小型商用車的后懸架設(shè)計[【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】

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- I - 小型商用車的后懸架設(shè)計 目 錄 第一章 緒論 ...................................................................................................... 1 車懸架概述 ........................................................................................ 1 內(nèi)重卡鋼板懸架發(fā)展現(xiàn)狀 ................................................................. 2 文研究的背景及意義 ......................................................................... 3 畢業(yè)論文研究內(nèi)容 .............................................................................. 3 第二章 汽車懸架概述 ...................................................................................... 5 架基本概念 ......................................................................................... 5 架概念 ....................................................................................... 5 架最主要的功能 ....................................................................... 5 架基本組成 [4]~ [6] ...................................................................... 5 架類型 [7] .................................................................................... 6 架系統(tǒng)研究與設(shè)計的領(lǐng)域 ................................................................. 6 架設(shè)計要求 ......................................................................................... 7 架的主要特性 ..................................................................................... 7 架的垂直彈性特性 .................................................................. 7 振器的特性 .............................................................................. 8 章小結(jié) ................................................................................................ 9 第三章 懸架對汽車主要性能的影響 .............................................................. 10 架對汽車平順性的影響 ................................................................... 10 架彈性特性對汽車行駛平順性的影響 ................................. 11 架系統(tǒng)中的阻尼對汽車行駛平順性的影響 ......................... 14 簧載質(zhì)量對汽車行駛平順性的影響 ..................................... 15 善平順性的 主要措施 ............................................................. 15 架與汽車操縱穩(wěn)定性 ....................................................................... 16 車的側(cè)傾 ................................................................................ 16 傾時垂直載荷在左、右側(cè)車輪上的重新分配及 其對穩(wěn)態(tài)響 - 應(yīng)的影響 ................................................................................................ 18 章小結(jié) ............................................................................................... 20 第四章 對長安星卡 懸架的設(shè)計 .............................................. 22 及其結(jié)構(gòu)強度校核 ............................................................................................ 