小型商用车的后悬架设计[【优秀毕业课程设计】

- I - 小型商用车的后悬架设计 目 录 第一章 绪论 . 1 车悬架概述 . 1 内重卡钢板悬架发展现状 . 2 文研究的背景及意义 . 3 毕业论文研究内容 . 3 第二章 汽车悬架概述 . 5 架基本概念 . 5 架概念 . 5 架最主要的功能 . 5 架基本组成 4 6 . 5 架类型 7 . 6 架系统研究与设计的领域 . 6 架设计要求 . 7 架的主要特性 . 7 架的垂直弹性特性 . 7 振器的特性 . 8 章小结 . 9 第三章 悬架对汽车主要性能的影响 . 10 架对汽车平顺性的影响 . 10 架弹性特性对汽车行驶平顺性的影响 . 11 架系统中的阻尼对汽车行驶平顺性的影响 . 14 簧载质量对汽车行驶平顺性的影响 . 15 善平顺性的 主要措施 . 15 架与汽车操纵稳定性 . 16 车的侧倾 . 16 倾时垂直载荷在左、右侧车轮上的重新分配及 其对稳态响 - 应的影响 . 18 章小结 . 20 第四章 对长安星卡 悬架的设计 . 22 及其结构强度校核 . 22 钢板弹簧的种类 . 22 钢板弹簧主要元件结构选取 . 24 板弹簧断面形状 . 24 簧端部形状 . 25 簧卷耳 . 26 簧包耳 . 27 板弹簧中心螺栓 . 28 簧夹箍 . 29 普通多片钢板弹簧设计与计算 . 29 同曲率法介绍 . 29 钢板弹簧设计的已知参数 . 30 章小结 . 44 第五章 三 维作图 . 45 软件的简介 . 45 维作图 . 46 设计界面 . 46 板弹簧悬架设计绘制过程 . 48 计优点 . 52 板弹簧的工程图 . 53 章小结 . 54 结 论 . 55 - 1 - 第 1章 绪论 车悬架概述 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 1。导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对对于车架 (或车身 )的运动特性，并传递除弹性元件传递的垂直力以外 的各种力和力矩。当用 纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置作用。缓冲块用来减轻车轴对车架 (或车身 )的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。 根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。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，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等 ， 它的主要功用如下 2： 1 缓和、抑制由于不平路面所引起的振动和冲击，以保证汽车的行驶平顺性； 2 迅速衰减车身和车桥 (或车轮 )的振动； 3 传递作用在车轮和车架 (或车身 )之间的各种力 (驱动力、制动力、横向力 )和力矩 (制动力矩和反作用力矩 )； 4 保证汽车行驶稳定性。 为了完成 1、 2 项功能，悬架使用了弹簧和减震器。汽车悬架常用的弹性元件有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、橡胶弹簧及空气弹簧等。减震器有多种形式，现在最常用的是筒式减震器。 为了完成 3、 4 项功能，悬架采用了适当的导向干系把车架 (车身 )与车轴(车轮 )联接起来。导向杆系有多种新式，可单独用其中的一种，也可将几种配合起来使用。钢板弹簧悬架中的钢板弹簧不仅用作弹性元件而且兼起导向的作用 。 为了减轻车轴对车架 (或车身 )的直接冲撞，采用了缓冲块。为了减小车身的侧倾角，有的汽车还装有横向稳定杆。 钢板弹簧简介 3 - 2 - 钢板弹簧是 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（厚度可以相等，也可以不相等）的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁。 当钢板弹簧安装在汽车悬架中，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 便相互靠近。