悬架设计学习教案

1、会计学1悬架设计悬架设计(shj)第一页，共63页。弹簧减振器横向稳定器纵向导向杆 横向导向杆 前桥第1页/共63页第二页，共63页。6-1 悬架结构(jigu)形式分析 一、非独立(dl)悬架和独立(dl)悬架 悬架 非独立(dl)悬架独立(dl)悬架两类 左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接 左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接 第2页/共63页第三页，共63页。1 非独立(dl)悬架 优点(yudin) 纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向(do xin)装置 结构简单制造容易维修方便工作可靠 缺点 汽车平顺性较差高速行驶时操稳性差轿车不利于发动机、行李舱的布置应

2、用 ：货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架第3页/共63页第四页，共63页。2 独立(dl)悬架 优点(yudin) 簧下质量小；悬架占用的空间小；可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺性；有可能降低发动机位置高度，使整车质心高度下降，改善了汽车行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响(yngxing)，可减少车身的倾斜和 振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。 缺点 结构复杂成本较高维修困难应用 ：轿车和部分轻型货车、客车及越野车 第4页/共63页第五页，共63页。二、独立悬架结构(jigu)形式分析 分类(fn li)双横臂式单横臂式双纵臂式单纵臂式单斜臂式麦弗逊式和

3、扭转(nizhun)梁随动臂式第5页/共63页第六页，共63页。1 评价(pngji)指标： 1）侧倾中心(zhngxn)高度 侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化(binhu)大，加速轮胎的磨损。2）车轮定位参数的变化 若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。第6页/共63页第七页，共63页。5）悬架占用(zhn yn)的空间尺寸 占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度； 占用高度空间(k

4、ngjin)小的悬架，则允许行李箱宽敞，而且底部平整，布置油箱容易。 3）悬架侧倾角(qngjio)刚度 车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。4）横向刚度 悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。第7页/共63页第八页，共63页。独立悬架独立悬架双横臂式双横臂式单横臂式单横臂式单纵臂式单纵臂式单斜臂式单斜臂式麦弗逊式麦弗逊式扭转梁随动臂式扭转梁随动臂式侧倾中心高侧倾中心高比较低比较低比较高比较高比较低比较低居单横臂和居单横臂和单纵臂之间单纵臂之间比较高比较高比较低比较低车轮定位车轮定位参数的变化参

5、数的变化车轮外倾角车轮外倾角与主销内倾与主销内倾角均有变化角均有变化车轮外倾角车轮外倾角与主销内倾与主销内倾角变化大角变化大主销后倾角主销后倾角变化大变化大有变化有变化变化小变化小左、右轮同时跳左、右轮同时跳动时不变动时不变轮距轮距变化小，轮变化小，轮胎磨损速度胎磨损速度慢慢变化大，轮变化大，轮胎磨损速度胎磨损速度快快不变不变变化不大变化不大变化很小变化很小不变不变悬架侧倾角悬架侧倾角刚度刚度较小，需用较小，需用横向稳定器横向稳定器较大，可不较大，可不装横向稳定装横向稳定器器较小，需用较小，需用横向稳定器横向稳定器居单横臂式居单横臂式和单纵臂式和单纵臂式之间之间较大，可不装横向稳定器较大，可不

6、装横向稳定器横向刚度横向刚度横向刚度大横向刚度大横向刚度小横向刚度小 横向刚度较小横向刚度较小横向刚度大横向刚度大占用空间尺寸占用空间尺寸 占用较多占用较多占用较少占用较少几乎不占用高度空间几乎不占用高度空间占用的空间小占用的空间小其它其它结构复杂结构复杂前悬架用前悬架用得较多得较多结构简单、成结构简单、成本低，前悬架本低，前悬架上用得少上用得少结构简单、成本低结构简单、成本低结构简单、结构简单、紧凑，轿车紧凑，轿车上用得较多上用得较多结构简单，用于结构简单，用于发动机前置前轮发动机前置前轮驱动轿车后悬架驱动轿车后悬架第8页/共63页第九页，共63页。采用(ciyng)的方案 前轮和后轮均采用

