机械毕业设计（论文）-重型载货汽车的悬架系统结构的设计【全套图纸】

辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 1 摘要 随着国民经济的高速发展，我国公路运输需求将在一段较长时间内保持持 续增长。重型载货汽车品种多、应用广泛，在国民经济建设中发挥巨大作用。 由于重型汽车工作条件比较恶劣、弯道多、坡路多、转弯半径小，车辆频繁转 向与制动，并长期在满载、振动与冲击载荷下工作，振动都比较强烈。为保证 车辆具有良好的高速行驶平顺性，实现质量高运输，并减小对路面的破坏程度， 先进的车辆悬架技术在重型卡车上被广泛研究和采用。 空气悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成， 囊式空气弹簧是弹性元件其中一种，它含有帘布层结构的橡胶气囊内冲入空气， 并以空气为介质，利用空气可以压缩的特点来实现弹性作用。通过高度控制阀， 来保证车身高度不随汽车载荷变化而变化，保证汽车的平顺性和稳定性。减振 器是保证汽车在使用期限行驶平顺性的性能稳定的主要元件。 关键词：导向装置；空气弹簧；高度控制阀；减振器 全套图纸，加全套图纸，加153893706 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 2 ABSTRACT With the high-speed development of domestic economy,our nations road transportation will keep increasing quickly and continuously in a long periodHeavy trucks play an essential role in the economy construction for its merits，such as abundant sorts，comprehensive applicationUsually the work conditions of the heavy truck is execrable，which is full of bend road，slope road；Truck must swerve with small radius，turn and brake high frequently，and it is also used under the condition of fullload vibration and striking,the vibration is serious，which is dangerous to driversbodyIn order to provide the heavy truck with high-speed ride comfort and quality of transit，at the same time decrease the disastrous impact to the road，advanced vehicle suspension technology has been invesfigated applied extensively in heavy truck industry. Air suspension of elastic component, guiding device, shock absorber, transverse stabilizer blocks and a buffer, cystic components, such as air spring flexible components, it contains one layer structure of air curtain inside irruptive air, rubber and air as medium, the characteristics of air can be compressed to achieve flexibility. Through the height valve body height, to ensure that no changes with the automobile loading, guarantee the stability and car ride. Car shock absorber is to ensure that the use of the performance period of ride comfort and stability of the main components. Key words：orientation device；air spring；height control valves；shock absorber 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 3 目录 前言1 1 绪论2 1.1 悬架的概述.2 1.2 悬架的分类.4 1.3 重型载货汽车悬架系统目前的工作状况.5 1.4 悬架技术的研究现状及发展趋势.6 1.4.1 悬架技术的研究现状.6 1.4.2 悬架技术的发展趋势.6 1.4.3 悬架设计的技术要求.7 2 空气悬架结构8 2.1 空气悬架结构简介.8 2.1.1 空气悬架系统的基本结构.8 2.1.2 空气弹簧的类型.9 2.1.3 导向机构.10 2.1.4 高度控制阀.10 2.2 空气悬架系统的工作原理.10 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 4 3 悬架主要参数的确定12 3.1 载货汽车的结构参数.12 3.2 悬架静挠度.12 3.3 悬架动挠度.14 3.4 悬架弹性特性.14 4 弹性元件的设计16 4.1 空气弹簧力学性能.17 4.1.1 空气弹簧刚度计算.17 4.1.2 空气弹簧固有频率的计算.19 4.1.3 空气弹簧的刚度特性分析.20 4.2 高度控制阀.21 5 悬架导向机构的设计23 5.1 悬架导向机构的概述.23 5.2 横向稳定杆的选择.24 5.3 侧顷力臂的计算方法.25 5.4 稳定杆的角刚度计算.26 5.5 悬架的侧倾角校核.27 6 减振器机构类型及主要参数的选择计算29 6.1 分类.29 6.2 主要参数的选择计算.31 7 技术与经济性分析36 8 结论38 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 参考文献39 致谢40 附录 A 译文41 附录 B 外文原文 48 前言 随着人们生活水平的不断提高和我国高速公路的迅速发展，对汽车悬架系 统的性能提出了更高的要求，特别是对车辆乘坐舒适性、高速行驶的平顺性以 及操作稳定性的要求也越来越高。