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。 主片卷耳受力严重，是薄弱处，为改善主片卷耳的受力情况，常将第二片末端也弯成卷耳，包在主片卷耳的外面，称为包耳。为了使得在弹性变形时各片有相对滑动的可能，在主片卷耳与第二片包耳之间留有较大的空隙。有些悬架中的钢板弹簧两端不做成卷耳，而采用其他的支撑连接方式，如橡胶支撑垫。 扁平长方形的钢板呈弯曲形，以数片叠成的底盘用弹簧，一端以梢子安装在吊架上，另一端使用吊耳连接到大梁上，使弹簧能伸缩。目前适用于中大型 的货卡车上 。 内重卡 钢板 悬架发展现状 钢板弹簧悬架 (简称板簧悬架 )又分为少片变截面钢板悬架与等截面多片板簧悬架。目前国内 95%以上的重卡悬架系统是以钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，其主要优点是结构简单，制造容易，维修方便，工艺成熟，工作可靠。缺点是汽车平顺性、舒适性较差；簧下质量大，无法适应重卡轻量化的发展，并且不能同时兼顾重卡的舒适性与操纵稳定性。 国内汽车悬架弹簧生产企业 160 余家，遍布全国各地，具有规模的专业生产企业 (生产规模在 吨以上 )约 80 余家。产品质量水平已达到国外先进 国家 90 年代水平。大部分企业规模较小，生产集中度低，散乱差问题较严重。其中真正形成大规模、大批量生产的企业为数不多，大多仍停留在简单生产工艺的水平上，产品成本较高，难以参与国际市场竞争。国内能够生产高档次汽车钢板悬架弹簧的企业只有 4 家：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、重庆红岩汽车弹簧厂、山东汽车弹簧厂，他们都具有生产多种叠片簧、渐变刚度弹簧、少片变截面钢板弹簧和双曲率半径及平直段的汽车钢板弹簧的能力。国内能够同时生产客车、货车、轿车悬架弹簧的厂家只有三个：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬 架弹簧有限公司、山东汽车弹簧厂 。 - 3 - 文研究的背景及意义 国内汽车悬架弹簧生产企业 160 余家，遍布全国各地，具有规模的专业生产企业 (生产规模在 吨以上 )约 80 余家。产品质量水平 刚 达到国外先进国家 90 年代水平。大部分企业规模较小，生产集中度低，散乱差问题较严重。其中真正形成大规模、大批量生产的企业为数不多，大多仍停留在简单生产工艺的水平上，产品成本较高，难以参与国际市场竞争。国内能够生产高档次汽车钢板悬架弹簧的企业只有 4 家：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、重庆红岩汽车弹簧厂、山东汽 车弹簧厂，他们都具有生产多种叠片簧、渐变刚度弹簧、少片变截面钢板弹簧和双曲率半径及平直段的汽车钢板弹簧的能力。国内能够同时生产客车、货车、轿车悬架弹簧的厂家只有三个：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、山东汽车弹簧厂。 自主开发是中国汽车产业持续发展的保障。我国汽车产业在经过半个世纪的发展，已经初具规模，但是面临着能源紧张、技术落后、自主品牌严重缺乏以及国际竞争加剧带来的压力。我国的汽车产业要加速、持续和健康的发展，并成为我国国民经济的支柱产业，必须坚持产业创新，选择面向自主发展具有中国特色的 产业创新模式，推动汽车产业结构的升级、技术的进步、以及民族品牌的崛起。 所以为了适应汽车产业的自主开发道路，对悬架进行设计和强度计算并进行推广交流显得尤为重要 毕业论文研究内容 本文主要对小型商用车 微卡的后悬架进行设计研究。 1 钢板弹簧的结构设计 介绍钢板弹簧的设计方法，确定钢板弹簧的主要参数的过程和结构的设计过程 。 - 4 - 图 12 对钢板弹簧进行结构强度分析 介绍钢板弹簧悬架结构强度分析方法和过程。 3 最后以长安星卡 型为例设计后悬架 钢板弹簧悬架，结构设计和强 度设 计，并对其结构强度分析。 - 5 - 第 2章 汽车悬架概述 悬架是汽车的车架与车桥或者车轮之间的一切传力、连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，并且缓冲 衰减 由不平路面传给车架或车身的冲击，以保证汽车能平顺行驶。 架基本概念 架概念 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 。 架最主要的功能 悬架最主要的功能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。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量、非悬挂质量 (即非簧载质量 )和弹簧 (弹性元件 )组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架 或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。 架 基本 组成 4 6 悬架主要由弹性元件、导向机构和减振器组成，有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。 弹性元件受冲击后会产生持续的振动，使乘坐不适，因此，设有减振器将振动迅速衰减，使振幅迅速减小。 导向机构用来确定车轮相对于车架或车身的运动，传递除垂直力以外的 - 6 - 各种力和力矩。 为减少车轴对车架或车身的直接冲 撞，一些汽车悬架上装有缓冲块，起限制移动行程。横向稳定杆的作用是减少转弯时车身的侧倾，并提高轮胎 对地面的附着力。 架类型 7 1 根据导向机构的结构特点，汽车悬架可以分为非独立悬架和独立悬架两大类。 (1) 非独立悬架是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮 。 (2) 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，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等。 2 按照弹性元件的种类， 钢板弹簧悬架、螺旋 弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等 。 架系统研究与设计的领域 汽车悬架系统的研究 与设计 主要是为了提高汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性。汽车悬架系统的研究 与设计的领域 也相应地分为两大部分：一是对汽车平顺性产生主要影响的悬架特性；另一是对汽车操纵稳定产生主要影响的悬架特性 。 前一部分主要是对悬架的弹性元件和阻尼元件特性展开工作，主要是将路面、轮胎、非簧载质量、悬架、簧载质量作为一个整体进行研究 与设计 ，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激励下，影响汽车平顺性的弹性元件以及阻尼元件的力学特性 ，因此可以称之为悬架系统动力学研究。 后一部分主要是对悬架的导向机构进行工作，主要是研究在车轮与车身发生相对运动时，悬架导向机构如何引导和约束车轮的运动 、 车轮定位及影响转向运动的一些悬架参数的运动学特性。这一部分的研究称为悬架的运动学研究。考虑了弹性衬套等连接件对悬架性能的影响，则悬架运动学即为悬架弹性运动学。悬架弹性运动学是阐述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位等主要悬架参数的变化特性。这样悬架系统的运动学研究就包括了悬架运动学和弹性运动学两个方面的内容。 - 7 - 架设计要求 如前所述，汽车悬架和 簧载质量、非簧载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，并进一步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。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。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。