汽车设计悬架设计

悬 架 设 计 第 六 章 悬 架 设 计 6-1 概 述 6-2 悬 架 结 构 形 式 分 析 6-3 悬 架 主 要 参 数 的 确 定 6-4 弹 性 元 件 的 计 算 6-5 主 动 与 半 主 动 悬 架 系 统 6-1 概 述 一 主 要 作 用 传 递 车 轮 和 车 架 （ 或 车 身 ） 之 间 的 一 切 力 和 力 矩 ; 缓 和 、 抑 制 路 面 对 车 身 的 冲 击 和 振 动 ； 保 证 车 轮 在 路 面 不 平 和 载 荷 变 化 时 有 理 想 的 运 动 特 性 。 保 证 汽 车 的 操 纵 稳 定 性 。 二 对 悬 架 提 出 的 设 计 要 求 1） 保 证 汽 车 有 良 好 的 行 驶 平 顺 性 。2） 具 有 合 适 的 衰 减 振 动 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 ， 减 少 车 身 纵 倾 ； 转 弯 时 车 身 侧 倾 角 要 合 适 。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 。 6-2 悬 架 结 构 形 式 分 析 一 、 非 独 立 悬 架 和 独 立 悬 架 悬 架 非 独 立 悬 架独 立 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 非 独 立 悬 架 独 立 悬 架 1 非 独 立 悬 架 优 点 纵 置 钢 板 弹 簧 为 弹 性 元 件 兼 作 导 向 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 用 ： 货 车 、 大 客 车 的 前 、 后 悬 架 以 及 某 些 轿 车 的 后 悬 架 2 独 立 悬 架 优 点 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 ；由 于 有 可 能 降 低 发 动 机 的 位 置 高 度 ， 使 整 车 的 质 心 高 度 下 降 ， 又 改 善 了 汽 车 的 行 驶 稳 定 性 ；左 、 右 车 轮 各 自 独 立 运 动 互 不 影 响 ， 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 二 、 独 立 悬 架 结 构 形 式 分 析 分 类 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 扭 转 梁 随 动 臂 式 1 评 价 指 标 ： 1） 侧 倾 中 心 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 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 。 5） 悬 架 占 用 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 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 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 。 悬 架 双 横 臂 式 单 横 臂 式 单 纵 臂 式 单 斜 臂 式 麦 弗 逊 式 扭 转 梁 随 动 臂 式侧 倾 中 心 高 比 较 低 比 较 高 比 较 低 居 单 横 臂 和单 纵 臂 之 间 比 较 高 比 较 低车 轮 定 位参 数 的 变 化 车 轮 外 倾 角与 主 销 内 倾角 均 有 变 化 车 轮 外 倾 角与 主 销 内 倾角 变 化 大 主 销 后 倾 角变 化 大 有 变 化 变 化 小 左 、 右 轮 同 时 跳动 时 不 变轮 距 变 化 小 ， 轮胎 磨 损 速 度慢 变 化 大 ， 轮胎 磨 损 速 度快 不 变 变 化 不 大 变 化 很 小 不 变悬 架 侧 倾 角刚 度 较 小 ， 需 用横 向 稳 定 器 较 大 ， 可 不装 横 向 稳 定器 较 小 ， 需 用横 向 稳 定 器 居 单 横 臂 式和 单 纵 臂 式之 间 较 大 ， 可 不 装 横 向 稳 定 器 横 向 刚 度 横 向 刚 度 大 横 向 刚 度 小 横 向 刚 度 较 小 横 向 刚 度 大占 用 空 间 尺 寸 占 用 较 多 占 用 较 少 几 乎 不 占 用 高 度 空 间 占 用 的 空 间 小其 它 结 构 复 杂前 悬 架 用得 较 多 结 构 简 单 、 成本 低 ， 前 悬 架上 用 得 少 结 构 简 单 、 成 本 低 结 构 简 单 、紧 凑 ， 轿 车上 用 得 较 多 结 构 简 单 ， 用 于发 动 机 前 置 前 轮驱 动 轿 车 后 悬 架 三 、 前 、 后 悬 架 方 案 的 选 择采 用 的 方 案 前 轮 和 后 轮 均 采 用 非 独 立 悬 架 ；前 轮 采 用 独 立 悬 架 ， 后 轮 采 用 非 独 立 悬 架 ；前 轮 与 后 轮 均 采 用 独 立 悬 架 。 