悬架系统是保证重型载货汽车行驶平顺性和 操作稳定性的重要部件，空气悬架系统以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可 压缩性实现弹性作用，实现其弹性作用，具有高强度、高舒适性和高吸收性能 力等优点。目前空气悬架在国外重型载货车上已经得到了广泛的应用，国内重 型载货汽车用空气悬架系统逐步替代传统的钢板弹簧和螺旋弹簧悬架已是必然 的发展趋势。空气悬架系统主要有空气弹簧、导向机构、高度控制阀、减振器、 横向稳定杆等机械元件，以及储气筒和空气压气机等辅助系统组成。 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 6 1 绪论 1.1 悬架的概述 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。 1 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。由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用 于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲 击力将达到很大的数值。冲击力传到车架和车身时，可能引起汽车机件的早期 损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤。为 了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎之外，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）之间作弹性联系。但 弹性系统在受到冲击后，将产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。 故悬架还应当具有减振作用，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。 以下对悬架重要的组成部分进行简单的介绍。 (一)弹性元件 弹性元件主要是把车架或车身与车桥或车轮弹性的连接起来，主要有空气 弹簧，钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等。 (1)空气弹簧 空气弹簧是由橡胶囊所围成的一个密闭容器，在其中贮入压缩空气，利用 空气的可压缩性实现其弹簧的作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹 簧上的载荷增加时，容器内的定量气体气压升高，弹簧刚度增大。反之，当载 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故空气弹簧具有较理想的弹性特性。 随着科学技术突飞猛进，生活水平的不断提高，人们对汽车的乘坐舒适性 及各方面的性能提出了更高的要求，这便迫使各汽车生产厂家不断的引进先进 技术，生产出更好的产品，保持强大的竞争能力。从而空气弹簧的设计与研究 也越来越受到车辆设计人员的青睐。在本论文主要是对空气弹簧进行了研究与 探讨。 (2)钢板弹簧 由多片不等长和不等曲率的钢板叠合而成。钢板弹簧除具有缓冲作用外， 还有一定的减震作用。 (3)螺旋弹簧 只具备缓冲作用，多用于轿车独立悬挂装置。由于没有减震和传力的功能， 还必须设有专门的减震器和导向装置。 (4)扭杆弹簧 将用弹簧杆做成的扭杆一端固定于车架，另一端通过摆臂与车轮相连，利 用车轮跳动时扭杆的扭转变形起到缓冲作用，适合于独立悬挂使用。 (二)导向装置 导向装置是指悬架中的某些用来传力同时还承担着使车轮按一定轨迹相对 车架和车身跳动的任务的机构。导向装置主要有以下几点作用：在车架或车 桥之间传递力矩。使车桥或车轮按一定轨迹相对车身或车架跳动。 (三)减振装置 减振装置主要是用来消耗振动能量，衰减振动。弹性系统在受到冲击后， 将会产生振动，减震器可以使振幅迅速减小，以避免持续的振动给驾驶员的不 舒适和疲劳。 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，否则对汽车某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。 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。 由此可见，上述这三个组成部分分别起缓冲、减振和导向的作用，然而三 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 8 者共同的任务则是传力。 1弹性元件 2纵向推力杆 3减振器 4横向稳定器 5横向推力杆 图1-1 汽车悬架组成示意图 1Elastic element 2Vertical thrust rod 3Shock Absorber 4Horizontal stabilizer 5Horizontal thrust rod Fig.1-1 Schematic diagram of vehicle suspension component 1.2 悬架的分类 根据导向机构型式的不同，汽车悬架又可分为非独立悬架和独立悬架。非 独立悬架的结构特点是，左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架和车价 （或车身）连接；独立悬架的结构特点是，左、右车轮通过各自的悬架与车架 （或车身）连接。 独立悬架是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身下面 的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力； 可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重 心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干， 能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架存在着结构复杂、成本高、维修不 便的缺点。