机械课程设计（论文）-汽车悬架结构设计.doc

沈阳理工大学课程设计专用纸目 录1. 绪论12 .汽车悬架结构设计43汽车悬架参数计算124弹簧应力计算135 .设计总结156 .参考文献161 绪论十六世纪的四轮载人和载货马车为解决颠簸问题，将车厢用皮带吊在底盘的四根柱子上，就像翻过来的桌子一样。因为车厢是挂在底盘上的，所以人们渐渐将其称为“悬架”，并沿用至今，以描述整个一类的解决方案。车厢吊起式的悬架还不是一个真正的弹簧系统，但它确实使车厢与车轮的运动分离开来。随着人类社会的迅速发展，汽车已成为人们日常生活中不可或缺的部分。人们对汽车性能的要求也越来越高，同时行业竞争亦日趋激烈，汽车生产商在提高性能的同时缩短开发周期，节约成本才能在竞争中立于不败之地。人们在考虑汽车的性能时，通常会关注马力，扭矩和加速时间等参数。但是如果驾驶员无法操控汽车，那么发动机所产生的所有动力都将毫无用处。有鉴于此，汽车工程师在掌握了发动机后，立即就把注意力转向了悬架系统。汽车是日常生活中被广泛应用的交通工具，其本身可以被看做是一个具有质量，弹性和阻尼的振动系统。汽车产生的振动会导致车身与车架之间的连接部件的振动和噪声，严重的时候甚至损坏汽车的零部件，大大缩短汽车的使用寿命，另外也可导致乘客晕车，影响了乘客的身心健康，那些长期处在这种振动环境下的驾驶员等往往会患上腰椎劳损，胃下垂等职业病。汽车悬架是汽车地盘的一部分，是保证车轮或车桥与汽车承载系统(车架或承载式车身)之间具有弹性联系，并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。用于支撑重量，吸收和消除振动以及帮助维持轮胎接触。汽车悬架的工作是最大限度的增加轮胎与路面之间的摩擦力，提供能够良好操纵的转向稳定性，以及确保乘客的舒适度。悬架的作用最主要的是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。悬架弹性的连接车桥和车架，缓和行驶中车辆受到的冲击力，保证货物完好和人员舒适，衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性，同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架上，以保证汽车行驶平顺性，并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的局向作用。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性，操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。 图1 悬架总成车辆的运动工况也是多种多样的，在实际行驶受力情况均有变化。如果路面非常平坦，没有坑坑洼洼，就不需要悬架。但道路往往并不平坦。即使是新铺的高速公路，其路面也会有些凹凸不平而对汽车车轮造成影响。就是这样的路面将力作用在车轮上。根据牛顿运动定律，力都具有大小和方向，路上的颠簸会使车轮垂直于路面上下运动。如果没有一个居间结构，所有车轮的垂直能量将直接传递给在相同方向上运动的车架。在这种情况下，车轮会完全丧失与路面的接触，然后在向下的重力作用下再次撞回路面，因此需要一个能够吸收垂直加速车轮的能量，使车轮顺着路面上下颠簸的同时车架和车身不受干扰的系统。汽车悬架都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。根据导向机构的特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接。独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥。汽车包含惯性，弹性，阻尼等动力学特征的复杂非线性系统，其特点是运动部件多，受力复杂。由于组成汽车的各子系统（如转向，悬架，传动机构）之间的互相耦合作用，使汽车的动态特性非常复杂。特别是汽车的前悬架与转向系统，是多杆式机构。汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性。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。设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求：A、通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩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；B、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要求；C、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，否则可能引起转向轮摆振；D、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“点头”和“后仰”)；E、悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小；F、便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间；G、所有零部件应具有足够的强度和使用寿命；H、制造成本低；I、便于维修、保养。2 汽车悬架结构设计2.1 悬架的功能和结构悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力(支承力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架(或承载式车身)上，以保证汽车的正常行驶。