抢险救援消防车悬架系统设计 ——毕业论文

滨州学院本科毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目抢险救援消防车悬架系统设计 系 （院） 机电工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级 级机械本 班学生姓名学 号 指导教师职 称 讲 师 年 月 日滨州学院本科毕业设计（论文）抢险救援消防车悬架系统设计 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(或车身)之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架(或车身)的冲击载荷，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性。设计的主要内容有：（1）阐述了前后悬架的特点，确定了前悬架为双横臂独立悬架，后悬架为钢板弹簧非独立悬架的设计方案，确定悬架的结构形式及主要参数；（2）对前后悬架的弹簧进行设计计算，对主要零部件进行相应的校核；（3）对悬架的导向机构的设计，完成悬架导向机构的设计方案，确定了悬架导向机构的布置参数，完成了前悬架上下横臂在纵向平面和横向平面上的布置方案，确定上下横臂的长度；（4）通过ANSYS软件对钢板弹簧进行有限元分析。关键词：双横臂独立悬架，钢板弹簧，非独立悬架，有限元分析iiDesign of Suspension System for Fire Fighting and Rescue VehicleAbctractModern automobile suspension is one of the important assembly on the frame, it (or body) and axle (or wheel) elastic ground joined up.Its main task is to transfer function and frame (or in the wheels of the body) all force and torque between; Ease road to frame (or body), ensure the impact load of car ride comfort and sex; Ensure the wheels and the load changes in pavement uneven has ideal motion characteristics.The main content of this design:(1)Expounds the characteristics of before and after suspension,Sure the front suspension for double wishbone suspension for steel plate after suspension spring to the independent suspension design scheme,sure suspension structure form and main parameters(2)Before the spring of suspension design calculation of main components,make corresponding road-line;suspension damper before and after the match,the main parameters of shock absorber is calculated and related dynamicrigidity.(3)The steering mechanism for suspension,complete suspension of design,the design of steering mechanism of suspension steering mechanism to determine the layout parameters,completed the front suspension fluctuation wishbone in the longitudinal plane and transverse plane arrangement plan,determine