现代轿车大都是采用独立式悬架，按其结构形式的不同，独立悬架 又可分为横臂式、纵臂式、多连杆式、烛式以及麦弗逊式悬架等。 5 1 2 3 4 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 图 1-2 独立悬架 Fig.1-2 Independent Suspension 非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥 一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架具有结构简单、成本 低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操 纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。 图 1-3 非独立悬架 Fig.1-3 Non-independent suspension 1.3 重型载货汽车悬架系统目前的工作状况 现代的载货运输特点是要求多样化的，简单的将货物从甲地运送到乙地的 运输方式以满足不了运输要求。在经济领域中，由于道路情况不同，运输的安 全性，守时性，灵活性以及运输的价格和效率比直接关系到企业的命运和存亡。 运输质量和安全首先通过行驶系统来保证，因此越来越多的车辆制造者和汽车 企业家认识到悬架系统的重要性。目前的重型载货汽车一直面临着一个问题就 是：汽车载重量和平顺性之间的矛盾。载货汽车空载时汽车的舒适性会比满载 时差的很多，尤其是大型工程运输车在凹凸不平的路面甚至是露天矿山上长时 间往返的行驶时，这种情况更加明显。在空载或少量载荷时货车的平顺性及其 差，这样会使驾驶员和乘坐者很容易感到疲劳，从而引发交通事故，造成严重 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 10 的后果。对于载重货车而言，根据不同的用途，不同的工况以及客户的需求承 载能力和平顺性必须要综合考虑。目前的重型载货汽车多用被动式的定刚度的 悬架系统，若要求其有较高的承载能力，势必要有很大的悬架刚度。然而根据 以往的研究得知，悬架的刚度越大汽车的行驶平顺性和安全性能也就越差。因 此，承载能力与平顺性一直是载货汽车悬架系统设计中对永恒的矛盾。 2 1.4 悬架技术的研究现状及发展趋势 1.4.1 悬架技术的研究现状 机械装置的基本规律指出：载货汽车良好的舒适性，操纵稳定性及良好的 承载能力在使用定刚度和定阻尼减震器的传统悬架中是不能同时满足的。因此， 传统的悬架在设计过程中不可避免的要进行乘坐舒适性和操纵稳定性的折衷， 尽管近年来传统悬架在结构上的不断更新和完善，采用优化设计方法进行设计， 已使汽车(特别是轿车)的乘坐舒适性和操纵稳定性有很大提高，例如横臂式独 立悬架、纵臂式独立悬架、车轮沿主销移动的悬架(烛式和麦弗逊式)等等的采 用，但传统悬架系统仍然受到许多限制，如最终设计的悬架参数(弹簧刚度、减 振器阻尼系数)是不可调节的，致使传统悬架系统只能保证汽车在一种特定的道 路和速度条件下达到性能最优的折衷。 1.4.2 悬架技术的发展趋势 当前在大型商用汽车、半挂车中采用空气悬架系统越来越多。空气悬架突 出的优点是平顺性好，维修少，寿命长，对承运的乘客和货物的保护比钢板弹 簧悬架有着很大的提高，而对整车和路面的损坏程度也大大减少。 钢板弹簧在不同的载荷下产生不同的弯曲，这样会导致整车到地面的距离 总是在发生变化，如果保持弹簧的弹性而增加载荷的话，这会降低弹簧的固有 频率甚至使弹簧的特性发生改变。 空气弹簧基于空气的可压缩性，封闭在气囊里的空气是弹性元件，空气弹 簧通过不同气囊的压力来平衡不同的载荷。空气弹簧的固有频率稳定，因此它 的弹性性能也稳定，这样就意味着空气弹簧更加的接近理想状态。 随着我国高速公路的迅速发展，公路运输量的增加，对汽车性能的要求也 越来越高，空气悬架凭着其自身的优越性能在货车上的应用必将越来越广泛。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 另外，随着重型载货汽车对路面的破坏机理的研究及认识的进一步加深，以及 政府对高速路养护的进一步重视，空气悬架在重型货车上的应用也必将进一步 增加。因此，对空气悬架的设计进行深入的研究也显得越来越重要。 1.4.3 悬架设计的技术要求 对悬架提出的设计要求有： （1）保证汽车有良好的行驶平顺性 （2）具有适合的衰减振动的能力 （3）保证汽车具有良好的操纵稳定性 （4）汽车制动或加速时，要保证车身稳定性，减少车身纵倾，转弯时车身 侧倾角要适合 （5）有良好的隔声能力 （6）结构紧凑、占用空间尺寸要小 （7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小 的同时，还要保证有足够的强度和寿命 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 12 2 空气悬架结构 2.1 空气悬架结构简介 2.1.1 空气悬架系统的基本结构 空气弹簧悬架具有变刚度、刚度小、振动频率低、车身高度不变等优点。 典型的机械式空气悬架主要包括以下几个部分： (1)空气弹簧 空气弹簧是由橡胶囊所围成的一个密闭容器，在其中贮入压缩空气，利用 空气的可压缩性实现其弹簧的作用。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹 簧上的载荷增加时，容器内的定量气体气压升高，弹簧刚度增大。反之，当载 荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故空气弹簧具有较理想的弹性特性。 (2)导向机构 导向机构是承受汽车的纵向力、力矩及横向力。由于空气悬架只能承受垂 直载荷，所以需要安装导向机构以承受横向力、纵向力及力矩以使车桥(或者车 轮)按一定的轨迹相对车身或车架跳动。 (3)减振装置 减振装置主要是用来消耗振动能量，衰减振动。空气作为空气弹簧的工作 介质，内摩擦极小，与板簧相比空气弹簧本身只有少量阻尼，所以空气悬架必 须装有阻尼器，而且其阻尼要相应增加以达到迅速衰减振动的目的。