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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
輕型貨車懸架設(shè)計(jì)
摘 要
本懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架與車軸彈性地連接起來。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。
懸架由彈性元件、導(dǎo)向裝置、減振器、緩沖塊和橫向穩(wěn)定器等組成。
懸架能很好的增加駕駛員的舒適性，減輕汽車震動(dòng)，使汽車能夠平順行駛。
關(guān)鍵詞 懸架；振動(dòng)；穩(wěn)定性
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The Design Of Light Truck Suspension
Abstract
Suspension fork is one automobile's important units on modern, it connects the frame and the car axle elastically. Its primary mission is transmits the all strength and the moment of force which function between the wheel and frame; Relaxes the impact load which from the road surface pass to frame , weakens load bearing system's vibration which from this causes, guarantees automobile's smooth running; Guarantees wheel has the ideal state of motion when road surface uneven and load change, guarantees the automobile's operation stability, causes the automobile to obtain the ability of high speed .
The suspension fork is composed by the elastic element, the guide, the shock absorber, the cushion block and the crosswise stabler and so on .
The suspension fork can increase pilot's comfortableness well, reduces the vibrate of automobile, and to go smoothly.
Keywords Suspension； Vibration；Stability
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 前言 5
1.1 論文研究的目的和意義 5
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6
1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容 8
第2章 總體方案論證 9
2.1 獨(dú)立懸架 9
2.2 懸架選擇的方案確定 9
2.3 本章小結(jié) 10
第3章 總體方案論證 11
3.1 懸架靜撓度 11
3.2 懸架動(dòng)撓度 12
3.3 懸架彈性特性 12
3.4 前懸架主銷側(cè)傾角與后傾角 13
3.5 本章小結(jié) 14
第4章 總體方案論證 15
4.1 少片彈簧的設(shè)計(jì) 15
4.2 鋼板彈簧的設(shè)計(jì) 16
4.2.1少片彈簧的設(shè)計(jì) 16
4.2.2鋼板彈簧主要參數(shù)的確定 16
4.2.3鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的確定 19
4.2.4鋼板許用靜彎曲應(yīng)力驗(yàn)算 20
4.2.5夾緊液壓缸的計(jì)算 20
4.2.6鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算 22
4.2.7鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算 23
4.3 本章小結(jié) 24
第5章 減振器機(jī)構(gòu)類型及主要參數(shù)的選擇計(jì)算 25
5.1 減振器的分類 25
5.2 相對(duì)阻尼系數(shù) 25
5.3 減振器阻尼系數(shù)的確定 26
5.4 最大卸荷力F0的確定 27
5.5 創(chuàng)建零件 28
5.6 本章小結(jié) 28
結(jié)論 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
附錄A 32
附錄B 36
第1章 前言
1.1 論文研究的目的和意義
懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng)(車架或承載式車身)之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動(dòng)以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的總稱。
懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車的行駛平順性。為此必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯(lián)接，依靠彈性元件來傳遞車輪或車橋與車架或車身之間的垂向載荷，并依靠其變形來吸收能量，達(dá)到緩沖的目的。采用彈性聯(lián)接后，汽車可以看作是由懸掛質(zhì)量(即簧載質(zhì)量)、非懸掛質(zhì)量(即非簧載質(zhì)量)和彈簧 (彈性元件)組成的振動(dòng)系統(tǒng)，承受來自不平路面、空氣動(dòng)力及傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)。為了迅速衰減不必要的振動(dòng)，懸架中還必須包括阻尼元件，即減振器。此外，懸架中確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩可靠傳遞并決定車輪相對(duì)于車架或車身的位移特性的連接裝置統(tǒng)稱為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)決定了車輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和車輪定位參數(shù)的變化，以及汽車前后側(cè)傾中心及縱傾中心的位置，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩(wěn)定性和抗縱傾能力。在有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿。
盡管一百多年來汽車懸架從結(jié)構(gòu)型式到作用原理一直在不斷地演進(jìn)，但從結(jié)構(gòu)功能而言，它都是由彈性元件、減振裝置和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。在有些情況下，某一零部件兼起兩種或三種作用，比如鋼板彈簧兼起彈性元件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，麥克弗遜懸架(McPherson strut suspension，或稱滑柱擺臂式獨(dú)立懸架)中的減振器柱兼起減振器及部分導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用。
根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，汽車懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩大類。非獨(dú)立懸架的鮮明特色是左、右車輪之間由一剛性梁或非斷開式車橋聯(lián)接，當(dāng)單邊車輪駛過凸起時(shí)，會(huì)直接影響另一側(cè)車輪。獨(dú)立懸架左右車輪各自“獨(dú)立”地與車架或車身相連或構(gòu)成斷開式車橋。麥克弗遜懸架為獨(dú)立懸架,鋼板彈簧為非獨(dú)立懸架。
鑒于輕型貨車的特點(diǎn)，綜合懸架的各自特性以及成本等方面，故將汽車的前懸設(shè)計(jì)為少片彈簧懸架，后懸設(shè)計(jì)為鋼板彈簧懸架。
