據(jù)行使平順性要求確定前后懸架的和值，由以上計(jì)算公式可以求出前后懸架的靜撓度。本設(shè)計(jì)的鋼板彈簧懸架用于汽車后懸架，由表3.1選取滿載時(shí)的偏頻，空載時(shí)偏頻稍大些，空載時(shí)的偏頻值。由公式3.2變形得滿載時(shí)的后懸架靜撓度為： 對(duì)于縱置板簧組成的非獨(dú)立懸架，懸架的靜撓度與彈性元件的靜撓度是一樣的，故本設(shè)計(jì)中等截面漸變剛度多片鋼板彈簧后懸架的靜撓度為。 為了防止在不平路面上行駛時(shí)經(jīng)常沖擊緩沖塊，懸架還必須具備足夠的動(dòng)撓度。懸架的動(dòng)撓度是指由滿載位置開始，壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形（通常指緩沖塊壓到其自由高度的或）時(shí)，車輪中心相對(duì)車架（或車身）的垂

45、直位移。其值常按其相應(yīng)的靜撓度來選取，它與車型和經(jīng)常使用的路況也有密切的關(guān)系。另外，對(duì)于貨車，。查表3.1，本設(shè)計(jì)選用。 3.2懸架彈性特性 懸架受到垂直外力F與由此引起的車輪中心相對(duì)于車身位移f（即懸架的變形）的關(guān)系曲線，稱為懸架的彈簧特性，如圖3.1。其切線的斜率是懸架的剛度。懸架的彈性特性有線性和非線性兩種。當(dāng)懸架變形與所受垂直外力成固定的比例變化時(shí)，彈性特性為一直線，稱為線性彈性特性。此時(shí)懸架剛度為常數(shù)。非線性的懸架彈性特性，懸架剛度為變化的，其特點(diǎn)是在滿載位置附近，剛度小且曲線變化平緩，平順性良好；距滿載較遠(yuǎn)的兩端，曲線變陡，剛度增大。這樣，可在有限的動(dòng)撓度范圍內(nèi)，得到比線性懸架

46、更多的動(dòng)容量。懸架的動(dòng)容量系指懸架從靜載荷的位置起，變形到結(jié)構(gòu)允許的最大變形為止消耗的功。懸架的動(dòng)容量越大，對(duì)緩沖塊擊穿的可能性越小[10]。 對(duì)空載與滿載時(shí)簧上質(zhì)量變化較大的客車和貨車，為了減少振動(dòng)頻率與車身高度的變化，應(yīng)選用剛度可變的非線性懸架。乘用車簧上質(zhì)量在使用中雖然變化不大，但為了減少車軸對(duì)車架的撞擊，減少轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的側(cè)傾與制動(dòng)時(shí)的前俯角和加速時(shí)的后仰角，也應(yīng)采用剛度可變的非線性懸架。 圖3.1 懸架彈性特性曲線 3.3后懸架主、副簧剛度的分配關(guān)系 貨車后懸架多采用有主、副簧結(jié)構(gòu)的鋼板彈簧。其懸架特性如圖3.2。載荷小時(shí)副簧不工作，載荷達(dá)到一定值時(shí)副簧與托架接觸，開始與

47、主簧共同工作[11]。 圖3.2 后懸架主、副簧彈性特性 如何確定副簧開始參加工作的載荷FK和主副簧之間的剛度分配，受懸架的彈性特性和主副簧載荷分配的影響。原則上，要求車身從空載到滿載時(shí)的振動(dòng)頻率變化要小，以保證汽車有良好的平順性；還要求副簧參加工作前后的懸架振動(dòng)頻率變化不大。這兩項(xiàng)要求不能同時(shí)滿足。具體確定有兩種方法： 第一種方法是使副簧開始起作用時(shí)的懸架撓度等于汽車空載時(shí)懸架的撓度，而使副簧開始起作用前一瞬間的撓度等于滿載時(shí)的懸架撓度。于是，可求得。式中，和分別為空載與滿載時(shí)的懸架載荷。副簧、主簧的剛度比為 ， 式（3.3） 本文采用第二種方法，

