輕型載貨汽車后懸架鋼板彈簧設(shè)計【輕型貨車鋼板彈簧懸架的設(shè)計】【依維柯歐霸輕卡車型】【說明書+CAD+CATIA】,輕型貨車鋼板彈簧懸架的設(shè)計,依維柯歐霸輕卡車型,說明書+CAD+CATIA,輕型載貨汽車后懸架鋼板彈簧設(shè)計【輕型貨車鋼板彈簧懸架的設(shè)計】【依維柯歐霸輕卡車型】【說明書+CAD+CATIA】,輕型,載貨 輕型載貨汽車后懸架鋼板彈簧設(shè)計 DESIGN OF LIGHT TRUCK SUSPENSION WITH LEAF SPRING 摘要 懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng)之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的總稱。懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩，并緩和汽車行駛過不平路面時所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車行駛的平順性。 本文根據(jù)給定參數(shù)，參考依維柯歐霸輕卡車型，介紹了懸架系統(tǒng)領(lǐng)域的研究與設(shè)計及其發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；概述了懸架系統(tǒng)對汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的影響；根據(jù)鋼板彈簧懸架設(shè)計的詳細步驟和設(shè)計要求，各主要零部件結(jié)構(gòu)的選型及計算；板簧弧高及曲率半徑的計算，材料強度、剛度的驗算、校核及減振器的選取。 關(guān)鍵詞：輕型載貨汽車，后懸架，鋼板彈簧懸架，減震器 ABSTRACT Suspension involves some related components, which exist to guarantee elastic contact between wheels or axle and the carrying system. It also has a great contribution in transferring the load, cushioning the impact, attenuating vibration, and regulating the position of the body of the running car. Apart from the transformation of force and moment between wheels and frame, it helps cushion the impact when uneven road surface is encountered, undermine the following vibration of carrying system, as a result, provide a great possibility of smoothly running. This paper firstly introduces the suspension system research and design and development status quo and tendency; Secondly detailed overview of the suspension system and manipulation stability comfort ability influences; Introduces emphatically the leaf spring again suspension design processes of the ship unlades and design requirements, the structure of the main parts selection and calculation, leaf-spring curvature, material strength, stiffness checking and checking, shock absorber selection and installation Angle calculation. KEY WORDS：Light truck, rear suspension, leaf spring suspension, shock absorber 目 錄 摘要 2 ABSTRACT 1 第一章 研究背景 1 1.1 課題研究背景 1 1.2 國外研究概況 1 1.3 國內(nèi)研究概況 3 1.4 本課題的研究意義和研究內(nèi)容 6 1.4.1 研究意義 6 1.4.2研究內(nèi)容 7 1.4.3研究方法 8 1.5本章小結(jié) 9 第二章 鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)分析 10 2.1鋼板彈簧概述 10 2.2鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 13 2.2.1鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu) 13 2.2.2鋼板彈簧懸架的工作原理 14 2.3本文設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)形式 15 2.3.1板簧懸架 15 2.3.2空氣懸架 16 2.3.3橡膠懸架 16 2.3.4總結(jié) 16 2.4懸架系統(tǒng)各主要零部件選型 17 2.4.1葉片斷面 17 2.4.2 葉片的端頭形狀 18 2.4.3 鋼板彈簧與車架的連接形式的確定 19 2.4.4 吊耳及鋼板彈簧銷的結(jié)構(gòu) 19 2.4.5 鋼板彈簧卷耳和襯套 19 2.4.6 彈簧夾箍 20 2.4.7鋼板彈簧中心螺栓 20 2.5技術(shù)經(jīng)濟分析 20 3.1懸架靜撓度和動撓度的選擇 23 3.2懸架彈性特性 24 3.3后懸架主、副簧剛度的分配關(guān)系 25 3.4懸架側(cè)傾剛度及其在前、后軸的分配 26 第四章 鋼板彈簧懸架的計算 27 4.1初選參數(shù) 27 4.1.1主片長度 27 4.1.2斷面尺寸及片數(shù)的確定 27 4.2 各片長度的確定 30 4.3鋼板彈簧的剛度驗算 31 4.4總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算 32 4.4.1.彈簧總成自由弧高的確定 32 4.4.2．各片副簧自由狀態(tài)下曲率半徑的確定 32 4.5鋼板彈簧總成弧高的核算 34 第五章 設(shè)計圖紙 35 第六章 結(jié)論 40 參考文獻 41 致 謝 45 第一章 研究背景 1.1 課題研究背景 懸架系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它是汽車車架與車軸之間一切傳力連接裝置的總稱，能保證他們之間的彈性連接。懸架系統(tǒng)能傳遞車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，并能緩和由于不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊載荷，衰減由此引起的振動，保證汽車平順地行駛。 從懸架的結(jié)構(gòu)型式來看，懸架可分別分為獨立懸架和非獨立懸架兩種。