如前所述，汽車懸架和懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，該振動(dòng)系統(tǒng)的特性很大程度上決定了汽車的行駛平順性，并進(jìn)一步影響到汽車的行駛車速、燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。該振動(dòng)系統(tǒng)也決定了汽車承載系和行駛系許多零部件的動(dòng)載，并進(jìn)而影響到這些零件的使用壽命。此外，懸架對(duì)整車操縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性作用。因而在設(shè)計(jì)懸架時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面的要求：
1. 通過合理設(shè)計(jì)懸架的彈性特征及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性，既具有較低的振動(dòng)頻率、較小的振動(dòng)加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮或伸張行程極限點(diǎn)發(fā)生硬沖擊，同時(shí)還要保證輪胎具有足夠的接地能力；
2. 合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動(dòng)時(shí)車輪定位參數(shù)的變化不會(huì)過大，并且能滿足汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性的要求；
3. 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，否則可能引發(fā)轉(zhuǎn)向輪擺振；
4. 側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)具有抗側(cè)傾能力，汽車制動(dòng)和加速時(shí)能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動(dòng)和加速時(shí)的車身縱傾（即所謂“點(diǎn)頭”和“后仰”）；
5. 懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)量要盡量??；
6.便于布置，在轎車設(shè)計(jì)中特別要考慮給發(fā)動(dòng)機(jī)及行李箱留出足夠的空間；
7. 所有零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命；
8. 制造成本低；
9. 便于維修、保養(yǎng)。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1934年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)由螺旋彈簧組成的被動(dòng)懸架。被動(dòng)懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定，在行駛過程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減振的效果較差。為了.克服遣弛缺陷，采用了非線性剛度彈簧和車身高度調(diào)節(jié)的方法，雖然有一定成效，但無法根除被動(dòng)懸架的弊端。被動(dòng)懸架主要應(yīng)用于飛中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、夏利、賽歐等車，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。
半主動(dòng)懸架的研究丁作開始于1973年，由D. A. Crosby和D. C. Karn-o p p首先提出。半主動(dòng)懸架以改變懸架的阻尼為主，一般較少考慮改變懸架的剛度。工作原理是：根據(jù)簧上質(zhì)量相對(duì)車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者剛度.半主動(dòng)懸架產(chǎn)生力的方式與被動(dòng)懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，這和主動(dòng)懸架極為相似。有級(jí)式半主動(dòng)懸架是將阻尼分成幾級(jí)，阻尼級(jí)由駕駛員根據(jù)“路感”選擇或由傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇。無級(jí)式半主動(dòng)懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對(duì)懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作時(shí)不需要:消耗
車輛的動(dòng)力，而且可取得與主動(dòng)懸架相近的性能，具有很好的發(fā)展前景。
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提高汽車性能的瓶頸，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1954年美國(guó)通用汽車司在懸架設(shè)計(jì)中率先提出的。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，使汽車懸架在任何路而上保持最佳的運(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)是乘坐非常舒服，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，成本昂貴，可靠性存在問題。
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，只有北京理工人學(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。
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)低廉且不需額外能景，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，使懸架在絕人部分路祝上保持良好的運(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。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)流孔的人小調(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)流孔的人小一般通過電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無級(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)，只有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無噪音和沖擊等特點(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。北京理工人學(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，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)偽真等為懸架的進(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)科提出更高的理要求，使人類的認(rèn)識(shí)邁向新的、更高的境界。
現(xiàn)有的被動(dòng)懸架將逐漸向半主動(dòng)、主動(dòng)懸架過渡。電動(dòng)器件的優(yōu)越性，將會(huì)取代液壓器件。.大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，會(huì)使電子元件集成度得以提高，從而促進(jìn)可靠性得到保障，使懸架更加智能化而滿足人們的要求。
1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容
懸根據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)汽車的前后懸架。完成汽車的總體設(shè)計(jì)及懸架的主要結(jié)構(gòu)元件螺旋彈簧等的設(shè)計(jì)，然后對(duì)前后懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配，滿足前后懸架的偏頻要求
第2章 總體方案論證
2.1 獨(dú)立懸架
與非獨(dú)立懸架比,獨(dú)立懸架具有如下優(yōu)點(diǎn):
1. 非懸掛質(zhì)量小,懸架所受到并傳給車身的沖擊載荷小,有利用于提高汽車的行駛平順性及輪胎的接地性能；
2. 左右車輪的跳動(dòng)沒有直接的相互影響,可減少車身的傾斜和振動(dòng)；
3. 占有橫向空間少,便于發(fā)動(dòng)機(jī)布置,可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置,從而降低汽車質(zhì)心位置,有利于提高汽車的行駛穩(wěn)定性；
4. 易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向。