48、是使副簧開始起作用時(shí)的載荷等于空載和滿載時(shí)懸架載荷的平均值，，并使和間的平均載荷對(duì)應(yīng)的頻率與和間平均載荷對(duì)應(yīng)的頻率相等，此時(shí)副簧與主簧的剛度比為 式（3.4） 其中，，分別為空載與滿載時(shí)的懸架載荷。 此法確定的主副簧剛度的比值，能保證副簧起作用前后，懸架振動(dòng)頻率變化不大。對(duì)于經(jīng)常半載運(yùn)輸狀態(tài)的車輛，此法較為合適。 3.4懸架側(cè)傾剛度及其在前、后軸的分配 懸架側(cè)傾角剛度系指簧上質(zhì)量產(chǎn)生單位側(cè)傾角時(shí)懸架給車身的彈性回復(fù)力矩。它對(duì)簧上質(zhì)量的側(cè)傾角有影響。側(cè)傾角過大或過小都不好。乘坐側(cè)傾角剛度過小而側(cè)傾角過大的汽車，乘員缺乏舒適感和安全感。側(cè)傾剛度過大而側(cè)傾角過

49、小的汽車又缺乏汽車發(fā)生側(cè)翻的感覺，同時(shí)使輪胎側(cè)偏角增大，如果發(fā)生在后輪，會(huì)使汽車發(fā)生過多轉(zhuǎn)向的可能。要求在側(cè)向力等于0.4倍車重時(shí)，轎車車身側(cè)傾角在2.5~4度，貨車車身側(cè)傾角不超過6~7度[12]。 此外，還有汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，在0.4g的側(cè)向加速度作用下，前后輪側(cè)偏角之差應(yīng)當(dāng)在1~3度范圍內(nèi)。而前后懸架側(cè)傾剛度的分配會(huì)影響到前后輪的側(cè)偏角大小，從而影響轉(zhuǎn)向特性，所以設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮懸架側(cè)傾剛度在前后軸上的分配。為滿足汽車稍有不足轉(zhuǎn)向特性的要求，應(yīng)使汽車前軸的輪胎側(cè)偏角略大于后軸的輪胎側(cè)偏角。為此，應(yīng)使前懸架具有的側(cè)傾角剛度要略大于后懸架的側(cè)傾角剛度。對(duì)轎車，比值一般在1.4~2.6。 4

50、彈性元件的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1初選參數(shù) 4.1.1主片長(zhǎng)度 在鋼板彈簧總成的基本結(jié)構(gòu)形式確定以后，就要對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算了。 對(duì)于貨車后懸架的長(zhǎng)度，。本設(shè)計(jì)選用0.4倍軸距。因此有： 主片長(zhǎng)度： 汽車非簧載質(zhì)量（非懸掛質(zhì)量）對(duì)汽車的平順性和操作穩(wěn)定性都有影響。它的選擇參照下表4.1。 表4.1 懸架的非懸掛質(zhì)量與懸掛質(zhì)量的比例關(guān)系 懸架類型 非懸掛質(zhì)量/總質(zhì)量 非懸掛質(zhì)量/懸掛質(zhì)量 整體剛性橋，鋼板彈簧 26％ 35.1％ 本設(shè)計(jì)選非懸掛質(zhì)量/總質(zhì)量=26％。 非懸掛質(zhì)量/總質(zhì)量= 取后軸非懸掛質(zhì)量 本設(shè)計(jì)的基本參數(shù)匯總在表4.2。 4.1.2斷面尺

51、寸及片數(shù)的確定 以上我們確定了汽車滿載時(shí)的靜撓度，鋼板彈簧的主片長(zhǎng)度，以及后懸架的非簧載質(zhì)量，下面我們將利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算并確定彈簧的尺寸幾片數(shù)。 板簧可近似地看作是由等厚葉片所組成的等應(yīng)力梁，這種近似在做大致估算時(shí)具有足夠的精度，可用于初選板簧的葉片厚度，葉片寬度。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于鋼板彈簧主片兩端不能制成三角形，所以它的展開面的一半不是三角形，而是梯形。它介于等應(yīng)力梁和等截面梁之間，因此可按等截面簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式并引進(jìn)一個(gè)修正系數(shù)加以修正，既撓性增大系數(shù)，它主要與彈簧兩端的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)實(shí)際鋼板彈簧：?？砂聪率接?jì)算： 式（4.1） 式中—與主片

52、等長(zhǎng)的重疊片數(shù)，本設(shè)計(jì)中為2； —彈簧預(yù)計(jì)總片數(shù)，取=8。 多片簧的垂直剛度： 式（4.2） 式中 —作用在板簧中間的支承載荷 —板簧撓度 支承載荷為一個(gè)板簧的簧載質(zhì)量，計(jì)算如下： 代入式4.2得： 表4.2 本設(shè)計(jì)的基本參數(shù) 參 數(shù) 數(shù) 值 滿載質(zhì)量 5000kg 空載質(zhì)量 2045kg 軸 距 3600mm 滿載偏頻 1.8Hz 空載偏頻 2.0Hz U型螺栓中心距 100mm 鋼板彈簧數(shù) 8 鋼板彈簧材料 60Si2Mn 鋼板彈簧應(yīng)