按其性能的不同，又可分為主動懸架、被動懸架和介于二者之間的半主動懸架。 由于懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置形式對汽車的行駛平順性、穩(wěn)定性、通過性、燃油經(jīng)濟性等多種使用性能都有影響，因此在設(shè)計懸架系統(tǒng)時，應(yīng)注意要滿足這些性能的要求。 懸架主要由彈性元件、減振器、導(dǎo)向機構(gòu)組成，在部分懸架中還有橫向穩(wěn)定桿和緩沖塊。彈性元件的作用是用來傳遞垂直力，并且與輪胎一起緩和由路面不平引起的振動和沖擊。其主要類型有鋼板彈簧、螺旋彈簧、空氣彈簧、扭桿彈簧、油氣彈簧和橡膠彈簧等。這些彈性元件各有自身的特點，所適用的環(huán)境也各不相同。與其它彈性元件相比，鋼板彈簧不僅起著彈性元件的作用，同時相鄰簧片之間的摩擦和鉸鏈處的摩擦還可以起到衰減振動的作用。 鋼板彈簧除了具有緩沖和減震功能之外，將其縱向布置時還還可以起到導(dǎo)向傳力的作用，從而簡化了懸架的結(jié)構(gòu)。并且其具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、保養(yǎng)和維修方便、制造成本較低等優(yōu)點，因而在實際中得到了廣泛應(yīng)用。實際當(dāng)中，非獨立懸架大多會采用板簧，而且還可以省去導(dǎo)向裝置。隨著在設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)型式、材料性能以及加工工藝等方面的不斷發(fā)展，鋼板彈簧能更好地滿足整車性能、疲勞壽命以及輕量化設(shè)計地要求。目前為止，鋼板彈簧仍然是載貨汽車和部分客車的非獨立懸架中主要采用的彈性元件[1,2]。 1.2 國外研究概況 在1954年，傳統(tǒng)經(jīng)典方法——共同曲率法就由前蘇聯(lián)專家帕爾希洛夫斯基[3]率先提出。其用該方法對鋼板彈簧進行了剛度驗算和應(yīng)力分析，分析過程中為了建立好模型提出了如下假設(shè)：鋼板彈簧在任何載荷作用下各簧片之間在整個長度上是完全貼合的，且在同一截面上各簧片曲率相同。這一假設(shè)使得在葉片的端部產(chǎn)生了彎矩突變，不能滿足片端無應(yīng)力的邊界條件，導(dǎo)致計算最末幾片應(yīng)力誤差較大，所求彈簧剛度也偏大。之后，也是前蘇聯(lián)專家提出了另一種經(jīng)典方法——集中載荷法[4]。該法所用的假設(shè)與共同曲率法不同，其假設(shè)鋼板彈簧在任何負(fù)荷作用下，各簧片之間只在端部和根部無摩擦地接觸，即首片簧在端部受到一個集中載荷同時受到第二片在端部給它的反作用力，而中間各簧片則受到其前一簧片給自己簧片端部的集中力和其后一簧片在端部給它作用的反力，末簧片就只受到其前一簧片給末簧片端部作用的集中力，且各簧片端部處相鄰兩簧片的撓度一樣。集中載荷法的假設(shè)與很多在工程應(yīng)用實踐中所發(fā)現(xiàn)的鋼板彈簧端部磨損很嚴(yán)重的事實吻合較好。由于共同曲率法和集中載荷法各有其合理之處，此后國外許多學(xué)者對這兩種方法的結(jié)合進行了深入廣泛的研究。到1980年，前蘇聯(lián)專家巴希洛夫斯基首先提出末尾兩簧片采用集中載荷法，而其余各簧片仍用共同曲率法的方法，為此巴氏還引用了一些應(yīng)力分布試驗的數(shù)據(jù)來驗證這個結(jié)論，但最后其所求得的結(jié)果和試驗結(jié)果之間有著較大的差別，計算的剛度值比實驗值大了15％甚至更多。但巴氏并沒有解釋誤差產(chǎn)生的原因，而是直接引入了剛度修正系數(shù)來解決這個問題[5]。后來，隨著有限元技術(shù)和CAE技術(shù)的不斷發(fā)展和在工程實踐中的成功應(yīng)用，越來越多的學(xué)者喜歡用此來對鋼板彈簧進行分析計算。Zahavi[6]針對鋼板彈簧的接觸問題首次采用有限元方法進行了研究，從鋼板彈簧的受載情況出發(fā)作分析，發(fā)現(xiàn)接觸過程與鋼板彈簧的變形有一定的關(guān)聯(lián)性。Toshio Hamano [7-8]等對鋼板彈簧的遲滯特性也應(yīng)用有限元方法進行了分析，其在劃分鋼板彈簧結(jié)構(gòu)時選擇了梁單元，而且還構(gòu)造了一種特殊的接觸單元用來處理非接觸和粘性接觸及滑動接觸等不同狀態(tài)，并用該特殊單元的節(jié)點力來代替簧片之間的正壓力和摩擦力，取得了不錯效果。A.Ghazi Zadeh等人[9]為了分析了鋼板彈簧時域和頻域特性，利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬鋼板彈簧特性，也獲得了想要的結(jié)果。目前，國外已經(jīng)提出了精益設(shè)計的概念來對鋼板彈簧進行研究，它將結(jié)構(gòu)的大變形問題考慮進去，并對片間的接觸狀態(tài)做準(zhǔn)確模擬，同時考慮各簧片組裝時的預(yù)應(yīng)力和工作應(yīng)力的組合，力求得到鋼板彈簧的精確設(shè)計。 2000 年，Thomas 等在 ADAMS/Car 中建立了某 12 噸商用車的整車模型，前懸架鋼板彈簧模型采用離散梁法建立，鋼板彈簧模型剛度特性進行了驗證，并且對整車模型進行了操縱穩(wěn)定仿真試驗[10-11]。 2006 年，Niklas Philipson 等在 Modelica 上發(fā)表了關(guān)于離散梁建模的文章，建立了某重型載貨汽車鋼板彈簧模型，對模型剛度進行了仿真驗證，結(jié)果表明該模型與試驗臺所測得的鋼板彈簧剛度相吻合[12]。 2006 年，Uday Prasade 等在 SAE 上發(fā)表了離散梁法的原理和步驟，將鋼板彈簧模型裝配到懸架模型中，進行了懸架動載荷仿真試驗，驗證了該模型能夠準(zhǔn)確模擬實際鋼板彈簧特性[13]。 2007 年，Jordi 等利用離散梁法建立了鋼板彈簧模型，研究了離散體數(shù)目對鋼板彈簧剛度的影響，并將其裝配到懸架中，研究了鋼板彈簧的導(dǎo)向作用及懸架動特性，建立了整車模型，對整車制動性進行了仿真分析[14]。 2007 年，Shahriar 等在 ADAMS 和 NASTRAN 中分別建立了由 20 個離散剛體組成的鋼板彈簧模型，吊耳在 ADAMS 中被作為剛性部件創(chuàng)建，仿真分析了兩種模型中前卷耳與車架連接處、后卷耳與吊耳連接處、后卷耳與吊耳連接處襯套的載荷情況[15] 1.3 國內(nèi)研究概況 鋼板彈簧設(shè)計計算的最主要任務(wù)就是計算它的剛度和應(yīng)力，國內(nèi)很多學(xué)者對其都有過研究，其中不少學(xué)者還對其分析計算提出了不錯的見解。當(dāng)然，國內(nèi)對鋼板彈簧的研究要比國外晚很多，這是由我國國情所致。在1979年，楊宗孟[16]就給出了一個鋼板彈簧的計算模型，在該模型中，末尾兩短簧片自由端處受到一集中載荷，其余簧片具有共同曲率。為了提高該模型的計算精度，其對各片片端厚度進行了修正，以便滿足簧片自由端處應(yīng)力（彎矩）為零的邊界條件。所給模型的剛性要比共同曲率法給定的模型小，為此其提出了一個設(shè)計觀點，就是在設(shè)計中考慮簧片接觸疲勞強度，并基于此推導(dǎo)出了相應(yīng)的計算公式。隨后，郭孔輝院士[17]在1984年提出了主片分析法，將剛度和應(yīng)力計算問題給統(tǒng)一起來。該方法從整簧撓度實質(zhì)上就是主片的撓度出發(fā)，將每一片都分成兩個部分，即受下一片夾持的約束部分和懸伸在下一片之外的非約束部分，在約束部分采用共同曲率假設(shè)，而在非約束部分則采用集中載荷假設(shè)。