the length of the arm up and down.Key words:double wishbone suspension,leaf spring to the independent suspension,steering mechanism decorate parameters,shockabsorber，fluctuation wishboneiii 目 录第一章 绪论11.1 研究的背景及意义11.2 国内外研究现状11.2.1国外现状11.2.2国内现状11.3 研究的内容与方法21.3.1 研究的内容21.3.2 研究方法2第二章 悬架结构的设计及主要参数的确定32.1悬架的概论32.2独立悬架和非独立悬架的特点32.3前后悬架方案的选择42.4悬架主要参数的确定52.4.1前后悬架的静挠度52.4.2前后悬架的动挠度62.4.3前后悬架的弹性特性62.4.4前后悬架的侧倾刚度及其在前后悬架的分配62.5本章小结7第三章 前后悬架弹性元件设计83.1前悬架弹性元件设计83.1.1前悬架螺旋弹簧的计算83.1.2前悬架螺旋弹簧的校核113.2后悬架弹性元件的设计123.2.1后悬架钢板弹簧的计算123.2.2后悬架钢板弹簧的校核193.3本章小结23第四章 悬架导向机构的设计244.1导向机构的设计要求244.2导向机构的布置参数244.3导向机构的设计264.3.1纵向平面内上、下横臂的布置方案264.3.2 水平面内上、下横臂的布置方案264.3.3上、下横臂长度的确定274.4本章小结28第五章 钢板弹簧有限元分析295.1钢板弹簧有限元分析29第六章 结论32参考文献33谢 辞34II第一章 绪论1.1 研究的背景及意义随着经济社会的飞速发展及道路交通形势的变化，城市社区建设发展，乡镇社区的扩大和新城镇的建设，集市密集，道路拥挤，各种突发情况也频繁出现。 此时,抢险应急作用就凸现出来。这就需要一种机动性良好，作业性能可靠，技术先进，质量稳定的抢险救援消防车。本文详细探讨了抢险救援消防车的功能配备思路，结合目前抢险救援装备的发展及救援实战要求，对救援消防车的悬架系统设计，救援消防车轮式通过性分析，为抢险救援消防车的功能配备提出了相应的方案。1.2 国内外研究现状1.2.1国外现状在国外，汽车悬架运动学的研究起步较早，几乎是随着独立悬架的诞生就开始了，而汽车悬架弹性运动学的研究是在上世纪80年代兴起的。德耶尔森.赖姆帕尔著的汽车底盘基础对车轮定位参数做了准确的定义，着重分析了车桥运动学和弹性运动学时轴距、轮距、侧倾轴线和前轮定位参数的变化对悬架性能的影响以及对整车操纵稳定性的影响。阿达姆措莫托著的汽车行驶性能和安培正人著的汽车的运动与操纵介绍了悬架运动学对汽车行驶性能的影响，并对悬架弹性运动学对汽车操纵稳定性的影响进行了较为系统的分析。德国Wolfgang Matschinsky编写的车辆悬架从悬架的理论建模、橡胶支撑的模型出发对悬架弹性运动学特性的理论分析作了较为深入的研究。在悬架运动学分析中，将悬架简化成多连杆机构，用图解法来分析轮胎的跳动所引起的悬架变形；在悬架弹性运动学分析中，则对悬架模型作了受力分析，推导出变形与力的关系，并将橡胶衬套铰接的处理简化成三根两两垂直的弹簧。1.2.2国内现状在国内，近几十年来才逐步开展对汽车悬架运动学的研究。中国工程院院士郭孔辉所著汽车操纵稳定性对悬架运动学作了最为系统的分析，并且在国内首次提出了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学。吉林大学的林逸教授等人在90年代也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元件的基本性能，着重分析了独立悬架中橡胶元件对汽车操纵稳定性的和平顺性的影响，并提出了处理弹性运动学问题的一般思路和方法。吉林大学工学博士杨树凯发表博士论文橡胶衬套对悬架弹性运动与整车转向特性影响的研究，重点分析了影响悬架弹性运动的因素及本质原因(橡胶衬套变形)。在分析悬架橡胶衬套工况特点和传统衬套模型不足的基础上，基于有限元与模态综合理论建立了面向结构的橡胶衬套柔性体模型，并进行了试验研究，适合当今社会快速发展的趋势。1.3 研究的内容与方法1.3.1 研究的内容抢险救援消防车在我国应用较广，随着城市社区建设发展，乡镇社区的扩大和新城镇的建设，集市密集，道路拥挤，抢险救援消防车在我国应用越来越广。这就需要一种机动性良好，作业性能可靠，技术先进，质量稳定的救援消防车。