汽车悬架弹簧多级减振刚度的应用性能分析

第1期2012年1月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE文章编号10013997201201005103汽车悬架弹簧多级减振刚度的应用性能分析术黄美发黎孟珠1,2桂林电子科技大学机电工程学院，桂林541004桂林航天工业高等专科学校汽车工程系，桂林541004ANALYSISOFAPPLIEDPERFORMANCEOFMULTIDEGREEDAMPINGRIGIDITYFORAUTOMOTIVESUSPENSIONSPRINGHUANGMEIFA。LIMENGZHUSCHOOLOFMECHANICALANDELECTRICALENGINEERING，GUILINUNIVERSITYOFELECTRICALTECHNOLOGY，GUILIN541004，CHINADEPAMENTOFAUTOMOBILE，GUILINCOLLEGEOFAEROSPACETECHNOLOGY，GUILIN541004，CHINA；【摘要】介绍了汽车非线性减振悬架的性能特点。根据非线性悬架特点设计了一种四级减振刚I度弹簧；根据非线性曲线的特点，把汽车的不同工况分解为四减振区域，并分别把每一个减振区域匹配L出不同刚度的线性弹性刚度，相当于用一次曲线去逼近空气弹簧的多次刚度曲线，这样就能得到吸振2能力非常接近空气弹簧的弹性特性。进一步计算了四级减振刚度悬架汽车的减振频率、静挠度、振幅、L阻尼特性。计算结果表明，四级减振刚度悬架比单刚度悬架舒适性能有很大的提高。L；关键词四级减振刚度；非线性；振动频率；静挠度；阻尼；【ABSTRACT】NONLINEARVIBRIONPERFORMANCECHARACTERISTICSOFTHEAUTOMOBILESUSPENSIONAREINTRO一；DUCEDACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFNONLINEARSUSPENSION，0SPRINGWITHFOURDEGREEDAMPINGRIGIDITYISDESIGNED，ANDFOURDAMPINGARET2SAREBROKENUPINTOFORDIFFERENTWORKINGCONDITIONSOFTHEAUTOMOBILE，IN；WHICHEACHAREAISMATCHEDWITHDIFFERENTLINEARELASTICRIGIDITYIONECURVEMAYAPPROACHMULTIRIGIDITYCURVESOFAIRSPRINGANDELASTICPROPERTYISOBTAINEDWHICHVIBRATIONABSORPTIONISCLOSERTOTHEAIRSPRING；LFURTHERMORE，THEDAMPINGFREQUENCY，STATICDEFLECTION，AMPLITUDEANDDAMPINGCHARACTERISTICSOFFOURDEGREEIDAMPINGRIGIDITYSUSPENSIONVEHICLEARECALCULATEDTHERESULTSSHOWTHATTHECOMFORTABILITYOFFOURDEGREELDAMPINGRIGIDITYSUSPENSIONISGREATLYIMPROVEDTHANTHATOFTHESINGLEDEGREE；KEYWORDSFOURDEGREEDAMPINGRIGIDITY；NONLINEARITY；VIBRATIONFREQUENCY；STATICDEFLECTION；2DAMPING中图分类号TH16，U2603314文献标识码A1引言随着社会的发展和科学技术的进步，人类对舒适性的要求越来越高。而汽车舒适性是否满足使用要求在很大程度上取决于汽车悬架的结构设计及新结构具有的减振陛能。汽车悬架系统在汽车的行驶平顺性、操纵稳定性和制动生等方面都起着至关重要的作用，传统的汽车设计理论中总是将汽车悬架看作线性系统，而空气弹簧悬架由于其材料的非线性、几何非线性和接触非线性而呈现出很强的非线性特眭，这种非线性特性在汽车行驶平顺性中的贡献值得研究L1L。