但如果阻 尼过大又会使反应迟钝并向车身传递过多的高频振动和冲击，所以减振器阻尼 的匹配是否合理将影响悬架的性能。 (4)高度控制阀 高度控制阀是空气弹悬架系统的一个重要组成部分，其主要功能是：随 整车载荷变化保持合理的悬架行程；高速时降低车身高度，保持车身稳定性， 减少空气阻力；在起伏不平的路面上，可以提高车身高度从而提高了汽车的 通过性，空气弹簧的优越性通过安装高度控制阀充分的显现出来。 (5)其它附属装置 空气弹簧以压缩空气作为介质，所以必须装有压气机以产生压缩空气，另 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 外为了进一步提高空气弹簧的性能大部分空气悬架还装有辅助气室。现如今， 随着科技的迅速发展，很多高档的客车、轿车以及商用车上已经成功的使用了 电控空气悬架，这种悬架使用高度传感器和电子控制单元来控制空气弹簧的充 气和排气，从而更加提高了空气悬架的控制精度和反应速度。但在功能好的同 时也有其缺点：这种汽车悬架的结构更为复杂，而且成本非常高。 所以在国内应用的还不是很广泛，但是这是汽车悬架发展的必然趋势。 3 2.1.2 空气弹簧的类型 空气弹簧的结构可以设计成很多类型，根据压缩空气所用容器不同，可以 将空气弹簧分为囊式、膜式两种形式。 (1)囊式空气弹簧 囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊、密闭在容器中的压缩气体所组成。 气囊的内层用气密性好的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。根据橡胶气囊 曲数不同可将其分为单曲、双曲和多曲的囊式空气弹簧。气囊各段之间镶嵌有 金属轮缘，用于承受气体的内压张力。囊式空气弹簧的有效面积变化率较大， 刚度较大，振动频率也较高。所以对于囊式空气弹簧来说，适当的选择空气弹 簧的有效面积变化率和辅助气室容积，可以有效地降低振动频率。随着段数的 增加，空气的弹簧的刚度会变小。主要是由于气囊的变形可由各个曲部平均分 担，因而曲段数越多，空气弹簧的有效直径变化率就会越小。 (2)膜式空气弹簧 膜式空气弹簧的构造是在金属外筒与内筒或缸筒与活塞之间放置橡皮膜， 通过膜的变形实现整体伸缩。在外筒的内壁与内筒的外壁上预先给出适当的倾 斜或曲面，据此橡皮膜伸缩时可沿该壁面发生变形，受压面积随变形而变化。 这就可以获得在标准高度下很软，而在大位移时变硬的特性，即合适的非线性 弹簧特性。膜式空气弹簧在国内外大客车上的应用日益广泛。因膜式空气弹簧 有效直径变化较小，其刚度较低，自振频率较低膜式空气弹簧的底座同时也 是活塞，该空气弹簧的有效直径能通过改变活塞的外形从而得到改变。从而可 以得到所需的弹性特性。许多膜式空气弹簧的底座还作为辅助气室以增加空气 弹簧的总容积，改善空气弹簧的性能。这是提高空气弹簧系统隔振效果的有效 措施之一。 4 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 14 2.1.3 导向机构 导向传力机构是空气悬架的重要组成部件，要承受汽车的侧向力，纵向力 及其力矩。因此要有一定的强度，布置的方式要合理。空气弹簧悬架中空气弹 簧主要承受垂直载荷。如果导向机构布置的不合理则会给空气弹簧带来很大的 负担，使其发生扭曲，摩擦等现象，恶化减震的效果，从而缩短了空气弹簧的 寿命。 汽车空气悬架导向机构主要有以下几点作用：在车架或车桥之间传递力 矩。是车桥或车轮按一定轨迹相对车身或车架跳动。这是空气悬架中导向机 构的最重要的一个作用。 2.1.4 高度控制阀 高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静 载荷下与路面保持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制 阀的情况下才能得到充分的体现。汽车空气悬架的高度控制阀一般分为机械式 和电磁式，按其组成可分为带延时机构高度控制阀和不带延时机构高度控制阀- 由于目前在国内空气悬架多采用机械式高度阀，因而在此针对带延时机构和不 带延时机构的两种机械式高度阔进行简单介绍。延时机构由缓冲弹簧和油压减 振器组成。其作用是：在车辆运行时的正常振动中，保证空气弹簧的高度虽有 变化但不起进、排气作用，而当静载荷变化或以极低频率振动时，保证空气弹 簧进行充、排气，以使在汽车正常的振动中高度阀的进、排气阀不会频繁地打 开，从而减少压缩空气的浪费。在使用不带延时机构的高度阀时，车辆在运行 过程中高度阀的进、排气阁不断地关闭，空气消耗量大，为此一般在空气通道 上设置一节流孔，或在排气通道外加一长橡胶软管，以便限制空气流量，避免 空气中的水分和灰尘堵塞小孔。 2.2 空气悬架系统的工作原理 在理想状态下，装有空气弹簧悬架的汽车通过压缩空气的压力能够随载荷 和道路条件变化进行自动调节，不论满载还是空载整车高度几乎不会发生变化。 可以大大提高乘坐的舒适性。空气悬架的工作原理：空气压缩机供给储气筒压 缩空气，储气筒上装有压力保护阀，当储气筒的压力超出设定压力时，压力保 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 护阀会自动打开把过载压力卸掉。当车辆在平直路面上行驶时，高度阀的充气 阀门和排气阀门均关闭，空气弹簧气囊内即不充气也不放气，车架高度保持不 变。当车辆行驶在不平路面或转弯时，车轮产生跳动或转弯离心力都会使车架 产生倾斜，连接在车架上的高度控制阀的控制杆就会转过一定的角度，当车辆 载荷增加时，空气弹簧被压缩，车架整体下移，高度控制阀控制杆向上旋转， 使控制阀的充气阀门打开，压缩空气经高度控制阀向气囊内充气，在气压的作 用下，车架回升，高度控制阀的控制杆随之向下旋转，使控制阀的充气阀门的 开度逐渐变小直至关闭，此时车架恢复到设定高度，即空气弹簧气囊回升到原 来的高度；当车辆载荷下降时，空气弹簧气囊在其腔内压缩空气的作用下伸长， 车架整体上移，高度控制阀控制杆向下旋转，使控制阀的放气阀门打开，压缩 空气经高度控制阀向外界排出，车架下降，高度控制阀控制杆随之向上旋转， 使控制阀的放气阀门的开度逐渐变小直至关闭，此时车架逐渐恢复到设定高度 。 5 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 16 3 悬架主要参数的确定 3.1 载货汽车的结构参数 重型载荷汽车是货车一种，它的吨位必须满足大于14t才能称之为重型载荷 汽车。 