非獨(dú)立懸架有多種結(jié)構(gòu)型式,主要有:
1. 雙橫臂式獨(dú)立懸架 特點(diǎn):設(shè)計(jì)靈活,能有良好的行駛穩(wěn)定性；
2. 麥克弗遜懸架 特點(diǎn)可將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及減振裝置集合到一起,將多個(gè)零件集合在一個(gè)單元里。這樣一來,它不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),減少了質(zhì)量,還節(jié)省了空間,降低了制造成本,并且?guī)缀醪徽加脵M向空間,有利于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有利于車身前部地板的構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)布置；
3. 滑柱擺臂式后懸架 特點(diǎn):節(jié)省懸架對(duì)橫向空間的占有,有利于布置寬敞的行李箱；
4. 縱臂式后獨(dú)立懸架與斜臂式后獨(dú)立懸架 特點(diǎn):常用于前驅(qū)車的后懸架；
5. 單橫臂式獨(dú)立懸架 特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,側(cè)傾中心較高,有較強(qiáng)的抗側(cè)傾能力,但當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)會(huì)使主銷內(nèi)傾角和車輪外傾交變化大,故不宜用著前懸架。
2.2 懸架選擇的方案確定
目前汽車的前后懸架采用的方案有：前輪和后輪均采用非獨(dú)立懸架；前輪采用獨(dú)立懸架，后輪采用非獨(dú)立懸架；前輪與后輪均采用獨(dú)立懸架等幾種。
前、后懸架均采用非縱置鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，內(nèi)側(cè)懸架處于減載而外側(cè)懸架處于加載狀態(tài)，于是內(nèi)側(cè)懸架受到拉伸,外側(cè)懸架受到壓縮，結(jié)果與懸架固定連接的車軸（橋）的軸線相對(duì)汽車縱向中心線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度α。對(duì)前軸，這種偏轉(zhuǎn)使汽車不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)增加；對(duì)后橋，則增加了汽車過多轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。汽車將后懸架縱置鋼板彈簧的前部吊耳位置布置得比后邊吊耳高，于是懸架的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心位置降低，結(jié)果后橋軸線的偏離不再使汽車具有過多轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。
另外，前懸架采用非獨(dú)立懸架時(shí)，因前輪容易發(fā)生擺振現(xiàn)象，不能保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性，所以前懸架采用獨(dú)立懸架。
針對(duì)本課題(輕型貨車的懸架)從經(jīng)濟(jì)性,結(jié)構(gòu)布置的合理性等方面考慮前懸架采用少片彈簧懸架,后懸架采用鋼板彈簧懸架。
2.3 本章小結(jié)
第3章 總體方案論證
3.1 懸架靜撓度
懸架靜撓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c之比，即。
汽車前、后懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行駛平順性的主要參數(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)可用下式表示
（3-1）
式中，、為前、后懸架的剛度(N／cm)；、為前、后懸架的簧上質(zhì)量(kg)。
當(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時(shí)，前、后懸架的靜撓度可用下式表示
（3-2）
式中，g為重力加速度(g＝9.8m／s2)。
將、代人式(3-1)到
（3-3）
分析上式可知：懸架的靜撓度直接影響車身振動(dòng)的偏頻n。因此，欲保證汽車有良好的行駛平順性，必須正確選取懸架的靜撓度。
在選取前、后懸架的靜撓度值和時(shí)，使之接近，并且后懸架的靜撓度比前懸架的靜撓度小些，這有利于防止車身產(chǎn)生較大的縱向角振動(dòng)。理論分析證明：若汽車以較高車速駛過單個(gè)路障，/＜1時(shí)的車身縱向角振動(dòng)要比/＞1時(shí)小，故推薦取＝（0.8～0.9）?？紤]到車后排乘客的乘坐舒適性，取后懸架的偏頻接近前懸架的偏頻。
用途不同的汽車，對(duì)平順性要求不一樣。以運(yùn)送人為主的轎車對(duì)平順性的要求最高，大客車次之，載貨車更次之。對(duì)普通級(jí)以下轎車滿載的情況，前懸架偏頻要求在1.00～1.45Hz，后懸架則要求在1.17～1.58Hz。原則上轎車的級(jí)別越高，懸架的偏頻越小。對(duì)高級(jí)轎車滿載的情況，前懸架偏頻要求在0.80～1.15Hz，后懸架則要求在0.98～1.30Hz。貨車滿載時(shí)，前懸架偏頻要求在1.50～2.10Hz，而后懸架則要求在1.70～2.17Hz。取=1.5Hz，=1.7Hz。代入（3-3）得=13.532cm, 取=13cm，=11cm 。
3.2 懸架動(dòng)撓度
懸架的動(dòng)撓度是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形(通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1／2或2／3)時(shí)，車輪中心相對(duì)車架(或車身)的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)轎車，取7～9cm；對(duì)大客車，取5～8cm；對(duì)貨車，取6～9cm。由此可以看出，為了得到很好的平順性，應(yīng)當(dāng)采用較軟的懸架以降低偏頻，但軟的懸架在一定的載荷下其變形也大。對(duì)于一般貨車懸架總的工作行程即靜撓度與動(dòng)撓度之和應(yīng)當(dāng)不小于13cm。懸架的靜撓度及動(dòng)撓度值受到汽車總布置允許的工作行程的限制，取前后懸架的動(dòng)撓度均為130mm。
前懸架單側(cè)懸架設(shè)計(jì)簧載質(zhì)量600kg,空載簧載質(zhì)量470kg，設(shè)計(jì)偏頻為=1.5Hz，后懸架單側(cè)懸架設(shè)計(jì)簧載質(zhì)量1300kg,空載簧載質(zhì)量430kg，設(shè)計(jì)偏頻為=1.7Hz，為了滿足空載時(shí)的偏頻要求，代入（3-1）得=53.24N/mm，=148.17N/mm。
3.3 懸架彈性特性
懸架受到的垂直外力F與由此所引起的車輪中心相對(duì)于車身位移 (即懸架的變形)的關(guān)系曲線稱為懸架的彈性特性。其切線的斜率是懸架的剛度。
懸架的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。當(dāng)懸架變形廠與所受垂直外力F之間呈固定比例變化時(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)。當(dāng)懸架變形與所受垂直外力F之間不呈固定比例變化時(shí)，彈性特性如圖3-1所示。此時(shí)，懸架剛度是變化的，其特點(diǎn)是在滿載位置(圖中點(diǎn)8)附近，剛度小且曲線變化平緩，因而平順性良好；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。
空載與滿載時(shí)簧上質(zhì)量變化大的貨車和客車，為了減少振動(dòng)頻率和車身高度的變化，應(yīng)當(dāng)選用剛度可變的非線性懸架。轎車簧上質(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)當(dāng)采用剛度可變的非線性懸架。
鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的彈性特性可視為線性的。
圖3—1 懸架彈性特性曲線
1—緩沖塊復(fù)原點(diǎn) 2—復(fù)原行程緩沖塊脫離支架 3—主彈簧彈性特性曲線
4—復(fù)原行程 5—壓縮行程 6—緩沖塊壓縮期懸架彈性特性曲線
7—緩沖塊壓縮時(shí)開始接觸彈性支架 8—額定載荷
3.4 前懸架主銷側(cè)傾角與后傾角
主銷的工作原理:汽車主銷并沒有一個(gè)固定的模式,不同類型的汽車主銷的表現(xiàn)形式也不同.汽車前軸的軸荷通過誰給傳給轉(zhuǎn)向輪,轉(zhuǎn)向輪又始終圍繞誰在轉(zhuǎn),具備了這兩個(gè)條件的就可以稱為“主銷” 。
1.主銷后傾角:主銷軸線在縱向平面內(nèi)與通過前輪中心垂線的夾角叫主銷后傾角.