7、(ciyng)非独立悬架；前轮采用(ciyng)独立悬架，后轮采用(ciyng)非独立悬架；前轮与后轮均采用(ciyng)独立悬架。 第9页/共63页第十页，共63页。 前轮和后轮均采用(ciyng)非独立悬架前、后悬架均采用纵置钢板(gngbn)弹簧非独立悬架的汽车转向行驶时，内侧悬架处于减载而外侧悬架处于加载状态，于是内侧悬架受拉抻，外侧悬架受压缩，结果与悬架固定连接的车轴（桥）的轴线相对汽车纵向中心线偏转一角度。第10页/共63页第十一页，共63页。对前轴，这种偏转使汽车不足(bz)转向趋势增加对后桥，则增加了汽车过多转向趋势 后悬架前部吊耳位置布置得比后边吊耳低，于是悬架的瞬时(shn

8、 sh)运动中心位置降低，与悬架连接的车桥位置处的运动轨迹b所示，即处于外侧悬架与车桥连接处的运动轨迹是oa段，结果后桥轴线的偏离不再使汽车具有过多转向的趋势。 传统橡胶(xingjio)衬套及其产生的轴转向效应 第11页/共63页第十二页，共63页。扭转(nizhun)梁随动臂式悬架用橡胶衬套 第12页/共63页第十三页，共63页。1.横向(hn xin)稳定器通过减小悬架垂直刚度，能降低(jingd)车身振动固有频率n ，以改善汽车平顺性。 / 2snc m四、辅助(fzh)元件不增大悬架垂直刚度c的条件下，增大悬架的侧倾角刚度。 当两侧悬架变形不等而车身相对于路面横向倾斜时，稳定杆两端分

9、别向上、向下运动，发生扭转。第13页/共63页第十四页，共63页。2.缓冲(hunchng)块 橡胶制造，通过硫化(lihu)将橡胶与钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其它部位上，起到限制悬架最大行程的作用 多孔聚氨指制成 ，兼有辅助弹性元件的作用。起泡时就形成致密的耐磨外层，保护内部的发泡部分(b fen)不受损伤。由于在该材料中有封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。 第14页/共63页第十五页，共63页。比较内比较内容容 板簧板簧 螺旋弹螺旋弹簧簧扭杆扭杆弹簧弹簧空气弹空气弹簧簧油气弹油

10、气弹簧簧橡胶弹橡胶弹簧簧多片多片 少片少片 单质量储单质量储能量能量最小最小最小最小较低较低最高最高高高高高较高较高质量质量大大小小轻轻较轻较轻轻轻较轻较轻轻轻非簧载质非簧载质量量大大小于小于多片多片较小较小小小小小较小较小轻轻悬架弹性悬架弹性特性特性线性线性线性线性易获取易获取非线性非线性线性线性非线性非线性非线性非线性非线性非线性结构结构简单简单简单简单复杂复杂复杂复杂复杂复杂复杂复杂复杂复杂第15页/共63页第十六页，共63页。比较内容比较内容 板簧板簧 螺旋螺旋弹簧弹簧扭杆扭杆弹簧弹簧空气弹空气弹簧簧油气弹油气弹簧簧橡胶弹橡胶弹簧簧多片多片 少片少片 维修保养维修保养方便方便方便方便方

11、便方便方便方便困难困难困难困难困难困难寿命寿命短短短短较长较长长长长长长长易老化易老化对制造要求对制造要求不高不高不高不高高高高高密封好密封好密封好密封好车身高度车身高度 可调可调 布置布置容易容易容易容易容易容易容易容易困难困难困难困难第16页/共63页第十七页，共63页。6-2 悬架主要参数的确定(qudng) 一、前后(qinhu)悬架的静挠度、动挠度的选择汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时(c sh)悬架刚度c之比，即fc=Fw/c。 1、概念1)静挠度从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车回（或车身）的垂直

12、位移 2)动挠度第17页/共63页第十八页，共63页。汽车前、后悬架与其(yq)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 因现代汽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 式中，c1、c2为前、后悬架的刚度(n d)（N/cm）； m1、m2为前、后悬架的簧上质量（kg）。2/2/222111mcnmcn汽车前、后部分的车身的固有频率( yu pn l)n1和n2（亦称偏频）可用下式表示2、选择要求及方法第18页/共63页第十九页，共63页。当采用弹性(tnxng)特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可用下式表示fc1=m1g/