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求 8 9： 1 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； 2 合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间力和力矩可靠传递 。 3 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； 4 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 ”)； 5 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； 6 便于布置 7 所有零部件应具有足够的强度和使用寿命； 8 制造成本低； 9 便于维修、保养。 悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总 成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。 架的主要特性 架的垂直弹性特性 汽车悬架的垂直弹性特性表示作用在悬架上的垂直载荷与在轮轴上方的变形之间的关系。 - 8 - 图 2架弹性特性曲线 弹住特性上任意点的悬架刚度 c，为 ： (2当簧下质量固定不动时，而又无减震器时，簧上质量的自由振动偏频0212 00 (2振器的特性 减振器阻力 P 与其活塞位移速度 y 之间的关系。 经常用的是双向作用的，具有非对称特性及卸荷阀的减振器。在现有的减振器中，复原阻力系数比压缩阻力系数要大 2 6 倍。 减震器的 外特性 主要指的是 阻力 10，特性图如下图 。 - 9 - 图 2震器的 外特性 章小结 本章通过对悬架的一般基础知识的介绍，对悬架有了初步的认识，了解其分类，功能，设计要求，熟悉悬架的弹性特。熟悉本章内容，对后文的分析和设计起基础作用。 悬架是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺行驶。依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量 (即簧载质量 )、非悬挂质量 (即非簧载质量 )和弹簧 (弹性元件 )组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。 悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。 - 10 - 第 3章 悬架对汽车主要性能的影响 悬架型式、导向杆系的布置以及悬架参数的选择等对汽车性能的影响，并不是孤立的，而是存在着一定的内在联系。为此从不同角度去分析汽车各种性能的影响 。 架对汽车平顺性的影响 良好的汽车行驶平顺性不仅能保证乘员的舒适与所运货物的完整无损，而 且还可以提高汽车的运输生产率、降低燃油消耗、延长零件的使用寿命及提高零件的工作可靠性等。 目前主要参照国际标准 评价汽车平顺性，它把乘员承受的疲劳 垂直振动而言，人体对 4 8振动最敏感，所以这一频带的界限值最低。为使人体承受的振动不超过规定的界限值，主要靠悬架来降低车身振动加速度均方根值。在一定随机路面不平度的输入下，车身加速度的均方根值的大小，取决于车身加速度 Z 对路面不平度 g 的幅频 特性“ Z /g”，与车身在悬架上振动的固有频率 n、非周期性系数 及非簧载质量 m 的大小有关。从下图可以看出，当车身固有频率越低曲线越低，车身加速度均方根值越小。 图 3频特性曲线 - 11 - 架弹性特性对汽车行驶平顺性的影响 1 车身固有振动频率 11 13 若不考虑轮胎和减震器的影响，则车身固有频率 0n = 20w = 21 (3式中 0w 固有角振动频率， s C 悬架刚度， N/m M 簧载质量， 于在静载荷作用下悬架的静挠度 cf=则 0n=21 (3当以每秒振动次数表示时， 0n= (3式中静挠度， 指汽车满载静止时悬架上的载荷 c 之比。 从上述公式中可见，车身振动的固有频率 、悬架刚度 由试验得知，为了保持汽车具有良好的平顺性，车身振动的固有频率应接近人体所习惯的步行时的身体上、下运动的频率 1 0 85次 /振动的加速度的 极限允许值为 从保持所运货物完整性的观点出发，车身振动加速度也不能过大，如果车身加速度达到 1g，则未经固定的货物可能离开车厢底板。