主銷后傾角的作用：
(1)保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。主銷后傾角越大,行駛中產(chǎn)生的離心力就越大,汽車直線行駛的穩(wěn)定性就越好.但主銷后傾角越大,汽車轉(zhuǎn)向時(shí)所克服的反向推力就越大,轉(zhuǎn)向就越重,所以主銷后傾角不能超過3°。
(2)適當(dāng)加大主銷后傾是幫助車輪回正的有效方法。
主銷后傾角取3°。
2.主銷內(nèi)傾角
主銷在前軸或懸架上安裝時(shí),上斷略微向內(nèi)傾斜一個(gè)角度,這個(gè)角度叫主銷內(nèi)傾角 。
(1)主銷內(nèi)傾角的作用：
a)幫助車輪自動(dòng)回正；
b)使轉(zhuǎn)向輕便。
(2)主銷內(nèi)傾角的確定：
傳統(tǒng)汽車的主銷內(nèi)傾角通常在6°～8° ,而20世紀(jì)70年代以后開發(fā)的,主銷內(nèi)傾角通常在10°30′～12°30′左右 。懸架取9°。
3.5 本章小結(jié)
第4章 總體方案論證
4.1 少片彈簧的設(shè)計(jì)
少片彈簧在乘用車和部分商用車上得到越來越多的應(yīng)用。其特點(diǎn)是葉片有等長(zhǎng)、等寬、變截面的1-3片葉片組成。利用變厚斷面來保持等強(qiáng)度特性，并比多片彈簧減少20%-40%的質(zhì)量。片間放有減摩擦作用的塑料墊片，或做成只在端部接觸，以減少片間摩擦。
圖4-1 少片彈簧葉片
是按線性變化 此時(shí)厚度，式中, ，
。單片彈簧的剛度為但式中系數(shù)k用代入，即
式中，；；。
當(dāng)或時(shí)，彈簧最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在處，此處，其應(yīng)力值。
當(dāng)時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在B點(diǎn)，其值。
應(yīng)小于許用應(yīng)力。
有n片組成少片彈簧時(shí)，其總剛度為各片剛度之和，其應(yīng)力則按各片所承受的載荷風(fēng)量計(jì)算。少片彈簧的寬度，在布置允許的情況下盡可能取寬些，以增強(qiáng)橫向剛度，常取75～100mm，取76mm。厚度,以保證足夠的抗剪強(qiáng)度并防止太薄而淬裂，取10mm。取12~20mm取20mm。Error! No bookmark name given.
4.2 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)
4.2.1少片彈簧的設(shè)計(jì)
鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。后者因?yàn)橐獋鬟f縱向力，必須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大，所以只在少數(shù)輕、微型車上應(yīng)用?？v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故采用縱置鋼板彈簧。
縱置鋼板彈簧又有對(duì)稱式與不對(duì)稱式之分。鋼板彈簧中部在車軸(橋)上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離若相等，則為對(duì)稱式鋼板彈簧；若不相等，則稱為不對(duì)稱式鋼板彈簧。多數(shù)情況下汽車采用對(duì)稱式鋼板彈簧。由于整車布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車上的安裝位置不動(dòng)，又要改變軸距或者通過變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的時(shí)，才采用不對(duì)稱式鋼板彈簧。所以采用對(duì)稱式鋼板彈簧。
4.2.2鋼板彈簧主要參數(shù)的確定
初始條件：滿載靜止時(shí)滿載時(shí)簧上質(zhì)量1300kg,空載時(shí)簧上質(zhì)量為430kg。靜撓度為110mm,動(dòng)撓度為130mm。軸距3500mm，半軸套直徑80mm。
1.滿載弧高
滿載弧高是指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上，汽車滿載時(shí)鋼板彈簧主片上表面與兩端(不包括卷耳孔半徑)連線間的最大高度差(圖4-2)。用來保證汽車具有給定的高度。
當(dāng)＝0時(shí)，鋼板彈簧在對(duì)稱位置上工作。為了在車架高度已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值，常?。?0～20mm。取=20mm。
2.鋼板彈簧長(zhǎng)度L的確定
鋼板彈簧長(zhǎng)度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。增加鋼板彈簧長(zhǎng)度L能顯著降低彈簧應(yīng)力，提高使用壽命；降低彈簧剛度，改善汽車平順性；在垂直剛度c給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度。鋼板彈簧的縱向角剛度系指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時(shí)，作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值。增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時(shí)，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長(zhǎng)些的鋼板彈簧，會(huì)在汽車上布置時(shí)產(chǎn)生困難。原則上在總布置可能的條件下，應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些。
設(shè)計(jì)取長(zhǎng)度L為37%軸距，則L=37%×3500mm≈1295mm。
圖4-2鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高
3.鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定
a)鋼板斷面寬度b的確定 有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強(qiáng)度等，可按等截面簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式計(jì)算，但需引入撓度增大系數(shù)加以修正。因此，可根據(jù)修正后的簡(jiǎn)支梁公式計(jì)算鋼板彈簧所需要的總慣性矩。對(duì)于對(duì)稱鋼板彈簧
(4-1)
式中，s為U形螺栓中心距(mm)；是為考慮U形螺栓夾緊彈簧后的無效長(zhǎng)度系數(shù)(如剛性?shī)A緊，取，撓性?shī)A緊，取)；c為鋼板彈簧垂直剛度(N／mm)，; 為撓度增大系數(shù)(先確定與主片等長(zhǎng)的重疊片數(shù)，再估計(jì)一個(gè)總片數(shù)=6，求得=1，然后用初定)；E為材料的彈性模量。E取2.06×Mpa,可求出
=1.5Hz
=1.332
