DA180低速汽车非独立悬架设计论文

毕 业 设 计（ 论 文 ） 速汽车非独立悬架设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导老师： 2010 年 6 月 1 日 I 速汽车非独立悬架设计 摘 要 悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或轮胎）弹性地连接起来。它的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和 车辆本身的动载荷。 本文针对某公司生产的低速载货汽车的选悬架在实际使用中存在的问题进行分析。结合该汽车使用的地区的道路条件，对汽车的前后悬架进行了重新设计。 通过比较各种各种钢板弹簧的优缺点和生产成本，确定了钢板弹簧的断面形状。借鉴国内外对钢板弹簧的设计经验， 片数、 片宽、 片厚、片长、 弧高、 曲率半径、检验刚度、 装配刚度等技术参数 。 并 对钢板弹簧 进行 受力分析、刚度 校核 和强度校核 ，验证所选取的参数基本上满足了汽车在空、满载务件下对平顺性、 舒适性以及安全方面的要求 。还对钢板弹簧销进行强度校核。此外还通过计算确定双筒 式减振器的主要参数，选定符合国标的减振器型号。 关键词 ： 非独立悬架 钢板弹簧 减震器 设计 of is an of of it to or or is of in as to of is a in I a on in of of to of on in of of of in of by of ey 录 第一章 前 言 . 1 文的研究目的和意义 . 1 架设计应达到的技术要求 . 1 内外研究的现状及发展趋势 . 2 架弹性元件发展趋势 . 2 内外悬架的研究方向 . 3 子控制悬架今后须要解决的技术问题 . 4 计的主要参数 . 5 第二章 前钢板弹簧的设计 . 6 板弹簧基本参数的确定 . 6 个钢板弹簧的载荷 . 6 板弹簧的静挠度 . 6 板弹簧的动挠度 . 7 板弹簧满载静弧高 . 7 板弹簧断面形状的确定 . 7 板弹簧主长度的确定 . 8 板弹簧的设计计算 . 8 板弹簧片厚的计算 . 8 板弹簧片宽的计算 . 9 板弹簧各片长度的计算 . 9 板弹簧刚度的验算 . 10 板弹簧总成在自由状态 下的弧高及曲率半径计算 .钢板弹簧总成弧高的核算 . 13 . 13 板弹簧主片的强度的核 算 . 14 板弹簧销的强度核算 . 14 结 . 15 第三章减振器的设计 . 16 振器的分类及选型 . 16 对阻尼系数的选择 . 16 振器阻尼系数的确定 . 18 大卸荷力的确定 . 18 式减振器工作缸直径的确定 . 18 结 . 19 第四章后钢板弹簧的设计 . 20 钢板弹簧基本参数确定 . 20 悬架的载荷 . 20 悬架振动频率的选择 . 20 挠度的选择 . 20 架的弹性特性 . 20 架主、副簧刚度的分配 . 21 性元件的设计 . 22 板弹簧的布置方案 . 22 板弹簧主要参数的确定 . 22 板弹簧刚度的验算 . 25 板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 . 26 板弹簧总成在自由状态下的弧高 . 26 板弹簧总成在自由状态下的曲率半径的确定 . 27 板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 . 27 板弹簧总成弧高的核算 . 29 板弹簧强度验算 . 29 板弹簧弹簧销的强度的核算 . 31 结 . 31 第三章总结与展望 . 32 致 谢 . 34 参考文献 . 35 广西大学 本科 学位论文 计 1 第一章 前 言 文的研 究目的和意义 悬架是现代汽车上重要的总成之一，它把车架 ( 或车身 )与车轴 ( 或车轮 )弹性地连接起来。 其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩， 并且缓和由不平路面传给车架 ( 或车身 )的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车平 顺地行驶。 由于结构简单、便于维护以及可以使用多种类型的弹性元件等优点，非独立悬架广泛应用于载货汽车以及大客车的前后悬架。一些全轮驱动的多用途车也采用非独立悬架作为前后悬架。随着弹性元件、减震器及其他结构件的设计、制造技术的不断进步，非独立悬架的性能也日益得 到改善，在一些大批量生产的高级桥车和运动型桥车中，仍然采用非独立悬架用于其后悬架。对于前置前驱动汽车尤其是轻型载货汽车而言，由于后桥没有笨重的主减速器和差速器，其非独立悬架与独立悬架的非悬挂质量相差不大，因而非独立后悬架具有很好的应用前景。