因此为保证所运货物完整无损，振动加速度的极限值不应超过 - 12 - 悬架的动挠度通常指缓冲块压缩到其自由高度的 1 2 或 2 3)时，车轮中心相对车架 (或车身 )的垂直位移。 从图 3知，车身固有频率0可 以保证人体最敏感的 48于减震区。0身加速度的均方根值越小。但在悬架设计时，0主要是0架的动挠度布置上若不能保证足够大小的限位行程，就会使限位块撞击的概率增加。另外，0架设计不选取一定措施，就会增大制动“点头“角和转弯侧倾 角，使空、满载是车身高度的变化过大。各种车型车身固有频率0车 2行客车 级轿车 1 2 弹性特性 在悬架设计中，通常把力和变形的关系的关系曲线，即车轮受到的垂直外力与由此所引起的车轮中心相对于车身位移的关系曲线，称为悬架的弹性特性曲线，曲线的斜率为悬架的刚度。 a、线性弹性特性 线性弹性特性，即悬架变形与所受载荷成比例地变化。其刚度 G 是常数。一般钢板弹簧悬架即属此类。 具有线性弹性特性的汽车，在使用中其 车身振动的固有频率将随装载的多少而改变，尤其是后悬架载荷变化很大的货车和大客车，这种变化会使汽车前后悬架的频率相差过大，结果导致汽车车身的猛烈颠簸 (纵向角振动 )，因而使汽车行驶平顺性变坏。 图 3性特性曲线 a 线性弹性弹性 b 非线性弹性特性 - 13 - b、非线性弹性特性 非线性弹性特性的悬架，即悬架的刚度可随载荷的改变而变化，也称变刚度悬架。由于刚度 c 随载荷而改变，可以使得在载荷变化时，保持车身振动的固有频率不变，从而获得良好的汽车行驶平顺性。这时，在曲线上任意点 M，必须满足 P f=数 (3式中 P 特性曲线上任意点 M 的载荷 ； 任意点 M 的悬架刚度 ； f 求刚度 的次切矩 (不是悬架从原点的变形 )，也 有人 称 f 为悬架的折算静挠度 ； 在静载荷 汽车获 得较为 良好平顺性所要求的悬架静挠度。 因为 可将上式改写成 积分得 =A (3因为当 f=P=cp 所以 A= (3因此 P=不管载荷如何变，为保持车身固有频率不变，当载荷 P 等于大于架的特性应该是按指数函数的规律变化。然而，这种较为理想的弹性特性的悬架是难于实现的。 目前，在悬架设计中，只不过是力求减小固有频率随载荷而变化的幅度(或范围 )，从而不同程度地改善汽车行驶平顺性。 非线性的悬架掸性特性可以采用适当的悬架结构 (导向机构 )或弹性元件(如加辅助弹簧、调节弹簧、空气弹簧等 )来实现。 - 14 - 架系统中的阻尼对汽车行驶平顺性的影响 减震器起衰减振动的作用 14 16，对汽车平顺性有影响，其主要参数为阻尼系数，阻尼系数的选取要根据具体汽车的型号来选取。下图是减振器阻尼对车身振动衰减的曲线示图 图 3震器阻尼对振动的衰减作用 a振动完全没有衰减的曲线，车身按悬架的固有振动频率不断振动； b有衰减的情况，车身振动的振幅逐渐减小。 c减振器的衰减能力很强的情况，车身没有振动，车身的位移很快恢复到原位。 为了衰减车身 由路面反馈来 的自由振动和抑制车身、车轮 、车架等 的共振，以减小车身的垂直振动 所引起的 加速度和车轮 垂直方向振动 的振幅 (减小车轮对地面压力的变化，防止车轮 过于 跳离地面 )，悬架系统中应具有适当的阻尼。 当 增大时，动挠度的幅频特性q 在高、低两个共振区幅值均显著下降，在两个共振区幅值之间变化很小。 随阻尼比 增大，在低频共振区幅频特性 ,2z/,q 峰值下降 ， 车身加 速度均方根值 ，提高平顺性。 下图示出了车身加速度、车轮相对动载荷和弹簧行程与阻尼比 (相对阻尼系数 )之间的关系。 - 15 - 图 3 阻尼比的关系 图中曲线走向表示，只是弹簧行程 (线是随阻尼比单调变化，阻尼比愈 大，所要求的弹簧行程愈小，相反，对于车身加速度和车轮动载而言，可找到一个最佳阻尼比值。然面对车身加速度和车轮动载的最佳阻尼比值也是不同的，前者为 者为 0 4 以上，故设计人员只能从中采取拆衷方案。 簧载质量对汽车行驶平顺性的影响 由悬架支承的部件、总成等称为簧载质量 (或悬挂质量 )，不是由悬架支承的部分称为非簧载质量 (或非悬挂质量 )。减小非悬挂质量，使悬挂质量与非悬挂质量的比值较大，可以减小高频共振区车身振动加速度和减少车轮离开地面的机率。