1 前 轮 和 后 轮 均 采 用 非 独 立 悬 架 前 、 后 悬 架 均 采 用 纵 置 钢 板 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 。 如 图 a 对 前 轴 ， 这 种 偏 转 使 汽 车 不 足 转 向 趋 势 增 加对 后 桥 ， 则 增 加 了 汽 车 过 多 转 向 趋 势 轿 车 将 后 悬 架 纵 置 钢 板 弹 簧 的 前 部 吊耳 位 置 布 置 得 比 后 边 吊 耳 低 ， 于 是 悬架 的 瞬 时 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 。 1.横 向 稳 定 器 通 过 减 小 悬 架 垂 直 刚 度 ， 能 降 低 车 身 振 动 固 有 频率 n ， 达 到 改 善 汽 车 平 顺 性 的 目 的 。 2/ smcn四 、 辅 助 元 件 2.缓 冲 块 橡 胶 制 造 ， 通 过 硫 化 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 ， 它 兼 有 辅 助 弹 性 元 件 的 作用 。 这 种 材 料 起 泡 时 就 形 成 了 致 密 的 耐 磨 外 层 ，它 保 护 内 部 的 发 泡 部 分 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 。 6-3 悬 架 主 要 参 数 的 确 定 一 、 前 后 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 时悬 架 刚 度 c之 比 ， 即 fc=Fw/c。 1、 概 念1)静 挠 度 指 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 位 移 2)动 挠 度 1、 使 悬 架 系 统 由 较 低 的 固 有 频 率汽 车 前 、 后 悬 架 与 其 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 ， c 1、 c2为 前 、 后 悬 架 的 刚 度 （ N/cm） ； m1、 m2为 前 、 后 悬 架 的 簧 上 质 量 （ kg） 。 2/2/ 222111 mcnmcn 汽 车 前 、 后 部 分 的 车 身 的 固 有 频 率 n1和 n2（ 亦 称 偏 频 ） 可 用 下 式 表 示 2、 选 择 要 求 及 方 法 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 用 下 式 表 示 fc1=m1g/c1 fc2=m2g/c2 式 中 ， g为 重 力 加 速 度 （ g=981cm/s2） 。将 fc1、 fc2代 入 上 式 得 到 2211 /5/5 cc fnfn 希 望 fc1与 fc2要 接 近 ， 单 不 能 相 等 （ 防 止 共 振 ）希 望 fc1fc2 (从 加 速 性 考 虑 ， 若 fc2大 ， 车 身 的 振 动 大 ）2、 n1与 n2的 匹 配 要 合 适若 汽 车 以 较 高 车 速 驶 过 单 个 路 障 ， n1/n2 1时 的 车 身 纵 向 角 振动 要 比 n1/n2 1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 值 大 于 后 悬 架 的 静 挠 度 值 ， 推 荐 fc2=（ 0.60.8） 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 ： 3、 fd要 合 适 ,根 据 不 同 的 车 在 不 同 路 面 条 件 造以 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 1.001.45Hz， 后 悬 架 则 要 求 在 1.171.58Hz。原 则 上 轿 车 的 级 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 上 式 即 可 计 算 出 悬 架 的 静 挠 度 。 二 、 悬 架 的 弹 性 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 f（ 即 悬 架 的 变 形 ） 的 关 系 曲 线 。