汽车在不平路面上行驶时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼 。利用减振器的阻尼作用，使汽车振动的振幅连续减小，直至振动停止。 本次课题针对都安建兴机械有限公司生产的都兴 速载货汽车的悬架进行研究分析。根据它使用的道路环境和实际载重对悬架进行重新设计。改进了汽车在恶劣的山区道路上行驶的平顺性和操控稳定性。根据 汽车实际的装载质量对悬架的弹性元件进行受力分析和强度校核。以提高悬架的寿命。 架设计应达到的技术要求 2 汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶车速，广西大学 本科 学位论文 计 2 燃油经济型和运营经济型。该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。此外，悬架 对整车的操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑一下几个方面的要求： 1. 通过合理设计悬架的弹性特征及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，即具有 较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的振动性能，并能避免在悬架的压缩或伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力。 2. 合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性的要求； 3. 导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动 干涉，否则可能引发转向轮摆振； 4. 侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动 和加速时的车身纵倾（即所谓的“点头”和“后仰”）； 5. 悬挂构件的质量要小尤其是非悬挂部分的质量要尽量小； 6. 便于布置； 7. 所有零部件应该具有足够的强度和使用寿命； 8. 制造成本低； 9. 便于维修、保养。 内外研究的现状及发展趋势 架弹性元件发展趋势 非独立悬架是汽车上最早使用的一种悬架。至今仍然被广泛应用于载货汽车和载客客车的前后悬架以及桥车的后悬架。 非独立悬架使 用的弹性元件也由最初的钢板弹簧和扭杆弹簧发展到空气悬架和油气悬架。 空气悬架弹簧是一种运用在高档客车和重型载货车上的悬架系统，是世界钢板弹簧发展趋势。国外客车 100、拖车 100、重型载重车 85采用广西大学 本科 学位论文 计 3 空气悬挂簧，可减少噪声，提高稳定性与舒适性。 20 世纪 50 年代，空气悬架弹簧开始应用在载重车、小轿车、大客车及铁道车辆上。 60 年代，德国、美国等工业发达国家生产的大部分公共汽车中装有了空气弹簧悬架。目前，国外生产的旅游车、长途客车及高速客车几乎全部使用空气弹簧悬架，部分轿车也使用了空气弹簧悬架，如德国的奔驰 30013 奔驰 600 等，另外在重型载货汽车上近年来也得到了广泛应用 12。国内早在 20 世纪 60 年代就设计生产了空气弹簧悬架，但由于工业技术条件有限，当时生产的产品使用效果不甚理想，以后在很长一段时期，产品没有进一步发展。因此，国外生产空气悬架弹簧的厂家凭借着资金与技术优势进入了国内市场，为国内生产豪华客车的厂家配套成熟的空气弹簧悬架产品。随着道路条件的改善，国内消费水平的提高，客车产品的档次逐步升级，空气悬挂簧逐步被市场接受。目前，在国内有多家客车厂生产的豪华大客车装有空气悬架，如安凯、金龙客车、桂林 大字、合肥现代、杭州客车等，现全国用空气悬挂簧的客车已超过1 万辆。随着国内汽车产量的增长，采用空气悬挂簧的数量将逐步上升，钢板弹簧的使用数量处于下降趋势 16。 内外悬架的研究方向 目前国内外对悬架的研究主要集中在电子控制的悬架系统。 对主动悬架的研究目前主要集中两个方面 :一个是控制策略 ;另一个是执行器。最早的主动悬架控制策略是天棚原理，假设车身上方有一固定的惯性参考，在车身和惯性参考之间有一阻尼器，执行器模拟此阻尼器的作用力来衰减车身的振动。这种控制算法简单，在国外某些车型上已经得到了应用 。随着现代控制理论的发展，提出了主动悬架的最优控制方法，它比天棚原理考虑了更多的变量，控制效果更好，目前最优控制规律有三种 :线性最优控制、 优控制和最优预见控制。 由于实际悬架系统中有许多非线性的、时变的、高阶动力系统，使最优控制方法变得不稳定，为此又发展了自适应控制方法。自适应控制方法具有参数识别功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能最优。