22 鋼板彈簧的種類 ................................................................................ 22 鋼板彈簧主要元件結(jié)構(gòu)選取 ............................................................ 24 板彈簧斷面形狀 ..................................................................... 24 簧端部形狀 ............................................................................. 25 簧卷耳 ..................................................................................... 26 簧包耳 ..................................................................................... 27 板彈簧中心螺栓 ..................................................................... 28 簧夾箍 ..................................................................................... 29 普通多片鋼板彈簧設(shè)計與計算 ........................................................ 29 同曲率法介紹 ......................................................................... 29 鋼板彈簧設(shè)計的已知參數(shù) ...................................................... 30 章小結(jié) ............................................................................................... 44 第五章 三 維作圖 .............................................................................................. 45 軟件的簡介 ................................................................................. 45 維作圖 .............................................................................................. 46 設(shè)計界面 ........................................................................... 46 板彈簧懸架設(shè)計繪制過程 .................................................... 48 計優(yōu)點 .............................................................................................. 52 板彈簧的工程圖 .............................................................................. 53 章小結(jié) .............................................................................................. 54 結(jié) 論 .................................................................................................................. 55 - 1 - 第 1章 緒論 車懸架概述 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 [1]。導(dǎo)向裝置由導(dǎo)向桿系組成，用來決定車輪相對對于車架 (或車身 )的運動特性，并傳遞除彈性元件傳遞的垂直力以外 的各種力和力矩。當(dāng)用 縱置鋼板彈簧作彈性元件時，它兼起導(dǎo)向裝置作用。緩沖塊用來減輕車軸對車架 (或車身 )的直接沖撞，防止彈性元件產(chǎn)生過大的變形。裝有橫向穩(wěn)定器的汽車，能減少轉(zhuǎn)彎行駛時車身的側(cè)傾角和橫向角振動。 根據(jù)導(dǎo)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，汽車懸架可分為非獨立懸架和獨立懸架兩大類。非獨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，會直接影響另一側(cè)車輪。獨立懸架中沒有這樣的剛性梁，左右車輪各自 “獨立 ”地與車架或車身相連或構(gòu)成斷開式車橋，按結(jié)構(gòu)特點又可細(xì)分為橫臂式、縱臂式、斜臂式等等 ， 它的主要功用如下 [2]： 1 緩和、抑制由于不平路面所引起的振動和沖擊，以保證汽車的行駛平順性； 2 迅速衰減車身和車橋 (或車輪 )的振動； 3 傳遞作用在車輪和車架 (或車身 )之間的各種力 (驅(qū)動力、制動力、橫向力 )和力矩 (制動力矩和反作用力矩 )； 4 保證汽車行駛穩(wěn)定性。 為了完成 1、 2 項功能，懸架使用了彈簧和減震器。汽車懸架常用的彈性元件有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、橡膠彈簧及空氣彈簧等。減震器有多種形式，現(xiàn)在最常用的是筒式減震器。 為了完成 3、 4 項功能，懸架采用了適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向干系把車架 (車身 )與車軸(車輪 )聯(lián)接起來。