1)线 性 弹 性 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 弹 性 特 性 和 非 线 性 弹 性 特 性 两 种1、 定 义2、 分 类 特 点 ： 随 载 荷 的 变 化 ， 平 顺 性 变 化 2)非 线 性 弹 性 特 性定 义 ： 当 悬 架 变 形 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 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 特 点在 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 作 用在 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 运 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 ） 三 、 货 车 后 悬 的 主 、 副 簧 的 刚 度 匹 配车 身 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 平 顺 性 副 簧 参 加 工 作 前 、 后 的 悬 架 振 动 频率 变 化 不 大 确 定 方 法 使 副 簧 开 始 起 作 用 时 的 悬 架 挠 度 fa等 于 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 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 空 载 与 满 载 时 悬 架 载 荷 的 平 均 值 ，即 FK=0.5（ F0+FW） ， 并 使 F0和 FK间 平 均 载 荷 对 应 的 频 率 与 FK和FW间 平 均 载 荷 对 应 的 频 率 相 等 ， 此 时 副 簧 与 主 簧 的 刚 度 比 为 c a/cm=（ 2-2） （ +3） Wma FFcc 01/ 四 、 悬 架 侧 倾 角 刚 度 及 其 在 前 、 后 轴 的 分 配 重 点 ， 结 论 不 好 下 6-4 弹 性 元 件 的 计 算 一 、 钢 板 弹 簧 的 计 算1、 钢 板 弹 簧 主 要 参 数 的 确 定 1） 满 载 弧 高 fa 满 载 弧 同 fa是 指 钢 板 弹 簧 装 到 车 轴 （ 桥 ） 上 ， 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 f a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 了 在 车 架 高度 已 限 定 时 能 得 到 足 够 的 支 挠 度 值 ， 常 fa=1020mm。 2） 钢 板 弹 簧 长 度 L的 确 定钢 板 弹 簧 长 度 L是 指 弹 簧 伸 直 后 两 卷 耳 中 心 之 间 的 距 离在 总 布 置 可 能 的 条 件 下 ， 应 尽 可 能 将 钢 板 弹 簧 取 长 些 。推 荐 在 下 列 范 围 内 选 用 钢 板 弹 簧 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 。 注 ： 应 尽 可 能 将 钢 板 弹 簧 取 长 些 的 原 因增 加 钢 板 弹 簧 长 度 L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 下 ， 又 能 明 显 增 加 钢 板 弹 簧 的 纵 向 角 刚 度刚 板 弹 簧 的 纵 向 角 刚 度 系 指 钢 板 弹 簧 产 生 单 位 纵 向 转 角 时 ， 作 用 到 钢 板 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 3） 钢 板 断 面 尺 寸 及 片 数 的 确 定a.钢 板 断 面 宽 度 b的 确 定 有 关 钢 板 弹 簧 的 刚 度 、 强 度 等 ， 可 按 等 截 面 简 支 梁 的 计 算 公 式计 算 ， 但 需 引 入 挠 度 增 大 系 数 加 以 修 正 。 因 此 ， 可 根 据 修 正 后的 简 支 梁 公 式 计 算 钢 板 弹 簧 所 需 要 的 总 惯 性 矩 J0。 对 于 对 称 钢 板弹 簧 J0=（ K-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； 钢 板 弹 簧 总 截 面 系 数 W0用 下 式 计 算W0FW（ L-ks） /4W 式 中 ， W为 许 用 弯 曲 应 力 。对 于 55SiMnVB或 60Si2Mn等 材 料 ， 表 面 经 喷 丸 处 理 后 ， 推 荐 W在下 列 范 围 内 选 取 ； 前 弹 簧 和 平 衡 悬 架 弹 簧 为 350-450N/mm2； 后 副 簧为 220-250N/mm2。