自适应控制方法也有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类。目前发展最迅速的控制策略是智能控制 (模糊控制和神经网络控制 )。模糊控制 方法具有 自 动调节输入变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能，计算机仿真结果表明该方法更有广西大学 本科 学位论文 计 4 效。神经网络是一个由大量处理单元组成的高度并行的非线性动力系统，它能进行数据融合、学习适应性和并行处理，研究表明它比传统控制有更好的性能。执行器是实现控制目标的重要环节，因此作对动器的研究也是主动悬架研究的重要内容。为保证主动悬架的良好性能，执行器必须具有灵敏、隐定、可靠、能耗 低、成本和总量低等特点。目前主动悬架上应用的执行器主要是液力式结构。日产公司则开发了蓄能式减振器，它将压力控制阀同小型蓄能器及液压缸 结合起来，使路面不平整引起的振动被蓄能器吸收，车身隔振由主动阻尼和被动阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不过液压动力系统尚有许多不足之处，比如对工作环境有一定要求 ;元件制造精度要求高、成本难以下降 ;处理小信号的数字运算，误差的检测与放大、测试与补偿、自动化与实现远距离等功能不如电气系统灵活准确等。因此现在执行器的研究主要集中在直线伺服电机、电磁蓄能器的方向。电气动力系统中的直线伺服电机具有较多的优点，永磁直流直线伺服电机，其驱动性能优于液压系统，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控 制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架。 子控制 悬架今后须要解决的 技术问题 电子控制 悬架今后须要解决的技术有：油气悬架技术：由油气部件和弹簧系统共同支撑车体，根据汽车变化的承载量，由油气部件调节悬架的水平位置，使弹簧保持 正常的使用位置；阻尼可调节减振器：由传感器感知汽车行驶时的状况，包括载荷的大小、路面的不平、是否转向、是否加速或制动等，经电控单元分析判断，通过电磁阀液压系统，调节减振器的阻尼。此项技术又成为半主动悬架技术；全主动悬架技术：通过电液系统不仅调节阻尼而且调节弹力 、 水平位置等。 针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架系统电控技术是汽车悬架系统振动性能改进的方向。悬架位于车身与轮胎之间，对车辆的运动性能、乘坐舒适性有 重大的影响。按照路面行驶工况最优控制，悬架性能以确保车辆行驶性能与乘坐舒适性，电子控制悬架将进一步向高性能方向发展。作为实现这种对悬架的优化控制的方式之一，是利用 “ 预知传感器 ” 进行预知控制的 “ 预知控制悬架 ” 。目前已提出了多种的方案，并期待着这种新式传感器的出现。另一方面，从地球环境来考 虑，为进一步节约能源，悬架控制向高压力化、高电压化、小型轻量化发展。 在广西大学 本科 学位论文 计 5 控制理论方面正在致力于模糊逻辑控制、神经网络控制等应用于悬架方面的研究 。 计的主要参数 装载质量： 6000备质量： 3840载时：前轴负荷： 1690 后轴负荷： 2150载时：前轴负荷： 3444 后轴负荷： 6396距： 3300西大学 本科 学位论文 计 6 第二章 前钢板弹簧的设计 板弹簧基本参数的确定 个钢板弹簧的载荷 已知汽车满载静止时汽车前轴荷 ， 非簧载质量 ， 则据此可计算出单个 钢板弹簧的载荷： 11 15592 GF k g( 2 进而得到 : 11 9 . 8 1 5 2 7 8 . 2 N ( 2 板弹簧的静挠度 悬架的静扰度 是指汽车满载静止时悬架上的载荷 c 之比，即： 前后弹簧的静挠度都直接影响到汽车的行驶性能。为了防止汽车在行驶过 程中产生剧烈的颠簸 ( 纵向角振动 ) ，应力求使前后弹簧的静挠度比值接近于 1。此外， 适当地增大静挠度也可减低汽车的振动频率，以提高汽车的舒适性。但静挠度不能无限地增加 (一般不超过 240因为挠度过大，即频率过低，也同样会使人感到不舒适，产生晕车的感觉。此外，在前轮为非独立悬挂的情况下，挠度过大还会使汽车的操纵性变坏。 货车的悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。因汽车的质量分配系数近似等于 1，因此货车车轴上方车身两点的振动不存在联系。货车的 车身的固有频率 n,可 用下式来表示： n= 2/ （ 2 式中， N/m） , 广西大学 本科 学位论文 计 7 又静挠度可表示为： c c（ 2 由 （ 2（ 2得： f （ 2 因 为不同的汽车对平顺性的要求不相同，货车的后悬架要求在 为货车主要以载货为主，所以选取频率为： 224 . 