53、力極限值 550MPa 主片長(zhǎng)度L 1440mm 后懸架非簧載質(zhì)量 350kg 軸 荷 分 配 空載 前軸 1395kg 后軸 650kg 滿載 前軸 1800kg 后軸 3700kg 鋼板彈簧的總截面慣性矩為： 式（4.3） 式中 s—U形螺栓中心距（mm）； K—考慮U形螺栓夾緊彈簧后的無(wú)效長(zhǎng)度系數(shù)（剛性?shī)A緊：取k=0.5，撓性?shī)A緊：取k=0）本設(shè)計(jì)為剛性?shī)A緊； E—材料的楊氏彈性模量，取。 鋼板彈簧總截面系數(shù)用式（4.4）計(jì)算 式（4.4） 式中—許用彎曲

54、應(yīng)力對(duì)于彈簧鋼，經(jīng)表面噴丸處理后，推薦對(duì)前板簧取350～450；對(duì)后主簧取450～550；對(duì)后副簧取220～250。取=550 本設(shè)計(jì)取鋼板彈簧厚度。 矩形斷面等厚鋼板彈簧總慣性矩用式（4.5）計(jì)算 式（4.5） 又因?yàn)橐阎?，可由?4.5)計(jì)算并轉(zhuǎn)化得到，根據(jù)《汽車設(shè)計(jì)》推薦的，可取n=8，b=56，所以本設(shè)計(jì)選定板簧尺寸為：。 4.2 各片長(zhǎng)度的確定 在選擇各葉片長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)盡量使應(yīng)力在片間和沿片長(zhǎng)的分布合理，以達(dá)到各片壽命接近并節(jié)省材料、減小板簧質(zhì)量的目的。 用作圖法來確定各葉片長(zhǎng)度，此法是基于實(shí)際鋼板彈簧各葉片的展開圖接

55、近梯形梁形狀這一原則來做圖的。先將各葉片厚度的立方值按同一比例尺沿坐標(biāo)軸繪出，再沿橫坐標(biāo)繪出主片長(zhǎng)度之半（即）和U形螺栓中心距之半（即），得A，B兩點(diǎn)。連接這兩點(diǎn)就得到三角形的鋼板彈簧展開圖。AB線與各葉片上側(cè)邊的交點(diǎn)即決定了各邊的長(zhǎng)度。當(dāng)有與主片等長(zhǎng)的重疊片時(shí)，可將B點(diǎn)與最下一個(gè)重疊片的上側(cè)端點(diǎn)相連，如圖4.1所示[13]。 圖4.1 確定鋼板彈簧各葉片長(zhǎng)度的作圖法 經(jīng)過圓整確定板簧各葉片長(zhǎng)度見表4.3： 表4.3 各葉片長(zhǎng)度 4.3鋼板彈簧的剛度驗(yàn)算 在各片的長(zhǎng)度和斷面尺寸確定后就可以用精確的剛度計(jì)算公式對(duì)剛度進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算。一般

56、可以用共同曲率法或集中載荷法進(jìn)行計(jì)算，本設(shè)計(jì)采用共同曲率法。共同曲率法由前蘇聯(lián)的帕爾斯基提出，該方法的基本假設(shè)前提是板簧受載后各葉片在任一截面上都具有相同的曲率。主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方便，其缺點(diǎn)是由此式計(jì)算出的剛度略有偏大，可以使用經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)修正，其誤差不超過。 共同曲率法剛度計(jì)算公式為式(4.6)： 式（4.6） 式中 —第片及以上各片截面慣性距之和的倒數(shù)，即 —第片鋼板彈簧的慣性距； —； —第片鋼板彈簧的半長(zhǎng)； —經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，，轎車取上限，載貨車取下限，本設(shè)計(jì)取0.83。 在計(jì)算鋼板彈簧剛度

57、時(shí)，數(shù)據(jù)如表4.4： 表4.4 主簧單獨(dú)作用時(shí)剛度計(jì)算中的參數(shù)值 1 2 3 4 5 6 7 8 0 128 256 323 471 552 630 724 代入上式(4.6)得： 4.4總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算 4.4.1.彈簧總成自由弧高的確定 彈簧總成在自由狀態(tài)下弧高是由滿載弧高、滿載靜變形及彈簧總成在U形螺栓夾緊后引起弧高變化三部分組成的。 式（4.7） 式中—靜撓度； —滿載弧高，為了使板簧滿載時(shí)在對(duì)稱位置工作，一般希望它等于零。但考