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 。 将 式 （ 6-6） 代 入 下 式 计 算 钢 板 弹 簧 平 均 厚 度 hp有 了 hp以 后 ， 再 选 钢 板 弹 簧 的 片 宽 b。c Wp EfksLWJh 6 )(/2 200 片 宽 b对 汽 车 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 的 扭 曲 应 力 增 大 。 前 悬 架 用 宽 的 弹 簧 片 ， 会 影 响 转 向 轮 的 最 大 转 角 。片 宽 选 取 过 窄 ， 又 得 增 加 片 数 ， 从 而 增 加 片 间 的 摩 擦弹 簧 的 总 厚 推 荐 片 宽 与 片 厚 的 比 值 b/hp在 610范 围 内 选 取 。 b.钢 板 弹 簧 片 厚 h的 选 择 矩 形 断 面 等 厚 钢 板 弹 簧 的 总 惯 性 矩 J0用 下 式 计 算J0=nbh3/12 式 中 ， n为 钢 板 弹 簧 片 数 。说 明 ：1、 改 变 片 数 n、 片 宽 b和 片 厚 h三 者 之 一 ， 都 影 响 到 总 惯 性 矩J 0的 变 化 ；2、 总 惯 性 矩 J0的 改 变 又 会 影 响 到 钢 板 弹 簧 垂 直 刚 度 c的 变 化 ，也 就 是 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 。 片 厚 h选 择 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 但 因 为 主 片 工 作 条 件 恶 劣 ， 为 了 加 强 主 片 及 卷 耳 ， 也常 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 又 要 求 最 厚 片 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 。 2、 钢 板 弹 簧 各 片 长 度 的 确 定 将 各 片 厚 度 hi的 立 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 的 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 果 存 在 与 主 片 等 长 的 重 叠 片 ， 就 从 B点 到 最 后 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 。各 片 实 际 长 度 尺 寸 需 经 圆 整 后 确 定 。 3、 钢 板 弹 簧 刚 度 验 算 刚 度 验 算 公 式 为其 中 式 中 ， a为 经 验 修 正 系 数 ， a=0.900.94； E为 材 料 弹 性 模 量 ； l 1、 lk+1为 主 片 为 第 （ k+1） 片 的 一 半 长 度 。 )(/6 11 3 1 kknk k YYaaEc )( 111 kk lla ki ik JY 1/1 111 /1 ki ik JY 用 共 同 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 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 半 径 计 算 1） 钢 板 弹 簧 总 成 在 自 由 状 态 下 的 弧 高 H0 定 义 ： 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（ 如 上 图 ） ， 称 为 钢 板 弹 簧 总 成 在 自 由 状 态 下 的 弧 高 H0，用 下 式 计 算H0=（ fc+fa+ f） 式 中 ， fc为 静 挠 度 ； fa为 满 载 弧 高 ； f为 钢 板 弹 簧 总 成 用 U形 螺 栓 夹 紧 后 引 起 的 弧 高 变 化 . 22 )(3( L ffsLsf ca s为 U形 螺 栓 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（ 2） 钢 板 弹 簧 各 片 自 由 状 态 下 曲 率 半 径 的 确 定 原 则 ： 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。 各 片 自 由 状 态 下 做 成 不 同 曲 率 半 径 的 目 的 是 ： 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 作应 力 ， 使 各 片 寿 命 接 近 。 