随着汽车工业的研究和发展，车用零部件的性能也在不断来稿日期20110308基金项目广西壮族自治区教育厅科研资助项目桂教科研20109号附件序号232广泛。PLC完成现场各种开关量的控制，伺服电机脉冲的发出；PC机提供人机交互界面，实现数据的计算和加工过程的模拟；同时VB能提供良好的用户界面，和强大的数据计算能力，并且提供串口控件，进一步提高了实用性。结合横河FAM3型PLC的特点，通过其在数控管切割机中的运用，详细地阐述了基于VB语言的PLC与上位机串行通讯实现的方法。通过数控切割机切割管件的运行表明，利用VB的MSCOMM控件设计的通讯软件可以很好地满足了PC机向数控管切割机传输加工数据的要求。参考文献1谢新房，王国栋多管相贯焊接坡口数控切割研究J工程图学学报，2O07。28415O1552肖聚亮，阎祥安，王国栋，贾安东火焰数控切管机割炬轨迹研究及仿真J机械工程学报，2005，4142342383葛国政数控管子相贯线火焰切割机的研制J焊接技术，2006，35245474范逸之，陈立元VISUALBASIC与RS一232串行通信控制M北京清华大学出版社，20025章铁钟，智爱娟，辛伊波基于VB实现PLC串行通讯功能的研究J自动化与仪器仪表，2005440_426李双科，吴记群VB下利用MSCOMIN实现计算机与PLC的串行通讯J电气传动自动化，2006，28343457刘炼，谈士力，王刚基于VB的PLC与上位机的通讯在烟支输送储存监控系统中的应用J机床与液压，20051114915452黄美发等汽车悬架弹簧多级减振刚度的应用性能分析第1期的提高和优化。空气弹簧以其独特的变刚度、低振动频率、高吸振、低噪声等优良特性，更加有效地提高了汽车行驶平顺性以及操纵稳定性，成为汽车钢板弹簧的理想替代品。国外对空气弹簧的研究和应用很早，目前已经广泛应用与各种客货车。同时，在我国标准法规体系方面正在积极推动空气悬架在商用车上的应用，如交通部营运客车类型划分及等级评定J1Y1R3252002标准的规定中，大型客车高一级、高二级、高三级、中型客车高二级、高一级等，这些客车都必装空气悬架。但是空气悬架在我国不少车型中的推广还受到一些客观因素的制约。第一，我国还没能解决空气弹簧的一些关键技术问题，如整个系统的密封性问题、悬架的稳定性问题、高度控制阀的可靠性问题。第二，我国的国民意识不够良好，部分国民素质低下，汽车超载现象比较普遍，造成空气悬架的设计、维护困难不少。第三，我国的高速公路网络还不够发达，低等级公路的比例还相当高。第四，空气悬架控制结构复杂，生产、使用成本高。在这种情况下设计一种具有多级减振弹性特性的螺旋弹簧替代性能优越但装车率低的空气悬架弹簧将具有很好的市场前景。2四级减振刚度螺旋弹簧的设计原理如图1所示，在螺旋弹簧K内腔安装一个刚度小的螺旋弹簧K，这两个弹簧的首、尾通过连接弹簧串联在一起，实现了三种刚度弹簧安装空间的重叠；在弹簧连接件周边设计有于增强弹性变形长型槽。工作原理是1空载压缩时，S0、JS20，两极弹簧组成串联关系，它的总、，L刚度为K1一1批22在满载_T况中，S10、S0，一级弹簧K不起作用，其总刚度2_L翰IQH卜LD_IIILLIL曼|L嗣务雳一IIIII5二级弹簧连接件S3图1四刚度螺旋弹簧结构不意图3在超载运行中，S。O、S0、S，0，串联连接钩脱钩，两极弹簧形成并联关系，总刚度3，“34在特殊工况下，如振动波形峰值系数很大时，S0、SO、SO，三种减振弹簧共同工作，共同形成并联关系，则总刚度41234由上述计算公式可看出，四级减振刚度的形成其实质是在不同工况的压缩行程中，三种刚度的螺旋弹簧可以产生串联、并联、单独工作等不同的工作状态，从而组合出不同的减振刚度。3四级减振刚度螺旋弹簧与空气弹簧的性台邑比较空气弹簧有比较理想的非线性弹性特性曲线日，如图2所示。根据非线性曲线的特点，把汽车的不同工况分解为四减振区域，并分别把每一个减振区域匹配出不同刚度的线性弹性刚度，相当于用一次曲线去逼近空气弹簧的多次刚度曲线，这样就能得到吸振能力非常接近空气弹簧的弹性特性。图2四刚度弹簧与空气弹簧弹性特L生图1空气弹簧的弹性特陛线2钢板弹簧弹性特性线3四刚度弹簧弹性特陛线4实用车型四级减振刚度螺旋弹簧减振特性以BJ1041货车为匹配目标，其空载总质量为2074KG，满载总质量为4074KG，则其1，4模型的空载质量M5185KG，满载MZ10185KG，超载2000KG时M15185KG。