9 8 4 . 9 8 7 . 6 5 7 6 . 51 . 8cf c m m 板弹簧的 动挠度 悬架的动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构容许的最大变形时，车轮中心相对车架的垂直位移。通常货车的动挠度的选择范围在 69本设计选择： 板弹簧 满载静弧高 满载弧高指钢板弹簧装到车轴上，汽车 满载时钢板弹簧主片上表面与两端 不包括卷耳孔半径 连线间的最大高度差。当 时 钢板弹簧在对称位置上工作。虑到使用期间钢板弹簧塑性变形的影响和为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取020 本方案中15 板弹簧断面形状 的确定 板弹簧断面通常采用矩形断面，宜于加工，成本低。但矩形断面也存在一些不足， 矩形断面钢板弹簧的中性轴，在钢板断面的对称位置上。工作时 一面受拉应力，一面受压应力作用，而且上、下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等。因材料的抗拉性能低于抗压性能，所以在受拉应力作用的一广西大学 本科 学位论文 计 8 面首先产生疲劳断裂。除矩形断面以外的其它断面形状的叶片，其中性轴均上移，使受拉应力的一面的拉应力绝对值减小，而受压应力作用的一面的压应力绝对值增大，从而改善了应力在断面上的分布情况，提高了钢板弹簧的疲劳强度并节约了近 10%的材料。本方案中选用矩形断面。 板弹簧主长度的确定 钢板弹簧长度 L 是指弹簧伸直后两卷耳中 心之间的距离。加钢板弹簧长度 L 能显著降低弹簧刚度 ,改善汽车行驶平顺性 ;在垂直刚度 C 给定的条件下 又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度 。 钢板弹簧的纵向角刚度 ， 系指钢板弹簧产生单位纵向角时 ， 作用到钢板弹簧上的纵向力矩值 。 增大钢板弹簧纵向角刚度的同时 ， 能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形 。 选用长些的钢板弹簧 ， 会在汽车布置时产生困难 。 原则上 ， 在总布置可能的条件下 ， 应尽可能将钢板弹簧取长些 。 根据统计资料 ， 弹簧伸直长度取值规律如 下 所示 ： 货车前悬架： L=(距，后悬架： L=(距。 本设 计初步选定前钢板弹簧的长度 L=1330 板弹簧的设计计算 板弹簧片厚的计算 矩形断面等厚度的钢板弹簧的总惯性矩0 30 12 （ 2 式中， n 为钢板弹簧总片数； b 为板簧的宽度； h 为板簧厚度。 由上式可知，改变片数、片厚、片宽三者之一，都影响到总惯性矩的变化。又0为： 20 48L （ 2 式中， k 为无效长度系数，取 k=S 为 U 型螺栓中心距 ,本设计取 140 为材料弹性模量， E= 0 N/ 为 挠度增大系数。 结合式可知：总惯性矩0广西大学 本科 学位论文 计 9 就是影响汽车的平顺性。其中，片厚 h 的变 化对钢板弹簧总惯性矩的影响最大 ,增大片厚 h，可减少片数 n。钢板弹簧各片厚度可能有相同和不同两种情况。一般都采用前者。本设计方案中选片厚相等。 片厚的计算公式为 ： 26 cL k （ 2 式中， 为许用弯应力， 的取值范围：前钢板弹簧 350450钢板弹簧 450550副簧 220250 =400 挠度增大系数1 . 5 1 . 3 21 . 0 4 1 0 . 5； n 为与主片等长的钢板片数，本次设计取 2； n 为总的钢板片数，取 11。 将 =入式（ 2： h=整为 h=9 板弹簧片宽的计算 有了 h 以后 ， 再选取钢板弹簧的片宽 b。 增大片宽能增大卷耳强度 ， 但当车身受侧向力作用倾斜时 ， 弹簧的扭曲应力 增大 。 前悬架用宽的弹簧片 ，会影响转向轮的最大转角 ； 片宽选取过窄 ， 又得增加片数 ， 从而增加片间的摩擦和弹簧的总厚 。 推荐片宽与片厚的比值在 610 范围内选取 。 本次设计取 b=80 板弹簧各片长度的计算 先将各片的厚度 h 的立方值 同一比例尺沿纵坐标绘制在图上，再沿横坐标量出主片长度的一半 L/2 和 U 型螺栓中心距的一半 s/2，得到 A,B 两点，连接 A， B 两点就得到三角形的钢板弹簧展开图。 与各片上侧边的交点即为各片的长度。如果存在与主片等长的重叠片，就从 B 点到最后一个重叠片的上侧边断点连一直线 ，此直线与各片上侧边的交点即为各片长度如图 2片实，际长度尺寸需经圆整后确定 。 各片长度如 表 2示。