针对目前国内载货汽车空气悬架系统的设计与研究较少，本文在现有东风 日产柴牌DND1250CWB459P钢板弹簧悬架载货汽车的基础上，进行了空气悬架改 装设计，对多轴载货车辆空气悬架系统的设计具有一定的参考意义。 DND1250CWB459P整车参数如下表所示。为了满足舒适性及行驶平稳性的要求, 悬架要求全部采用空气弹簧。其前悬架采用四连杆机构空气悬架系统, 空气弹 簧布置在桥的正上方, 其作为弹性元件承受全部垂直载荷。后悬架也全部采用 空气悬架,空气弹簧布置在与桥连接的车架上方。 整车的主要尺寸参数有货车的外廓尺寸的长为10150mm，宽为2400mm，高为 2985mm，轴距4615+1300mm，轮距（前/后）为2045/1860mm，前悬为1400mm，后 悬为2835mm。整车的主要质量参数有整车整备质量为9805kg，额定载质量为 15000kg，最大总质量为25000kg，前轴与中轴的轴距为3 800mm，中轴与后轴的 轴距为1380mm；前悬轮距为1958mm，后悬轮距为1800mm；车轮静力半径为 540mm，满载时整车重心高度为1800mm。前轮定位参数有主销内倾角为3 30，主销后倾角为130，前轮外倾角为130，前轮前束为0mm- 1mm。 3.2 悬架静挠度 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， c f W F 即。cFf Wc / 对于大多数汽车而言，其悬架质量分配系数，因而可2 . 18 . 0/ 2 ab y 以近似地认为，即前、后桥上方车身部分的集中质量的垂直振动是相互独1 立的，并用偏频，表示各自的自由振动频率。偏频越小，则汽车的平顺性 1 n 2 n 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 17 越好。采用钢板弹簧的载货汽车的偏频略高于轿车，前悬架约为1.3Hz，后悬架 则可能超过1.5Hz，采用空气弹簧后，这一数值可以进一步降低，载货汽车为 0.8-1.2Hz。为了减小汽车的角振动，一般汽车前、后悬架偏频之比约为 =0.85-0.95。 21/n n ； （3-)2/(/ 111 mcn )2/(/ 222 mcn 1） ，为前、后悬架的刚度（N/cm）；，为前、后悬架的簧上质量 1 c 2 c 1 m 2 m （kg）当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可以用下式 表示 ； 111 /cgmfc 222 /cgmfc 式中，g 为重力加速度，g=9810mm/。 2 s 将，代人式（3-1）得到 1c f 2c f ； （3- 11 /77.15 c fn 22 /77.15 c fn 2） 式中， 的单位为 mm。 1c f 2c f 有式可知，悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频 n。因此，保证汽车 c f 有良好的行驶平顺性，必须正确的选取悬架的静挠度。 在选取前、后悬架的静挠度值和时，希望后悬架的静挠度比前悬 1c f 2c f 2c f 架的静挠度小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。理论分析证明： 1c f 若汽车以较高车速驶过单个路障，/1 时的车身纵向角振动要比/1 1 n 2 n 1 n 2 n 时小，故推荐取（0.80.9）。考虑到货车的前、后轴荷的差别，推荐 2c f 1c f 。 12 )8 . 06 . 0( cc ff 用途不同的汽车，对平顺性要求不一样。以运送人为主的轿车对平顺性的 要求最高，大客车次之，载货车更次之。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。原则上轿车的级 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 18 别越高，悬架的偏频越小。对高级轿车满载的情况，前悬架偏频要求在 0.801.15Hz，后悬架则要求在 0.981.30Hz。货车满载时，前悬架偏频要求 在 1.502.10Hz，而后悬架则要求在 1.702.17Hz。选定偏频以后，再利用式 (32)即可计算出悬架的静挠度。 3.3 悬架动挠度 悬架的动挠度是指从满载平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大形变。 d f 要求悬架应有足够的动挠度，防止破坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对货车， 取 60-90mm。 d f 据汽车最新使用手册得，采用空气弹簧的载货汽车的偏频 =0.9Hz，=1Hz。代人公式（3-2）得，=307.0mm，=248.7mm。本设计 1 n 2 n 1c f 2c f 选取=90mm，=60mm。 1d f 2d f 3.4 悬架弹性特性 悬架受到的垂直外力 F 与由此所引起的车轮中心相对于车身位移厂(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。 悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形厂与 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，称为线性弹性特 性，此时悬架刚度为常数。当悬架变形与所受垂直外力 F 之间不呈固定比例f 变化时，弹性特性如图 31 所示。此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载 位置(图中点 8)附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远 的两端，曲线变陡，刚度增大。这样可在有限的动挠度范围内，得到比线性 d f 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。悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。 空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高 度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架。