這種綜合假設(shè)有其合理的一面，能夠改正共同曲率法的某些不足之處，但不是全部，因為該方法仍然按照共同曲率假設(shè)對各片端所對應(yīng)的各片應(yīng)力進行計算，所以無法滿足相鄰兩片在片端接觸處的變形相等的邊界條件。之后，劉廣寬[18]在集中載荷假設(shè)基礎(chǔ)上也提出了改進的計算模型，認(rèn)為各簧片板端力對其上各簧片均有影響力，而影響力的大小可以依照共同曲率假設(shè)求出。顯然此方法不能滿足在各片端處作用力和反作用力相等的條件，導(dǎo)致難以獲得較理想結(jié)果，為此其對各板端力引入了一個修正系數(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的日益發(fā)展，有限元法因其具有精度高、收斂性好、使用方便等優(yōu)點逐漸被應(yīng)用到鋼板彈簧的設(shè)計計算中來[19]。鄭賢中[20]等基于三維罰函數(shù)法，從兩物體間的接觸狀態(tài)著手，結(jié)合接觸問題的邊界條件，推導(dǎo)出用有限元法模擬的數(shù)值方法。該方法減少了人為假設(shè)，不再把鋼板彈簧簡化為梁來計算，而是對其三維實體進行了有限元的精確離散化。而且其還充分考慮了簧片之間復(fù)雜的耦合作用，建立了汽車多片等截面鋼板彈簧的三維有限元動態(tài)計算的線性模型，并應(yīng)用該模型對鋼板彈簧進行了計算，主要模擬了其在動載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，取得了不錯的仿真效果。 CAE軟件的進一步發(fā)展開拓了有限元分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)已有學(xué)者嘗試應(yīng)用非線性有限元分析方法對鋼板彈簧進行分析。鄒海榮[21]針對汽車漸變剛度鋼板彈簧，應(yīng)用ANSYS軟件的非線性模塊，并考慮工作過程中的大變形等多種非線性因素，對其進行了靜態(tài)和動態(tài)有限元分析，求得了鋼板彈簧的應(yīng)力大小和分布。她根據(jù)所求計算結(jié)果對該漸變剛度鋼板彈簧的異常斷裂問題進行了解釋，并提出了避免其異常斷裂的思路。胡玉梅[22]等則針對SC1020汽車后懸架鋼板彈簧，用ANSYS有限元分析軟件在考慮接觸狀況下對其靜態(tài)強度和剛度進行了分析，并將分析結(jié)果同試驗值進行了比較，結(jié)果顯示用ANSYS有限元軟件分析得到的結(jié)果誤差在6%以內(nèi)，這在工程上是可以接受的。北京航空航天大學(xué)丁能根等[23]利用ANSYS有限元分析軟件對鋼板彈簧的遲滯特性進行了分析，其結(jié)合計算實例得出了鋼板彈簧加載和卸載過程的載荷-變形特性圖，并分析了不同摩擦系數(shù)對鋼板彈簧遲滯特性和阻尼特性的影響。此外，他還分析了正弦激勵對鋼板彈簧等效阻尼的影響，得出了激勵頻率和振幅與鋼板彈簧等效阻尼成反比的結(jié)論。近20年來，隨著多體系統(tǒng)動力學(xué)理論的興起和發(fā)展，不少國內(nèi)學(xué)者開始將之用在鋼板彈簧的分析計算上。王其東[24]基于多體系統(tǒng)動力學(xué)原理建立了汽車鋼板彈簧的動態(tài)分析模型，并采用ADAMS軟件對其動態(tài)特性進行計算機仿真，得到了鋼板彈簧動剛度與靜載荷、激振頻率及振幅之間關(guān)系。為了驗證仿真結(jié)果的正確性，他還做了臺架試驗進行了結(jié)果比對。之后，武漢理工大學(xué)的鄭銀環(huán)博士[25]根據(jù)現(xiàn)代接觸動力學(xué)理論，提出了采用非線性有限元方法和多體系統(tǒng)動力學(xué)方法相結(jié)合的方法分析鋼板彈簧，分析過程中考慮了片間接觸和摩擦情況，利用ANSYS和ADAMS軟件建立了鋼板彈簧的多柔體模型，并對其動特性進行了仿真，取得了不錯效果。 ADAMS 中有多種鋼板彈簧建模方法，主要有 SAE 三連桿法、等效中性面法和離散梁法。各種方法側(cè)重點不同，在建模方法上國內(nèi)有很豐富的研究。 2008 年，吳碧磊運用 SAE 三連桿法建模原理，采用退火算法，通過 ISIGHT 調(diào)整扭簧剛度，減小模型剛度與已知剛度之間的差值，最終得到比較精確的具有漸變剛度的鋼板彈簧模型。然后，在 ABAQUS 中建立了鋼板彈簧有限元模型，分析計算出鋼板彈簧剛度，與 ADAMS 建立的鋼板彈簧模型進行了對比驗證[26]。 2006 年和 2008 年，潘筱等在 ADAMS 中建立 C 型汽車整車模型，對整車模型進行了操縱穩(wěn)定性仿真試驗。模型詳盡考慮了前后懸架及輪胎模型，其中后懸架模型的鋼板彈簧模型采用等效中性面法建立[27-28]。 2007 年，秦東晨等運用等效中性面法建立了某車懸架鋼板彈簧模型模型，對模型進行了靜平衡仿真試驗，與臺架試驗結(jié)果進行了對比驗證。然后，將該模型裝配到整車模型中，進行了整車操縱穩(wěn)定性仿真試驗[29-30]。 2009 年，李二華等在 ADAMS/Car Leafspring 中建立了彈藥運輸車鋼板彈簧模型，并且將鋼板彈簧模型裝配到懸架模型中，通過虛擬試驗臺驅(qū)動，測出鋼板彈簧裝配情況下剛度[31]。 2009 年，韓翔總結(jié)了 ADAMS 中幾種鋼板彈簧建模方法，介紹了在 ADAMS/Chassis中建立鋼板彈簧模型的原理和步驟，建立了鋼板彈簧模型，對鋼板彈簧垂向剛度進行了仿真試驗[32]。 2009 年，朱毅杰在 ADAMS/Car Leafspring 中建立了鋼板彈簧模型，并建立了重型載貨汽車的前、后懸架模型[33]。 2010 年，馬天飛等介紹了 Timoshenko 梁理論，指出 BEAM 實際上是考慮了轉(zhuǎn)動慣量和剪切變形的歐拉梁，在 ADAMS/Car 中建立了不考慮摩擦的鋼板彈簧模型，將模型應(yīng)用到某商用車模型中，進行了整車平順性仿真試驗[34]。 綜上，學(xué)者們對重型載貨汽車懸架 K&C 特性研究還不系統(tǒng)，有待深入研究。 軸數(shù)更多的汽車（多于四軸），由于懸架系統(tǒng)靜不定，使得汽車在不平路面上行駛時各軸上的載荷分配不斷發(fā)生變化。如要得到可以保證車軸上載荷不變，且與路面結(jié)構(gòu)無關(guān)的懸架系統(tǒng)，其最好的方法是在靜不定的車軸上裝空氣彈簧懸架。但這會使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，很難調(diào)整恰當(dāng)和不易保修等。所以，應(yīng)力圖采用專同形式的鋼板彈簧懸架，并達到近似于空氣彈簧懸架的工作性能。 據(jù)分析得知，在多軸汽車上采用傳統(tǒng)的鋼板彈簧時，應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整吊耳長度和擺動角度。利用隨吊耳實際擺角迅速增加的吊耳水平分力，可得到工作載荷有一個在大值的一條懸架特性曲線。在這個最大值附近，懸架可以在近乎載荷不變的情況下工作。因此多軸汽車仍可采用結(jié)構(gòu)簡單的非平衡式鋼板彈簧懸架[35]。 長春汽車研究所由板簧整體撓度即主片的撓度觀點出發(fā)，提出了主片分析法，該方法把計算剛度與應(yīng)力的問題統(tǒng)一起來。他們根據(jù)實測得到的各個簧片上應(yīng)力的分布情況，提出了集中載荷與共同曲率二者相結(jié)合的假設(shè)，即用懸伸在下一片之外的非約束部分和受下一片夾持的約束部分來描述每一簧片的載荷工況，其中非約束的部分符合集中載荷的假設(shè)，約束的部分符合共同曲率假設(shè)[36]。