毕业设计（论文）-载货汽车前空气悬架总成的设计（全套图纸）

本科毕业设计（论文）载货汽车前空气悬架总成的设计学 院 机械工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 2016年 月 日 华南理工大学广州学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期：2016年 月 日学位论文版权使用授权书本人完全了解华南理工大学广州学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照有关要求提交学位论文的印刷本和电子版本；华南理工大学广州学院图书馆有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用复印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，可以公布论文的部分或全部内容。学位论文作者签名： 日期：2016年 月 日指导教师签名： 日期：2016年 月 日作者联系电话： 电子邮箱：摘 要 当今社会，汽车工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开汽车工业的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对载货汽车前空气悬架进行改良和优化是当务之急。生产载货汽车前空气悬架的企业，必须充分考虑到在载货汽车前空气悬架运行中可能出现的问题，尽量使载货汽车前空气悬架的标准化程度越高越好，稳定和强度越来越好，国内载货汽车前空气悬架的研发及制造要与全球号召的稳固牢靠、性能稳定主题保持一致。载货汽车前空气悬架的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。本次毕业设计的题目是载货汽车前空气悬架总成的设计，通过设计出载货汽车前空气悬架总成，来了解它的结构和工作原理，并对之进行优化，使得设计出来的载货汽车前空气悬架总成的结构更合理，更安全。 关键词：汽车 载货汽车前空气悬架 原理 结构全套图纸，加153893706I Abstract In todays society, the development of the automobile industry is affecting the development of the national economy, and the progress of human being can not be separated from the development of the automobile industry. In the global economic development environment, Chinas various industries are affected by the advanced technology of other countries at the same time, more and more foreign enterprises and brand spread to China has become a reality. Under the impetus of new market demand, it is urgent to improve and optimize the front air suspension. The production of truck air suspension of the enterprise, must give full consideration to the problems that may appear in the truck front air suspension operation, try to make the truck before the standardization of the air suspension, the higher the better, stability and strength is getting better and better, the domestic truck before R & D and manufacturing of air suspension to consistent with the call for a global firm, stable performance theme. The development of front air suspension is closely related to the progress of human society and the level of science and technology. The topic of this graduation design is the truck front air suspension assembly design, through the design of the truck front air suspension assembly, to understand its structure and working principle, and the optimization, makes the design of truck front air suspension assembly structure more reasonable and more