桑塔納志俊汽車懸架設計說明書.doc

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汽車設計課程設計說明書 設計題目： 桑塔納志俊汽車懸架設計 姓名 車勝男 學院 交通學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械本1105 學號 20112814545 指導教師 孫宏圖 王昕彥 2013年11月25日 5懸架設計 ………………………………………………………………… 1 5.1 懸架的結構形式……………………………………………………1 5.2 懸架彈性元件的設計與計算…………………………………2 5.2.1 布置方案………………………………………………………2 5.2.2 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定…………………………………3 5.3 懸架對汽車主要性能的影響…………………………………11 5.3.1 懸架對汽車平順性的影響…………………………………11 5.3.2 懸架對汽車操縱穩(wěn)定性的影響……………………………12 參考文獻…………………………………………………………………………13 第五章 懸架設計 5.1 懸架的結構形式 懸架可分為非獨立懸架和獨立懸架兩類。 5.1.1獨立懸架 獨立懸架的優(yōu)點是：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，使車身振動頻率降低，改善的汽車行駛的平順性；由于可能降低發(fā)動機的位置高度，使整車的質(zhì)心高度下降，又改善了汽車的行駛穩(wěn)定性；左右車輪各自獨立運動互不影響，可減少車身的震動和傾斜，同時在起伏的路面上能獲得良好的地面附著能力。獨立懸架的缺點是結構復雜，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。 5.1.2非獨立懸架 以縱置鋼板彈簧為彈性元件兼做導向裝置的非獨立懸架，其主要優(yōu)點是結構簡單，制造容易，維修方便，工作可靠。缺點是由于整車布置上的限制，鋼板彈簧不可能有足夠長度（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，左右車輪相互影響，并使車軸（橋）和車身傾斜；當汽車直線行駛在凹凸不平的路面上時，由于左右兩側車輪反向跳動或只有一側車輪跳動時，會產(chǎn)生不利的軸轉(zhuǎn)向特性；汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，離心力也會產(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。 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立懸架；前輪采用獨立懸架，后輪采用非獨立懸架；前后輪均采用獨立懸架幾種[4] [5]。 非獨立懸架的結構特點是左右車輪用一跟整體軸連接，再經(jīng)過懸架與車身（或車身）連接，如圖5.1（a）所示；獨立懸架的結構特點是左右車輪通過各自的懸架與車架（或車身）連接，如圖5.1（b）所示[4]。 圖5.1懸架結構形式 要正確的選擇懸架方案和參數(shù)，在車輪上下跳動時，使主銷的定位角變化不大、車輪運動與導向機構運動壓迫協(xié)調(diào)，避免前輪擺振；汽車轉(zhuǎn)向時應使之稍有不足轉(zhuǎn)向特性。 此桑塔納轎車懸架部分結構形式選定為： （1）前懸采用麥弗遜式獨立懸架 （2）后懸采用復合扭轉(zhuǎn)梁式非獨立懸架 5.2 懸架彈性元件的設計與計算 5.2.1 布置方案 懸架的主要任務是傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩，并且緩和路面?zhèn)鹘o車架（或車身）的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的震動，保證汽車行駛的平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特征；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、導向裝置、減震器、緩沖塊和橫向穩(wěn)定器等組成。 導向裝置由導向桿系組成，用來決定車輪相對于車架（或車身）的運動特性，并傳遞出彈性元件傳遞的垂直力以外的各種力和力矩。當用縱置鋼板彈簧彈性元件時，它兼起到導向裝置的作用。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)彎行駛時車身的側傾角和橫向角所引起的震動[2]。 