這種假設(shè)能夠彌補共同曲率法的不足之處，但仍然按照共同曲率假設(shè)計算各片端部所對應(yīng)的各片應(yīng)力，因此，相鄰兩片在片端處變形相等的邊界條件仍舊不能得到滿足[37]。 武漢理工大學(xué)在集中載荷假設(shè)基礎(chǔ)上提出了各片板端力對其上各片均有影響力的計算方法，影響力的大小是按共同曲率假設(shè)求出的[38]。因不滿足在各片端處作用力與反作用力相等的條件，所以只好對各板端力引人修正系數(shù) 0.9～0.94[41]。在文獻[36]的基礎(chǔ)上，遼寧工學(xué)院和吉林工業(yè)大學(xué)提出約束部分不完全符合共同曲率的假設(shè)，對模型中各片的假設(shè)都一致，而且與實 驗結(jié)果相吻合，即末兩片宜采用集中載荷法，同時也使相鄰兩簧片在端部處變形相等的邊界條件得到滿足，相對上述的模型比較完善[41]。 2007年11月吉林大學(xué)的張寧同學(xué)在他的碩士學(xué)位論文中對鋼板彈簧懸架的設(shè)計計算進行了系統(tǒng)的研究和分析。他運用有限單元機選方法對鋼板彈簧的設(shè)計進行計算，開發(fā)了基于分析綜合法的汽車鋼板彈簧計算設(shè)計軟件，在論文中對鋼板彈簧設(shè)計和計算、對鋼板彈簧設(shè)計方法進行研究、運用有限元法對鋼板彈簧進行設(shè)計計算[39]。 由于種種原因，我國汽車絕大部分采用被動懸架。在半主動和主動懸架的研究方面起步晚，與國外差距大。在西方發(fā)達國家，半主動懸架在20世紀(jì)80年代后期趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，得到了較好的效果。主動懸架雖然提出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進入20世紀(jì)90年代，任僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車。未見國內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報道，只有北京理工大學(xué)和同濟大學(xué)等少數(shù)幾個研究機構(gòu)對主動懸架展開研究[41]。 1.4 本課題的研究意義和研究內(nèi)容 1.4.1 研究意義 懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一,它把車架(或承載式車身)與車軸(或與車輪)彈性的連接起來。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪與車架(或承載式車身)之間的一切力和力矩,并且緩和不平路面?zhèn)鹘o車架(或承載式車身)的沖擊載荷,衰減由沖擊載荷引起的承載系統(tǒng)的震動,以保證汽車的正常行駛。懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)性和舒適性有很大的影響。由此可見懸架系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車上是重要的總成之一。汽車懸往往被列為重要部件編入轎車的技術(shù)規(guī)格表，作為衡量汽車質(zhì)量的指標(biāo)之一。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,人們對懸架的性能提出了更高的要求,因此懸架的發(fā)展成為一種必然受到人們的重視,本課題即在對懸架知識的了解掌握的基礎(chǔ)上,對汽車后懸架進行設(shè)計。 本次課題的主要目的在于提高我們對汽車設(shè)計的認(rèn)識。其次通過計算，基于UG軟件建立鋼板彈簧的數(shù)學(xué)模型，對其優(yōu)化計算和分析。在滿足強度條件和剛度條件的要求下，使鋼板彈簧的質(zhì)量減少，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。并通過對其熱成形工藝分析，得出熱成形時的溫度和鋼板成形的應(yīng)力范圍，然后對這個范圍充自主開發(fā)是中國汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的保障。我國汽車產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)初具規(guī)模，但是面臨著能源緊張、技術(shù)落后、自主品牌嚴(yán)重缺乏以及國際競爭加劇帶來的壓力。我國的汽車產(chǎn)業(yè)要加速、持續(xù)和健康的發(fā)展，并成為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，必須堅持產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，選擇面向自主發(fā)展具有中國特色的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式，推動汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級、技術(shù)的進步、以及民族品牌的崛起。所以為了適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)的自主開發(fā)道路，對懸架進行設(shè)計和強度計算并進行推廣交流顯得尤為重要。 1.4.2研究內(nèi)容 汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計主要是為了提高汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。 汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計的領(lǐng)域也相應(yīng)地分為兩大部分：一是對汽車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性；另一是對汽車操縱穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的懸架特性。 前一部分主要是對懸架的彈性元件和阻尼元件特性展開工作，主要是將路面、輪胎、非簧載質(zhì)量、懸架、簧載質(zhì)量作為一個整體進行研究與設(shè)計，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激勵下，影響汽車平順性的彈性元件以及阻尼元件的力學(xué)特性，因此可以稱之為懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究。后一部分主要是對懸架的導(dǎo)向機構(gòu)進行工作，主要是研究在車輪與車身發(fā)生相對運動時，懸架導(dǎo)向機構(gòu)如何引導(dǎo)和約束車輪的運動、車輪定位及影響轉(zhuǎn)向運動的一些懸架參數(shù)的運動學(xué)特性。這一部分的研究稱為懸架的運動學(xué)研究?？紤]了彈性襯套等連接件對懸架性能的影響，則懸架運動學(xué)即為懸架彈性運動學(xué)。懸架彈性運動學(xué)是闡述由于輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位等主要懸架參數(shù)的變化特性。這樣懸架系統(tǒng)的運動學(xué)研究就包括了懸架運動學(xué)和彈性運動學(xué)兩個方面的內(nèi)容。 