導(dǎo)向桿系有多種新式，可單獨用其中的一種，也可將幾種配合起來使用。鋼板彈簧懸架中的鋼板彈簧不僅用作彈性元件而且兼起導(dǎo)向的作用 。 為了減輕車軸對車架 (或車身 )的直接沖撞，采用了緩沖塊。為了減小車身的側(cè)傾角，有的汽車還裝有橫向穩(wěn)定桿。 鋼板彈簧簡介 [3] - 2 - 鋼板彈簧是 汽車懸架 中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，它是由若干片等寬但不等長（厚度可以相等，也可以不相等）的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁。 當(dāng)鋼板彈簧安裝在汽車懸架中，所承受的垂直載荷為正向時，各彈簧片都受力變形，有向上拱彎的趨勢。這時， 車橋 和 車架 便相互靠近。當(dāng)車橋與車架互相遠(yuǎn)離時，鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和變形便逐漸減小，有時甚至?xí)聪颉? 主片卷耳受力嚴(yán)重，是薄弱處，為改善主片卷耳的受力情況，常將第二片末端也彎成卷耳，包在主片卷耳的外面，稱為包耳。為了使得在彈性變形時各片有相對滑動的可能，在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。有些懸架中的鋼板彈簧兩端不做成卷耳，而采用其他的支撐連接方式，如橡膠支撐墊。 扁平長方形的鋼板呈彎曲形，以數(shù)片疊成的底盤用彈簧，一端以梢子安裝在吊架上，另一端使用吊耳連接到大梁上，使彈簧能伸縮。目前適用于中大型 的貨卡車上 。 內(nèi)重卡 鋼板 懸架發(fā)展現(xiàn)狀 鋼板彈簧懸架 (簡稱板簧懸架 )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)向裝置的非獨立懸架，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠。缺點是汽車平順性、舒適性較差；簧下質(zhì)量大，無法適應(yīng)重卡輕量化的發(fā)展，并且不能同時兼顧重卡的舒適性與操縱穩(wěn)定性。 國內(nèi)汽車懸架彈簧生產(chǎn)企業(yè) 160 余家，遍布全國各地，具有規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè) (生產(chǎn)規(guī)模在 噸以上 )約 80 余家。產(chǎn)品質(zhì)量水平已達到國外先進 國家 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，大多仍停留在簡單生產(chǎn)工藝的水平上，產(chǎn)品成本較高，難以參與國際市場競爭。國內(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：一汽集團遼陽汽車彈簧廠、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。國內(nèi)能夠同時生產(chǎn)客車、貨車、轎車懸架彈簧的廠家只有三個：一汽集團遼陽汽車彈簧廠、東風(fēng)汽車懸 架彈簧有限公司、山東汽車彈簧廠 。 - 3 - 文研究的背景及意義 國內(nèi)汽車懸架彈簧生產(chǎn)企業(yè) 160 余家，遍布全國各地，具有規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè) (生產(chǎn)規(guī)模在 噸以上 )約 80 余家。產(chǎn)品質(zhì)量水平 剛 達到國外先進國家 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，大多仍停留在簡單生產(chǎn)工藝的水平上，產(chǎn)品成本較高，難以參與國際市場競爭。國內(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：一汽集團遼陽汽車彈簧廠、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。國內(nèi)能夠同時生產(chǎn)客車、貨車、轎車懸架彈簧的廠家只有三個：一汽集團遼陽汽車彈簧廠、東風(fēng)汽車懸架彈簧有限公司、山東汽車彈簧廠。 自主開發(fā)是中國汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的保障。我國汽車產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)初具規(guī)模，但是面臨著能源緊張、技術(shù)落后、自主品牌嚴(yán)重缺乏以及國際競爭加劇帶來的壓力。我國的汽車產(chǎn)業(yè)要加速、持續(xù)和健康的發(fā)展，并成為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，必須堅持產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，選擇面向自主發(fā)展具有中國特色的 產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式，推動汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級、技術(shù)的進步、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，對懸架進行設(shè)計和強度計算并進行推廣交流顯得尤為重要 畢業(yè)論文研究內(nèi)容 本文主要對小型商用車 —— 微卡的后懸架進行設(shè)計研究。 1 鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計 介紹鋼板彈簧的設(shè)計方法，確定鋼板彈簧的主要參數(shù)的過程和結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程 。 - 4 - 圖 12 對鋼板彈簧進行結(jié)構(gòu)強度分析 介紹鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)強度分析方法和過程。 3 最后以長安星卡 型為例設(shè)計后懸架 —— 鋼板彈簧懸架，結(jié)構(gòu)設(shè)計和強 度設(shè) 計，并對其結(jié)構(gòu)強度分析。 - 5 - 第 2章 汽車懸架概述 懸架是汽車的車架與車橋或者車輪之間的一切傳力、連接裝置的總稱，其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，并且緩沖 衰減 由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊，以保證汽車能平順行駛。 架基本概念 架概念 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 。 架最主要的功能 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 車駛過不平路面時所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，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載荷，并依靠其變形來吸收能量，達到緩沖的目的。采用彈性聯(lián)接后，汽車可以看作是由懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量 (即非簧載質(zhì)量 )和彈簧 (彈性元件 )組成的振動系統(tǒng)，承受來自不平路面、空氣動力及傳動系、發(fā)動機的激勵。為了迅速衰減不必要的振動，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于車架 或車身的位移特性的連接裝置統(tǒng)稱為導(dǎo)向機構(gòu)。導(dǎo)向機構(gòu)決定了車輪跳動時的運動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。 架 基本 組成 [4]~ [6] 懸架主要由彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)和減振器組成，有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿。 彈性元件受沖擊后會產(chǎn)生持續(xù)的振動，使乘坐不適，因此，設(shè)有減振器將振動迅速衰減，使振幅迅速減小。 導(dǎo)向機構(gòu)用來確定車輪相對于車架或車身的運動，傳遞除垂直力以外的 - 6 - 各種力和力矩。 為減少車軸對車架或車身的直接沖 撞，一些汽車懸架上裝有緩沖塊，起限制移動行程。橫向穩(wěn)定桿的作用是減少轉(zhuǎn)彎時車身的側(cè)傾，并提高輪胎 對地面的附著力。 架類型 [7] 1 根據(jù)導(dǎo)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，汽車懸架可以分為非獨立懸架和獨立懸架兩大類。 (1) 非獨立懸架是左、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，會直接影響另一側(cè)車輪 。 (2) 獨立懸架中沒有這樣的剛性梁，左右車輪各自 “獨立 ”地與車架或車身相連或構(gòu)成斷開式車橋，按結(jié)構(gòu)特點又可細(xì)分為橫臂式、縱臂式、斜臂式等等。 2 按照彈性元件的種類， 鋼板彈簧懸架、螺旋 彈簧懸架、扭桿彈簧懸架、空氣懸架以及油氣懸架等 。 架系統(tǒng)研究與設(shè)計的領(lǐng)域 汽車懸架系統(tǒng)的研究 與設(shè)計 主要是為了提高汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。汽車懸架系統(tǒng)的研究 與設(shè)計的領(lǐng)域 也相應(yīng)地分為兩大部分：一是對汽車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性；另一是對汽車操縱穩(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)量作為一個整體進行研究 與設(shè)計 ，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激勵下，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)動力學(xué)研究。 后一部分主要是對懸架的導(dǎo)向機構(gòu)進行工作，主要是研究在車輪與車身發(fā)生相對運動時，懸架導(dǎo)向機構(gòu)如何引導(dǎo)和約束車輪的運動 、 車輪定位及影響轉(zhuǎn)向運動的一些懸架參數(shù)的運動學(xué)特性。這一部分的研究稱為懸架的運動學(xué)研究?？紤]了彈性襯套等連接件對懸架性能的影響，則懸架運動學(xué)即為懸架彈性運動學(xué)。懸架彈性運動學(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)的運動學(xué)研究就包括了懸架運動學(xué)和彈性運動學(xué)兩個方面的內(nèi)容。 - 7 - 架設(shè)計要求 如前所述，汽車懸架和 簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量構(gòu)成了一個振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)的特性很大程度上決定了汽車的行駛平順性，并進一步影響到汽車的行駛車速、燃油經(jīng)濟性和運營經(jīng)濟性。該振動系統(tǒng)也決定了汽車承載系和行駛系許多零部件的動載，并進而影響到這些零件的使用壽命。此外，懸架對整車操縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設(shè)計懸架時必須考慮以下幾個方面的要求 [8]~ [9]： 1 通過合理設(shè)計懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性，具有較低的振動頻率、較小的振動加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮伸張行程極限點 發(fā)生硬沖擊，同時還要保證輪胎具有足夠的接地能力； 2 合理設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)，以確保車輪與車架或車身之間力和力矩可靠傳遞 。 