13、c1 fc2=m2g/c2 式中， g为重力(zhngl)加速度（g=981cm/s2）。将fc1、fc2代入上式得到(d do)2211/5/5ccfnfn第19页/共63页第二十页，共63页。希望fc1与fc2要接近，但不能相等（防止(fngzh)共振）希望fc1fc2 (从加速性考虑，若fc2大，车身的振动大）n1与n2的匹配(ppi)要合适若汽车以较高车速驶过单个路障，n1/n21时的车身纵向角振动要比n1/n21时小，故推荐取fc2=（0.80.9）fc1。考虑到货车前、后轴荷的差别和驾驶员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度(nod)值大于后悬架的静挠度(nod)值，推荐fc2=（0.6

14、0.8）fc1。为了改善微型轿车后排乘客的乘坐舒适性，有时取后悬架的偏频低于前悬架的偏频。 v要求：v方法：第20页/共63页第二十一页，共63页。 fc要合适(hsh)轿车对平顺性的要求最高，大客车次之，载货车更次之。 普通级以下轿车满载：前悬架偏频要求1.001.45Hz，后悬架要求在1.171.58Hz。原则上轿车的级别(jbi)越高，悬架的偏频越小。高级轿车满载：前悬架偏频要求在0.801.15Hz，后悬架要求在0.981.30Hz。货车满载时，前悬架偏频要求在1.502.10Hz，后悬架要求在1.702.17Hz。选定偏频以后，再利用上式即可计算出悬架的静挠度。 第21页/共63页第

15、二十二页，共63页。二、悬架的弹性(tnxng)特征悬架受到垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于在车身位移(wiy)f（即悬架的变形）的关系曲线 。1)线性弹性(tnxng)特性定义:当悬架变形f与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时，弹 性特性为一直线，此时悬架刚度为常数 。悬架的弹性特性有线性和非线性两种1、定义2、分类特点：随载荷的变化，平顺性变化第22页/共63页第二十三页，共63页。2)非线性弹性(tnxng)特性定义：当悬架变形(bin xng)f与所受垂直外力F之间不呈固定比例变化时 1缓冲块复原点 2复原行程缓冲块脱离支架3主弹簧弹性特性曲线 4复原行程 5压缩行程6缓冲块压缩

16、期悬架弹性特性曲线 7缓冲块压缩时开始接触(jich)弹性支架8额定载荷第23页/共63页第二十四页，共63页。特点(tdin)在满载位置（图中点8）附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺(pngshn)性良好 距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大 作用(zuyng)在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量 悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功 （悬架的运容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小 ）第24页/共63页第二十五页，共63页。三、货车(huch)后悬的主、副簧的刚度匹配车身(ch shn)从空载到满载时的振动频率变化要小，以保证汽车有良好的

17、平顺性 副簧参加工作前、后的悬架振动频率变化不大 第25页/共63页第二十六页，共63页。确定(qudng)方法 使副簧开始起作用时的悬架挠度fa等于(dngy)汽车空载时悬架的挠度f0，而使副簧开始起作用前一瞬间的挠度fK等于(dngy)满载时悬架的挠度fc 。 副簧、主簧的刚度比为 使副簧开始起作用时的载荷等于(dngy)空载与满载时悬架载荷的平均值， 并使F0和FK间平均载荷对应的频率与FK和FW间对应的频率相等， 副簧与主簧的刚度比为0/1amWc cF F四、悬架侧倾角(qngjio)刚度及其在前、后轴的分配 0k2wFFF0kkcmma22 ()FFFFcccam223cc簧上质量

18、产生单位侧倾角时悬架给车身的弹性恢复力矩 第26页/共63页第二十七页，共63页。6-3 弹性元件的计算(j sun) 一、钢板弹簧(tnhung)的计算1、钢板(gngbn)弹簧主要参数的确定 1）满载弧高fa 汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳半径）连线间的最大高度差 fa用来保证汽车具有给定的高度 当fa=0时，钢板弹簧在对称位置上工作 ，为在车架高度已限定时能得到足够的支挠度值，fa=1020mm。第27页/共63页第二十八页，共63页。2）钢板弹簧(tnhung)长度L的确定弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离在总布置可能(knng)的条件下，应尽可能(knng)将钢板弹簧取长

19、些。推荐在下列范围内选用钢板弹簧(tnhung)的长度： 轿车：L=（0.400.55）轴距； 货车: 前悬架：L=（0.260.35）轴距； 后悬架：L=（0.350.45）轴距。第28页/共63页第二十九页，共63页。钢板弹簧取长些?能显著降低弹簧应力，提高使用寿命； 降低弹簧刚度，改善汽车平顺性 在垂直刚度c给定的条件(tiojin)下，能增加钢板弹簧的纵向角刚度(钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到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 第29页/共63页第三十页，共63页。3）钢板断面(dun min)尺寸及片数的确定a.钢板断面宽度(k