58、慮到使用中的塑性變形，也為了不使動(dòng)撓度過小，需用給予補(bǔ)償，的值在10～30之間，本處取20。 鋼板彈簧在預(yù)壓縮時(shí)產(chǎn)生的塑性變形計(jì)算如式(4.8)： 式（4.8） 以上數(shù)值代入式(4.7)得： 4.4.2．各片副簧自由狀態(tài)下曲率半徑的確定 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下曲率半徑： 式（4.9） 因各片鋼板在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同，裝配后各片產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其值確定了自由狀態(tài)下的曲率半徑。各片自由狀態(tài)下做成不同曲率半徑的目的是：使各片厚度相同的鋼板彈簧裝配后能更好的貼緊，減少主片工作應(yīng)力，使

59、各片壽命更接近。 彈簧各片預(yù)應(yīng)力的選擇，原則上應(yīng)考慮以下兩個(gè)因素： (1)彈簧各片未裝配前，各片間隙不要相差太大，各片裝配后，應(yīng)使各片能很好配合。 (2)由于主片受力復(fù)雜，為保證主片及長(zhǎng)片有較長(zhǎng)使用壽命，希望適當(dāng)降低主片及長(zhǎng)片應(yīng)力。 基于上述原因，選擇各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，片厚相等的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力值不宜過大。對(duì)片厚不等的彈簧，厚片預(yù)應(yīng)力大一些。一般推薦主片在根部的工作應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力疊加后的合成應(yīng)力約為300～350N／mm。預(yù)應(yīng)力從長(zhǎng)片到短片由負(fù)值逐漸增至正值的。并且在確定各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，理論上應(yīng)滿足各片彈簧在根部出的預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩之代數(shù)和等于零。即 或

60、 式(4.10) 因?yàn)榇虽摪鍙椈稍O(shè)計(jì)的各片的斷面尺寸相同，故應(yīng)力之和要為零。 所以分別取，見表4.5： 表4.5 鋼板彈簧各片預(yù)應(yīng)力 矩形斷面鋼板彈簧自由狀態(tài)下曲率半徑可由式4.11確定 式（4.11） 式中 —第片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑 —第片板簧厚度 得第片自由曲率見表4.6： 表4.6 各片自由曲率 4.5鋼板彈簧總成弧高的核算 由于鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下的曲率半徑是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力后用式(4.11)計(jì)算，受其影響，裝配后鋼板彈簧總

61、成自由狀態(tài)下的弧高與用計(jì)算結(jié)果會(huì)不同。因此，需要核算鋼板彈簧總成的弧高[14]。 根據(jù)最小勢(shì)能原理，鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢(shì)能總和最小狀態(tài)，由此可求得等厚葉片彈簧的為 式（4.12） 式中，為鋼板彈簧第片的長(zhǎng)度 鋼板彈簧總成的弧高為 式（4.13） 用式(4.13)與用式(4.11)求得的鋼板彈簧總成弧高結(jié)果相近，所以選用的預(yù)應(yīng)力合理。 4.6各種工況下校核 汽車行駛時(shí)，鋼板彈簧除承受垂向載荷外，還承受其他方向的力和力矩以及沖擊載荷等的作用。因此，必須對(duì)這些載荷的極限

62、狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，以保證鋼板彈簧能可靠地工作[15]。 4.6.1板簧強(qiáng)度的校核 驅(qū)動(dòng)時(shí)，作為后輪驅(qū)動(dòng)的汽車，驅(qū)動(dòng)時(shí)后鋼板彈簧承受的載荷最大，在其前半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力用式（4.14）計(jì)算： 式（4.14） 式中 、—鋼板彈簧前后半段長(zhǎng)度，此處為對(duì)稱式結(jié)構(gòu)； —作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷； —驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車值在1.05～1.20之間，本設(shè)計(jì)取1.05； —道路附著系數(shù)，取0.7； —彈簧固定點(diǎn)到路面x的距離，本設(shè)計(jì)取500； —鋼板彈簧總截面系數(shù)，； —為鋼板彈簧主片厚度。 代入以上各值計(jì)算得： ，滿足要求。 4.6.2