在對此桑塔納轎車的設計中，對其懸架提出的設計要求有： （1）保證汽車有良好的行駛平順性[3]； （2）具有合適的衰減振動能力； （3）保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性； （4）汽車制動或加速時要保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾；轉(zhuǎn)彎時車身側傾角要合適； （5）有良好的隔聲能力； （6）結構緊湊、占用空間尺寸要小； （7）可靠地傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩。 本設計是桑塔納轎車的懸架設計，故采用 ： （1）前懸：麥弗遜式獨立懸架 （2）后懸：復合扭轉(zhuǎn)梁式非獨立懸架 （3）輔助元件：減震器、緩沖塊 桑塔納志俊轎車弗遜式前懸架 通過減小懸架垂直剛度c ，能降低車身震動固有頻率n（n=/2π），達到改善汽車平順性的目的。但因為懸架的側傾角剛度和懸架垂直剛度c 之間是正比例關系，所以減少垂直剛度c的同時使側傾角剛度也減小，并使車廂側傾角增加，結果車廂中的乘員會感到不舒服和降低了行車安全感。解決這一矛盾的主要方法是在汽車上設置橫向穩(wěn)定器。有了橫向穩(wěn)定器，就可以做到在不增大懸架垂直剛度c 的條件下，增大懸架的側傾角剛度。 鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。后者因為要傳遞縱向力，必須設置附加的導向傳力裝置，使結構復雜，質(zhì)量加大所以在在少數(shù)輕、微型車上應用。縱置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結構簡單，故在汽車上得到廣泛應用。本設計采用縱置鋼板彈簧?？v置鋼板彈簧又分對稱式和不對稱式。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，則為對稱式鋼板彈簧；若不相等為不對稱式鋼板彈簧。多數(shù)情況下汽車采用對稱式鋼板彈簧，故本設計采用對稱式鋼板彈簧。 5.2.2 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定 熱軋彈簧鋼加熱成形，而后淬火﹑回火，還要經(jīng)過實效處理，以消除內(nèi)應力。 材料的參數(shù)： 彎曲應力： , ， 彈性模量： 使用溫度： 剪切應力： -------據(jù)《機械零件設計手冊》 冶金工業(yè)出版社 表 25—5 n 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定 在進行鋼板彈簧計算之前，應當知道下列初始條件：滿載靜止時汽車前后軸（橋）符合、和簧下部分荷重、，并根據(jù)此計算出單個鋼板彈簧的載荷： =（- ）/2和=（-）/2，懸架的靜擾度和動擾度，汽車的軸距等。 n 滿載弧高 滿載弧高是指鋼板彈簧裝帶軸（橋）上，汽車滿載時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，如圖6.1所示：用來保證汽車具有給頂?shù)母叨?。當?時，鋼板彈簧在對稱位置上工作。為了在車架高度已限定時能得到足夠的動擾度值，常取=10-20mm。本設計取=20mm。 圖6.1 鋼板彈簧弧高示意圖 n 鋼板彈簧長度L的確定 鋼板彈簧長度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。增加鋼板彈簧長度L能顯著降低彈簧應力，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，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，能減少輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長些的鋼板彈簧，會在汽車上布置時產(chǎn)生困難。原則上在總布置可能的條件下，應盡可能將鋼板彈簧取長一些。本設計采用L=0.43軸距。L=16000.437=668mm n 鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定 ⑴ 鋼板斷面寬度b的確定 有關鋼板彈簧的剛度、強度等，可按等截面簡支梁啊計算公式計算，但需要引入擾度增大系數(shù)δ加以修正。 由于鋼板彈簧的主片有一部分要用著卷耳L = L-Ks 因此，可根據(jù)修正后的簡支梁公式計算鋼板彈簧所需要的總慣性矩 S＝76 mm （ U型螺旋中心距） （為撓度增大系數(shù)） E=206 N/（彈性模量） 鋼板彈簧總截面系數(shù)用下式計算 取 對于55SiMnVB或60Si2Mn等材料，表面經(jīng)噴丸處理后，推薦[]在400～550N/mm，本設計選取[]=450 N/mm 將公式[（L-ks）]/4[]帶入 有了之后，再選鋼板彈簧的片寬b，增大片寬，能增加卷耳強度，但當車身受側向里作用力傾斜時，彈簧的扭曲應力增大。前懸架用寬的彈簧片，會影響轉(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b/在6～10之間選取。 