3 導(dǎo)向機構(gòu)的運動應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運動相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運動干涉，否則可能引起轉(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)向時具有抗側(cè)傾能力，汽車制動和加速時能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動和加速時的車身縱傾 (即所謂 “點頭 ”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 7 所有零部件應(yīng)具有足夠的強度和使用壽命； 8 制造成本低； 9 便于維修、保養(yǎng)。 懸架設(shè)計可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細(xì)設(shè)計兩個階段，有時還要反復(fù)交叉進行。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總 成的布置，因而一般要與總布置共同協(xié)商確定。 架的主要特性 架的垂直彈性特性 汽車懸架的垂直彈性特性表示作用在懸架上的垂直載荷與在輪軸上方的變形之間的關(guān)系。 - 8 - 圖 2架彈性特性曲線 彈住特性上任意點的懸架剛度 c，為 ： (2當(dāng)簧下質(zhì)量固定不動時，而又無減震器時，簧上質(zhì)量的自由振動偏頻0?212 00 ??(2振器的特性 減振器阻力 P 與其活塞位移速度 y 之間的關(guān)系。 經(jīng)常用的是雙向作用的，具有非對稱特性及卸荷閥的減振器。在現(xiàn)有的減振器中，復(fù)原阻力系數(shù)比壓縮阻力系數(shù)要大 2— 6 倍。 減震器的 外特性 主要指的是 阻力 10]，特性圖如下圖 。 - 9 - 圖 2震器的 外特性 章小結(jié) 本章通過對懸架的一般基礎(chǔ)知識的介紹，對懸架有了初步的認(rèn)識，了解其分類，功能，設(shè)計要求，熟悉懸架的彈性特。熟悉本章內(nèi)容，對后文的分析和設(shè)計起基礎(chǔ)作用。 懸架是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的振動，以保證汽車能平順行駛。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 )組成的振動系統(tǒng)，承受來自不平路面、空氣動力及傳動系、發(fā)動機的激勵。 懸架設(shè)計可以大致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細(xì)設(shè)計兩個階段，有時還要反復(fù)交叉進行。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總成的布置，因而一般要與總布置共同協(xié)商確定。 - 10 - 第 3章 懸架對汽車主要性能的影響 懸架型式、導(dǎo)向桿系的布置以及懸架參數(shù)的選擇等對汽車性能的影響，并不是孤立的，而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。為此從不同角度去分析汽車各種性能的影響 。 架對汽車平順性的影響 良好的汽車行駛平順性不僅能保證乘員的舒適與所運貨物的完整無損，而 且還可以提高汽車的運輸生產(chǎn)率、降低燃油消耗、延長零件的使用壽命及提高零件的工作可靠性等。 目前主要參照國際標(biāo)準(zhǔn) 評價汽車平順性，它把乘員承受的疲勞 垂直振動而言，人體對 4— 8振動最敏感，所以這一頻帶的界限值最低。為使人體承受的振動不超過規(guī)定的界限值，主要靠懸架來降低車身振動加速度均方根值。在一定隨機路面不平度的輸入下，車身加速度的均方根值的大小，取決于車身加速度 Z 對路面不平度 g 的幅頻 特性“｜ Z /g｜”，與車身在懸架上振動的固有頻率 n、非周期性系數(shù) ? 及非簧載質(zhì)量 m 的大小有關(guān)。從下圖可以看出，當(dāng)車身固有頻率越低曲線越低，車身加速度均方根值越小。 圖 3頻特性曲線 - 11 - 架彈性特性對汽車行駛平順性的影響 1 車身固有振動頻率 [11] ~[13] 若不考慮輪胎和減震器的影響，則車身固有頻率 0n = ?20w = ?21 (3式中 0w— 固有角振動頻率， s C— 懸架剛度， N/m M— 簧載質(zhì)量， 于在靜載荷作用下懸架的靜撓度 cf=則 0n=?21 (3當(dāng)以每秒振動次數(shù)表示時， 0n= (3式中靜撓度， 指汽車滿載靜止時懸架上的載荷 c 之比。 從上述公式中可見，車身振動的固有頻率 、懸架剛度 由試驗得知，為了保持汽車具有良好的平順性，車身振動的固有頻率應(yīng)接近人體所習(xí)慣的步行時的身體上、下運動的頻率 1～ 0～ 85次 /振動的加速度的 極限允許值為 從保持所運貨物完整性的觀點出發(fā)，車身振動加速度也不能過大，如果車身加速度達到 1g，則未經(jīng)固定的貨物可能離開車廂底板。因此為保證所運貨物完整無損，振動加速度的極限值不應(yīng)超過 - 12 - 懸架的動撓度通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的 1／ 2 或 2／ 3)時，車輪中心相對車架 (或車身 )的垂直位移。 從圖 3知，車身固有頻率0可 以保證人體最敏感的 4～8于減震區(qū)。0身加速度的均方根值越小。但在懸架設(shè)計時，0主要是0架的動撓度布置上若不能保證足夠大小的限位行程，就會使限位塊撞擊的概率增加。另外，0架設(shè)計不選取一定措施，就會增大制動“點頭“角和轉(zhuǎn)彎側(cè)傾 角，使空、滿載是車身高度的變化過大。各種車型車身固有頻率0車 2行客車 級轎車 1～ 2 彈性特性 在懸架設(shè)計中，通常把力和變形的關(guān)系的關(guān)系曲線，即車輪受到的垂直外力與由此所引起的車輪中心相對于車身位移的關(guān)系曲線，稱為懸架的彈性特性曲線，曲線的斜率為懸架的剛度。 a、線性彈性特性 線性彈性特性，即懸架變形與所受載荷成比例地變化。其剛度 G 是常數(shù)。一般鋼板彈簧懸架即屬此類。 