由，求出=7643.2N/mm
鋼板彈簧總截面系數(shù)用下式計(jì)算
≥ (4-2)
式中，為許用彎曲應(yīng)力。
對(duì)于60Si2Mn等材料，表面經(jīng)噴丸處理后，推薦在下列范圍內(nèi)選?。呵皬椈珊推胶鈶壹軓椈蔀?50～450N／；后主簧為450～550N／；后副簧為220～250N／。
取500 N／
將式(4-2)代人下式計(jì)算鋼板彈簧平均厚度
(4-3)
求得=9.613mm,
有了以后，選鋼板彈簧的片寬b。增大片寬，能增加卷耳強(qiáng)度，但當(dāng)車身受側(cè)向力作用傾斜時(shí)，彈簧的扭曲應(yīng)力增大。前懸架用寬的彈簧片，會(huì)影響轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角。片寬選取過窄，又得增加片數(shù)，從而增加片間的摩擦和彈簧的總厚。推薦片寬與片厚的比值在6～10范圍內(nèi)選取。取b=75mm。
b)鋼板彈簧片厚h的選擇 矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩用下式計(jì)算
(4-4)
式中，n為鋼板彈簧片數(shù)。
求得h=9.7mm
由式(4-4)可知，改變片數(shù)n、片寬b和片厚h三者之一，都影響到總慣性矩的變化；再結(jié)合式(4-1)可知，總慣性矩的改變又會(huì)影響到鋼板彈簧垂直剛度c的變化，也就是影響汽車的平順性變化。其中，片厚丸的變化對(duì)鋼板彈簧總慣性矩了。影響最大。增加片厚九，可以減少片數(shù)n。鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不同兩種情況，希望盡可能采用前者。但因?yàn)橹髌ぷ鳁l件惡劣，為了加強(qiáng)主片及卷耳，也常將主片加厚，其余各片厚度稍薄。此時(shí)，要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過三組。為使各片壽命接近又要求最厚片與最薄片厚度之比應(yīng)小于1.5。
取相同的鋼板厚度
鋼板斷面尺寸b和h符合國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。
c)鋼板斷面形狀 矩形斷面鋼板彈簧的中性軸，在鋼板斷面的對(duì)稱位置上(圖4—3a)。工作時(shí)一面受拉應(yīng)力，另一面受壓應(yīng)力作用，而且上、下表面的名義拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的絕對(duì)值相等。因材料抗拉性能低于抗壓性能，所以在受拉應(yīng)力作用的一面首先產(chǎn)生疲勞斷犁。除矩形斷面以外的其它斷面形狀的葉片(圖4-3b、c、d)，其中性軸均上移，使受拉應(yīng)力作用的一面的拉應(yīng)力絕對(duì)值減小，而受壓應(yīng)力作用的一面的壓應(yīng)力絕對(duì)值增大，從而改善了應(yīng)力在斷面上的分布狀況，提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度和節(jié)約近10％的材料。采用矩形斷面。
圖4-3 葉片斷面形狀
a.矩形斷面 b.T形斷面 c.單面有拋物線邊緣斷面 d.單面有雙槽的斷面
d)鋼板彈簧片數(shù)n 片數(shù)n少些有利于制造和裝配，并可以降低片間的干摩擦，改善汽車行駛平順性。但片數(shù)少了將使鋼板彈簧與等強(qiáng)度梁的差別增大，材料利用率變壞。多片鋼板彈簧一般片數(shù)在6～14片之間選取，重型貨車可達(dá)20片。用變截面少片簧時(shí)，片數(shù)在1～4片之間選取。
設(shè)計(jì)采用多片普通鋼板彈簧，片數(shù)取7片。
4.2.3鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的確定
片厚不變寬度連續(xù)變化的單片鋼板彈簧是等強(qiáng)度梁，形狀為菱形(兩個(gè)三角形)。將由兩個(gè)三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干片，然后按照長(zhǎng)度大小不同依次排列、疊放到一起，就形成接近實(shí)用價(jià)值的鋼板彈簧。實(shí)際上的鋼板彈簧不可能是三角形，因?yàn)闉榱藢摪鍙椈芍胁抗潭ǖ杰囕S(橋)上和使兩卷耳處能可靠地傳遞力，必須使它們有一定的寬度，因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼板彈簧(圖4-4)替代三角形鋼板彈簧才有真正的實(shí)用意義。這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度，但長(zhǎng)度不同。鋼板彈簧各片長(zhǎng)度就是基于實(shí)際鋼板各片展開圖接近梯形梁的形狀這一原則來作圖的。首先假設(shè)各片厚度不同，則具體進(jìn)行步驟如下：
先將各片厚度的立方值按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在圖上(圖4-5)，再沿橫坐標(biāo)量出主片長(zhǎng)度的一半L／2和U形螺栓中心距的一半s/2，得到A、B兩點(diǎn)，連接A、B即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)即為各片長(zhǎng)度。如果存在與主片等長(zhǎng)的重疊片，就從月點(diǎn)到最后一個(gè)重疊片的上側(cè)邊端點(diǎn)連一直線，此直線與各片上側(cè)邊的交點(diǎn)即為各片長(zhǎng)度。各片實(shí)際長(zhǎng)度尺寸需經(jīng)圓整后確定。求得各片的長(zhǎng)度為 =1280mm, =1080mm, =951mm, =765mm, =592mm, =432mm, =289mm。
圖4-5確定鋼板彈簧長(zhǎng)度
4.2.4鋼板許用靜彎曲應(yīng)力驗(yàn)算
用公式：，
算出=485.5Mpa。
在用公式：，
算出=447.95 Mpa≤900 MPa。
∴所選鋼板彈簧合適。
4.2.5夾緊液壓缸的計(jì)算
1.鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端(不包括卷耳孔半徑)連線間的最大高度差(圖4-1)，稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高，用下式計(jì)算
(4-5)
式中，為靜撓度；為滿載弧高；為鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后引起的弧高變化，；s為U形螺栓中心距；L為鋼板彈簧主片長(zhǎng)度。
=18.3mm, =148mm。
鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑=860mm。
鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下曲率半徑的確定 因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同(圖4-6)，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很好地貼緊，減少主片工作應(yīng)力，使各片壽命接近。