本課題主要是輕型載貨汽車懸架的設(shè)計，主要研究內(nèi)容有： (1)研究國內(nèi)外汽車懸架系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、市場等情況，研究各種類型汽車懸架的優(yōu)缺點、使用情況、結(jié)構(gòu)特點、基本原理等內(nèi)容； (2)分析汽車懸架的設(shè)計要求和國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)懸架設(shè)計的技術(shù)條件，確定汽車懸架的結(jié)構(gòu)； (3)懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的計算； (4)懸架系統(tǒng)各主要零部件的選型及詳細設(shè)計； (5)懸架系統(tǒng)彈性元件曲率；各特殊工況下強度，剛度的驗算校核； (6)根據(jù)SAE圓弧法對鋼板彈簧懸架的運動分析計算，分析了板簧系統(tǒng)關(guān)鍵點軌跡和關(guān)鍵角的變化，并用最小二乘法求出關(guān)鍵點軌跡的曲率中心和曲率半徑； (7)懸架系統(tǒng)裝配圖及其零部件工程圖紙的繪制。 1.4.3研究方法 為了使設(shè)計研究結(jié)果建立在科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕A(chǔ)上，使設(shè)計更符合實際情況，對割草車總體設(shè)計提出了以下研究方法： (1)通過實習(xí)、調(diào)查、上網(wǎng)以及文獻檢索等多種有效方法，系統(tǒng)收集汽車懸架的研究成果和相關(guān)的專業(yè)信息； (2)在對國內(nèi)外懸架的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢等情況進行系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上，確定設(shè)計策略，作為構(gòu)思總體設(shè)計方案的指導(dǎo)思想； (3)在分析懸架設(shè)計要求和各種類型懸架的優(yōu)缺點、使用情況、結(jié)構(gòu)特點、基本原理的基礎(chǔ)上，參考實習(xí)、調(diào)研得到的資料，分析懸架的設(shè)計要求和國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)懸架設(shè)計的技術(shù)條件； (4)在整車主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)整車的設(shè)計要求、技術(shù)條件要求，對懸架進行初步選型設(shè)計； (5)研究目前懸架的基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際應(yīng)用，運用所學(xué)基礎(chǔ)理論和機械設(shè)計方面的專業(yè)知識，確定其詳細的結(jié)構(gòu)方案和主要技術(shù)參數(shù)； (6)對懸架主要參數(shù)進行系統(tǒng)的優(yōu)化，對其主要結(jié)構(gòu)部件進行曲率、剛度、強度驗算、校核及運動分析； (7)根據(jù)整車布置和結(jié)構(gòu)需要，最終繪出標(biāo)準(zhǔn)機械工程圖紙。 1.5本章小結(jié) 本章主要介紹了汽車懸架系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。以及懸架領(lǐng)域主要的研究內(nèi)容。由于世界汽車工業(yè)的飛速發(fā)展必然帶來中國汽車工業(yè)的技術(shù)升級以及生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型，加上人們對汽車舒適性、操控性的要求越來越高，新型懸架系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)會發(fā)展的更快，而國內(nèi)為節(jié)約成本，懸架系統(tǒng)的制造都采用普通材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單，加工工藝也相對落后。再加上懸架加裝在底盤后的調(diào)校技術(shù)差距較大，所以導(dǎo)致整車的平順性和操控性不足。因此需要我們不僅在彈性元件材料的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及懸架系統(tǒng)的調(diào)試對整車性能的影響等這些方面做出更多的努力。 第2章 鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)分析 2.1鋼板彈簧概述 在工程實際問題中存在這樣一種情況，希望某種構(gòu)件在滿足強度要求的前提下，能盡量產(chǎn)生較大的彈性位移，象我們常見的彈簧就是這樣的構(gòu)件，它是使用對變形有足夠強度的材料制成的彈性元件。彈簧不僅是利用物體的彈性變形，還有一個目的就是充分利用它的彈性來吸收或貯存能量，即彈簧基本上就是一個能量儲存器。目前汽車懸架上的彈簧主要功用是傳遞車架作用的垂直力，并與輪胎一起緩合與吸收車輛行駛過程中受到的由不平路面引起的振動與沖擊。由于彈簧具有可伸長和壓縮的特性，它能把車輪在駛過不平路面時所產(chǎn)生的彈跳(能量)及時地吸收與釋放，同時可以實現(xiàn)車體的平衡與穩(wěn)定。而在減震器的調(diào)控下，部分儲存在彈簧中的能量會在其伸長(即回彈)時轉(zhuǎn)化成熱能散播于空氣中?，F(xiàn)代汽車懸架上我們所能見到的彈性元件除了有葉片式彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧等金屬彈簧以外，還有橡膠彈簧、油氣彈簧及空氣彈簧等非金屬彈簧。在這些各式各樣的彈簧中，它們都有其自身的特點，這使得它們的應(yīng)用場合不盡相同。一般載貨汽車上的非獨立懸架廣泛選用葉片式彈簧，大部分轎車的獨立懸架則采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，而在重型載貨汽車上氣體彈簧得到了廣泛應(yīng)用[42-43]。與其它彈性元件相比較，由于葉片式彈簧不僅起著傳遞各個方向的力和力矩的作用，還起著懸架機構(gòu)的一個構(gòu)件的作用（導(dǎo)向機構(gòu)用），這樣可直接省去導(dǎo)向裝置和減振器，使得懸架結(jié)構(gòu)大為簡化，而且它還具有工作可靠、保養(yǎng)維修方便、制造成本相對較低的特點，所以備受青睞，得到了非常廣泛的應(yīng)用。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，葉片式鋼板彈簧在結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計方法等上已經(jīng)有了進一步改進，在材料性能、加工工藝方面也不斷提高，這些使得葉片式鋼板彈簧能夠更好地滿足整車性能、疲勞壽命以及輕量化設(shè)計的要求。到目前為止，葉片式鋼板彈簧仍然是各類型載貨汽車和部分客車的非獨立懸架中主要采用的彈性元件。 葉片式彈簧就是我們常說的鋼板彈簧或是疊板彈簧，它是行駛系統(tǒng)中較重要的部件，它的任何損傷和故障，將會直接影響車輛的行駛平穩(wěn)性，不利于汽車的正常行駛。一般來說它主要用在貨車、客車等車種上的前后兩軸的懸架上，當(dāng)然在少量轎車上也有涉及，但僅限于轎車后軸的懸架上。通常這種彈簧的拱度、中心騎馬螺栓、夾箍、襯套、葉片、吊耳等對彈簧和安裝部分的連接狀況有密切的關(guān)系，影響整個懸架系統(tǒng)的彈簧特性[44]。