具有線性彈性特性的汽車，在使用中其 車身振動的固有頻率將隨裝載的多少而改變，尤其是后懸架載荷變化很大的貨車和大客車，這種變化會使汽車前后懸架的頻率相差過大，結(jié)果導(dǎo)致汽車車身的猛烈顛簸 (縱向角振動 )，因而使汽車行駛平順性變壞。 圖 3性特性曲線 a—— 線性彈性彈性 b—— 非線性彈性特性 - 13 - b、非線性彈性特性 非線性彈性特性的懸架，即懸架的剛度可隨載荷的改變而變化，也稱變剛度懸架。由于剛度 c 隨載荷而改變，可以使得在載荷變化時，保持車身振動的固有頻率不變，從而獲得良好的汽車行駛平順性。這時，在曲線上任意點 M，必須滿足 P／ f=數(shù) (3式中 P— 特性曲線上任意點 M 的載荷 ； 任意點 M 的懸架剛度 ； f— 求剛度 的次切矩 (不是懸架從原點的變形 )，也 有人 稱 f 為懸架的折算靜撓度 ； 在靜載荷 汽車獲 得較為 良好平順性所要求的懸架靜撓度。 因為 可將上式改寫成 積分得 =A (3因為當(dāng) f=P=cp ? 所以 A= (3因此 P=．不管載荷如何變，為保持車身固有頻率不變，當(dāng)載荷 P 等于大于架的特性應(yīng)該是按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化。然而，這種較為理想的彈性特性的懸架是難于實現(xiàn)的。 目前，在懸架設(shè)計中，只不過是力求減小固有頻率隨載荷而變化的幅度(或范圍 )，從而不同程度地改善汽車行駛平順性。 非線性的懸架撣性特性可以采用適當(dāng)?shù)膽壹芙Y(jié)構(gòu) (導(dǎo)向機構(gòu) )或彈性元件(如加輔助彈簧、調(diào)節(jié)彈簧、空氣彈簧等 )來實現(xiàn)。 - 14 - 架系統(tǒng)中的阻尼對汽車行駛平順性的影響 減震器起衰減振動的作用 [14]~ [16]，對汽車平順性有影響，其主要參數(shù)為阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)的選取要根據(jù)具體汽車的型號來選取。下圖是減振器阻尼對車身振動衰減的曲線示圖 圖 3震器阻尼對振動的衰減作用 a―振動完全沒有衰減的曲線，車身按懸架的固有振動頻率不斷振動； b―有衰減的情況，車身振動的振幅逐漸減小。 c―減振器的衰減能力很強的情況，車身沒有振動，車身的位移很快恢復(fù)到原位。 為了衰減車身 由路面反饋來 的自由振動和抑制車身、車輪 、車架等 的共振，以減小車身的垂直振動 所引起的 加速度和車輪 垂直方向振動 的振幅 (減小車輪對地面壓力的變化，防止車輪 過于 跳離地面 )，懸架系統(tǒng)中應(yīng)具有適當(dāng)?shù)淖枘帷? 當(dāng) ? 增大時，動撓度的幅頻特性｜q ｜在高、低兩個共振區(qū)幅值均顯著下降，在兩個共振區(qū)幅值之間變化很小。 隨阻尼比 ? 增大，在低頻共振區(qū)幅頻特性｜ ,2z/,q ｜ 峰值下降 ， 車身加 速度均方根值 ，提高平順性。 下圖示出了車身加速度、車輪相對動載荷和彈簧行程與阻尼比 (相對阻尼系數(shù) )之間的關(guān)系。 - 15 - 圖 3 阻尼比的關(guān)系 圖中曲線走向表示，只是彈簧行程 (線是隨阻尼比單調(diào)變化，阻尼比愈 大，所要求的彈簧行程愈小，相反，對于車身加速度和車輪動載而言，可找到一個最佳阻尼比值。然面對車身加速度和車輪動載的最佳阻尼比值也是不同的，前者為 者為 0． 4 以上，故設(shè)計人員只能從中采取拆衷方案。 簧載質(zhì)量對汽車行駛平順性的影響 由懸架支承的部件、總成等稱為簧載質(zhì)量 (或懸掛質(zhì)量 )，不是由懸架支承的部分稱為非簧載質(zhì)量 (或非懸掛質(zhì)量 )。減小非懸掛質(zhì)量，使懸掛質(zhì)量與非懸掛質(zhì)量的比值較大，可以減小高頻共振區(qū)車身振動加速度和減少車輪離開地面的機率。因此，在汽車設(shè)計中，為提高汽車行駛平順性，采用非簧 載質(zhì)量較小的獨立是架更為有利 。 善平順性的主要措施 (1) 增大懸架靜撓度 (降低固有頻率 )。使其頻率接近 人體所習(xí)慣的步行時的身體上、下運動的頻率。 - 16 - (2) 盡量減少非簧載質(zhì)量。由頻率公式得到減少非簧載質(zhì)量，進而增大了簧載質(zhì)量，同樣有降低汽車固有頻率的效果，從而也有使頻率接近人體習(xí)慣的運動頻率。 (3)配合適當(dāng)?shù)淖枘岷拖尬恍谐?。通過減震器來吸收路面?zhèn)鞯杰嚿系恼駝幽芰?，使汽車振動得到衰減。 架與汽車操縱穩(wěn)定性 所謂的汽車操縱穩(wěn)定性，是指汽車能正確地按照駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系所確定的方向行駛，且 在外力干擾下，能保持穩(wěn)定或經(jīng)過干擾后在一定時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)工況的性能。影響操縱穩(wěn)定性的主要參數(shù)是車輪偏離角、前輪定位角、導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向桿系的運動協(xié)調(diào)性。 當(dāng)汽車曲線行駛時，在離心力的作用下，由于輪胎的橫向彈性和前、后懸架導(dǎo)向機構(gòu)特性，一般會使轉(zhuǎn)彎半徑發(fā)生變化。在離心力的作用下，使轉(zhuǎn)彎半徑變大的特性稱為不足轉(zhuǎn)向，反之，稱為過度轉(zhuǎn)向。 車的側(cè)傾 1 車身側(cè)傾軸線 車身相對地面轉(zhuǎn)動時的瞬時軸線稱為車身側(cè)傾軸線。該軸線通過車身在前、后軸處橫斷面上的瞬時轉(zhuǎn)動中心，這兩個瞬時中心稱為側(cè)傾中心。 側(cè)傾中心到地 面的距離稱為側(cè)傾中心高度。側(cè)傾中心位置高，它到車身質(zhì)心的距離縮短，可使側(cè)向力臂及側(cè)傾力矩小些，車身的側(cè)傾角也會減小。但側(cè)傾中心過高會使車身傾斜時輪距變化大，加速輪胎的磨損。 2 懸架的側(cè)傾角剛度 懸架的側(cè)傾角剛度是指側(cè)傾時 (車輪保持在地面上 )，單位車身轉(zhuǎn)角時，懸架系統(tǒng)給車身總的彈性恢復(fù)力偶矩。 若令 r? 為車身轉(zhuǎn)角，則懸架的側(cè)傾角剛度為?K= 可以通過懸架的線剛度來計算側(cè)傾角剛度。 (1) 懸架的線剛度 [17] ~[18] 懸架的線剛度指的是車輪保持在地面上 ,車身作垂直運動時，單位車身位移時，懸架系統(tǒng)給車身的總彈性恢復(fù)力。 a 非獨立懸架 - 17 - 具有非獨立懸架的汽車車身作垂直位移時所受到的彈性恢復(fù)力，就是彈簧直接作用于車身的彈性力。所以，懸架的線剛度就等于兩個彈簧線剛度之和。若一個彈簧的線剛度為 懸架的線剛度為 ： K=2 (3圖 3獨立懸架 b 獨立懸架 具有獨立懸架的汽車車身作垂直位移時，在垂直方向上車身受到的隨位移而變的力包括兩部分： 彈簧直接作用于車身的彈性力在垂直方向的分量 和 導(dǎo)向桿系約束反力在垂直方向的分量。 若能求出車身作垂直位移 Δ 就可以求出懸架的線剛度。即： Δ Δ(2) 懸架的側(cè)傾角剛度 [19] 車身側(cè)傾時受到懸架的彈性恢復(fù)力偶矩，可以用等效彈簧的概念來進行分析。車身上一側(cè)受到的彈性恢復(fù)力，相當(dāng)于一個上端固定于車身，下端固定于輪胎接地點且垂直于地面，具有懸架線剛度的螺旋彈簧施加于車身的彈性力。這個相當(dāng)?shù)膹椈煞Q為等效彈簧。 - 18 - 圖 3效彈簧 參照上圖 3車廂發(fā)生小側(cè)傾角 d r? 時，等效彈簧的變形量為 ?2Bd r? ,故車廂受到的彈性恢復(fù)力偶矩為 dT=d r? 懸架側(cè)傾角剛度為 ?K= 21 1 (3式中 1k 一側(cè)懸架的線剛度； B— 為輪距。 若已知懸架的線剛度 ，即可算出該懸架的側(cè)傾角剛度。例如，單橫臂獨立 懸架的側(cè)傾角剛度為 ?K=21 )( 應(yīng)該指出，上面的計算只適用于小傾角，而且在分析中沒有考慮導(dǎo)向桿系中鉸接點處彈性村套的影響。實際轎車的前側(cè)傾角剛度為 300 0），后側(cè)傾角剛度為 180 0） 傾時垂直載荷對穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響 在正常工作狀態(tài)下，汽車左、有車輪的垂直載荷大體上是相等的。但曲線行駛時，由于側(cè)傾力矩的作用，作用在前、后軸左、右車輪上的垂直反力，將是靜止?fàn)顟B(tài)下的垂直反力及由側(cè)傾引起的垂直反力變動量之和。這將使車輪垂直載荷在左、右車輪上是不相等（外側(cè)車輪是增加垂直反力的，而在內(nèi) - 19 - 側(cè)車輪則是減少垂直反力的），將影響輪胎的側(cè)偏特性，導(dǎo)致汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)發(fā)生變化。有的汽車甚至?xí)牟蛔戕D(zhuǎn)向變?yōu)檫^多轉(zhuǎn)向。 垂直載荷的變化對輪胎側(cè)偏特性有顯著影響 [20]~ [22]。如下圖 3示： 圖 3直載荷對輪胎側(cè)偏特性的影響 垂直載荷增大后，側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大；但垂直載荷過大時，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力變得極不均勻，使輪胎側(cè)偏剛度反而有所減小。 無側(cè)向力作用時， 令0軸左、右車輪的垂直載荷 ，0個車輪的側(cè)偏剛度 有側(cè)向力作用時，設(shè)左、右車輪垂直載荷沒有發(fā)生變化，則相應(yīng)的側(cè)偏角0?為 0?=02 (3實際上，在側(cè)向力作用下，左、右車輪垂直載荷均發(fā)生變化。內(nèi)側(cè)車輪減少Δ W，外側(cè)車輪增加Δ W，兩個車輪的側(cè)偏剛度隨之變?yōu)?1k 、 由于左、右車輪的側(cè)偏角相等，故有 1k α + (3或 α =?1(3若令 '0k=21 ， - 20 - '0k 為垂直載荷重新分配后每個車輪的平均側(cè)偏剛度，則兩個車輪的側(cè)偏角為 α ='02 (3圖 3右車輪垂直載荷再分配時側(cè)偏剛度 由上圖 3均側(cè)偏剛度 '0然0k> '0k，即α >0?。進一步分析可知，左、右車輪垂直載荷差別越大，平均側(cè)偏剛度越小。 由此可知，在側(cè)向力作用下，若汽車前軸左、右車輪垂直載荷變動量較大， 汽車趨向于增加不足轉(zhuǎn)向量；若后鈾左、右車輪垂直載荷變動量較大，汽車趨于減少不足轉(zhuǎn)向量 一般應(yīng)使汽車有適度的不足轉(zhuǎn)向特性 。 汽車前軸及后軸左、右車輪載荷變動量決定于：前、后懸架的側(cè)傾角剛度、懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量、質(zhì)心位置以及前、后懸架側(cè)傾中心位置等一系列參數(shù)的數(shù)值。 章小結(jié) 本章主要介紹了影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的一些主要因素，如影響汽車行駛穩(wěn)定性的有鋼板彈簧的彈性特性、減震器的阻尼系數(shù)、非簧載質(zhì)量等。 架型式、導(dǎo)向桿系的布置以及懸架參數(shù)的選擇等對汽車性能的影響，并不是孤立的，而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián) 系。 垂直載荷 W 側(cè)偏剛度K 0k'0k 1k 21 - 通過對本章內(nèi)容得學(xué)習(xí)和研究，知道影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的幾個因素，知道在設(shè)計鋼板彈簧懸架時，應(yīng)該著重考慮這些因素，通過對這些因素的分析和研究，了解這些因素是如何影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，從而在設(shè)計時綜合各個方面的知識，設(shè)計出使汽車同時具有適當(dāng)?shù)男旭偲巾樞院筒倏v穩(wěn)定性的鋼板彈簧懸架。 - 22 - 第 4章 對長安星卡 懸架的設(shè)計 第 2章 及其結(jié)構(gòu)強度校核 本章將具體設(shè)計計算鋼板彈簧懸架，主要分結(jié)構(gòu)和強度兩方面，設(shè)計過程以長安星卡 例，設(shè)計其后鋼板懸架。此車屬于微卡系列，該車的圖片如 下 。 