圖4-6 自由狀態(tài)下鋼板彈簧片
與矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定
(4-6)
式中，為第i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑(mm)；為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑(mm)；為各片彈簧的預(yù)應(yīng)力(N／)；正為材料彈性模量(N／)，取N/；為第i片的彈簧厚度(mm)。
選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí)，要求做到：裝配前各片彈簧片間間隙相差不大，且裝配后各片能很好貼和；為保證主片及與其相鄰的長(zhǎng)片有足夠的使用壽命，應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長(zhǎng)片的應(yīng)力。
為此，選取各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，可分為下列兩種情況：對(duì)于片厚相同的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力值不宜選取過大；對(duì)于片厚不相同的鋼板彈簧，厚片預(yù)應(yīng)力可取大些。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)力在300～350N／內(nèi)選取。1～4片長(zhǎng)片疊加負(fù)的預(yù)應(yīng)力，短片疊加正的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力從長(zhǎng)片到短片由負(fù)值逐漸遞增至正值。
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處預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩之代數(shù)和等于零，即
=0 (4-7)
或 =0 (4-8)
各片彈簧的預(yù)應(yīng)力為:
=-90 Mpa,=-60 Mpa,=-180 Mpa,=0 Mpa,=30 Mpa,=60 Mpa =180 Mpa。
用式(4-6)計(jì)算出各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑。
=2910mm,=2368mm,=2037mm,=1786mm,=1697mm,=1642mm,=1642mm。
如果第i片的片長(zhǎng)為，則第i片彈簧的弧高為
(4-9)
算得=38 mm,=46 mm,=41 mm,=34 mm,=24 mm, =15.6 mm, =8.4 mm。
4.2.6鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算
由于鋼板彈簧葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力后用式(4-6)計(jì)算，受其影響，裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用式計(jì)算的結(jié)果會(huì)不同。因此，需要核算鋼板彈簧總成的弧高。
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
(4-10)
式中，為鋼板彈簧第i片長(zhǎng)度。
求得=905 mm。
鋼板彈簧總成弧高為
(4-11)
求得H=140 mm。
用式(4-11)與用式(4-5)計(jì)算的結(jié)果相近,所選鋼板合適。
4.2.7鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算
汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)，后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)最大應(yīng)力用(4-12)式計(jì)算
(4-12)
式中，G2為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷；m；為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，轎車：＝1.25～1.30，貨車：＝1.1～1.2；為道路附著系數(shù)；b為鋼板彈簧片寬；為鋼板彈簧主片厚度。
此外，還應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算汽車通過不平路面時(shí)鋼板彈簧的強(qiáng)度。許用應(yīng)力[]取為1000N／。
=894.8 N／<1000 N／,
所以選用的鋼板合適。
鋼板彈簧卷耳和彈簧銷的強(qiáng)度核算 鋼板彈簧主片卷耳受力如圖4-8所示。卷耳處所受應(yīng)力是由彎曲應(yīng)力和拉(壓)應(yīng)力合成的應(yīng)力。
圖4-7 汽車制動(dòng)時(shí)鋼板彈簧的受力圖
圖4-8 鋼板彈簧主片卷耳受力圖
(4-13)
式中，為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；D為卷耳內(nèi)徑；b為鋼板彈簧寬度；為主片厚度。
許用應(yīng)力[]取為350N／。
=117.9N／<350N／
合適。
對(duì)鋼板彈簧銷要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷時(shí)鋼板彈簧銷受到的擠壓應(yīng)力。其中，為滿載靜止時(shí)鋼板彈簧端部的載荷；b為卷耳處葉片寬；d為鋼板彈簧銷直徑。
用30鋼或40鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時(shí)，彈簧銷許用擠壓應(yīng)力[]取為3～4N／；用20鋼或20Cr鋼經(jīng)滲碳處理或用45鋼經(jīng)高頻淬火后，其許用應(yīng)力[]≤7～9N／mm。
鋼板彈簧60SiMnVB鋼制造。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和應(yīng)力噴丸兩種，本設(shè)計(jì)中采用后者,這樣可使鋼板彈簧表面的殘余應(yīng)力比前者大很多。
4.3 本章小結(jié)
第5章 減振器機(jī)構(gòu)類型及主要參數(shù)的選擇計(jì)算
5.1 減振器的分類
懸架中用得最多的減振器是內(nèi)部充有液體的液力式減振器。汽車車身和車輪振動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑸l(fā)到周圍空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。如果能量的耗散僅僅是在壓縮行程或者是在伸張行程進(jìn)行，則把這種減振器稱之為單向作用式減振器，反之稱之為雙向作用式減振器。后者因減振作用比前者好所以采用后種。