因此，在汽车设计中，为提高汽车行驶平顺性，采用非簧 载质量较小的独立是架更为有利 。 善平顺性的主要措施 (1) 增大悬架静挠度 (降低固有频率 )。使其频率接近 人体所习惯的步行时的身体上、下运动的频率。 - 16 - (2) 尽量减少非簧载质量。由频率公式得到减少非簧载质量，进而增大了簧载质量，同样有降低汽车固有频率的效果，从而也有使频率接近人体习惯的运动频率。 (3)配合适当的阻尼和限位行程。通过减震器来吸收路面传到车上的振动能量，使汽车振动得到衰减。 架与汽车操纵稳定性 所谓的汽车操纵稳定性，是指汽车能正确地按照驾驶员通过操纵转向系所确定的方向行驶，且 在外力干扰下，能保持稳定或经过干扰后在一定时间内恢复稳态工况的性能。影响操纵稳定性的主要参数是车轮偏离角、前轮定位角、导向杆系与转向杆系的运动协调性。 当汽车曲线行驶时，在离心力的作用下，由于轮胎的横向弹性和前、后悬架导向机构特性，一般会使转弯半径发生变化。在离心力的作用下，使转弯半径变大的特性称为不足转向，反之，称为过度转向。 车的侧倾 1 车身侧倾轴线 车身相对地面转动时的瞬时轴线称为车身侧倾轴线。该轴线通过车身在前、后轴处横断面上的瞬时转动中心，这两个瞬时中心称为侧倾中心。 侧倾中心到地 面的距离称为侧倾中心高度。侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧向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 悬架的侧倾角刚度 悬架的侧倾角刚度是指侧倾时 (车轮保持在地面上 )，单位车身转角时，悬架系统给车身总的弹性恢复力偶矩。 若令 r 为车身转角，则悬架的侧倾角刚度为K= 可以通过悬架的线刚度来计算侧倾角刚度。 (1) 悬架的线刚度 17 18 悬架的线刚度指的是车轮保持在地面上 ,车身作垂直运动时，单位车身位移时，悬架系统给车身的总弹性恢复力。 a 非独立悬架 - 17 - 具有非独立悬架的汽车车身作垂直位移时所受到的弹性恢复力，就是弹簧直接作用于车身的弹性力。所以，悬架的线刚度就等于两个弹簧线刚度之和。若一个弹簧的线刚度为 悬架的线刚度为 ： K=2 (3图 3独立悬架 b 独立悬架 具有独立悬架的汽车车身作垂直位移时，在垂直方向上车身受到的随位移而变的力包括两部分： 弹簧直接作用于车身的弹性力在垂直方向的分量 和 导向杆系约束反力在垂直方向的分量。 若能求出车身作垂直位移 就可以求出悬架的线刚度。即： (2) 悬架的侧倾角刚度 19 车身侧倾时受到悬架的弹性恢复力偶矩，可以用等效弹簧的概念来进行分析。车身上一侧受到的弹性恢复力，相当于一个上端固定于车身，下端固定于轮胎接地点且垂直于地面，具有悬架线刚度的螺旋弹簧施加于车身的弹性力。这个相当的弹簧称为等效弹簧。 - 18 - 图 3效弹簧 参照上图 3车厢发生小侧倾角 d r 时，等效弹簧的变形量为 2Bd r ,故车厢受到的弹性恢复力偶矩为 dT=d r 悬架侧倾角刚度为 K= 21 1 (3式中 1k 一侧悬架的线刚度； B 为轮距。 若已知悬架的线刚度 ，即可算出该悬架的侧倾角刚度。例如，单横臂独立 悬架的侧倾角刚度为 K=21 )( 应该指出，上面的计算只适用于小倾角，而且在分析中没有考虑导向杆系中铰接点处弹性村套的影响。实际轿车的前侧倾角刚度为 300 0），后侧倾角刚度为 180 0） 倾时垂直载荷对稳态响应的影响 在正常工作状态下，汽车左、有车轮的垂直载荷大体上是相等的。但曲线行驶时，由于侧倾力矩的作用，作用在前、后轴左、右车轮上的垂直反力，将是静止状态下的垂直反力及由侧倾引起的垂直反力变动量之和。这将使车轮垂直载荷在左、右车轮上是不相等（外侧车轮是增加垂直反力的，而在内 - 19 - 侧车轮则是减少垂直反力的），将影响轮胎的侧偏特性，导致汽车稳态响应发生变化。有的汽车甚至会从不足转向变为过多转向。 垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响 20 22。如下图 3示： 图 3直载荷对轮胎侧偏特性的影响 垂直载荷增大后，侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大；但垂直载荷过大时，轮胎与地面接触区的压力变得极不均匀，使轮胎侧偏刚度反而有所减小。 