矩 形 断 面 钢 板 弹 簧 装 配 前 各 片 曲 率 半 径 由 下 式 确 定Ri=R0/1+(20iR0)/Ehi 式 中 ， Ri为 第 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=2.1 105N/mm2； hi为 第 i片 的 弹 簧厚 度 （ mm） 。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 时 ， 要 求 做 到 ： 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 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 。 这 此 ， 选 取 各 片 预 应 力 时 ， 可 分 为 下 列 两 种 情 况 ：对 于 片 厚 相 同 的 钢 板 弹 簧 ， 各 片 预 应 力 值 不 宜 选 取 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 应 力 与 预 应 力 叠 加 后 的 合 成 应 力 在 300-350N/mm2内 选 取 。 1-4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 。0 1 ni iM在 确 定 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 或 如 果 第 i片 的 片 长 为 Li， 则 第 i片 弹 簧 的 弧 高 为HiLi2/8Ri 01 0 ini iW5、 钢 板 弹 簧 强 度 验 算 （ 1） 紧 急 制 动 时 前 钢 板 弹 簧 承 受 的 载 荷 最 大 ， 在 它 的 后 半 段 出 现 的 最 大 应 力 max用 下 式 计 算 max=G1m1 l2（ 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 ： m 1=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 max=G2m2 l1（ l2+ c） /（ l1+l2） W0+G2m2 /bh1 式 中 ， G2为 作 用 在 后 轮 上 的 垂 直 静 负 荷 ； m2 为 驱 动 时 后 轴 负 荷 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 板 弹 簧 片 宽 ； h 1为 钢 板 弹 簧 主 片 厚 宽 。 （ 2） 汽 车 驱 动 时 后 钢 板 弹 簧 承 受 的 载 荷 最 大 ， 在 它 的 前 半 段 出 现 最 大 应 力max用 下 式 计 算 （ 3） 钢 板 弹 簧 卷 耳 和 弹 簧 销 的 强 度 核 算 钢 板 弹 簧 主 片 卷 耳 受 力 如 图 6-17所 示 。 卷 耳 所 受 应 力 是 由 弯 曲 应 力 和 拉 （ 压 ） 应 力 合 成 的 应 力 =3F x（ 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 。 许 用 应 力 取 为 350N/mm2。对 钢 板 弹 簧 销 要 验 算 钢 板 弹 簧 受 静 载 荷 时 钢 板 弹 簧 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 ； 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 z 7-9N/mm2。钢 板 弹 簧 多 数 情 况 下 采 用 55SiMnVB钢 或 60Si2Mn钢 制 造 。 常 采用 表 面 喷 丸 处 理 工 艺 和 减 少 表 面 脱 碳 层 深 度 的 措 施 来 提 高 钢 板 弹簧 的 寿 命 。 表 面 喷 丸 处 理 有 一 般 喷 丸 和 应 力 喷 丸 两 种 ， 后 者 可 使钢 板 弹 簧 表 面 的 残 余 应 力 比 前 者 大 很 多 。 6-5 主 动 与 半 主 动 悬 架 系 统 1 主 动 悬 架 系 统 主 动 悬 架 中 不 再 有 传 统 意 义 上 的 “ 弹 簧 刚 度 ” 和 “ 阻 尼 特 性 ” ，悬 架 中 的 弹 簧 和 减 振 器 全 部 或 者 至 少 部 分 被 执 行 元 件 所 取 代 。基 本 原 理 是 靠 自 身 的 能 源 通 过 执 行 元 件 对 振 动 进 行 “ 主 动 ” 干预 。分 类 ： 根 据 执 行 元 件 的 响 应 带 宽 可 分 为 宽 带 主 动 悬 架 和 有 限带 宽 主 动 悬 架 两 种 ， 两 种 悬 架 又 分 别 称 为 全 主 动 悬 架 和 慢 主动 悬 架 。 