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，減振器分為搖臂式和筒式兩種。雖然搖臂式減振器能夠在比較大的工作壓力(10—20Mpa)條件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨損和工作溫度變化的影響大而遭淘汰。筒式減振器工作壓力雖然僅為2.5～5Mpa，但是因?yàn)楣ぷ餍阅芊€(wěn)定而在現(xiàn)代汽車上得到廣泛應(yīng)用。筒式減振器又分為單筒式、雙筒式和充氣筒式三種。由于雙筒充氣液力減振器具有工作性能穩(wěn)定、干摩擦阻力小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，所以采用此種減振器。
設(shè)計(jì)減振器時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求是，在使用期間保證汽車行駛平順性的性能穩(wěn)定。
5.2 相對(duì)阻尼系數(shù)
減振器在卸荷閥打開前，減振器中的阻力F與減振器振動(dòng)速度之間有如下關(guān)系
(5-1)
式5-1中，為減振器阻尼系數(shù)。
圖5-1b示出減振器的阻力－速度特性圖。該圖具有如下特點(diǎn)：阻力－速度特性由四段近似直線線段組成，其中壓縮行程和伸張行程的阻力－速度特性各占兩段；各段特性線的斜率是減振器的阻尼系數(shù)，所以減振器有四個(gè)阻尼系數(shù)。在沒有特別指明時(shí)，減振器的阻尼系數(shù)是指卸荷閥開啟前的阻尼系數(shù)而言。通常壓縮行程的阻尼系數(shù)與伸張行程的阻尼系數(shù)不等。
圖5-1 減振器的特性
a 阻力一位移特性 b阻力一速度特性
汽車懸架有阻尼以后，簧上質(zhì)量的振動(dòng)是周期衰減振動(dòng)，用相對(duì)阻尼系數(shù)的大小來評(píng)定振動(dòng)衰減的快慢程度。的表達(dá)式為
(5-2)
式中，c為懸架系統(tǒng)垂直剛度；為簧上質(zhì)量。
式(5-2)表明，相對(duì)阻尼系數(shù)的物理意義是：減振器的阻尼作用在與不同剛度c和不同簧上質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。值大，振動(dòng)能迅速衰減，同時(shí)又能將較大的路面沖擊力傳到車身；值小則反之。通常情況下，將壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取得小些，伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取得大些。兩者之間保持 ＝(0.25～0.50) 的關(guān)系。
設(shè)計(jì)時(shí)，先選取與的平均值。對(duì)于無內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，取＝0.25～0.35；對(duì)于有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，值取小些。對(duì)于行駛路面條件較差的汽車，值應(yīng)取大些，一般取＞0.3；為避免懸架碰撞車架，取＝0.5。
=0.35則取=0.5=0.175。
5.3 減振器阻尼系數(shù)的確定
減振器阻尼系數(shù)。因懸架系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率，所以理論上。實(shí)際上應(yīng)根據(jù)減振器的布置特點(diǎn)確定減振器的阻尼系數(shù)。例如，當(dāng)減振器如圖5-2a安裝時(shí)，減振器阻尼系數(shù)用（5-3）式計(jì)算中，n為雙橫臂懸架的下臂長(zhǎng)；a為減振器在下橫臂上的連接點(diǎn)到下橫臂在車身上的鉸接之間的距離。
(5-3)
減振器如圖5-2b所示安裝時(shí)，減振器的阻尼系數(shù)占用下式計(jì)算
(5-4)
式中，a為減振器軸線與鉛垂線之間的夾角。
減振器如圖5-2c所示安裝時(shí)，減振器的阻尼系數(shù)用下式計(jì)算
(5-5)
分析式(5-3)和式(5-4)可知：在下橫臂長(zhǎng)度n不變的條件下，改變減振器在下橫上的固定點(diǎn)位置或者減振器軸線與鉛垂線之間的夾角。，會(huì)影響減振器阻尼系數(shù)的變化。
圖5-2減振器安裝位置
前后懸架的減振器均采用圖5-2c所示安裝的,所以代人數(shù)據(jù)進(jìn)5-5可以求得前懸架減振器的=63.153后懸架減振器的=99.51。
5.4 最大卸荷力F0的確定
為減小傳到車身上的沖擊力，當(dāng)減振器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減振器打開卸荷。此時(shí)的活塞速度稱為卸荷速度。在減振器安裝如圖
5－2c所示
(5-6)
式中，為卸載速度，一般為0.15～0.30m/s；A為車身振幅，取±40mm，為懸架振動(dòng)固有頻率。
減振器=126.56mm/s。
又已知伸張行程時(shí)的阻尼系數(shù)，載伸張行程的最大卸荷力。
求得減振器=7992.9N。
5.5 創(chuàng)建零件
根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑D
（5-7）
式中，為工作缸最大允許壓力，取3～4Mpa；為連桿直徑與缸筒直徑之比，雙筒式減振器?。?.40～0.50，單筒式減振器?。?.30～0.35。
壁厚取為4mm，材料選20號(hào)鋼。
求得減振器D=52mm。
5.6 本章小結(jié)
建立了機(jī)械手的三維模型，對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究，分析了運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)關(guān)系，完成了機(jī)械手抓取不同目標(biāo)物時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真；機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
結(jié)論
懸架主要是針對(duì)輕型貨車而設(shè)計(jì)的。懸架的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于前懸采用了少片鋼板彈簧式懸架，可將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及減振器裝置集合在一起,可將多個(gè)零件集成在一個(gè)單元里。這樣一來,相對(duì)于雙橫擺臂懸架而言,他不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),減小了質(zhì)量,還節(jié)省了空間,降低了制造成本,并且?guī)缀醪徽加脵M向空間,有利于車身前部地板的構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)布置。另外,當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí),其輪距和前束及車輪外傾角等均改變不大,減輕了輪胎的磨損,也使汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性。前懸架采用獨(dú)立懸架,后懸架采用獨(dú)立懸架。這樣保證汽車有一定穩(wěn)定性的同時(shí)還具有一定的剛度。不足的是,后懸架采用的是鋼板彈簧降低了乘坐的舒適性。