无侧向力作用时， 令0轴左、右车轮的垂直载荷 ，0个车轮的侧偏刚度 有侧向力作用时，设左、右车轮垂直载荷没有发生变化，则相应的侧偏角0为 0=02 (3实际上，在侧向力作用下，左、右车轮垂直载荷均发生变化。内侧车轮减少 W，外侧车轮增加 W，两个车轮的侧偏刚度随之变为 1k 、 由于左、右车轮的侧偏角相等，故有 1k + (3或 =1(3若令 0k=21 ， - 20 - 0k 为垂直载荷重新分配后每个车轮的平均侧偏刚度，则两个车轮的侧偏角为 =02 (3图 3右车轮垂直载荷再分配时侧偏刚度 由上图 3均侧偏刚度 0然0k 0k，即 0。进一步分析可知，左、右车轮垂直载荷差别越大，平均侧偏刚度越小。 由此可知，在侧向力作用下，若汽车前轴左、右车轮垂直载荷变动量较大， 汽车趋向于增加不足转向量；若后铀左、右车轮垂直载荷变动量较大，汽车趋于减少不足转向量 一般应使汽车有适度的不足转向特性 。 汽车前轴及后轴左、右车轮载荷变动量决定于：前、后悬架的侧倾角刚度、悬挂质量、非悬挂质量、质心位置以及前、后悬架侧倾中心位置等一系列参数的数值。 章小结 本章主要介绍了影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性的一些主要因素，如影响汽车行驶稳定性的有钢板弹簧的弹性特性、减震器的阻尼系数、非簧载质量等。 架型式、导向杆系的布置以及悬架参数的选择等对汽车性能的影响，并不是孤立的，而是存在着一定的内在联 系。 垂直载荷 W 侧偏刚度K 0k0k 1k 21 - 通过对本章内容得学习和研究，知道影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性的几个因素，知道在设计钢板弹簧悬架时，应该着重考虑这些因素，通过对这些因素的分析和研究，了解这些因素是如何影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性，从而在设计时综合各个方面的知识，设计出使汽车同时具有适当的行驶平顺性和操纵稳定性的钢板弹簧悬架。 - 22 - 第 4章 对长安星卡 悬架的设计 第 2章 及其结构强度校核 本章将具体设计计算钢板弹簧悬架，主要分结构和强度两方面，设计过程以长安星卡 例，设计其后钢板悬架。此车属于微卡系列，该车的图片如 下 。 图 4安星卡 图 钢板弹簧的种类 目前汽车上使用的钢板弹簧常见的有以下几种 23: (1) 普通多片钢板弹簧，如下图所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大客车上，弹簧弹性特性如图所示，呈线性特性 - 23 - 图 4通多片钢板弹簧 (2) 少片变截面钢板弹簧，如下图所示，为减少弹簧质量，弹簧厚度沿长度方向制成不等厚，其弹性特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性。这种弹簧主要用于轻型货车及大、中型载货汽车前悬 架 图 4截面钢板弹簧 (3) 两级变刚度复式钢板弹簧，如下图所示，这种弹簧主要用于大中型载货汽车后悬架。弹性特性如图所示，开始时仅主簧起作用，当载荷增加到某一值时副簧与主簧共同起作用，弹性特性由两条直线组成。 图 4级变刚度复式钢板弹簧 - 24 - （ 4）渐变刚度钢板弹簧，如下图所示，这种弹簧多用于轻型载货汽车与厢式客 车后悬架，副簧放置在主簧之下，副簧随汽车载荷变化逐渐起作用，弹簧特性呈非线性特性。 图 4变刚度钢板弹簧 后悬架载荷变化很大的货车和大客车，为防止汽车前后悬架的频率相差过大而导致汽车车身的猛烈颠簸 (纵向角振动 )，常用此类非线性特性的悬架，从而改善汽车行驶平顺性。 长安星卡 型是轻型货车，后悬架载荷变化不大。考虑经济适用性，选用线性悬架的普通多片钢板弹 簧。 钢板弹簧主要元件结构选取 板弹簧断面形状 汽车钢板弹簧弹簧断面形状主要有如下图所示的 4 种型式 24。 图 4形断面簧片 图 4矩形断面簧片由于制造简单，目前应用的比较多。矩形断面的中性轴位于断面中央，钢板上下表面的拉应力和压应力是相等的，由于材料的抗拉性能比抗压性能差，因此矩形断面钢板弹簧在承受拉应力的一面易破坏。