表 2板弹簧各片长度 板号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 长度 1330 1330 1211 1092 973 854 735 616 497 378 259 广西大学 本科 学位论文 计 10 3图 2片钢板弹簧的长度 板弹簧刚度的验算 在此之前，有关挠度增大系数 ，总惯性矩0J，片长和叶片端部的形状都不够准确，所以有必要验算刚度。用共同曲率法计算刚度，刚度的验算公式为： 31116nk k Y（ 2 其中， )(111 kk ki ； 111/1 ki 312i ； 为刚度修正系数， =里取 1l 、1k+1）片的长度 的一半 。 钢板弹簧刚度计算结果如表 2 表 2广西大学 本科 学位论文 计 11 板号1 2 3 31 311k k Y 钢板弹簧的自由刚度 56 2 . 1 1 0 0 . 9 1 1 7 0 . 56 7 2 4 . 5C N m m N m m 用钢板弹簧的有效长度 代入上面的计算中算得的刚度就是加紧刚度。 1 3 3 0 0 . 5 1 4 0 1 2 6 0 k S m m （ 2 算得的钢板弹簧的夹紧刚度为： 2005 m m，刚度与设计刚度1997C N m m 相差不大，所以钢板弹簧满足刚度要求。 板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 （ 1）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高0下式计算： )(0 （ 2 式中，f 为钢板弹簧总成用 U 型螺栓夹紧后引起的弧高变化，22)(3( L ； S 为 U 型螺栓的中心距。 科 学位论文 计 12 为钢板弹簧主 片长度。 22)(3( L = 21 4 0 3 1 3 3 0 1 4 0 1 5 7 6 . 5 1 3 . 92 1 3 3 0 (0 =5+ 2）钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径的确定： 簧总成在自由状态下的曲率半径：020 8/ = 3）钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 钢板弹簧各片在自由状态下的和装配后曲率半径不同，装配后各片产生预应 力，其值确定了自由状态下的曲率半径片自由状态下做成不同的曲率半径的目的是为了使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴在一起，减少主片的工作应力，使各片的寿命接近。 矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定 : )2(1/ 000 （ 2 式中， 为钢板弹簧总成0下的曲率半径（ 为各片钢板弹簧预应力 N/ 2； ，取 N/ 2 为第已知0条件，可以 用 （ 2式 计算出各片钢板弹簧自由状态的曲率半径 对于片厚相同的钢板弹簧，各片弹簧的预应力值应不宜选取过大；推荐主片在根部的工作应力与预应力叠和后的合成应力应在 300 350N/ 2选取。 1 4片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。预应力从长片由负值逐渐递增为正值。 在确定各片预应力时，理论上应满足各片弹簧在根部处的预应力所造成的弯矩 之代数和等于零，即ni 各片钢板弹簧的预应力、 自由状态的曲率半径 和弧高 如 表 2 广西大学 本科 学位论文 计 13 表 2由状态的曲率半径和弧高 版号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0i50 5 10 20 30 40 20 20 360 2170 2098 2075 2052 2009 1967 1927 2009 2009 7 6 钢板弹簧总成弧高的核算 叶片在自由状态的曲率半径是根据预应力确定的。 由于选择预应力的关系， 装配后钢板弹簧总成弧高不一定和 3 1 的计算结果一致， 因此， 还需要再计算一次装配后的总成弧高。 如两者接近便认为合适。 根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此可求得等厚 叶片弹簧的 为：0Rni 2157 （ 2 钢板弹簧的总成弧高为 : （ 2 计算结果与 )(0 计算的结果 差不大，符合设计要求。 板弹簧强度验算 当汽车紧急制动的时候前钢板弹簧承受载荷最大 。钢板弹簧后半段最大应力课表示为 : 1 1 1 2m a 0m G l C ll l W （ 2 式中，11车取 用车取 1 l、2段长度；广西大学 本科 学位论文 计 14 为道路附着系数，取 c 为弹簧固装点到路面的距离； 0W 为钢板弹簧总截面系数。 1 1 1 2m a 0m G l C ll l W = 21 . 4 1 5 2 7 8 . 2 6 6 5