其中悬架是整车的的重要部分，本文结合目前抢险救援装备的发展及救援实战要求，对救援消防车的悬架系统设计，为整车的悬架系统的总体设计提出了相应的方案。本文主要研究内容包括：1.救援消防车的悬架系统设计，根据救援消防车工作环境，设计其前后悬架的选择方案。2.按照救援消防车作业环境的要求，确定悬架中弹性件的刚度。根据车辆行驶的路面情况，确定悬架的挠度。通过实际的参数进行三维建模，并根据抢险救援消防车的工作环境进行有限元分析。1.3.2 研究方法本文的主要研究方法如下： （1）通过查阅图书馆文献资料，网上搜集有关抢险救援消防车的论文、期刊、文献等资料。学习并掌握CAD工程制图和三维建模软件的相关知识，运用SolidWorks软件对抢险救援消防车进行三维建模。 （2）通过实际的参数进行三维建模，并根据抢险救援消防车的工作环境进行有限元分析。2第二章 悬架结构的设计及主要参数的确定2.1悬架的概论随着经济社会的发展，汽车的发展也越来越快，而悬架是汽车的重要组成部分，悬架的好与坏决定着汽车使用寿命。由于工作环境的差异，不同车辆对悬架系统的布局要求也不同。如抢险救援消防车的工作环境恶劣，要求悬架能够承受较大载荷，能够保证抢险救援消防车在不同的路面行驶的行驶平顺性。 抢险救援消防车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲、减振和力的传递作用。弹性元件只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击。减振器是为了加速衰减车身的振动。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件，用来传递纵向力，侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。2.2独立悬架和非独立悬架的特点悬架主要分为两大类，一类是独立悬架，另一类是非独立悬架。独立悬架的特点是：（1）左右车轮和车架分别独立的连接，某侧车轮受到地面的影响时，另一侧的车轮也不会受到影响。（2）车桥不相连，发动机的安装位置底，整车的重心降低，车辆行驶稳定。（3）车辆在不平路面行驶时，两侧车轮跳动的空间大，且互不影响，整车的稳定性得到保证且转向方便。非独立悬架的特点是：（1）是两侧车轮由一根刚性整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架的下面。（2）左右车轮相互制约，汽车在不平路面行驶，受到路面的冲击时，其平顺性差。（3）承受的工作载荷大，制造方便且结构简单。 双横臂独立悬架的特点是在汽车的每一侧均有两根横臂，横臂外端通过球铰与转向节轴连接。不等臂双横臂上臂比下臂短。当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性，如图2-1是双横臂独立悬架三维建模图。34图2-1 双横臂式独立悬架三维建模钢板弹簧式悬架的结构特点：（1）两侧车轮由一根刚性整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架的下面。（2）左右车轮相互制约，汽车在不平路面行驶，受到路面的冲击时，其平顺性差。（3）承受的工作载荷大，制造方便且结构简单。其三维建模如图2-2所示。图2-2 钢板弹簧式非独立悬架三维建模图2.3前后悬架方案的选择 本设计参考车型为抢险救援消防车的技术参数，参数如下： 表2-1 抢险救援消防车参数 名称 参数 长*宽*高 （mm） 5500*1800*2100 整车质量（kg） 4700空载前桥轴荷（kg） 2320空载后桥轴荷（kg） 2380 车轮外倾角() 1前轮距(mm) 1575轴距(mm) 3300满载质量(kg) 7800满载前桥轴荷(kg) 2380 满载后拼轴荷(kg) 5420主销内倾() 8后轮距(mm) 1575最高车速(kmh) 50满载质心高(mm) 1000 由于路面环境恶劣，为了提高消防员的舒适性，前悬架采用上下不等长的双横臂独立悬架，如图2-1所示。后悬架的轴载荷比较大，采用钢板弹簧式非独立悬架，如图2-2所示。2.4悬架主要参数的确定2.4.1前后悬架的静挠度悬架静挠度是指满载静止时悬架上的载荷与悬架刚度k之比，即。抢险救援消防车的固有频率是抢险救援消防车保持平顺性的重要参数之一，其固有频率是指前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。