20、und)b的确定 对称(duchn)钢板弹簧总惯性矩J0 J0=（L-ks）3c/48E式中：s为U形螺栓中心距（mm）；k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取k=0.5，挠性夹紧，取k=0）；c为钢板弹簧垂直刚度（N/mm），c=FW/fc；为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数n1，再估计一个总片数n0,求得=n1/m0，然后用=1.5/1.04（1+0.5）初定）E为材料的弹性模量。 钢板弹簧总截面系数W0 W0FW（L-ks）/4W 式中，W为许用弯曲应力。第30页/共63页第三十一页，共63页。钢板(gngbn)弹簧平均厚度hp再选钢板(gngbn)弹簧的片宽b

21、。cWpEfksLWJh6)(/2200片宽b对汽车(qch)性能的影响增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧(tnhung)的扭曲应力增大。 前悬架用宽的弹簧(tnhung)片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，得增加片数，从而增加片间的摩擦弹簧(tnhung)的总厚 推荐片宽与片厚的比值b/hp在610范围内选取。 第31页/共63页第三十二页，共63页。b.钢板(gngbn)弹簧片厚h的选择 矩形(jxng)断面等厚钢板弹簧的总惯性矩J0:J0=nbh3/12 式中，n为钢板弹簧片数。说明：1、改变(gibin)片数n、片宽b和片厚h，都影响总惯性矩J0；2、总惯

22、性矩J0改变(gibin)会影响钢板弹簧垂直刚度c的变化，即影响汽车的平顺性变化。其中，片厚h变化对钢板弹簧总惯性矩J0影响最大。 第32页/共63页第三十三页，共63页。片厚h选择(xunz)的要求增加片厚h，可以减少片数n 钢板弹簧各片厚度可能有相同和不同两种情况，希望尽可能采用前者为加强主片及卷耳，常将主片加厚，其余各片厚度稍薄。此时，要求一副钢板弹簧的厚度不宜超过三组。 为使各片寿命接近，要求最厚片(hu pin)与最薄片厚度之比应小于1.5。钢板断面尺寸b和h应符合国产型材规格尺寸。 第33页/共63页第三十四页，共63页。2、钢板弹簧各片长度(chngd)的确定 将各片厚度hi的立

23、方值hi3按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上沿横坐标量出主片长度的一半L/2和U形螺栓中心距的一半s/2，得到A、B两点，连接A、B即得到三角形钢板弹簧展开图。AB线与各叶片上侧边的交点即为各片长度，如存在与主片等长的重叠片，就从B点到最后(zuhu)一个重叠片的上侧边端点一直线，此直线与各片上侧边的交点即为各片长度。第34页/共63页第三十五页，共63页。3、钢板弹簧(tnhung)刚度验算 刚度验算公式为其中(qzhng) 式中，a为经验修正系数，a=0.900.94； E为材料弹性模量； l1、lk+1为主片为第（k+1）片的一半长度。)(/61131kknkkYYaaEc)(111kkll

24、akiikJY1/1111/1kiikJY第35页/共63页第三十六页，共63页。用共同(gngtng)曲率法计算刚度的前提假定同一截面上各片曲率变化值相同各片的承受的弯矩正比(zhngb)于其惯性矩同时该截面上各片的弯矩和等于外力所引起的弯矩 4、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率(ql)半径计算第36页/共63页第三十七页，共63页。（1）钢板弹簧(tnhung)总成在自由状态下的弧高H0 定义(dngy)：钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差。 H0=（fc+fa+f） 式中，fc为静挠度； fa为满载弧高； f为钢板弹

25、簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高变化. 22)(3(LffsLsfcas为U形螺栓(lushun)中心距；L为钢板弹簧主片长度。钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径R0=L2/8H0第37页/共63页第三十八页，共63页。（2）钢板弹簧各片自由状态下曲率半径(bnjng)的确定 因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同，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Ri。 不同曲率半径原因：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴紧，减少主片工作(gngzu)应力，使各片寿命接近。矩形(jxng)断面钢板弹簧装配前各片曲率半径：Ri=R0/1+(20iR0)/Ehi 式中，Ri为第