鋼板彈簧的中部一般由騎馬螺栓剛性固定在車橋上，其兩端的卷耳則是用銷子鉸接在車架的支架上。這樣，車橋與車身便由鋼板彈簧將其連接起來，很方便地實現(xiàn)了緩沖、減振、傳力的目的。鋼板彈簧是由若干彈簧簧片 疊合而成，一般各簧片的寬度是相等的，但長度不相等，而厚度有的相等有的也不等。在自由狀態(tài)下，各簧片的曲率半徑不相等，通常下片小于上片?；善凶铋L的第一片稱為主片，其兩端設(shè)有卷耳。為了加強主片的卷耳，常將第二片末端也彎成卷耳用來包住主片卷耳。在結(jié)構(gòu)上，一般將鋼板彈簧在整體上做成一根近似于等強度的彈性梁，這樣可以更充分的利用材料。目前，常見的汽車鋼板彈簧類型有片等截面式、主副簧復(fù)合式、少片變截面式、漸變剛度式這四種，其中多片等截面式鋼板彈簧和少片變截面式鋼板彈簧屬于等剛度彈簧，而主副簧復(fù)合式和漸變剛度式彈簧屬于變剛度彈簧[45]，各類型示意圖如下所示。 圖 2-1 多片等截面式鋼板彈簧 圖 2-2 主副簧復(fù)合式鋼板彈簧 圖 2-3 漸變剛度式鋼板彈簧 圖2-4 少片變截面式鋼板彈簧 上述各類型汽車鋼板彈簧中，多片等截面式鋼板彈簧是傳統(tǒng)的鋼板彈簧，它由中心騎馬螺栓和若干片等寬、等截面但不等長的簧片夾連在一起，其各片的厚度可以相同，也可以不同，視需要而定，簧片之間通常涂有較稠的石墨潤滑劑。這種鋼板彈簧通常在大客車、各種載重汽車和拖拉機以及軌道機車上用得較多。多片鋼板彈簧的各簧片疊加成倒三角形狀，在最上端的主簧片最長，最下端的簧片最短，簧片的數(shù)量直接影響支承汽車的重量和減震效果。簧片越多越厚越短，相應(yīng)地彈簧剛性就會越大。當(dāng)鋼板彈簧工作時，簧片必定產(chǎn)生撓曲，進而使各簧片之間發(fā)生滑動摩擦而引起噪聲，同時摩擦還會引起彈簧的變形，導(dǎo)致汽車行駛不平順?；诖?，在承載量相對較小的輕型汽車上，少片鋼板彈簧應(yīng)用得較多，因為它能彌補多片鋼板彈簧的某些缺陷，并滿足人們在節(jié)約能源和提高汽車平順性方面的要求。少片鋼板彈簧是指單片或由2-4片組成一副的變截面鋼板彈簧，單片變截面鋼板彈簧強度要求往往達不到，所以不是特別安全，一般不在客車上使用?，F(xiàn)在我們常見的少片鋼板彈簧在寬度上是相等的，而厚度上則呈現(xiàn)兩端薄、中間厚的現(xiàn)象，這使得少片鋼板彈簧的簧片截面變化較大，從中間到兩端的截面是逐漸不同，因此其軋制工藝較為復(fù)雜。另外，少片變截面鋼板彈簧所采用的材質(zhì)也與等截面的多片鋼板彈簧有所不一樣，有的用鉻錳釩彈簧鋼，硬度也比多片等截面鋼板彈簧高得多。通常情況下還要對少片彈簧的彈簧片進行特殊工藝處理，以便提高其應(yīng)力，實現(xiàn)汽車輕量化。上述特點，使其較之傳統(tǒng)的多片鋼板彈簧節(jié)省了不少材料，減輕了30％-40％的重量，多的話甚至能減輕50％。另外，由于少片鋼板彈簧各簧片之間保持了一定的間隙，彈簧總成中間等厚平直段(騎馬螺栓夾緊部位)，同上下保護墊片之間和彈簧片之間均插入聚甲醛襯墊，消除了彈簧總成工作時在中間等厚平直段的直接擠壓摩擦。在承載時，除端部受力處和中部騎馬螺栓夾緊部位有接觸外，再無片間接觸現(xiàn)象，從而大大減少了片間摩擦和接觸疲勞，增加了疲勞壽命。除此之外，使用少片鋼板彈簧方便汽車布置，有利于降低整車高度；同時還能得到較大的撓度，且在小振幅振動時其剛度會略有增加，這可改善汽車行駛平順性和穩(wěn)定性，從而提高乘坐舒適性。由于少片鋼板彈簧有上述優(yōu)點，且符合乘車技術(shù)要求，因此在輕型汽車上得到了廣泛使用，現(xiàn)在一些大中型客車也開始嘗試使用這種鋼板彈簧[46]。 2.2鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 2.2.1鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu) 鋼板彈簧不僅能夠承受垂向、側(cè)向、縱向方向上的力，而且還能夠承受汽車制動和原地起步時的扭矩。此外，鋼板彈簧還能使作用力合理分布到車架和車身上，在縱向布置的鋼板彈簧懸架中，鋼板彈簧還起導(dǎo)向作用。鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、維修及保養(yǎng)方便，它能夠很好滿足整車性能、使用周期等需要，在汽車上得到了廣泛使用。絕大部分客車、重型載貨汽車都使用鋼板彈簧作為懸架中的彈性元件；部分的軍用汽車、越野汽車懸架以及部分轎車后懸架也使用鋼板彈簧。 鋼板彈簧第一片稱為主片，其兩端彎成卷耳，內(nèi)裝青銅或塑料、橡膠、粉末冶金制成的襯套，以便使用彈簧銷與固定在車架上的支架或吊耳作銷鏈連接。鋼板彈簧中部一般用U形螺栓固定在車橋上。中心螺栓用以連接各彈簧片，并保證裝配時各片的相對位置。中心螺栓距兩端卷耳的距離可以相等，（稱為結(jié)稱式鋼板彈簧）；也可以不相等（稱為非結(jié)稱式鋼板彈簧）。當(dāng)鋼板彈簧安裝在汽車懸架中，所承受的垂直載荷為正向時，各彈簧片都受力變形，有向上拱彎的的趨勢。這時車橋和車架便相互靠近。當(dāng)車橋與車架相互遠離時，鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和變形都逐漸減小，有時甚至反向。 圖2.5鋼板彈簧式非獨立懸架 鋼板彈簧中部通過 U 型螺栓和壓板固定在車橋上，簧片間通過彈簧夾夾緊，兩端分別通過卷耳和吊耳與車架相連，其結(jié)構(gòu)及安裝，如圖 2.2 所示。 1.彈簧夾 2.車軸 3.U 型螺栓及蓋板 4.卷耳 5.吊耳 圖 2.6鋼板彈簧結(jié)構(gòu)及安裝示意 2.2.2鋼板彈簧懸架的工作原理 主片卷受力嚴(yán)重，是薄弱處，為改善主片卷耳的受力情況，常將第二片末端也彎成卷耳，包在主片卷耳的外面（亦稱包耳）。為了使得在彈簧片變形時各片有相對滑動的可能。在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。有些懸架中的鋼板彈簧兩端不做卷耳，而采用兩端插入厚壁的橡膠支承墊中，靠橡膠變形保證彈簧變形時兩端的相移動?？v向力側(cè)向力直接由橡膠支承墊傳至車架，采用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是主片不易損壞，無需潤滑，有良好的消除噪音能力，但鋼板彈簧的縱向移動量受到限制，因此這種結(jié)構(gòu)只在較長而且剛度較大的鋼板彈簧上采用。 連接各片的構(gòu)件除中心螺栓外，還有若干個彈簧夾其主要作用是當(dāng)鋼板彈簧反向變形時，使各片不至于相互分開，以免主片單獨承載。此外，開可防止各片橫向錯動。彈簧夾用鉚釘鉚接在與之相連的最下面彈簧片的頂端。彈簧夾的兩邊用螺栓連接，在螺栓上有套管頂住彈簧夾的兩邊，以免將彈簧片夾得過緊。在螺栓套管與彈簧片之間有一定間隙（不小于1.5mm）。以保證彈簧變形時，各片可以相互滑動。 鋼板彈簧在載荷作用下變形時，各片之間有相對滑動而產(chǎn)生摩擦。可以促進車架振動的衰減。促進各片間的干摩擦，將使車輪所受的沖擊在很大的程度上傳給車架，即降低了懸架緩和沖擊的能力，并使彈簧各片加速磨損，這是不利的，為減少彈簧片的磨損，在裝和鋼板彈簧時每個片間必須涂上較稠的潤滑劑（石墨潤滑脂）并在定期進行保養(yǎng)。為了在使用期間長期儲存潤滑脂和防止污染，有時將鋼板彈簧裝在護套內(nèi)。 前已述及，鋼板彈簧本身還能兼起導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的作用，并且由于彈簧各片之間的摩擦而起到一定的減振作用。