抢险救援消防车车的质量分配系数近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。抢险救援消防车前、后部分车身的固有频率n1和n2可用下式表示： =；= (2-1) 抢险救援消防车满载时，前悬架固有频率要求在1.502.10Hz，而后悬架则要求在1.702.17Hz。选定偏频以后便可以计算悬架的静挠度，且希望前、后悬架的静挠度接近的同时，后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小一些，从而有利于防止车身产生较大的纵向角振动。考虑到该特种车前、后轴荷的差别和消防员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值，推荐=(0.60.8)。根据整车总体设计要求，取前、后悬固有频率=l.80Hz，=2.10Hz。将固有频率代入上述公式，即可算得该车前悬静挠度=8.16cm，取静挠度值为8.2cm；后悬静挠度=6.25cm，取静挠度值为6.3cm。2.4.2前后悬架的动挠度悬架的动挠度是指从满载静止平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形时，车轮中心相对车架的垂直位移。要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在恶劣路面上行驶时经常碰撞缓冲块，对抢险救援消防车取69cm。本设计取8.0cm。2.4.3前后悬架的弹性特性悬架受到的垂直外力F与由此引起的车轮中心相对于车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线，称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。本文所选螺旋弹簧为线性螺旋簧，在动挠度行程内，其弹簧刚度为线性。2.4.4前后悬架的侧倾刚度及其在前后悬架的分配悬架侧倾角刚度是指簧上质量产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。侧倾角过大或过小都不好。一般要求，当汽车弯道行驶时，在0.4g的侧向加速度作用下，抢险救援消防车车身侧倾角不超过67。由于抢险救援消防车的操纵稳定性受车轮的侧偏角影响，抢险救援消防车在弯曲路面行驶时，前后车轮的侧偏角差别很大，且前悬架侧偏角大于后悬架侧偏角。因此要合理分配好前后悬架的侧倾角刚度，即前悬架倾角刚度稍大于后悬架倾角刚度。根据抢险救援消防车总体布置要求，后悬架受力较大，前悬架受力小，造成前后悬架侧倾刚度失配。但是，侧倾刚度又受弹性元件，弹簧距，导向机构参数的制约。因此设计符合要求的弹性元件，导向结构件参数，有助于调节前后悬架侧倾角刚度的差异。为了能合理搭配前后侧倾角刚度，本文所研究的特种车后悬导向结构采用独特的交叉纵臂结构，当车身倾斜时，不提供附加侧倾刚度；前悬导向结构采用两个具有合适角度的斜置纵臂，当车身倾斜时，提供较大的附加侧倾刚度，实现前、后轴悬架侧倾角刚度的合理分配。2.5本章小结本章节通过对悬架的特点进行介绍，根据抢险救援消防车的作业环境特点，确定了抢险救援消防车悬架系统的选择方案，根据抢险救援消防车前后载荷的差异，确定了抢险救援消防车悬架系统的整体部署设计，并且通过设计提供的参数，计算出抢险救援消防车悬架系统的动挠度和静挠度，对前后悬架的侧倾角刚度分配进行了分析。第三章 前后悬架弹性元件设计3.1前悬架弹性元件设计 弹性元件作为悬架的重要组成部分，对悬架的各项性能影响很大。为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适范围，并尽可能低。3.1.1前悬架螺旋弹簧的计算由第2.4.1可知：前悬静挠度=82mm，前桥轴空载质量2320kg，前桥满载质量2380kg，前轮距1575mm。选择弹簧的类型为冷卷压缩弹簧，材料为60Si2MnA钢材，初始参数如下表3-1表3-1 螺旋弹簧参数直径d（mm） 旋绕比c 弹簧中径D（mm） 工作行程h（mm） 25 6 150 2 1.螺旋弹簧刚度 = （3-1） 式中： 弹簧最大工作载荷； 弹簧最小工作载荷。= 2.螺旋弹簧的工作圈数 = （3-2） 式中： 弹簧中径，mm； d 弹簧钢丝直径，mm； 弹簧工作圈数； 弹簧材料的剪切弹性模量，取8.3Mpa。 = =8.16取 3.弹簧的总圈数 查机械设计手册 =i+2=8+2=10 4.弹簧在最小工作载荷下的变形量 = （3-3） = 5.弹簧最大工作载荷下的变形量 （3-4） 6.