26、i片弹簧自由状态下的曲率半径（mm）；R0为钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径（mm）；0i为各片弹簧的预应力（N/mm2）；E为材料弹性模量（N/mm2），取E=2.1105N/mm2；hi为第i片的弹簧厚度（mm）。第38页/共63页第三十九页，共63页。原则： 在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径R0和各片弹簧预加应力0i的条件下，计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径Ri。 选取各片弹簧预应力：装配前各片弹簧片间间隙相差不大，且装配后各片能很好贴和；为保证(bozhng)主片及一其相邻的长片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。对于片厚相同的钢板弹簧，各片预应力值不宜选取

27、过大；对于片厚不相同的钢板弹簧，厚片预应力可取大些。推荐主片在根部的工作(gngzu)应力与预应力叠加后的合成应力在300350N/mm2内选取。14片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。预应力从长片到短片由负值逐渐递增至正值。第39页/共63页第四十页，共63页。01niiM在确定(qudng)各片预应力时，理论上应满足各片弹簧在根部处预应力所造成的弯矩Mi之代数和等于零，即如果(rgu)第i片的片长为Li，则第i片弹簧的弧高为 HiLi2/8Ri 010iniiW或第40页/共63页第四十一页，共63页。5、钢板弹簧(tnhung)强度验算 （1）紧急制动时 前钢板弹簧承受的载荷最大，

28、在它的后半段出现的最大应力(yngl)max=G1m1l2（l1+c）/（l1+l2）W0 式中：G1为作用在前轮上的垂直静负荷；m1为制动时前轴负荷转移系数，轿车：m1=1.21.4，货车：m1=1.41.6； l1、l2为钢板弹簧前、后段长度；道路附着系数，取0.8；W0为钢板弹簧总截面系数；c为弹簧固定点到路面的距离 第41页/共63页第四十二页，共63页。max=G2m2l1（l2+c）/（l1+l2）W0+G2m2/bh1 式中，G2为作用在后轮上的垂直静负荷(fh)；m2为驱动时后轴负荷(fh)转移系数，轿车：m2=1.251.30，货车：m2=1.11.2；为道路附着系数；b为钢

29、板弹簧片宽；h1为钢板弹簧主片厚宽。 （2）汽车(qch)驱动时 后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现(chxin)最大应力第42页/共63页第四十三页，共63页。（3）钢板(gngbn)弹簧卷耳和弹簧销的强度核算 卷耳所受应力(yngl)是由弯曲应力(yngl)和拉（压）应力(yngl)合成的应力(yngl) =3Fx（D+h1）/bh12+Fx/bh1 式中，Fx为沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力；D为卷耳内径； b为钢板弹簧宽度；h1为主片厚度(hud)。 许用应力取为350N/mm2。第43页/共63页第四十四页，共63页。对钢板弹簧销要验算钢板弹簧受静载荷(zi h)时钢板弹簧

30、销受到挤压应力z=Fs/bd其中，Fs为满载静止时钢板弹簧端部的载荷(zi h)； b为卷耳处叶片宽； d为钢板弹簧销直径。 用30钢或40钢经液体碳氮共渗处理时，弹簧销许用挤压应力z取为3-4N/mm2；用20钢或20Cr钢经渗碳处理或用45钢经高频淬火后，其许用应力z7-9N/mm2。 钢板弹簧多数情况(qngkung)下采用55SiMnVB钢或60Si2Mn钢制造。常采用表面喷丸处理工艺（一般喷丸或应力喷丸）和减少表面脱碳层深度的措施来提高钢板弹簧的寿命。第44页/共63页第四十五页，共63页。第45页/共63页第四十六页，共63页。双横臂式侧倾中心(zhngxn)高度hW2costanvwsbphkdr0sin 90sinkcsinpkd第46页/共63页第四十七页，共63页。麦弗逊式侧倾中心(zhngxn)高度hWsvwrdKpbhtancos2sincksinpkd第47页/共63页第四十八页，共63页。2ssdd(2)2ddMCq C qC q纵置钢板弹簧(tnhung)式非独立悬架 第48页/共63页第四十九页，共63页。单横臂式独立(dl)悬架 2ssdd1()()dd22Mmm BBmCBCCnnn悬架侧倾角刚度(n d)的计算 第49页/共63页第五十页，共63页。双横臂式独立(d