现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。1. 弹性原件由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，因此，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，尤其在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将很大。为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的元气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架(或车身)与车桥(或车轮)之间作弹性联接，承受和传递垂直载荷，缓和及抑制不平路面所引起的冲击。其中弹性原件一般有一下几种：1） 钢板弹簧：钢板弹簧一般用于载货汽车，是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，它是由若干片等宽但不等长的合金弹簧片组成的一根近似等强度的弹性梁。当钢板弹簧所承受的垂直载荷为正向时，各弹簧片都受力变形，有向上拱弯的趋势。这时，车桥和车架相互靠近。当车桥与车架互相远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和变形便逐渐减小，有时甚至会反向。 图2 钢板弹簧2）螺旋弹簧：螺旋弹簧作为弹性元件，由于其结构简单，制造方便及具有较高的比能容量，因此在现代轻型以下汽车的悬架中应用相当的普遍，特别是在轿车中，由于要求良好的乘坐舒适性和悬架导向机构在大摆动量下依然具有保持车轮定位角的能力，因此螺旋弹簧悬架早就取代了钢板弹簧。螺旋弹簧在悬架布置中可在弹簧内部安装减振器，行程限位器或导向柱使结构紧凑。通过采用变节距或用变直径弹簧钢丝绕制的或者两者同时采用的弹簧结构，可以实现变刚度特性。螺旋弹簧还具有不需润滑，不怕污垢，重量小，占空间位置少的优点。3）橡胶弹簧：橡胶弹簧形状不受限制，有较大的弹性变形，容易实现非线性要求，减震隔音效果良好。橡胶弹簧还有复合橡胶弹簧，形状受金属螺旋弹簧限制，线性要求高，重量重，但是其承重载荷量大。 图3 橡胶弹簧4）气体弹簧：气体弹簧是将密封的容器中冲入压缩气体，利用气体的可压缩性实现其弹簧作用。气体弹簧包括空气弹簧和油气弹簧。它不但具有良好的缓冲能力，还具有减震作用，同时还可以调节车架的高度，适用于重型车辆和大客车使用。5）扭矩弹簧：扭矩弹簧即一端固定而另一端与工作部件连接的杆形弹簧，主要作用是靠扭矩弹力来吸收振动能量。汽车车架与车轮用扭矩弹簧，其一端固定在车架上而另一端与车轮连接，车轮上下跳动时扭杆产生扭转变形，靠扭转弹力来吸收振动能量。扭杆弹簧用作汽车车架与车轮之减振部件，构造简单而结构小巧，适合小型车使用。2.导向机构车轮相对于车架和车身跳动时，车轮(特别是转向轮)的运动轨迹应符合一定的要求。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。3. 减振器弹性系统在受到冲击后，将产生振动，故悬架还具有减振作用,使振动迅速衰减(振幅迅速减小)。为此,在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减振器。减振器用来衰减由于弹性系统引起的振，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。1-活塞杆 2-工作缸筒 3-活塞 4-伸张阀 5-储油缸筒 6-压缩阀 7-补偿阀 8-流通阀 9-导向座-10-防尘罩 11-油封图4 减振器2.2 悬架振动频率由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量所决定的车身固有频率，是影响汽车行驶平顺性的悬架重要性能指标之一。人体所习惯的垂直振动频率约为1-1.6Hz。车身固有频率应当尽可能接近这频率范围。根据力学分析，如果将汽车看成个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的固有频率2为n= (2-1)式中，g为重力加速度；f为悬架垂直变形(挠度)；M为悬架簧裁质量；K (KMg/f)为悬架刚度(不定等于弹性元件的刚度)，是指车轮中心相对于车架和车身向上移动的单位距离所需要加于悬架上的垂直载荷。由以上可见：A、在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度越小，则汽车固有频率越低。但悬架刚度越小，在定载荷下悬架垂直变形就越大.B、当悬架刚度定时，簧载质量越大，则悬架垂直变形越大，而固有频率越低。簧载质量变化范围越大，则频率变化范围也越大。为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身固有频率保持不变成变化很小，就需要将悬架刚度做成可变的。载荷增加时，悬架刚度随之增加。2.3悬架类型汽车悬架按控制形式不同分为：被动式悬架和主动式悬架目前多数汽车都采用被动式悬架，如下图所示。20世纪80年代依赖主动悬架开始在一部分汽车上使用，并且目前还在进一步研究和开发中。主动悬架可以能动的控制垂直振动及车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼。1. 弹性元件；2. 纵向推力杆；3. 减振器；4. 横向稳定杆；5. 横向推力杆 图5被动式悬架根据导向机构的不同可分为两大类：非独立悬架和独立悬架非独立悬架。