弹簧极限载荷下的变形量 （3-5） 式中： 极限工作载荷 取 。 7.弹簧的并紧高度 8.弹簧的自由高度 （3-6） 式中： 弹簧压并时的变形量，根据弹簧的工作区应在全变形的20%80%。取 根据机械设计手册查得 = 9.弹簧的节距 10.弹簧的螺旋角 =arctan （3-7） =arctan=25.72 11.弹簧的曲度系数 = （3-8） = 12.弹簧的最小切应力 （3-9） = = 13.弹簧的最大切应力 = （3-10） = 14.弹簧的许用应力查机械设计手册得 3.1.2前悬架螺旋弹簧的校核圆柱螺旋弹簧按所受载荷分三类，本设计选第二类，载荷作用次数在次范围内。 1.螺旋弹簧的稳定性验算高径比b较大的压缩弹簧，当轴向载荷达到一定值时就会产生侧向弯曲而失去稳定性。为了保证使用稳定，高径比应满足要求。本设计为弹簧两端回转，应满足b2.6。 b=S 符合设计要求3.2后悬架弹性元件的设计 后悬架参数：满载后桥载质量为5420kg，簧下载重为542026%=1409.2kg，单个弹簧载荷=（5420-1409.2）9.80.5=19625.92N，轴距为3300mm，后悬架的静挠度=63mm，动挠度=80mm。选钢板弹簧材料60Si2MnA ；查机械设计手册可知，；弹簧的弯曲应力为441490；满载弧高取=15mm；钢板弹簧长度取L=0.4轴距，L=0.43300=1320mm；U型螺栓中心距取S=10.8cm。3.2.1后悬架钢板弹簧的计算1.刚板弹簧的总惯性矩 （3-12）式中：S U型螺栓中心距，mm； k U型螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（刚性夹紧取k=0.5；挠性夹紧取k=0）； c 钢板弹簧的垂直刚度，； = 挠度增大系数，查机械设计手册取1.35； E 材料的弹性模量，E=0.2058MPa。 = 2.弹簧片厚度，宽度和数目的计算 本设计取弹簧片数n=8，而且8片弹簧片的厚度相同。 主弹簧片厚度h； （3-13）式中： 主片长度； 许用弯曲应力，取450Mpa。 取 h=13mm 弹簧片的宽度b 612 取 =10 3.弹簧片长度计算如表3-3表3-3叶片长度计算片号 片厚 1+ 下一排的（1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） 1 13 0.91 2 13 0.91 0.5 2 0.333 0.8113 13 0.91 0.5 2 0.311 0.7824 13 0.91 0.5 2 0.282 0.7435 13 0.91 0.5 2 0.244 0.6866 13 0.91 0.5 2 0.190 0.5967 13 0.91 0.5 2 0.107 0.4328 13 0.91 0.5 2 续表3-3- 3 实际长度之半（8） （9） （10） （11） （12） （13） （14） 660 660 6601.189 2.378 1.126 1.428 582.2 587.6 6601.218 2.436 1.145 1.502 508.5 513.9 5501.257 2.515 1.172 1.608 433.9 439.3 4831.314 2.629 1.210 1.770 358.6 365.0 4201.404 2.808 1.269 2.048 282.6 288.0 3521.568 3.136 1.379 2.628 204.9 210.3 3152 4 1.667 4.632 122.9 128.3 170 注：（1）如片端经压延时，第（5）项方括号内数值要计入（此外方括号内数值没计入）。 （2）=有效长度（即减去U型螺栓中心距后的板簧长度）； 理论长度（即根据计算所得的板簧长度）； 实际长度（即根据计算所得的理论长度，再考虑结构要求最后确定长度）； S = 10.8cm （U型螺栓中心距）； 叶片末端形状系数。 4.钢板弹簧的刚度计算 （3-14）式中： 修正系数，取。 见表3-4 表3-4的计算片号 1 66 0.91 1.0992 66 1.82 0.549 0.55 3 55 11 2.73 0.366 0.183 1331 243.64 48.3 17.7 3.64 0.275 0.091 5545.2 504.65 42 24 4.55 0.220 0.055 13824 760.326 35.2 30.8 5.64 0.183 0.037 29281.112 1081.17 31.5 34.5 6.37 0.157 0.026 41063.625 1067.78 17 49 7.28 0.137 0.020 117649 2352.98 66 0.137 287496 39387 65.56 0.137 281784 38604 弹簧的检验刚度 = =2285N/cm 装配刚度 2325N/cm 5.