41匹配四级减振刚度假设空载时以舒适性较高的NOLHZ频率设计刚度，则K12盯M2O2X314X1。518820461NEM设满载时以N12HZ频率设计，公式2可得2221RNOM2。57842NERA由公式1可导出以下结果L20461X57842231661NEM。K一K5784220461超载时用公式3计算得3L289503NM42单刚度设计与四刚度的振动频率单刚度时，需要满足超载工况的刚度设计，减振弹簧K89503NCM，而空载时减振刚度不变，其频率为V85989L85_2092HZ四级刚度设计空载时、警100OHZ计算结果表明空载时，单刚度振动频率超过了舒适性设计要求，而多级减振刚度悬架能很好满足人体所习惯的垂直振动频率范围116HZ的要求。四级刚度悬架超载时NO1JAN2012机械设计与制造53鲁、22SNZ即超载比满载的固有频率增加不到2，这是因为该结构能根据载荷的变化自行调整悬架刚度的结果。43单刚度设计与四刚度的静挠度特性由于静挠度的大小决定了底架撞击车桥的概率大小，从而对汽车的舒适性产生了很大的影响。所以我们需要增加悬架的静挠度，以减小汽车产生撞击的概率。431单刚度设计的静挠度悬架的静挠度取决于黄上质量和减振刚度，则空载时的静挠度为满超载时的静挠度为F旦盟Q墨JSAK89503超载时的静挠度为569EM1116CM1664EM432四刚度设计的静挠度空载时的静挠度为鑫2487CM满载时的静挠度为盟K57842L727EM墨塑2880A257842248717278803334EM超载时的静挠度为，一RL一墨墨墨JSC1一K一895031664CM3334166411173881EM从以上计算可看出空载时，四级减振刚度汽车的静挠度是单刚度的43倍。44单刚度设计与四刚度设计的振动阻尼之比在上述刚度设计的参数中，增加50载荷工况。此时总重量为3074KG，则其1，4模型载荷质量7685KG。以四刚度满载阻尼比为025选定减振阻尼器，即C2、2025而3838NSCM设该阻尼器不变，用此阻尼计算其它工况的减振阻尼，如表1所示。从表1可知设计四级减振刚度悬架有两大优点。第一，选定阻尼器后，单刚度减振器阻尼比随载荷减少而缓慢增加，但此时振动频率迅速增加，严重影响汽车行驶舒适性；采用四刚度减振器时，随着载荷的减小阻尼比增加较快，振动频率则进一步降低，有利于提高汽车行驶舒适性。第二，四刚度减振器的这种阻尼比特生有利于选装单向作用式减振阻尼器，它仅在伸张行程衰减振动，在压缩行程不产生阻尼力，即汽车在车轮滚上凸起和滚出凹坑时，悬架只产生弹簧缓冲力而避免阻尼力，这样悬架传至车身的冲击力近乎减小了一半，使得车身的冲击载荷大为减小。表1不同减振刚度对阻尼比的影晌45四刚度悬架对大振幅激励振动的抑制作用在满载工况下，如振幅小于时，则是弹簧参与工作，此时鲁、2当振幅大于5时，将使弹簧伸长至。参与工作，此时、鲁去、07LHZ压缩行程变化过程中产生了交变固有频率，从而可以有效避免共振发生。5结束语通过实际车型的参数匹配计算表明，把该技术应用于汽车悬架系统，相对于单刚度弹簧可获得以下好处1降低了汽车部份载荷工况的固有频率；提高了汽车的乘座舒适性和行驶稳定性。2增大了汽车悬架的静挠度；减小了汽车底架撞击车桥的概率，提高了汽车的可靠性，延长了汽车的使用寿面。3增大了汽车阻尼比，增强了同等阻尼器的减振效果；有利于选装单向作用式减振器，减小汽车振动冲击力。4拓宽了螺旋弹簧的减振频域范围；增强了螺旋弹簧的减振效果。5在大振幅的激励输入时，可产生交变固有频率；降低大振幅振动的效果显著，避免了共振的发生。6结构紧凑、占用空间尺寸小。7螺旋弹簧是固老而可靠的产品，它在满足零部件质量小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。该技术的成功开发，可获得与空气悬架相当的减振效果，其生产成本仅空气悬架的五分之一，具有良好的市场前景。参考文献1尹万键汽车空气弹簧悬架系统的非线性动力学行为研究D北京北京交通大学出版社，20072秦东晨，吴磊，顾朝