主 动 悬 架 动 画 1） 全 主 动 悬 架概 念 ：全 主 动 悬 架 系 统 所 采 用 的 执 行 元 件 具 有 较 宽 的 响 应 频 带 ， 以 便对 车 轮 的 高 频 共 振 也 加 以 控 制 。执 行 元 件 多 采 用 电 液 或 液 气 伺 服 系 统 ，控 制 带 宽 一 般 应 至 少 覆 盖 0 15Hz， 有 的 执 行 元 件 响 应 带 宽 甚至 高 达 100Hz。 全 主 动 悬 架 工 作 原 理 的 示 意 图 (单 个 车 轮 ) A-执 行 元 件 E-比 较 器 F-力 传 感 器 P-电 位 器 V-控 制 阀1-悬 挂 质 量 2-加 速 度 传 感 器 3-信 号 处 理 器 4-控 制 单 元 5-进 油 6-出 油 7-非 悬 挂 质 量 8-路 面 输 入 系 统 主 要 由 执 行 元 件 、 各 种 必 要 的 传 感 器 、 信 号 处 理 器和 控 制 单 元 等 组 成 。控 制 单 元 根 据 检 测 到 的 各 种 信 号 判 断 汽 车 的 当 前 状 态 ，并 根 据 事 先 设 定 的 控 制 策 略 决 定 执 行 元 件 该 输 出 多 大 的 力 。系 统 内 部 靠 力 闭 环 控 制 保 证 执 行 元 件 输 出 的 力 满 足 指 令要 求 。实 际 使 用 时 ， 还 必 须 包 括 更 多 的 传 感 器 以 检 测 必 要 的 系统 状 态 量 ， 比 如 转 向 时 与 汽 车 运 动 相 关 的 横 向 加 速 度 、 方向 盘 角 速 度 ， 还 有 汽 车 车 速 、 发 动 机 油 门 开 度 、 制 动 踏 板位 置 以 及 汽 车 车 身 高 度 等 系 统 状 态 量 。系 统 工 作 原 理 及 过 程 主 动 悬 架 布 置 图 1-悬 架 位 移 传 感 器 2-后 悬 架 执 行 元 件3-车 门 开 关 传 感 器4-隔 离 阀 5-前 悬 架 执 行 元 件6-控 制 阀 7-液 压 泵 8-油 门 位 置 传 感 器 9-车 速 传 感 器 10-控 制 踏 板 位 置 传 感 器 11-方 向 盘 传 感 器 12-中 央 控 制 单 元 性 能 指 标 评 价 标 准主 动 悬 架 的 性 能 指 标 可 以 用 多 个 系 统 输 出 变 量 的 均 方 根 值 的 加权 和 来 表 征 。这 些 变 量 可 以 包 括 车 身 加 速 度 、 车 轮 与 地 面 间 的 动 载 、 车 轮 相对 于 车 身 的 位 移 以 及 执 行 元 件 的 作 用 力 等 。 系 统 的 控 制 变 量 也 比 传 统 的 被 动 悬 架 要 多 ， 并 且 参 数 的 选 择范 围 也 更 宽 。 主 动 悬 架 特 点 要 求 执 行 元 件 所 产 生 的 力 能 够 很 好 地 跟 踪 任 何 力 控 制 信 号 因 此 ， 它 为 控 制 律 的 选 择 提 供 了 一 个 广 阔 的 设 计 空 间 ， 即如 何 确 定 控 制 律 以 使 系 统 能 够 让 车 辆 达 到 最 佳 的 总 体 性 能 。研 究 表 明 ， 主 动 悬 架 能 够 在 不 同 路 面 及 行 驶 条 件 下 显 著 地提 高 车 辆 性 能 。 2） 慢 主 动 悬 架 慢 主 动 悬 架 将 执 行 元 件 的 频 响 带 宽 降 低 到 只 考 虑 车 身 的 垂 直 、 俯仰 和 侧 倾 振 动 以 及 汽 车 的 转 向 反 应 ， 不 考 虑 车 轮 刚 度 所 对 应 的 频率 ， 也 即 带 宽 降 至 3 4Hz。它 与 前 述 的 主 动 悬 架 在 被 测 状 态 量 和 控 制 实 施 等 方 面 都 有 类 似 ，唯 一 的 差 异 就 是 执 行 元 件 带 宽 的 降 低 。 一 类 为 当 其 不 起 作 用 (激 励 频 率 超 过 响 应 带 宽 )时 可 以 像 普 通弹 簧 一 样 工 作 ， 比 如 气 压 执 行 元 件 ， 在 这 种 情 况 下 由 于 执行 元 件 可 以 支 持 车 身 的 重 量 ， 所 以 系 统 中 可 以 不 加 弹 簧 或并 联 一 个 弹 簧 。另 一 类 为 不 起 作 用 时 变 为 刚 性 体 的 执 行 元 件 ， 如 滑 阀 控 制 的 液 力 作 动 器 ， 在 这 种 情 况 下 系 统 中 必 须 串 联 弹 性 元 件 在 慢 主 动 悬 架 中 ， 可 以 选 用 两 类 执 行 元 件 轿 车 用 慢 主 动 悬 架 原 理 图 1-悬 挂 质 量2-空 气 弹 簧3-阻 力 阀4-比 例 流 量 控 制 阀5-接 油 泵6-接 油 罐 7-轮 胎 刚 度8-非 悬 挂 质 量 9-执 行 元 件 慢 主 动 悬 架 特 点由 于 慢 主 动 悬 架 执 行 元 件 仅 需 在 一 窄 带 频 率 范 围 内 工 作 ， 降 低了 系 统 的 成 本 及 复 杂 程 度 。