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径 自由状态下弧高H H=+ （3-15）式中： 一般取=（0.050.06），取=0.05（手工制造的板簧取=0.07）； 一般为12cm，取1.2； 钢板弹簧在预压缩时的挠度，cm。 = （3-16） 钢板弹簧最厚片厚度，cm； A 材料系数，对于铬钢与硅钢，A=800； L 钢板弹簧伸直长度。 =16.75 H=+=1.2+16.75+0.0516.75 H=18.79cm 自由状态下钢板弹簧的曲率半径 6.弹簧片在自由状态下的曲率半径及弧高的计算 钢板弹簧的所有弹簧片通常冲压成不同的曲率半径。组装时，用中心螺栓或簧箍将弹簧片夹紧在一起，致使所有弹簧片的曲率半径均发生变化。由于组装夹紧时各弹簧片曲率半径的变化，使各弹簧片在未受外载荷作用之前就产生了预应力。弹簧片为矩形截面，则 （3-17）式中： 第k片弹簧片在组装后的曲率半径； 第k片弹簧片在自由状态下的曲率半径。当各弹簧片的预应力值给定后，便可以求出弹簧片在自由状态下的曲率半径。在预定预应力时，应使主板的预应力为负值，而使短板的预应力值为正值，其他弹簧片取中间值。根据资料指出，对于等厚度弹簧片的板弹簧，设计时一般取第一二主弹簧片的预应力为-（）MPa，最后几片预应力值为+（）MPa。对于不等厚弹簧片的板弹簧，为了保证各叶片有相近的使用寿命，组装预应力的选择应按疲劳曲线确定。在确定预应力时，对于矩形弹簧片还应满足下述条件 （3-18）在满足上式的情况下，试行分配确定各叶片中的预应力，然后按下式求出各叶片在自由状态下的曲率半径及弧高： 曲率半径 （3-19） 弧高 = （3-20） 预应力分配见表3-5表3-5 预应力分配表序号 预应力/Mpa 弹簧片厚/mm 1 -90 13 -152102 -65 13 -109853 -45 13 -76054 -15 13 -25355 10 13 16906 40 13 67607 65 13 109858 90 13 15210 =-15210-10985-7605-2535+1690+6760+10985+15210=-1690 按规定 相对误差 =4.8%5% 在允许范围内。 弹簧片1： 曲率半径 =527cm 弧高 弹簧片2： 曲率半径 =265.47cm 弧高 弹簧片3： 曲率半径 =190.05cm 弧高 弹簧片4： 曲率半径 =133.25cm 弧高 弹簧片5： 曲率半径 =106.68cm 弧高 弹簧片6： 曲率半径 =86.09cm 弧高 弹簧片7： 曲率半径 =74.16cm 弧高 弹簧片8： 曲率半径 =65.13cm 弧高 6.装配后弹簧总成弧高的计算，见表3-63.2.2后悬架钢板弹簧的校核1.满载负荷的实际应力 （3-21）式中： 弹簧片预应力，； 由引起的弹簧片应力，。 = （3-22） 式中： 主片的端面模数，=0.15b=3.396； 分配到各叶片上的弯矩，。 = （3-23）式中： 满载静负荷的最大弯矩，； （3-24）表3-6后弹簧总成弧高的计算片号/10.910.91664356287496527.074.134.1320.911.82664356287496265.478.204.1330.912.73553025166375190.057.964.2840.913.6448.32332.89112678.6133.258.754.2350.914.5542176474088106.688.274.0560.915.4635.51239.0443614.286.097.203.4370.916.3731.5922.2531255.974.166.693.2680.917.2817289491365.132.221.10续表3-6/cm/cm/cm/cm01014.13527.074.070.52.03516.615353.283.680.331.211.37.738275.504.520.251.131.559.49217.624.220.20.841.8611.05180.373.770.170.642.3112.53152.223.430