一般轻型汽车多用此类型的簧片 - 25 - 图 4面带槽断面 图 4 形断面 图 4面带双槽断面 图 4 4图 4断面形状设计成不对称型式，使断面中性轴移近受拉断面，改变了应力分布情况，从而减小弹簧拉用力。实验表明，采用这种断面的钢板弹 簧比矩形断面弹簧寿命提高 30，节约材料 10左右。 但考虑长安星卡 型是轻型货车，矩形断面许用应力足够，而且加上制造方便，成本低，选用图 4形断面 。 簧端部形状 簧片端部形状常见有 3 种型式。 - 26 - 图 4形端部 第一种是矩形图 4种弹簧制造简单，在载货汽车上使用较多。片端呈矩形的簧片间摩擦阻力较大，增大了弹簧刚度。 图 4形端部 为克服图 4缺点，将簧片端部切去两角而呈梯形 ， 如图 4 图 4延端部 或将端部沿长度方向逐渐压 延减薄如图 c，也能克服 a 的缺点。这两种钢板弹簧不仅减小了弹簧片间摩擦，而且降低弹簧刚度，改善弹簧应力分布。端部压延弹簧由于增加了端部轧制工艺，使弹簧制造工艺复杂了。 考虑矩形图的缺点，选用图 b 的梯形图端部形状。 簧卷耳 钢板弹簧卷耳一般有 3 种结构 25 26，即下卷耳、上卷耳和平卷耳，如下图所示。上卷耳使用的较多，采用下卷耳主要是为了协调钢板弹簧与转向系的运动，下卷耳在载荷作用下容易张开，强度不易保证；平卷耳可以减少卷耳的应力，因为纵向力作用方向和弹簧主片断面的中 心线重合，对于不能增加主片厚度又但要保证主片卷耳强度的弹簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造比上述两种卷耳复杂，制造费用较高，一般轿车多采用平卷耳或下卷耳。 - 27 - 图 4卷耳 图 4卷耳 图 4卷耳 对于轻型货车常用上卷耳，故长安星卡 采用上卷耳图 4以避免下卷耳的强度不足和上卷耳的制作费用较高的缺点 . 簧包耳 汽车在使用条件恶劣的情况下，需要采用加强卷耳的措施。常见的是将第二片弹簧作成包耳形式，以保护主片。包耳常见的有 1 4 包耳 (图 4 3 4 包耳 (图 4轻型车或厢式客车多采用 1 4 包耳，而大型载货汽车和大型客车多采用 3 4 包耳。 本车长安星卡 于微卡， 故本车采用 1 4 包耳 。 - 28 - 图 4 4 包耳 图 4 4 包耳 板弹簧中心螺栓 中心螺栓的作用，除了夹紧各片弹簧外，又是安装钢板弹簧的定位销。中心螺栓在 U 形螺栓松动时易剪断，因此应有一定的强度。由于中心螺栓直径大小将影响弹簧断面强度，因此其直径不宜做的过大，一般与簧片厚度相等。下表是推荐的中心螺栓直径尺寸。中心螺栓一般用 15料作成，机械性能等 级为 。对于重型载货汽车，中心螺栓多用 40 40成。 表 4心螺栓直径尺寸 中心螺栓直径 8 10 12 14 16 簧片 厚 7 7 9 9 11 11 13 13 16 中心孔直径 本车类型为轻卡，故 簧片不用太厚，初步预定簧片厚度不大于 7 毫米。因此由上表得出中心螺栓直径先初步确定为 8螺栓由 15料作成 。 - 29 - 簧夹箍 弹簧夹箍除了防止弹簧各片横向错位之外，还能在弹簧回弹时，将力传递给其他簧片，减少主片应力。弹簧夹箍结构如下图所示。目前使用最多的是可拆式夹箍，如下图 a。为了防止弹簧横向扭曲时在簧片上产生过大的应力，在夹箍和弹簧片表面之间会留有一定的间隙，一般不小于 箍与弹簧片侧面间隙为 1 于不经常拆装换片的弹簧，大都采用了不可拆式夹箍，如下图 b，这种夹箍结构简单，减少制造费用，而且弹簧装配方便，多用于轿车和轻型载货汽车上。 图 4拆式夹箍 图 4可拆式夹箍 此车采用图 b 所示的不可拆式夹箍 ，结构简单，费用低 。 普通多片钢板弹簧设计与计算 同曲率法介绍 共同曲率法 27是假设钢板弹簧在任何载荷下，弹簧各片彼此沿整个长度无间隙接触，在同一截面上各簧片具有共同的曲率半径。如果将多片弹簧各片展开，将展成一个平面，组成一个新的单片弹簧。这个变宽度的单片弹簧力学特性和用共同曲率法假定的多片钢板弹簧式一样的，这样就可以用单片 - 30 - 弹簧计算方法来计算多片钢板弹簧。新单片弹簧计算方法常有梯形单片弹簧计算法和阶梯形单片弹簧计算法，本论文后面的设计内容根据梯形单片弹簧计算法，设计计算公式皆以此为基础。 图 4板悬架 簧片 图 4钢板弹簧片组，受力分析后 ，根据近似的假设， 可用下图的共同曲率法计算。 图 4同