為了保證在彈簧片間產(chǎn)生定值摩擦里以及消除噪聲，可選在彈簧片之間夾入塑料墊片。如某些高級轎車后鋼板彈簧即采用次種結(jié)構(gòu)。 2.3本文設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)形式 本文的設(shè)計目標(biāo)為輕型載貨汽車后懸架系統(tǒng)，考慮到經(jīng)濟性和技術(shù)性要求，所以選用非獨立懸架。 汽車懸架的彈性元件一般有以下四種，見表2.1： 表2.1 彈性元件四種形式 鋼板彈簧 螺旋彈簧 扭桿彈簧 氣體彈簧 橡膠彈簧 其中螺旋彈簧和扭桿彈簧一般應(yīng)用于獨立懸架中，本文不作考慮。 以下分別為其他三種懸架。 2.3.1板簧懸架 鋼板彈簧懸架(簡稱板簧懸架)又分為少片變截面鋼板懸架與等截面多片板簧懸架。目前國內(nèi)95%以上的載貨汽車懸架系統(tǒng)是以鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨立懸架，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠。 缺點是汽車平順性、舒適性較差；簧下質(zhì)量大，無法適應(yīng)輕量化的發(fā)展，并且不能同時兼顧舒適性與操縱穩(wěn)定性。而空氣懸架則充分利用了空氣彈簧變剛性的特性，達到同時兼顧這兩個方面的目的。 2.3.2空氣懸架 空氣懸架系統(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件,以空氣做彈性介質(zhì),在一個密封的容器內(nèi)充入壓縮空氣(氣壓為0.5~0.7Mpa)，利用氣體的可壓縮性，實現(xiàn)其彈性作用的。這種彈簧的剛度可變，具有較理想的彈性特性。 目前空氣懸架控制模式主要有兩種，一種是采用機械高度閥手動調(diào)節(jié)。另一種為電子控制(ECAS)，使傳統(tǒng)空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，提高了懸架操作舒適性和反應(yīng)靈敏度。 2.3.3橡膠懸架 橡膠懸架是以橡膠彈簧為彈性元件，由于橡膠彈簧具有變剛度的特點，因此，整個懸架有較強的承載能力。橡膠懸架在承載性、可靠性等方面都比傳統(tǒng)使用的鋼板懸架更具優(yōu)勢，而且能夠適應(yīng)礦山作業(yè)等惡劣工況。 2.3.4總結(jié) 綜上所述，目前國內(nèi)最主要的懸架仍然為鋼板彈簧懸架，因為其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠?？紤]到成本控制及制造因素，本設(shè)計依舊采用鋼板彈簧后懸架。 鋼板彈簧懸架(簡稱板簧懸架)又分為少片變截面鋼板懸架與等截面多片板簧懸架。少片變截面鋼板彈簧克服了多片鋼板彈簧質(zhì)量大，性能差（由于片間摩擦的存在，影響了汽車的行駛平順性）的缺點。這種板簧對實現(xiàn)車輛輕量化，節(jié)約能源和合金彈簧鋼材大為有利，故應(yīng)用日漸廣泛。但其制造加工工藝復(fù)雜，成本高。所以本車選用等截面多片板簧，并設(shè)計成為漸變剛度，主副簧結(jié)構(gòu)的多片鋼板彈簧后懸架，以節(jié)約成本并有效提高其行駛平順性[46]。 原型車為依維柯輕型載貨汽車，其后懸架系統(tǒng)如圖2.7： 1-后鋼板彈簧；2-緩沖塊；3-減振器；4-吊耳；5-后鋼板彈簧后支架；6-前支架； 7-蓋板；8-U型螺栓 圖2.7 依維柯S系列后懸架 采用變剛度鋼板彈簧的目的是為了在空載（帶駕駛員）和滿載時都能獲得良好的平順性。汽車空載時，只要主簧起作用，載荷增加時隨著主簧的變形與副簧逐漸貼合，至設(shè)計載荷附近主副簧完全貼合共同起作用。變剛度板簧有利于提高汽車平順性，但在布置上要求有足夠的變形空間。 2.4懸架系統(tǒng)各主要零部件選型 2.4.1葉片斷面 最常用的板簧材料為熱軋彈簧扁鋼。矩形斷面，為了提高斷面葉片的疲勞強度，改善葉片間潤滑的情況，通常其制成兩頭帶圓弧或兩面有較大的凹陷弧度的矩形（如圖2.8 (a)）。 單面帶拋物線的斷面（如圖2.8(b)）和單面帶槽的斷面（如圖2.8 (c)、(d)）都采用改進后的特殊矩形斷面。其共同特點是使斷面的幾何形狀在垂直方向（厚度方向）不對稱，變形時的中性軸上移，葉片的上表面拉力減少，下面的壓力增加（一般材料的抗壓強度高于抗拉強度），提高了鋼板彈簧的疲勞強度，使疲勞壽命約提高了30％，同時可節(jié)約10％～14％的材料。 由于矩形斷面設(shè)計計算簡單，制造加工方便。所以本設(shè)計采用矩形斷面。 (a) 標(biāo)準(zhǔn)型；(b) 單面單槽；(c) 拋物線側(cè)邊；(d)單面雙槽 圖2.8 鋼板彈簧的截面形狀 2.4.2 葉片的端頭形狀 葉片的端頭形狀有直角形、梯形、橢圓形幾種。如圖2.4所示： (a)直角片端 (b)梯形片端 (c)橢圓形片端 圖2.9 葉片端頭形狀 直角形的制造容易，在載貨汽車上應(yīng)用比較廣泛，但是這種形狀的葉片端部剛度大，易引起壓應(yīng)力集中，因而增加了葉片的磨損和摩擦，很難設(shè)計成與等強度梁近似的結(jié)構(gòu)，此外，彈簧的質(zhì)量也很大。梯形的能制成比較接近等強度的結(jié)構(gòu)，克服了直角形的某些缺點。橢圓形的葉片末端壓延成所需要的變截面形狀，以得到等強度梁，并可增加葉片端部的彈性，減少片間的摩擦，改善應(yīng)力沿葉片長度方向的分布，從而使彈簧的質(zhì)量減小，這種端頭形狀的葉片在國外已日趨廣泛采用，在國內(nèi)因制造困難，故目前還比較少應(yīng)用。 由于本次設(shè)計是輕型載貨汽車的后懸架，考慮到制造工藝和經(jīng)濟性的要求，采用直角形端頭形狀。 2.4.3 鋼板彈簧與車架的連接形式的確定 鋼板彈簧與車架的連接形式目前常見的有鉸鏈連接、滑動連接、橡膠塊連接等。鉸鏈連接可承受垂直載荷和水平載荷，滑動連接只能傳遞垂直載荷，橡膠塊連接可有很好的減振作用，但橡膠塊易老化。本設(shè)計選用鉸鏈連接。 2.4.4 吊耳及鋼板彈簧銷的結(jié)構(gòu) 大多數(shù)板簧的支撐方式為一端采用固定卷耳，另一端采用擺動吊耳。擺動吊耳的結(jié)構(gòu)可以用C形、叉形以及分體式等。彈簧銷的支承、潤滑則可用螺紋式，自潤滑式?；瑒虞S承，橡膠支承，或者將板簧支承在橡膠座內(nèi)。螺紋式的好處在于可同時承受垂向及側(cè)向載荷，板簧側(cè)面不必加工，螺紋可起儲存潤滑劑和防塵的作用。螺紋表面滲碳以達到一定的硬度，一般其擠壓應(yīng)力為7Mpa。自潤滑式多用于轎車及輕型載貨汽車，具有不必加潤滑脂及噪聲小的特點。重卡上多使用滑動軸承式，一般采用銅合金或粉末冶金襯套，工作擠壓應(yīng)力約為3.5~7Mpa，這種結(jié)構(gòu)中，板簧卷耳兩側(cè)必須加工至規(guī)定寬度以便與支架或吊耳配合傳遞側(cè)向力。在采用橡膠支承時必須充分考慮其對懸架特性的影響。 本文采用一端采用固定卷耳，另一端采用擺動吊耳。擺動吊耳結(jié)構(gòu)采用分體式自潤滑式。 2.4.5 鋼板彈簧卷耳和襯套 鋼板彈簧主片端部制成以便安裝彈簧銷和用以與托架或吊耳連接。常用的卷耳型式有上卷耳、平卷耳、下卷耳、鍛造卷耳等，上卷耳應(yīng)用比較多。采用下卷耳主要是因為有時需要用來保證彈簧運動軌跡與轉(zhuǎn)向機構(gòu)協(xié)調(diào)，但是它在載荷作用下容易張開。車身高度受限時，采用下卷耳。平卷耳可以減少卷耳的應(yīng)力，應(yīng)縱向力作用方向和彈簧主片斷面的中心線重合，但制造復(fù)雜。鍛造卷耳，強度較高，它與彈簧主片分開為兩個零件，用螺栓連接起來，但由于制造成本比較高，目前應(yīng)用較少。