secure.Keywords：Driving roller Crankshaft Processing craft SignificanceII 目 录1 绪论1 1.1课题的来源与研究的目的和意义1 1.2本课题研究的内容3 1.3悬架的概述3 1.4悬架的分类32 空气悬架结构7 2.1空气悬架结构简介93 载货汽车前空气悬架总体结构的设计12 3.1推力杆的设计计算14 3.2推力杆的强度计算与校核16 3.3螺栓的选型计算18 3.4弹性元件的设计20 3.5空气弹簧力学性能21 3.6高度控制阀224 悬架导向机构的设计24 4.1悬架导向机构的概述及强度受力计算24 4.2横向稳定杆的选择25 4.3稳定杆的横向载荷及强度25 4.4悬架及整车的刚度26结 论27参考文献28致 谢29III 1 绪论1.1 课题的来源与研究的目的和意义 我国公路条件的改善为汽车空气悬架创造了基本的使用条件。国内高速公路的发展对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求，对空气悬架国内市场产生了很大的促进作用。此外，重型汽车对路面破坏机理的研究及认识进一步加深，政府对高速公路养护的重视，限制超载逐步在国内各地受到重视，使空气悬架在重型车市场的应用也将进一步扩大，为适应高速公路运输的需要，高级载货汽车和大型载货车都必须使用空气悬架。 载货汽车市场的快速发展将大大拉动空气悬架的需求增长。近几年，空气悬架的需求主要是与高等级载货汽车的销售量直接相关，据统计，我国高级载货汽车的市场以每年15的速度增长。根据国家汽车行业“十五规划”要求：我国的载货汽车将“重点发展适应高速公路需要的大中型载货汽车，专用载货汽车底盘及关键总成”并“根据市场需求适当发展高档旅游载货汽车”。“十五规划”预测，2005年大中型载货汽车年需求量为1216万辆(其中大型载货汽车为35万辆，中型载货汽车为911万辆)，2002年7月，交通部颁布实施营运载货汽车类型划分及等级评定(JT/T325-2002)行业标准，新颁布实施的标准里面对大中型载货汽车配置悬架类型作了规定，其中高级大中型载货汽车必须采用空气悬架，这为空气悬架产品的推广使用创造了一个良好的外部环境。 本论文主要对载货汽车前空气悬架进行设计。通过对载货汽车前空气悬架进行设计，来了解载货汽车前空气悬架的结构组成、工作原理以及以后的发展趋势和现状。 我国生产的载货汽车前空气悬架结构简陋，稳定系数始终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的载货汽车前空气悬架的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，载货汽车前空气悬架的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的载货汽车前空气悬架势在必行！本文运用大学所学的知识，提出了载货汽车前空气悬架的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了载货汽车前空气悬架总的指导思想，从而得出了该载货汽车前空气悬架的优点是高效，经济，并且校正质量高，运行平稳的结论。 通过设计载货汽车前空气悬架，要求学生掌握大学四年所学到的知识，了解机械原理，机械设计，以及传动机构设计等方面的知识，综合运用绘图软件对载货汽车前空气悬架进行设计。通过本次毕业设计，综合提高学生的实际应用水平和设计能力。 相信此种载货汽车前空气悬架的出现将会大大提高载货汽车前空气悬架的稳定性和质量，为企业的生产的年产能方面，以及经济效益方面能够带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了汽车工业的不断发展。1.2 本课题研究的内容 本次设计主要针对载货汽车前空气悬架进行设计，从载货汽车前空气悬架的整体方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面：（1）通过网络和图书馆查找各种关于载货汽车前空气悬架的相关资料，对载货汽车前空气悬架进行方案的比较和预定。（2）分析载货汽车前空气悬架的结构与参数（3）确定设计总体方案（4）确定具体设计方案（5）载货汽车前空气悬架图纸的绘制。（6）说明书的整理1.3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。 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。1.4 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。 图1.2 独立悬架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2 空气悬架结构2.1空气悬架结构简介 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 载货汽车前空气悬架总体结构的设计 3.1推力杆的设计计算 本次设计的载货汽车前空气悬架的转推力杆主要是起到推动的功能，所以它的尺寸和强度的校核计算非常重要。（1）初步确定推力杆的直径mm （3.32）根据工作条件，取mm（2）传动推力杆受力分析N （3.33） N （3.34） N （3.35）图4.1 传动推力杆的受力简图（3）绘制传动推力杆的受力简图，求支座反力垂直面支反力：由，得： （3.36） 由，得： N （3.37）水平面支反力：由，得： （3.38） N由，得： N （3.39） （4）作弯矩图：垂直面弯矩图：C点 Nmm （3.40）水平面弯矩图：C点 Nmm （3.41）合成弯矩图：C点Nmm （3.42） （5）作转矩T图： Nmm （6）校核推力杆的强度：按弯扭合成应力校核推力杆的强度校核推力杆上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。