图21a：其结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架(或车身)连接。非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也做相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种形式。图6 独立悬架如图21b：其结构特点是车桥做成断开的，每一侧的车轮可以单独地通过弹性悬架与车架(或车身)连接，故称为独立悬架。独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立的安装在车架（或车身）下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂，承载能力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并以成为一种发展趋势。在独立前悬架系统中，前轮可以独立移动。通用公司在1947年开发的麦弗逊式滑柱是使用最广泛的前悬架系统。如下图 图7麦弗逊式悬架2.4 双横臂独立悬架分析双横臂式独立悬架是汽车悬架的一种常见形式。按其上、下横臂的长短又可分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种。等长双横臂式悬架在其车轮做上、下跳动时，可以保持主销倾角不变，但轮距却有较大的变化，会使轮胎磨损严重，所以很少采用，多为不等长双横臂式悬架所取代。后一种形式的悬架在其车轮上、下跳动时，只要适当地选择上、下横臂的长度并合理布置，即可使轮距及车轮定位参数的变化量限定在允许的范围内。因此，不等长双横臂式独立悬架3能保证汽车有良好的行驶稳定性，已为中、高级轿车的前悬架所广泛采用。图8 双横臂独立悬架结构示意图双横臂悬架如图8示其突出优点在于设计的灵活性,可以通过合理选择空间导向杆系的铰接点的位置及导向臂的长度,使得悬架具有合适的运动特征,并且形成恰当的侧倾中心和纵倾中心。为了隔离振动和噪声并补偿空间导向机构由于上、下横臂摆动轴线相交带来的运动干涉，在各铰接点处一般采用橡胶支承。显然，各点处受力越小，则橡胶支承的变形越小，车轮的导向和定位也越精确。分析表明，为减小铰接点处的作用力，应当尽可能增大、下横臂间的距离，减小下横臂地面的垂向距离和下铰点至车轮接地点之间的横向距离。双横臂悬架可采用螺旋弹簧、空气弹簧、扭转弹簧或钢板弹簧作为弹性元件，最常见的为螺旋弹簧。双横臂悬架一般作为轿车的前、后悬架。当双横臂悬架用作前置前驱动轿车的前悬架时，必须在结构上给摆动半径留出位置。从20世纪80年代后期开始，越来越多的高级轿车后悬架采用双横臂结构。双横臂悬架系统导向机构的优化，可以保证车辆在恶劣的行驶条件下既有良好的行驶平顺性，操作稳定性和通过性，同时使悬架和车轮的运动空间最小，车内空间最大，使轮胎的侧向滑移量最小，使用寿命最大。3汽车悬架参数计算3.1 悬架挠度计算悬架静挠度是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时悬架刚度c之比。汽车前、后悬架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。因为现代汽车的质量分配系数近似等于1，所以汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前、后部分的车身的固有频率和可表示为： （31） （32）式中，、为前、后悬架的刚度；、为前、后悬架的簧上质量。 前、后悬架的静挠度可表示为： =160267mm = 120. 5196.35mm 将、代人式(31)得到=0.891.13hz （3- 3) = 1.011.39hz （34）由此可知：悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频。在选取静挠度值时，应使之接近，并希望后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小，这是为了防止车身产生较大的纵向角振动。对普通级以下轿车满载的情况，前悬架偏频要求在1.001.45Hz，后悬架则要求在1.171.58Hz。高级轿车满载的时候，前悬架偏频要求在0.801.15Hz，后悬架则要求在0.981.30Hz。选定偏频以后，利用式(32)即可计算出悬架的静挠度。3.2 悬架动挠度选择 悬架的动挠度指从满载时的静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。悬架必须有足够大的动挠度，才能防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对轿车，动挠度一般取79cm；对大客车，动挠度一般取58cm；对货车，动挠度一般取69cm,本设计的动挠度选取69cm。4弹簧应力计算4.1弹簧应力螺旋弹簧在轴向载荷作用下变形表示为： （3-5）式中：弹簧中径，160mmD：弹簧钢丝直径，14mmI：弹簧工作圈数, 5；G：弹簧材料的剪切弹性，取90000。弹簧压缩时是靠材料的剪切变形吸收能量，弹簧钢丝表面的剪应力为 （3-6）式中C：弹簧指数，C=； ：曲度系数，簧圈曲率对强度影响的系数，。螺旋弹簧钢丝表面的剪应力则相对复杂。在静载状态下，这种截面内的不均匀可以忽略不计，但在承受动载时，弹簧内侧应力水平较高并且应力变化幅值也更大，导致螺旋弹簧的失效总是发生在内侧。为了在设计时考虑内侧应力的增大，引如修正系数。弹簧钢的许用剪应力与许用拉应力成比例关系，可以取=0.63。4.2 弹簧端部螺旋弹簧端部有多种处理方式，