得b＝24mm ⑵ 鋼板斷面形狀 矩形斷面鋼板彈簧（如圖6.2所示）的中性軸，在鋼板斷面的對稱位置上。工作時一面受拉應力，另一面受壓應力作用，而且上下表面的名義拉應力和壓應力的絕對值相等。因材料抗拉性能低于抗壓性能，所以在受拉應力作用的一面首先產(chǎn)生疲勞斷裂。 圖6.2 矩形斷面鋼板彈簧 ⑶ 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度梁的差別增大，材料利用率變壞。本設計選取n=4 n 厚度的確定 由前得 n 鋼板彈簧各片長度的確定 片厚不變寬度連續(xù)變化的單片鋼板彈簧是等強度梁，形狀為菱形（兩個三角形）。將由兩個三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干片，然后按照長度大小不同依次排列、疊放在一起，就形成接近實用價值的鋼板彈簧。實際上的鋼板彈簧不可能是三角形，因為為了將鋼板彈簧中部固定到車軸（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，因此應該用中部為舉行的如圖6.3替代三角形鋼板彈簧才有真正的實用意義[9]。 圖6.3 雙梯形鋼板彈簧 這種鋼板彈簧個片具有相同的寬度，但長度不同。鋼板彈簧各片長度就是基于實際鋼板各片展開圖接近梯形梁的形狀這一原則來作圖的。首先假設各片厚度不同，則具體進行步驟如下： 先將個片厚度hi的立方值hi3按同一比例尺沿縱坐標繪制在圖上再沿橫坐標量出主片長度的一半L/2和U型螺栓中心距的一半s/2，得到A、B兩點，連接A、B即得到三角形的鋼板彈簧展開圖（如圖6.4）。AB線與各葉片上側邊的交點即為各片長度。如果存在與主片同長的重疊片，就從B點到最后一個重疊片的上側邊端點連一直線，此直線與各片上側邊的交點即為各片長度。各片長度尺寸需經(jīng)調(diào)整后確定。 圖6.4 三角形的鋼板彈簧展開圖 經(jīng)畫圖測量得：565 mm , =442 mm , 356 mm n 鋼板彈簧剛度驗算 在此之前，有關擾度增大系數(shù)δ、總慣性矩、片長和葉片端部形狀等的確定都不能夠準確，所以有必要驗算剛度。用共同曲率法計算剛度的前提是，假定同一截面上各片曲率變化值相同，各片所承受的彎矩正比于其慣性矩，同時該截面上各片的彎矩和等于外力所引起的彎矩。剛度驗算公式為 C = 6aE/[（-）] 式中=（-）；=1/；=1/式中a為經(jīng)驗修正系數(shù)，a=0.90～0.94；E為材料彈性模量，取E=2.110Mpa；、為主片和第（k+1）片的一半長度。 上公式中主片的一半L1，如果用中心螺栓到卷耳中心間的距離帶入，求得的剛度值為鋼板彈簧總成自由剛度；如果用有效長度，即=（l-0.5ks）帶度上公式求得的剛度值是鋼板彈簧總成的夾緊剛度。 剛度校核基本符合 n 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算 ⑴ 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稱為鋼板彈簧在自由狀態(tài)下的弧高，用下式計算[2]： =（++） 式中為鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后引起的弧高變化， mm ――――靜撓度 mm ―――－滿載弧高 ――――――鋼板彈簧總成用U 型螺旋夾緊后弧高的變化量 S———————U形螺栓中心距s=76mm；L為鋼板彈簧主片長度。 取 Δ=12mm 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑 mm ⑵ 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，裝配后各片產(chǎn)生預應力，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的貼緊，減少主片的工作應力，使各片壽命接近。 矩形截面鋼板彈簧裝配前各片的曲率半徑由下式確定 = /[1+（2）/E 在已知鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下曲率半徑和各片彈簧預應力的條件下，可以用上公式計算出各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑。 mm -40 -20 10 30 =437.059mm 427.059mm 400.511mm 369.856mm 選取各片彈簧預應力時，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片有足夠的使用壽命，應適當降低主片及與其相鄰的長片的應力。 n 鋼板彈簧卷耳強度驗算 鋼板彈簧卷耳和彈簧銷的強度核算鋼板彈簧主片卷耳受力如圖5.5所示：卷耳處所受應力是由彎曲應力和拉（壓）應力合成的應力： =8.5N/mm 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；為主片后厚度。