本設(shè)計鋼板彈簧前端采用上卷耳式，后端采用吊耳式。 在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈簧主處需要得到加強，將第二、三片端部制成加強卷耳的包耳。由于本設(shè)計是輕型貨車，只將第二片設(shè)計成包耳。 鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國內(nèi)外汽車上已經(jīng)廣泛采用塑料襯套。因它具有耐磨，耐腐蝕、減振、不需要潤滑、重量輕的優(yōu)點。常用的塑料襯套材料為尼龍1010，聚甲醛等。 2.4.6 彈簧夾箍 彈簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯位之外，還能在彈簧回彈時，將力傳遞給其他簧片，減少主片應(yīng)力。彈簧夾箍結(jié)構(gòu)如下圖所示。目前使用最多的是可拆式夾箍。為了防止彈簧橫向扭曲時在簧片上產(chǎn)生過大的應(yīng)力，在夾箍和彈簧片表面之間會留有一定的間隙，一般不小于1.5mm，夾箍與彈簧片側(cè)面間隙為0.5～1mm。對于不經(jīng)常拆裝換片的彈簧，大都采用了不可拆式夾箍，這種夾箍結(jié)構(gòu)簡單，減少制造費用，而且彈簧裝配方便，多用于轎車和輕型載貨汽車上。此車采用不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡單，費用低。 2.4.7鋼板彈簧中心螺栓 中心螺栓的作用，除了夾緊各片彈簧外，又是安裝鋼板彈簧的定位銷。中心螺栓在U形螺栓松動時易剪斷，因此應(yīng)有一定的強度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧斷面強度，因此其直徑不宜做的過大，一般與簧片厚度相等。下表是推薦的中心螺栓直徑尺寸。中心螺栓一般用15MnVB材料作成，機械性能等級為8.8級。對于重型載貨汽車，中心螺栓多用40Cr或40MnB制成。 表2.2 中心螺栓直徑尺寸 中心螺栓直徑 8 10 12 14 16 簧片厚 ＜7 7～9 9～11 11～13 13～16 中心孔直徑 8.5 10.5 12.5 14.5 16.5 本車類型為輕卡，但為漸變剛度板簧，所以，因此由表2.2得出中心螺栓直徑先初步確定為12mm，由此得中心孔直徑為12.5，螺栓由材料15MnVB做成。 2.5技術(shù)經(jīng)濟分析 鋼板彈簧懸架主要由鋼板彈簧前后支架、若干片板簧、板簧蓋板、U型螺栓、中心螺栓、吊耳、板簧銷、緩沖塊、減振器等組成。它有加工工藝簡單，可靠耐用，結(jié)構(gòu)簡單成本低等優(yōu)點。本設(shè)計為等截面漸變剛度鋼板彈簧懸架，二級主副簧結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.10所示。 圖2.10 變剛度板簧的結(jié)構(gòu)示意圖 彈性元件選用二級厚度鋼板彈簧，本設(shè)計采用矩形斷面，設(shè)計計算簡單，制造加工方便。選用最常用的板簧材料熱軋彈簧扁鋼。選用直角形的端頭，制造容易，在載貨汽車上應(yīng)用比較廣泛，成本低。但是這種形狀的葉片端部剛度大，易引起壓應(yīng)力集中，因而增加了葉片的磨損和摩擦，很難設(shè)計成與等強度梁近似的結(jié)構(gòu)，此外，彈簧的質(zhì)量也很大。 懸架與車架采用鉸鏈連接。一端采用固定卷耳，另一端采用擺動吊耳。擺動吊耳結(jié)構(gòu)采用分體式自潤滑式，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。 鋼板彈簧前端采用上卷耳式。在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈簧主處需要得到加強，將第二、三片端部制成加強卷耳的包耳。由于本設(shè)計是輕型貨車，只將第二片設(shè)計成包耳。 鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國內(nèi)外汽車上已經(jīng)廣泛采用塑料襯套。因它具有耐磨，耐腐蝕、減振、不需要潤滑、重量輕的優(yōu)點。常用的塑料襯套材料為尼龍1010，聚甲醛等。本文選用橡膠材料，經(jīng)濟實用。 采用不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡單，費用低。中心螺栓選用一般常用的15MnVB材料做成，機械性能等級為8.8級。U型螺栓，也采用普通鋼材制造。鋼板彈簧前后支架、板簧上下蓋板等設(shè)計機構(gòu)簡單，易制造，而且都采用球墨鑄鐵等一般常用材料，經(jīng)濟實用。 橫向穩(wěn)定器選用普通彈簧鋼制造。汽車上加裝橫向穩(wěn)定器，就可以做到在不增大懸架垂直剛度c的條件下，增大懸架的側(cè)傾剛度，以保證汽車有不足轉(zhuǎn)向特性，提高整車的操縱穩(wěn)定性。 緩沖塊選用通常的硫化橡膠制造，經(jīng)濟實用。有些汽車選用多孔聚氨酯，它兼有輔助彈性元件的作用，是一種有很高強度和耐磨性的復(fù)合材料。這種材料起泡時就形成了致密的耐磨外層，保護內(nèi)部的發(fā)泡部分不受損傷。在載荷作用下彈性元件被壓縮，但其外廓尺寸增加卻不大，這點與橡膠不同。 減振器按其作用原理可分為單向作用和雙向作用式兩種。由于筒式減振器具有質(zhì)量小，性能穩(wěn)定，工作可靠，適宜大量生產(chǎn)等優(yōu)點，所以已經(jīng)成為汽車減振器的主流。筒式減振器又分為雙筒式、單筒式和充氣筒式等結(jié)構(gòu)，以雙筒式應(yīng)用最多。所以本文選用雙向作用筒式減振器。 綜上所述，本后懸架系統(tǒng)經(jīng)濟成本相對較低，不僅能滿足輕型載貨汽車各工況下的使用性能，而且還能相對提高整車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。第三章 懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的確定 3.1懸架靜撓度和動撓度的選擇 懸架靜撓度是指汽車滿載靜止時懸架上的載荷與此時懸架剛度之比， 式（3.1） 根據(jù)汽車?yán)碚摽芍浩嚽昂髴壹芘c其簧上質(zhì)量組成的振動系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行使平順性的主要參數(shù)之一。因現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)近似等于1，于是汽車前后軸上方車身兩點的振動不存在聯(lián)系。因此，汽車前后部分的車身的固有頻率和（亦稱偏頻）可用式(3.2)表示 式（3.2） 式中 分別為前后懸架的靜撓度，單位為。 由上式可以看出： (1) 懸架所受的垂直載荷一定時，懸架的剛度愈小，則汽車自然振動頻率愈低。但是懸架的剛度愈小，在一定的載荷下懸架的垂直變形就愈大，即車輪上下跳動所需空間就愈大，這對簧載質(zhì)量大的貨車，在結(jié)構(gòu)上是難以保證的，故實際上貨車的車身自然振動頻率往往偏高，而大大超過理想的頻率范圍。 (2) 當(dāng)懸架剛度一定時，簧載質(zhì)量愈大，則懸架的垂直變形就愈大，而自然頻率就愈低。故空車行使時的振動頻率比滿載時的高?；奢d質(zhì)量也愈大。各型車的偏頻及撓度值如表3.1所示。 表3.1 懸架的靜撓度、動撓度和偏頻 車 型 貨 車 1.5～2.2 50～110 60～90 驕 車 0.9～1.6 10～300 70～90 大客車 1.3～1.8 70～150 5