比 全 主 动 悬 架 便 宜 得 多 。它 的 主 动 控 制 仍 然 覆 盖 了 主 要 的 车 身 振 动 ， 包 含 纵 向 、 俯 仰 、侧 倾 及 转 向 控 制 等 要 求 的 频 率 范 围 ， 改 善 了 车 身 共 振 频 率 附 近 的行 驶 性 能 ， 提 高 了 对 车 身 姿 态 的 控 制 。性 能 可 达 到 与 全 主 动 悬 架 系 统 很 接 近 的 程 度 。就 实 用 性 及 商 业 竞 争 力 而 言 ， 慢 主 动 悬 架 有 较 好 的 应 用 前 景 。半 主 动 悬 架 不 需 要 油 泵 、 过 滤 器 、 储 油 器 、 冷 却 器 及 输 油 管 等附 件 ， 几 乎 不 消 耗 发 动 机 功 率 ， 并 且 制 造 可 控 阻 尼 减 振 器 不 像 制造 电 液 伺 服 液 力 执 行 元 件 那 样 复 杂 ， 悬 架 系 统 的 制 造 成 本 和 运 行 成 本 可 大 大 降 低 。 2 半 主 动 式 悬 架 与 主 动 悬 架 的 比 较半 主 动 悬 架 与 主 动 悬 架 的 区 别 在 于 用 可 控 阻 尼 的 减 振 器 取代 了 执 行 元 件 。可 控 阻 尼 减 振 器 所 起 的 作 用 与 主 动 悬 架 中 执 行 元 件 的 作 用类 似 ， 都 是 通 过 系 统 内 的 力 闭 环 控 制 实 现 控 制 单 元 提 出 的 力要 求 。所 不 同 的 是 执 行 元 件 要 做 功 ， 而 减 振 器 则 是 通 过 调 节 阻 尼力 控 制 耗 散 掉 的 能 量 的 多 少 ， 几 乎 不 消 耗 汽 车 发 动 机 的 能 量 。显 然 ， 在 半 主 动 悬 架 中 ， 必 须 并 联 弹 簧 以 支 持 悬 挂 质 量 ， 一般 情 况 下 该 弹 簧 刚 度 是 不 变 的 。 分 类半 主 动 悬 架 包 括 阻 尼 连 续 可 调 式 和 可 切 换 阻 尼 式 两 类 ，前 者 的 阻 尼 系 数 在 一 定 的 范 围 内 可 以 连 续 变 化 ，后 者 的 阻 尼 系 数 只 能 在 几 个 离 散 的 阻 尼 值 之 间 进 行 切 换 。 各 自 特 点可 切 换 阻 尼 系 统 与 前 面 介 绍 的 阻 尼 可 调 自 适 应 悬 架 的 区别 在 于 阻 尼 值 停 留 在 特 定 设 置 的 时 间 长 短 不 同 。 阻 尼 可 调自 适 应 悬 架 在 每 一 设 置 上 停 留 的 时 间 较 长 (一 般 在 5s以 上 )而 可 切 换 阻 尼 式 悬 架 的 设 置 则 可 在 每 一 车 辆 振 动 周 期 变化 范 围 内 在 频 繁 地 改 变 (切 换 速 度 为 十 几 毫 秒 )。 常 见 的 可 切 换 阻 尼 式 悬 架 一 般 设 置 2至 3个 档 位 ， 阻 尼 系 数可 在 几 档 之 间 快 速 切 换 ， 切 换 的 时 间 通 常 为 10 20S。 控 制方 法 通 常 采 用 Karnopp等 提 出 的 算 法 ， 即 根 据 车 身 的 相 对 速度 和 绝 对 速 度 来 改 变 系 统 阻 尼 的 设 置 。以 两 挡 切 换 系 统 为 例 ， 如 果 二 者 符 号 相 同 ， 阻 尼 为 硬 设 置 ；否 则 为 软 设 置 。 可 切 换 阻 尼 悬 架 的 设 计 关 键 是 发 展 先 进 的 控 制 阀 技 术 ，保 证 切 换 时 间 能 足 够 短 ， 以 便 使 复 杂 的 控 制 策 略 的 应 用 成为 可 能 。但 这 也 将 导 致 阻 尼 器 的 制 造 成 本 升 高 ， 目 前 这 种 快 速 切 换阻 尼 系 统 在 实 际 应 用 中 仍 不 多 见 。 可 切 换 阻 尼 式 悬 架 应 用 连 续 可 调 减 振 器 的 两 种 基 本 结 构 形 式 一 种 是 通 过 调 节 减 振 器 节 流 阀 的 面 积 而 改 变 阻 尼 特 性 的 孔 径 调节 式 ， 其 孔 径 的 改 变 一 般 可 由 电 磁 阀 或 其 它 类 似 的 机 电 式 驱 动 阀来 实 现 ；另 一 种 是 电 流 变 或 磁 流 变 可 调 阻 尼 器 ， 其 工 作 原 理 是 通 过 改 变电 场 或 磁 场 强 度 来 改 变 流 变 体 的 阻 尼 特 性 。两 种 结 构 中 ， 前 者 技 术 较 为 成 熟 ， 后 者 属 于 新 兴 技 术 ， 随 着 对这 项 技 术 的 研 究 和 突 破 ， 将 会 成 为 一 种 较 有 前 途 的 半 主 动 悬 架 。 back