須用應力[]取350N/mm。對鋼板彈簧銷要驗算鋼板彈簧受靜載荷時鋼板彈簧銷受到的擠壓應力=/bd。其中，為滿載靜止時鋼板鍛部受到的載荷；b為卷耳處葉片寬；d為鋼板彈簧銷的直徑。用30鋼或40鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時，彈簧銷許用擠壓應力[]3～4N/mm；用20鋼或20Cr鋼經(jīng)滲碳處理或用45高頻淬火后，其許用應力[]7～9 N/mm。 圖6.5 鋼板彈簧主片卷耳受力圖 鋼板彈簧多數(shù)情況下采用55SiMnVB鋼或60Si2Mn鋼制造。常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和應力噴丸兩種，后者可使鋼板彈簧表面的殘余應力比前者大的多。 5.3 懸架對汽車主要性能的影響 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、衰減振動以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關裝置的總稱。 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)稱為導向機構。導向機構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。 5.3.1 懸架對汽車平順性的影響 汽車行駛平順性是指汽車在一般車速行駛時避免振動和沖擊保持乘員舒適的能力對于貨車還包括保持貨物在運輸過程中完好性的能力。在汽車行駛過程中如果平順性能差駕駛員就會因強烈的振動而被迫降低汽車行駛速度從而使汽車的平均速度和運輸生產(chǎn)率下降。發(fā)動機不能在最佳轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)又會使汽車的燃油經(jīng)濟性變差。振動產(chǎn)生的動載加速機件的磨損,由于動載產(chǎn)生的交變應力會造成機件的疲勞破壞,這些都嚴重影響汽車的使用壽命。汽車振動時,車輪相對于地面的跳動又會使接地性變差,使附著性能變壞,從而影響汽車的通過性操縱穩(wěn)定性,同時影響汽車的行駛安全性。隨著人們對平順性的要求越來越高,汽車平順性研究的重要性也日益凸顯。減少汽車振動除了調(diào)整汽車結構本身外,還有兩個重要途徑:一方面是改善路面,減少振動來源。 5.3.2 懸架對汽車操縱穩(wěn)定性的影響 現(xiàn)代汽車除了保證其基本性能，即行駛性、轉(zhuǎn)向性和制動性等之外，目前正致力于提高安全性與舒適性，向高附加價值、高性能和高質(zhì)量的方向發(fā)展。對此，尤其作為提高操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性的轎車懸架必須進行相應的改進。舒適性是汽車最重要的使用性能之一。舒適性與車身的固有振動特性有關，而車身的固有振動特性又與懸架的特性相關。懸架是汽車上的重要總成之一，它把車身和車輪彈性地連接在一起。懸架的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，比如支撐力、制動力和驅(qū)動力等，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動載荷。懸架與汽車的多種使用性能有關，為滿足這些性能，懸架系統(tǒng)必須能滿足這些性能的要求:首先，懸架系統(tǒng)要保證汽車有良好的行駛平順性，對以載人為主要目的的轎車來講，乘員在車中承受的振動加速度不能超過國標規(guī)定的界限值。其次，懸架要保證車身和車輪在共振區(qū)的振幅小，振動衰減快。再次，要能保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性，一方面懸架要保證車輪跳動時，車輪定位參數(shù)不發(fā)生很大的變化，另一方面要減小車輪的動載荷和車輪跳動量。還有就是要保證車身在制動、轉(zhuǎn)彎、加速時穩(wěn)定，減小車身的俯仰和側傾。最后要保證懸架系統(tǒng)的可靠性，有足夠的剛度、強度和壽命。所以，汽車懸架是保證乘坐舒適性的重要部件。同時，汽車懸架做為車架(或車身)與車軸(或車輪)之間作連接的傳力機件，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術規(guī)格表，作為衡量轎車質(zhì)量的指標之一。 參考文獻 [1] 王望予.汽車設計（第4版）[M].機械工業(yè)出版社，2005 [2] 劉惟信.汽車設計[M].清華大學出版社，2001 [3] 余志生.汽車理論（第3版）[M].機械工業(yè)出版社，2000 [4] 陳家瑞.汽車構造[M].機械工業(yè)出版社，2005 [5] 龔微寒.汽車現(xiàn)代設計制造[M].人民交通出版社，1995 [6] 《汽車工程手冊》編輯委員會[S].汽車工程手冊.人民交通出版社，2001 [7] 機械設計手冊（最新版）[S]