63、卷耳的強(qiáng)度校核 卷耳處所受應(yīng)力卷是由彎曲應(yīng)力和拉（壓）應(yīng)力合成的應(yīng)力，即： 式（4.15） 式中 —沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力， ； —卷耳內(nèi)徑； —鋼板彈簧寬度； —主片厚度。 耳處所受應(yīng)力： ，滿足要求。 4.6.3彈簧銷的強(qiáng)度校核 對(duì)于彈簧銷，要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷時(shí)受到的擠壓應(yīng)力： 式（4.16） 式中 —滿載靜止時(shí)鋼板彈簧端部的載荷，； —卷耳處葉片寬度； —鋼板彈簧銷直徑。 彈簧銷的應(yīng)力：

64、 ，滿足要求。 用20鋼或20鋼經(jīng)滲碳處理或用45鋼經(jīng)高頻淬火后，許用應(yīng)力。 綜上所述，鋼板彈簧剛度和強(qiáng)度均滿足要求。 鋼板彈簧多數(shù)情況下采用鋼或鋼制造。采用表面噴丸處理工藝和減少表面脫碳層深度的措施來提高鋼板彈簧的壽命。表面噴丸處理有一般噴丸處理和應(yīng)力噴丸處理兩種。后者可使鋼板彈簧表面的殘余應(yīng)力比前者大很多。 5減振器設(shè)計(jì) 當(dāng)汽車懸架只有彈性元件而沒有摩擦或減振器裝置時(shí)，汽車車身的振動(dòng)將會(huì)延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間使汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性變壞。因此，懸架中必須有減振的阻尼力。減振器的功能是吸收懸架垂直振動(dòng)的能量，并轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，使振動(dòng)迅速衰減。鋼板彈簧葉片間

65、的干摩擦是一種阻尼力，但它的數(shù)值不穩(wěn)定，鋼板生銹后阻尼力過大，不易控制，所以現(xiàn)代汽車懸架中都裝有專門的減振裝置。用的最多的是液力減振器。液力減振器按其結(jié)構(gòu)可分為搖臂式和筒式的；按其作用原理可分為單向作用和雙向作用式兩種。由于筒式減振器具有質(zhì)量小，性能穩(wěn)定，工作可靠，適宜大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以已經(jīng)成為汽車減振器的主流。筒式減振器又分為雙筒式、單筒式和充氣筒式等結(jié)構(gòu)，以雙筒式應(yīng)用最多。充氣減振器在原減振器中充以一定壓力的氣體，從而改善了高速時(shí)的減振特性，并有助于消除減振器所傳的噪聲，預(yù)計(jì)將會(huì)得到推廣，而目前工藝要求及成本較高。所以本設(shè)計(jì)采用雙筒式減振器[16]。 根據(jù)汽車?yán)碚摰慕榻B可以得到減振器的

66、性能參數(shù)有兩個(gè)，即相對(duì)阻尼系數(shù)和阻尼系數(shù)。 5.1相對(duì)阻尼系數(shù)ψ的選擇 在選擇時(shí)，應(yīng)該考慮到，值取得大能使振動(dòng)迅速衰減，但會(huì)把較大的不平路面的沖擊力傳到車身，值取得過小，振動(dòng)衰減慢，不利于行駛平順性。為了使減振器阻尼效果好，又不傳遞大的沖擊力，常常把壓縮行程的相對(duì)阻尼系數(shù)選的小于伸張行程的相對(duì)阻尼系數(shù)。一般減振器的壓縮行程的相對(duì)阻尼系數(shù)與伸張行程的相對(duì)阻尼系數(shù)之間有下列關(guān)系，即，為了避免懸架碰到車架，也可以取大，可取。 對(duì)于不同懸架結(jié)構(gòu)及不同的使用條件，滿足平順性的相對(duì)阻尼系數(shù)的大小有所不同，在設(shè)計(jì)時(shí)先選取壓縮行程和伸張行程的相對(duì)阻尼系數(shù)的平均值。相對(duì)于無(wú)內(nèi)摩擦而言，有內(nèi)摩擦的鋼板彈簧懸架，相對(duì)阻尼系數(shù)可以選取的小些；而相對(duì)于前懸架而言，后懸架的平均阻尼系數(shù)可以取得大些。參考依維柯歐霸輕卡汽車的懸架的相對(duì)阻尼系數(shù)，其中，，本設(shè)計(jì)后懸架取，并取，由此計(jì)算的，。 5.2減振器阻力系數(shù)δ的確定 減振器阻力系數(shù)可由式(5.1)確定： 或 式（5.1） 式中 —懸架的固有頻率，本車為； —后橋簧上質(zhì)量，本車為。 當(dāng)減振器安裝在