圖 4安星卡 圖 鋼板彈簧的種類 目前汽車上使用的鋼板彈簧常見的有以下幾種 [23]: (1) 普通多片鋼板彈簧，如下圖所示，這種彈簧主要用在載貨汽車和大客車上，彈簧彈性特性如圖所示，呈線性特性 - 23 - 圖 4通多片鋼板彈簧 (2) 少片變截面鋼板彈簧，如下圖所示，為減少彈簧質(zhì)量，彈簧厚度沿長度方向制成不等厚，其彈性特性如一般多片鋼板彈簧一樣呈線性特性。這種彈簧主要用于輕型貨車及大、中型載貨汽車前懸 架 圖 4截面鋼板彈簧 (3) 兩級變剛度復(fù)式鋼板彈簧，如下圖所示，這種彈簧主要用于大中型載貨汽車后懸架。彈性特性如圖所示，開始時僅主簧起作用，當(dāng)載荷增加到某一值時副簧與主簧共同起作用，彈性特性由兩條直線組成。 圖 4級變剛度復(fù)式鋼板彈簧 - 24 - （ 4）漸變剛度鋼板彈簧，如下圖所示，這種彈簧多用于輕型載貨汽車與廂式客 車后懸架，副簧放置在主簧之下，副簧隨汽車載荷變化逐漸起作用，彈簧特性呈非線性特性。 圖 4變剛度鋼板彈簧 后懸架載荷變化很大的貨車和大客車，為防止汽車前后懸架的頻率相差過大而導(dǎo)致汽車車身的猛烈顛簸 (縱向角振動 )，常用此類非線性特性的懸架，從而改善汽車行駛平順性。 長安星卡 型是輕型貨車，后懸架載荷變化不大?？紤]經(jīng)濟適用性，選用線性懸架的普通多片鋼板彈 簧。 鋼板彈簧主要元件結(jié)構(gòu)選取 板彈簧斷面形狀 汽車鋼板彈簧彈簧斷面形狀主要有如下圖所示的 4 種型式 [24]。 圖 4形斷面簧片 圖 4矩形斷面簧片由于制造簡單，目前應(yīng)用的比較多。矩形斷面的中性軸位于斷面中央，鋼板上下表面的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力是相等的，由于材料的抗拉性能比抗壓性能差，因此矩形斷面鋼板彈簧在承受拉應(yīng)力的一面易破壞。一般輕型汽車多用此類型的簧片 - 25 - 圖 4面帶槽斷面 圖 4 形斷面 圖 4面帶雙槽斷面 圖 4 4圖 4斷面形狀設(shè)計成不對稱型式，使斷面中性軸移近受拉斷面，改變了應(yīng)力分布情況，從而減小彈簧拉用力。實驗表明，采用這種斷面的鋼板彈 簧比矩形斷面彈簧壽命提高 30﹪，節(jié)約材料 10﹪左右。 但考慮長安星卡 型是輕型貨車，矩形斷面許用應(yīng)力足夠，而且加上制造方便，成本低，選用圖 4形斷面 。 簧端部形狀 簧片端部形狀常見有 3 種型式。 - 26 - 圖 4形端部 第一種是矩形圖 4種彈簧制造簡單，在載貨汽車上使用較多。片端呈矩形的簧片間摩擦阻力較大，增大了彈簧剛度。 圖 4形端部 為克服圖 4缺點，將簧片端部切去兩角而呈梯形 ， 如圖 4 圖 4延端部 或?qū)⒍瞬垦亻L度方向逐漸壓 延減薄如圖 c，也能克服 a 的缺點。這兩種鋼板彈簧不僅減小了彈簧片間摩擦，而且降低彈簧剛度，改善彈簧應(yīng)力分布。端部壓延彈簧由于增加了端部軋制工藝，使彈簧制造工藝復(fù)雜了。 考慮矩形圖的缺點，選用圖 b 的梯形圖端部形狀。 簧卷耳 鋼板彈簧卷耳一般有 3 種結(jié)構(gòu) [25] ~[26]，即下卷耳、上卷耳和平卷耳，如下圖所示。上卷耳使用的較多，采用下卷耳主要是為了協(xié)調(diào)鋼板彈簧與轉(zhuǎn)向系的運動，下卷耳在載荷作用下容易張開，強度不易保證；平卷耳可以減少卷耳的應(yīng)力，因為縱向力作用方向和彈簧主片斷面的中 心線重合，對于不能增加主片厚度又但要保證主片卷耳強度的彈簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造比上述兩種卷耳復(fù)雜，制造費用較高，一般轎車多采用平卷耳或下卷耳。 - 27 - 圖 4卷耳 圖 4卷耳 圖 4卷耳 對于輕型貨車常用上卷耳，故長安星卡 采用上卷耳圖 4以避免下卷耳的強度不足和上卷耳的制作費用較高的缺點 . 簧包耳 汽車在使用條件惡劣的情況下，需要采用加強卷耳的措施。常見的是將第二片彈簧作成包耳形式，以保護主片。包耳常見的有 1／ 4 包耳 (圖 4 3／ 4 包耳 (圖 4輕型車或廂式客車多采用 1／ 4 包耳，而大型載貨汽車和大型客車多采用 3／ 4 包耳。 本車長安星卡 于微卡， 故本車采用 1／ 4 包耳 。 - 28 - 圖 4／ 4 包耳 圖 4／ 4 包耳 板彈簧中心螺栓 中心螺栓的作用，除了夾緊各片彈簧外，又是安裝鋼板彈簧的定位銷。中心螺栓在 U 形螺栓松動時易剪斷，因此應(yīng)有一定的強度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧斷面強度，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 15料作成，機械性能等 級為 。對于重型載貨汽車，中心螺栓多用 40 40成。 表 4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 本車類型為輕卡，故 簧片不用太厚，初步預(yù)定簧片厚度不大于 7 毫米。因此由上表得出中心螺栓直徑先初步確定為 8螺栓由 15料作成 。 - 29 - 簧夾箍 彈簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯位之外，還能在彈簧回彈時，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，如下圖 a。為了防止彈簧橫向扭曲時在簧片上產(chǎn)生過大的應(yīng)力，在夾箍和彈簧片表面之間會留有一定的間隙，一般不小于 箍與彈簧片側(cè)面間隙為 1 于不經(jīng)常拆裝換片的彈簧，大都采用了不可拆式夾箍，如下圖 b，這種夾箍結(jié)構(gòu)簡單，減少制造費用，而且彈簧裝配方便，多用于轎車和輕型載貨汽車上。 圖 4拆式夾箍 圖 4可拆式夾箍 此車采用圖 b 所示的不可拆式夾箍 ，結(jié)構(gòu)簡單，費用低 。 普通多片鋼板彈簧設(shè)計與計算 同曲率法介紹 共同曲率法 [27]是假設(shè)鋼板彈簧在任何載荷下，彈簧各片彼此沿整個長度無間隙接觸，在同一截面上各簧片具有共同的曲率半徑。如果將多片彈簧各片展開，將展成一個平面，組成一個新的單片彈簧。這個變寬度的單片彈簧力學(xué)特性和用共同曲率法假定的多片鋼板彈簧式一樣的，這樣就可以用單片 - 30 - 彈簧計算方法來計算多片鋼板彈簧。新單片彈簧計算方法常有梯形單片彈簧計算法和階梯形單片彈簧計算法，本論文后面的設(shè)計內(nèi)容根據(jù)梯形單片彈簧計算法，設(shè)計計算公式皆以此為基礎(chǔ)。 圖 4板懸架 簧片 圖 4鋼板彈簧片組，受力分析后 ，根據(jù)近似的假設(shè)， 可用下圖的共同曲率法計算。 圖 4同