轿车簧上质量在使用中虽然变化 不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯 角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 19 钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的，而带有副簧的钢板弹簧、 空气弹簧、油气弹簧等，均为刚度可变的非线性弹性特性悬架。 6 图 31 悬架弹性特性曲线 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缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线 7缓冲块压缩时开始接触弹性 支架 8额定载荷 Fig. 3-1 Suspension elastic curve 1Recovery point buffer block 2Recovery stroke buffer block from the support 3Main spring elastic curve 4Recovery stroke 5Compression stroke 6Elastic Buffer block compression curve of suspensio 7Block buffer started contact with elastic supports compression 8Rated load 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 20 4 弹性元件的设计 空气悬架多应用于大型客车和无轨电车上，在高级轿车、长途运输重型载 货汽车和挂车上有所应用。其弹性元件是由夹有帘线的橡胶囊或模和充入其内 腔的压缩空气所组成的。这种悬架除弹性元件、减振器和导向机构外，一般还 装有车身高度调节装置。 由于空气弹簧可以设计的比较柔软，因而空气悬架可以得到较低的固有频 率，同时空气弹簧的变刚特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变， 从而提高了汽车的平顺性。空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使得 大客车的地板高度和载货汽车的货箱高度哦随载荷的变化基本保持不变。此外， 空气悬架还具有空气弹簧寿命长、质量小以及噪音低等一些优点。 按照结构特点，空气弹簧可以分为囊式和膜式两大类，囊式空气弹簧结构相 当简单，制造方便，但刚度较高，因而常用于大型客车、无轨电车和载货汽车， 并且常配有辅助气室以降低弹簧刚度，膜式空气弹簧刚度小，适应于用作轿车 悬架，但同等空气压力和尺寸下其承载能力小，并且动刚度会增大。 7 以橡胶囊为主要元件的囊式空气弹簧，在用来承受内压张力的钢质腰环分割 下来，气囊被分为不同节数，并据此分为单曲、双曲和多曲气囊三种，囊式空 气弹簧结构比较简单，制造容易，因此成本低；又因为工作时橡胶膜的曲率变 化小，所以使用寿命长。本次设计选取双曲空气弹簧。 图 41 双曲气囊空气弹簧 1上盖 2橡胶膜 3腰环 4底座 Figu. 41 Hyperbolic air spring air bag 1cover 2rubber membrane 3Waist Ring 4base 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 21 4.1 空气弹簧力学性能 空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩空气。容积比、气体 压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的力学性能。 4.1.1 空气弹簧刚度计算 空气弹簧是利用橡胶气囊内压缩空气的反作用力作为弹性恢复力的弹性元 件。刚度是空气弹簧的重要性能参数，用如下理论公式空气弹簧垂直刚度C计算： (4-1) V A PPn L A PC e iO e i 2 )( 橡胶气囊内压缩气体工作压力； i P 标准大气压，取0.1MPa； O P 空气弹簧有效承压面积； e A L空气弹簧有效行程； 气弹簧有效承压面积变化比； L Ae V-空气弹簧内的空气体积； n为多变指数，取决于空气弹簧形变速度。空气弹簧缓慢振动时，弹簧内气 体状态变化视为等温变化，n=1；空气弹簧剧烈振动时，弹簧内气体状态变化视 为绝热过程，n=1314，本次设计选取n=1.380。 囊式空气弹簧的有效面积变化率对空气弹簧的固有频率的影响较大，当空 气弹簧在等压的条件下，有效面积的变化率=0，本次设计选取=0。 L Ae L Ae 由式（4一l）可知，空气弹簧的有效承压面积及其交化率对空气弹簧刚度 的影响显著。囊式空气弹簧工作时有效承压面积交化率较大，弹簧刚度较大。 由于分担气囊形变的曲囊越多，气囊有效承面积变化率越小，因此曲囊增多可 减小囊式空气弹簧的刚度。在橡胶气囊正常工作气压范围内，膜式空气弹簧的 有效承压积面变化率比囊式气弹簧小，即膜式空气弹簧的刚度比囊式空气簧小。 同时，膜式空气弹簧可以通过改变活塞底部形状来控制有效承压面积变化率， 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 22 以获得理想弹性特性。另外，囊式空气弹簧可以通过添加辅助气室，膜式空气 弹簧可利用活塞底座空心内腔作为辅助气室来增大气体体积，从而降低弹簧刚 度。 8 1）前悬的空气弹簧刚度计算 前悬架有四个气囊、四个减震器、两个高度控制阀、两根横向推力杆和两 根纵向推力杆构成的四连杆结构。根据GB/T13061-91对汽车的空气弹簧的规定， 本次选取的弹簧型号为B7-380X390的囊式空气弹簧。 设前悬架非簧载质量按 500kg 计算，前悬架每支空气弹簧的承受负载为 i GG i G G us m 111 1 式中：G 为前悬轴载荷为6370kg，i为空气弹簧个数，为前悬簧载质量， 11s G 为前悬非簧载质量。代入推出为1467.5kg，每个空气弹簧受力为 1u G 1m G =14381.5N。