懸架設(shè)計(jì)中由于考慮成本與安裝復(fù)雜性問題,采用了純機(jī)械結(jié)構(gòu)。在以后可以改進(jìn)為用一個(gè)有自身能源的動(dòng)力發(fā)生器來代替被動(dòng)懸架中的彈簧和減振器的主動(dòng)懸架,這樣可以在不同的路面及行駛條件下顯著地提高車輛性能。
致謝
本文是在導(dǎo)師張寶海老師的精心指導(dǎo)下和熱情關(guān)懷下完成的。在論文的整個(gè)過程中無不滲透著張老師的大量心血。幾個(gè)月來，張老師那嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開拓創(chuàng)新的科研作風(fēng)，忘我的工作精神和對(duì)學(xué)生的關(guān)愛，無一不讓我感動(dòng)和欽佩，這將使我在今后的工作和學(xué)習(xí)中受益終身。在此表示衷心的感謝，并致以最崇高的敬意。
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附錄A
圖A-1為底座尺寸示意圖
圖A-1底座尺寸示意圖
圖A-2為腰關(guān)節(jié)尺寸示意圖
圖A-2腰關(guān)節(jié)尺寸示意圖
圖A-3為小臂連桿尺寸示意圖
圖A-3小臂連桿尺寸示意圖
圖A-4為鐘形連桿尺寸示意圖
圖A-4鐘形連桿尺寸示意圖
圖A-5為腕部連接桿尺寸示意圖
圖A-5腕部連桿尺寸示意圖
圖A-6為電動(dòng)機(jī)托架尺寸示意圖
圖A-6電動(dòng)機(jī)托架尺寸示意圖
圖A-7為腕部齒輪箱尺寸示意圖
圖A-7腕部齒輪箱尺寸示意圖
附錄B
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C.Comopetitive Dynamics
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(24)
The size of the change in direction of the tool is then calculated as
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WithSumming up over all obstacles the total contribution becomes
(29)
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(32)
(33)
2009年IEEE國(guó)際機(jī)器人和自動(dòng)化會(huì)議
神戶國(guó)際會(huì)議中心
日本神戶12-17，2009
機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與控制的研究
拉斯彼得Ellekilde
摘要
操作器和移動(dòng)平臺(tái)的組合提供了一種可用于廣泛應(yīng)用程序高效靈活的操作系統(tǒng)，特別是在服務(wù)性機(jī)器人領(lǐng)域。在機(jī)械臂眾多挑戰(zhàn)中其中之一是確保機(jī)器人在潛在的動(dòng)態(tài)環(huán)境中安全工作控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在本文中,我們將介紹移動(dòng)機(jī)械臂用動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)方法被控制的使用方法。該方法是一種二級(jí)方法，是使用競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)優(yōu)化移動(dòng)平臺(tái)以及較低層次的融合避障和目標(biāo)捕獲行為的方法。
I介紹
在過去的幾十年里大多數(shù)機(jī)器人的研究主要關(guān)注在移動(dòng)平臺(tái)或操作系統(tǒng)，并且在這兩個(gè)領(lǐng)域取得了許多可喜的成績(jī)。今天的新挑戰(zhàn)之一是將這兩個(gè)領(lǐng)域組合在一起形成具有高效移動(dòng)和有能力操作環(huán)境的系統(tǒng)。特別是服務(wù)性機(jī)器人將會(huì)在這一方面系統(tǒng)需求的增加。大多數(shù)西方國(guó)家的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)量顯示需要照顧的老人在不斷增加,盡管將有很少的工作實(shí)際的支持他們。這就需要增強(qiáng)服務(wù)業(yè)的自動(dòng)化程度，因此機(jī)器人能夠在室內(nèi)動(dòng)態(tài)環(huán)境中安全的工作是最基本的。
圖.1 一臺(tái)由賽格威RMP200和輕重量型庫(kù)卡機(jī)器人組成的平臺(tái)
這項(xiàng)工作平臺(tái)用于如圖1所示，是由一個(gè)Segway與一家機(jī)器人制造商制造的RMP200輕機(jī)器人。其有一個(gè)相對(duì)較小的軌跡和高機(jī)動(dòng)性能的平臺(tái)使它適應(yīng)在室內(nèi)環(huán)境移動(dòng)。庫(kù)卡工業(yè)機(jī)器人具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)臂和高有效載荷比自身的重量,從而使其適合移動(dòng)操作。
當(dāng)控制移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)時(shí)，有一個(gè)選擇是是否考慮一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)的實(shí)體。在參考文獻(xiàn)[1]和[2]中是根據(jù)雅可比理論將機(jī)械手末端和移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合在一起形成一個(gè)單一的控制系統(tǒng)。另一方面，這項(xiàng)研究發(fā)表在[3]和[4],認(rèn)為它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)是獨(dú)立的實(shí)體，但不包括兩者之間的限制條件,如延伸能力和穩(wěn)定性。
這種控制系統(tǒng)的提出是基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)方法[5], [6]。它分為兩個(gè)層次，其中我們?cè)谳^低的水平，并考慮到移動(dòng)平臺(tái)作為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，然后再以安全的方式結(jié)合在上層操縱者。在本文中主要的研究目的是展現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)方法可以應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)械臂和使用各級(jí)協(xié)調(diào)行為的控制。
本文剩下的安排如下。第二部分介紹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其次是機(jī)械手