YC1041货车悬架设计论文说明书

摘要:悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架与车轴弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；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，使汽车获得高速行驶能力。 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。 悬架能很好的增加驾驶员的舒适性，减轻汽车震动，使汽车能够平顺行驶。 关键字：悬架 振动。 目 录 1 前言 1 2 总体方案论证 3 2.1 独立悬架 3 2.2 悬架选择的方案确定 3 3 前后悬架系统的主要参数的确定 5 3.1 悬架静挠度 5 3.2 悬架的动挠度 5 3.3 悬架弹性特性 6 3.4 前悬架主销侧倾角与后倾角 7 4 弹性元件的计算 9 4.1 前悬架少片弹簧的设计 9 4.2.1 后悬架钢板弹簧的布置方案 9 4.2.2 后悬架钢板弹簧主要参数的确定 9 4.2.3 后悬架钢板弹簧各片长度的确定 12 4.2.4 后悬架钢板许用静弯曲应力验算 13 4.2.5 后悬架钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 14 4.2.6 后悬架钢板弹簧总成弧高的核算 15 4.2.7 后悬架钢板弹簧强度验算 16 5 减振器机构类型及主要参数的选择计算 18 5.1 减振器的分类 18 5.2 相对阻尼系数 18 5.3 减振器阻尼系数的确定 19 5.4 最大卸荷力的确定 20 5.5 简式减振器工作缸直径D的确定 20 6 结论 21 参 考 文 献 23 致 谢 24 1前言 悬架是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。 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。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。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。 尽管一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进，但从结构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件及导向机构的作用，麦克弗逊悬架(McPherson strut suspension，或称滑柱摆臂式独立悬架)中的减振器柱兼起减振器及部分导向机构的作用。 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。麦克弗逊悬架为独立悬架,钢板弹簧为非独立悬架。 鉴于YC1041轻型货车的特点，综合悬架的各自特性以及成本等方面，故将汽车的前悬设计为少片弹簧悬架，后悬设计为钢板弹簧悬架。 如前所述，汽车悬架和悬挂质量、非悬挂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作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求： a、通过合理设计悬架的弹性特征及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，既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或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； b、合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性的要求； c、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，否则可能引发转向轮摆振； d、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”）； e、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； f、便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间； g、所有零部件应具有足够的强度和使用寿命； h、制造成本低； i、便于维修、保养。 2 总体方案论证 2.1独立悬架 与非独立悬架比,独立悬架具有如下优点: a) 非悬挂质量小,悬架所受到并传给车身的冲击载荷小,有利用于提高汽车的行驶平顺性及轮胎的接地性能; b) 左右车轮的跳动没有直接的相互影响,可减少车身的倾斜和振动; c) 占有横向空间少,便于发动机布置,可以降低发动机的安装位置,从而降低汽车质心位置,有利于提高汽车的行驶稳定性; d) 易于实现驱动轮转向。 非独立悬架有多种结构型式,主要有: a) 双横臂式独立悬架特点:设计灵活,能有良好的行驶稳定性; b) 麦克弗逊悬架 特点可将导向机构及减振装置集合到一起,将多个零件集合在一个单元里。这样一来,它不仅简化了结构,减少了质量,还节省了空间,降低了制造成本,并且几乎不占用横向空间,有利于结构简单,有利于车身前部地板的构造和发动机布置; c) 滑柱摆臂式后悬架 特点:节省悬架对横向空间的占有,有利于布置宽敞的行李箱; d) 纵臂式后独立悬架与斜臂式后独立悬架 特点:常用于前驱车的后悬架 e) 单横臂式独立悬架 特点:结构简单,侧倾中心较高,有较强的抗侧倾能力,但当车轮跳动时会使主销内倾角和车轮外倾交变化大,故不宜用着前悬架。 2.2悬架选择的方案确定 目前汽车的前后悬架采用的方案有：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等几种。 前、后悬架均采用非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，于是内侧悬架受到拉伸,外侧悬架受到压缩，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个角度α。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。