gGP m11 n为多变指数，此处选取为1.380；为橡胶气囊内压缩气体工作压力，取 i P ；为标准大气压，取0.1MPa；为空气弹簧有效承压面积，在390mm e AP / 1O P e A 的设计高度上当载荷为14381.5N时，弹簧内部压强为0.3Mpa，计算 =14381.5/0.3=4.80 10，V为空气弹簧体积 e A 42 mm V=3904.8010 =18.710 mm ；为有效面积的变化率，当空气弹簧在等 463 L Ae 压的条件下，=0。将上述数据代入公式（4-1） ，经计算可得前悬空气弹簧 L Ae 刚度=69.8N/mm。 1 C 2）后悬的空气弹簧刚度计算 后悬架有四个气囊、四个减震器、两个高度控制阀、两根横向推力杆和两 根纵向推力杆构成的四连杆结构。根据GB/T 13061-91对汽车的空气弹簧的规定， 本次选取的弹簧型号为B7-380X390的囊式空气弹簧。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 23 j GG j G G us m 222 2 式中：后悬轴载荷为=12740kg，j为空气弹簧个数，为后悬簧载质量， 2 G 2s G 后悬非簧载质量=1000kg。代入推出为2935kg，每个空气弹簧受力为 2u G 2m G =28763N。 2 P 对于同一种空气弹簧，变指数、有效面积不变，有效面积的变化率仍然为 零，橡胶气囊内压缩气体工作压力，取，将参数代入式子（4-1）得到后 e AP / 2 悬空气弹簧刚度=118.9N/mm。 2 C 4.1.2 空气弹簧固有频率的计算 弹簧振动固有频率用来表示，即 0 n = （4- 0 n dx dD A g V ngA P P e e ro ro 1 2 1 2） 式中 g重力加速度, g=9810mm/； 2 s D气囊圆截面有效直径； 当空气弹簧的垂直刚度己知时，也可以用下式计算固有频率： W gk f 2 1 2 气体常数，当汽车载荷缓慢变化时，弹簧内空气状态的变化接近于等k 温过程，可取1；当汽车在行驶过程振动时，弹簧内空气状态的变化接近于k 绝热过程，可取1.4；实际计算时，通常取1.21.4。kk 从式子（4-2）可以看出： 1）频率与选择的充气压力有关，越大，固有频率越低。这种影响在 ro P ro P 压力较低时尤为明显。当充气压力提高时，接近 1 时，再提高，则对降 ro ro P P1 低固有频率无明显影响。频率与折算高度 H=有关，H 越大固有频率越低。特 V Ae 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 24 别是对于较小的气囊，增加 H 对降低固有频率有明显影响。对于较大 L Ae L Ae 的气囊，H 的影响不是很明显。 2）频率与有效面积的变化率有关，越大 n 越高。越小 n 越低。 L Ae L Ae L Ae 当充气压力提高时，接近 1 时，再提高，则对降低固有频率无明显影响， ro ro P P1 故本次设计选取=1；n 为多变指数，此处选取为 1.380；为有效直径 ro ro P P1 dx dD 变化率，一般囊式空气弹簧的有效直径变化率为 0.350.40，膜式空气弹簧的 有效直径变化率在 0.100.2 之间。本次设计选取=0.4；将上述参数代入 dx dD （4-2）中空气弹簧固有频率=0.94Hz。 0 n 4.1.3 空气弹簧的刚度特性分析 当在充满气体的空气弹簧上作用外力后，会引起弹簧的微小变形，相Pdf 应的气体容积变化量为。由于囊壁变形所做的功与外力所作的功相比可以忽dV 略，因而外力作的功等于气体受压作的功PdfdVpp a) ( dVppPdf a) ( （43） 式中弹簧内空气的绝对压强；p 标准大气压强。 a p 定义弹簧的有效面积 dfdVAeff/ （44） 可以得到 effa k k effa Ap V Vp AppP 00 )( （45） 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 25 将上式对位移求导可得空气弹簧得刚度为 df dA p V Vp A V Vkp df dA ppA df dp C eff a k k eff k k eff aeff 002 1 00 )( （46） 这表明空气弹簧的刚度由两部分构成，分别由气体体积的变化和有效面积 的变化而引起。在设计空气弹簧时，对这两个方面都要加以考虑。 在静平衡位置时，有，代人式(46)可得到静平衡位置的 0 pp 0 VV 弹簧刚度为 df dA ppA V kp C eff aeff )( 2 0 0 （47） 从中可以看出，要想获得较软的刚度，应该增大，但在布置上又不允许 0 V 占用过高的空间，因而常常采用增加辅助气室的办法来达到增大，减小刚度 0 V 的目的。 由于空气弹簧无法承受侧向力及转矩，必须为悬架选择恰当的导向杆系。 目前常用的有以下三种方式：用钢板弹簧作为导向元件，这种方法的优点在 于可以利用以前的零部件，便于改装，同时板簧与空气弹簧联合作用可使悬架 弹性特性更接近理想，悬架的偏频在很大载荷范围内近似保持不变。纵臂式， 这种方式增加了设计的灵活性，可以较好地保证悬架的纵倾特性，车轮跳动时 主销倾角的变化量也能满足要求。A 型架式，实际上为纵臂式的变形，其侧 向刚度较大，可减小车身侧向摆动的加速度，从而减小悬架中出现的附加载荷， 多用于重型车的悬架。在轿车上，一般前悬采用双横臂，后悬采用纵臂式导向 机构。 空气悬架车身高度调节机构是一端固定在车架、一端固定在车身上的联动 阀，当车引高度变化时，阀动作打开相应的气路，向弹簧气室中补充或由弹簧 气室放出空气，达到测节车身高度的目的。 汽车在正常行驶过程中，由于垂向振动或侧倾，车身与车桥之间总会发生 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 26 相对位移。在设计车身高度调节器时，必须采取必要的措施以防止在此类情况 下车身高度调节器频繁动作。 9 4.2 高度控制阀 高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静 载荷下与路面保持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制 阀的情况下才能充分体现。 高度控制阀（以下称高度阀）分为机械式和电磁式，按组成分为带延时机 构和不带延时机构。考虑到目前国内空气悬架多采用机械式高度阀，因此针对 带延时机构和不带延时机构的两种机械式高度阀进行研究。 