由文献1，15-5可知，取，推力杆的计算应力 MPa （3.43）选定推力杆的材料为45钢，调质处理，由文献1表可知，MPa。因此，故安全。（7）精确校核推力杆的疲劳强度判断危险截面从应力集中对推力杆的疲劳强度的影响来看，截面IV和V引起的应力集中最严重，而V受的弯矩较大；从受载的情况来看，截面C的应力最大，但应力集中不大，故C面不用校核。只需校核截面V。截面V左侧抗弯截面系数 mm （3.44）抗扭截面系数 mm （3.45）截面V左侧的弯矩M为 Mpa （3.46）截面V上的扭矩T为 MPa 截面上的弯曲应 Mpa （3.47） 截面上的扭转切应力MPa （3.48）推力杆的材料为45钢，调质处理。由文献1表可知，MPa，MPa，MPa。由文献1 附表可知，用插入法求出 ，推力杆按精车加工，由文献1 附图可知，表面质量系数为： 推力杆未经表面强化处理，固得综合系数为 （3.49） 由文献1 ，可知，碳钢的特性系数 取 取所以推力杆在截面V左侧的安全系数为 （3.50） （3.51） （3.52）故该推力杆在截面V左侧的强度是足够的。3.2推力杆的强度计算与校核截面V右侧抗弯截面系数 mm抗扭截面系数 mm截面V左侧的弯矩M为 MPa截面V上的扭矩T为 MPa 截面上的弯曲应力 MPa截面上的扭转切应力 MPa截面上由于推力杆肩而形成的理论应力集中系数及按文献1附表查取。因， ，又由文献1附图可得推力杆的材料的敏感系数为 ，故有效应力集中系数按文献1，附为 （3.53） 由文献1附图可得推力杆的截面形状系数为由文献1附图可得推力杆的材料的敏感扭转剪切尺寸系数为综合系数为 所以推力杆在截面V左侧的安全系数为 故该推力杆在截面V左侧的强度是足够的。3.3螺栓的选型计算 螺栓的强度在机械联接中至关重要，特别是在重要的场合，其强度校核和计算尤其重要。其受力简图如上图所示，图中以合力代替均匀分布的作用力假设应力在剪切面内是均匀分布的，若为剪切面面积，则应力为：与剪切面相切，故为剪应力。2、挤压实用计算在工程上也使用相似剪切的计算方法，假设挤压应力是均匀分布的，则 挤压面面积为挤压面的正投影面积。对于平键接触面面积就是挤压面面积；对于螺栓挤压面面积就是直径平面面积，其值为。3、强度条件 剪切和挤压的强度条件如下：剪切强度条件：挤压强度条件： 式中塑性材料：脆性材料：先按剪切强度设计：?d再用挤压强度条件设计，挤压力为，所以? ?d 最后得到螺栓的抗大强度和抗剪强度是合适的。3.4 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。本设计的膜式的空气弹簧。图5.1 空气弹簧19 3.5 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。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K计算： (5.1)式中为刚度比，Pa为绝对压力（/），A为空气弹簧的有效面积，V为弹簧的体积，P为示压强 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，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。前悬的空气弹簧刚度K计算: =10600 =114+17.78当静刚度比=1时 131.78 当动刚度比=1.4时 177.38 用下式计算固有频率： （5.2）式中g为重力加速度980;W为簧上质量当用静刚度比时则 合格当用动刚度比时则 合格 弹簧的刚度公式为 从中可以看出，要想获得较软的刚度，应该增大V，但在布置上又不允许占用过高的空间，因而常常采用增加辅助气室的办法来达到增大V，减小刚度的目的。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。3.6 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。 4 悬架导向机构的设计4.1 悬架导向机构的概述及强度受力计算 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。图4.1 导向杆受力分析图4.2 导向杆断面图 （6.1） （6.2） (6.3) (6.3) （6.4） (6.5)式中c=337 mm e=346.4 mm A=844.46 得 =5.47 =5.4 导向杆材料的 则高的破坏安全率及降伏安全率分别为=8.71.6 合格 =5.11.3 合格 则低的破坏安全率及降伏安全率分别为=8.91.6 合格 =5.191.3 合格4.2 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，增加了车轮处的垂向刚度，会影响汽车的平顺性。 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。4.3 稳定杆的横向载荷及强度图6.3 横拉杆的受力轴力 （6.6）式中=3300 kg =则=3415 kg施加在杆上的拉伸（或压缩）应力= 则1.6 合格 1.3 合格4.4 悬架及整车的刚度 先分别计算前、后轴的侧倾刚度，然后再计算整车侧倾刚度6.4.1前轴的侧倾刚度图6.4 前轴的整车参数