不带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧 压缩，控制杆被推向上方，凸轮转动带动活塞顶开进、排气阀，风缸中的压缩 空气通过一段节流通道流入空气弹簧；车架恢复到一定高度后，控制杆会返回 平衡位置，此时进气阀被关闭，压缩空气关断。当车体荷重减少时，车体上升， 空气弹簧伸长，与荷重增加时情况相反，控制杆被拉下，进、排气阀打开，空 气弹簧内的空气经节流通道和活塞内的通道排出。 10 图42 不带延时机构的高度阀示意图 Fig. 42 Without delay height control valve 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 27 高度阀的主要特性参数有截止频率一般为1Hz，不感带mm，动作延迟5 . 04 时间为s，低流量为120 L/Min，标准流量为350 L/Min，排气气流流速为13 875 L/min。 5 悬架导向机构的设计 5.1 悬架导向机构的概述 空气悬架的主要组成部分除了空气弹簧以外，还有导向杆件、减振器、横 向稳定器、高度控制组件及缓冲限位部件等组成。其中，导向机构发挥着非常 重要的作用。 导向传力机构是空气悬架中的重要部件，要承受汽车的纵向力、侧向力及 其力矩，因此要有一定的强度，布置方式要合理，避免运动干涉。空气弹簧在 悬架中主要承受垂直，减振、消振，如果导向机构设计得不合理，则会增加空 气弹簧的负担，甚至会发生扭曲、摩擦等现象，恶化减振效果，缩短弹簧的寿 命。 汽车空气悬架导向机构的主要作用是：在车架(或承载式车身)与车桥(或 车轮)之间传递力或力矩。使车桥(或车轮)按一定轨迹相对车身或车架跳动。 重型汽车空气悬架导向机构组成型式上主要有以下几种：（1）钢板弹簧混 合式导向机构（2）双横臂式导向机构（3）双纵臂式导向机构 本设计选用双纵臂式导向机构 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 28 图51 双纵臂四连杆导向机构 Figure 51 Double vertical arm four-link-oriented institutions 在重型汽车空气悬架的设计中，双纵臂式导向机构被广泛的采用，下纵臂 一般布置在两边，上面两根纵向推力杆的位置方式则可根据需要进行灵活的安 排。一种是两下纵臂同样布置，另一种是两根上臂合在一起，布置在中间。这 两种方式不能承受侧向力，需要横向推力杆。还可以将上面的两根推力杆倾斜 布置，构成一个三角形架，他和下面的两根纵向推力杆构成一个四连杆机构。 在设计时一般都采用4X4X4设计思想：四个气囊、四个减震器、四连杆结构。现 今重型汽车上采用v型推力杆的结构也较为流行，这种结构在传递纵向力的同时 也传递横向力，而且机构比较紧凑，简洁，空间布置更合理。 5.2 横向稳定杆的选择 为了降低汽车的固有振动频率以改善行驶平顺性，现在轿车悬架的垂直刚 度值较小，从而使汽车的侧倾角刚度值也较小，结果是汽车转弯侧倾严重，影 响了汽车的行驶稳定性。为此，现代汽车大多都装有横向稳定杆来加大悬架的 侧倾角刚度以改善汽车的行驶稳定性。横向稳定杆带来的好处除了可以增加悬 架的侧倾角刚度，从而减小汽车转向时车身的侧倾角外，适当地选择前、后悬 架的侧倾角刚度比值，也有助于使汽车获得所需的不足转向特性。通过，在汽 车的前、后悬架中都装有横向稳定杆，或者只在前悬架中安装。若只在后悬架 中安装，则会使汽车趋于过多转向。横向稳定杆带来的不利因素有：当汽车在 坑洼不平的路面行驶时，左右轮之间有垂向相对位移，由于横向稳定杆的作用， 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 29 增加了车轮处的垂向刚度，会影响汽车的平顺性。 11 在有些悬架中，横向稳定杆还兼起部分导向杆系的作用，其余情况下则设计 时应当注意避免与悬架的导向杆系发生运动干涉。为了缓冲隔振和降低噪声， 横向稳定杆与车轮及车架的连接处均有橡胶支承。本次设计选取 DND1250CWB459P的前后横向稳定杆的形状如下图所示 图52 横向稳定杆的外形图 Figure 52 Stabilizer bar graph form 5.3 侧顷力臂的计算方法 现在来讨论一下侧顷力臂的计算方法， 双纵臂式非独立前悬架布置方式如 图53所示 图53 纵臂式非独立悬架布置形式 Figure 53 Vertical arm of non-independent suspension layout 在这种悬架中，纵向推力杆只传递轮胎到车身的纵向力。当车身受到侧顷 力作用时，地面通过两根斜向布置的导向杆的约束反力的台力Y来平衡。Y的作 用点0在通过车轴的横向垂直平面上的投影0m即侧顷力矩中心。单纵臂式悬架的 孟宪鹏：载货汽车的悬架系统结构设计 30 侧倾力矩中心与双纵臂类似，因篇幅有限，本文不再详细描述。 整车侧倾力臂h的计算为： （5- sg hSh 1） 式中-悬挂质量重心高度； g S -整车侧倾力矩中心高度。 s h 根据质心公式，簧载质量质心高度为： （5- n cng g GG RGhG S 2） 式中：G为满载整车质量，G=25000kg；为非簧载总质量，=2500kg； n G n G 为车轮静力半径，=540mm；为满载时整车重心高度，=1800mm。将上 c R c R g h g h 述参数代入公式可得=1940mm。 g S （5-)( 121 hh l a hhs 3） 式中 ，分别为车身在前后轴处的侧倾力矩中心高度； 1 h 2 h a整车悬挂质量重心到前轴的距离； l轴距； 根据载荷分配关系，质心距前轴距离为： （5-) 2 ( 2 1 21 2 L L GG G a ss s 4） 根据上一章节计算可知前轴簧载质量=5870kg =11740kg；为前轴 1s G 2s G 1 L 与中轴间距，=3800mm；为中轴与后轴间距，=1380mm。将参数代入上面 1 L 2 L 2 L （5-4）的公式，可得a=2990mm。 根据计算后得知，为前悬架簧载质心到侧倾中心的距离，=650mm； 1 h 1 h 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 31 为后悬架簧载质心到侧倾中心侧倾距离，=680mm：轴距l=4615+1300mm， 2 h 2 h 及（5-4）所得a=2990mm，一起代入（5-3）得到=665mm。 s h 最后得出整车侧倾力