汽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高，于是悬架的瞬时运动中心位置降低，结果后桥轴线的偏离不再使汽车具有过多转向趋势。 另外，前悬架采用非独立悬架时，因前轮容易发生摆振现象，不能保证汽车有良好的操纵稳定性，所以前悬架采用独立悬架。 针对本课题(YC1041轻型货车的悬架)从经济性,结构布置的合理性等方面考虑前悬架采用少片弹簧悬架,后悬架采用钢板弹簧悬架。 3前后悬架系统的主要参数的确定及对整车性能的影响 3.1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，即。 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。因此，汽车前、后部分的车身的固有频率和 (亦称偏频)可用下式表示 （3-1） 式中，、为前、后悬架的刚度(N／cm)；、为前、后悬架的簧上质量(kg)。 当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可用下式表示 （3-2） 式中，g为重力加速度(g＝9.81m／)。 将、代人式(3-1)到 （3-3） 分析上式可知：悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频n。因此，欲保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确选取悬架的静挠度。 在选取前、后悬架的静挠度值和时，使之接近，并且后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小些，这有利于防止车身产生较大的纵向角振动。理论分析证明：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时小，故推荐取＝（0.8～0.9）。考虑到车后排乘客的乘坐舒适性，取后悬架的偏频接近前悬架的偏频。 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1.00～1.45Hz，后悬架则要求在1.17～1.58Hz。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0.80～1.15Hz，后悬架则要求在0.98～1.30Hz。货车满载时，前悬架偏频要求在1.50～2.10Hz，而后悬架则要求在1.70～2.17Hz。取=1.5Hz，=1.7Hz。代入（3-3）得=13.532cm, 取=13cm，=11cm 。 3.2悬架的动挠度 悬架的动挠度是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，车轮中心相对车架(或车身)的垂直位移。要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对轿车，取7～9cm；对大客车，取5～8cm；对货车，取6～9cm。由此可以看出，为了得到很好的平顺性，应当采用较软的悬架以降低偏频，但软的悬架在一定的载荷下其变形也大。对于一般货车悬架总的工作行程即静挠度与动挠度之和应当不小于13cm。悬架的静挠度及动挠度值受到汽车总布置允许的工作行程的限制，取前后悬架的动挠度均为130mm。 前悬架单侧悬架设计簧载质量600kg,空载簧载质量470kg，设计偏频为=1.5Hz，后悬架单侧悬架设计簧载质量1300kg,空载簧载质量430kg，设计偏频为=1.7Hz，为了满足空载时的偏频要求，代入（3-1）得=53.24N/mm，=148.17N/mm。 3.3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 (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之间不呈固定比例变化时，弹性特性如图3-1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。 钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的。 图3—1 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 3.4前悬架主销侧倾角与后倾角 主销的工作原理:汽车主销并没有一个固定的模式,不同类型的汽车主销的表现形式也不同.汽车前轴的轴荷通过谁给传给转向轮,转向轮又始终围绕谁在转,具备了这两个条件的就可以称为“主销” 。 A.主销后倾角:主销轴线在纵向平面内与通过前轮中心垂线的夹角叫主销后倾角. 主销后倾角的作用: a)保证汽车直线行驶的稳定性。主销后倾角越大,行驶中产生的离心力就越大,汽车直线行驶的稳定性就越好.但主销后倾角越大,汽车转向时所克服的反向推力就越大,转向就越重,所以主销后倾角不能超过3°。 b)适当加大主销后倾是帮助车轮回正的有效方法。 主销后倾角取3°。 B.主销内倾角 主销在前轴或悬架上安装时,上断略微向内倾斜一个角度,这个角度叫主销内倾角 。 (a)主销内倾角的作用： a) 帮助车轮自动回正; b) 使转向轻便。 (b)主销内倾角的确定： 传统汽车的主销内倾角通常在6°～8° ,而20世纪70年代以后开发的,主销内倾角通常在10°30′～12°30′左右 。悬架取 9°。 4.弹性元件的计算 4.1少片弹簧的设计 少片弹簧在乘用车和部分商用车上得到越来越多的应用。其特点是叶片有等长、等宽、变截面的1-3片叶片组成。利用变厚断面来保持等强度特性，并比多片弹簧减少20%-40%的质量。片间放有减摩擦作用的塑料垫片，或做成只在端部接触，以减少片间摩擦。 按线性变化 此时厚度，式中, ， 。单片弹簧的刚度为但式中系数k用代入，即 式中，；；。 当或时，弹簧最大应力点发生在处，此处 ，其应力值。 当时，最大应力点发生在B点，其值。 应小于许用应力。 有n片组成少片弹簧时，其总刚度为各片刚度之和，其应力则按各片所承受的载荷风量计算。少片弹簧的宽度，在布置允许的情况下尽可能取宽些，以增强横向刚度，常取75—100mm，取76mm。厚度,以保证足够的抗剪强度并防止太薄而淬裂，取10mm。取12—20mm取20mm。Error! No bookmark name given. 4.2钢板弹簧的设计 4.2.1钢板弹簧的布置方案 钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在少数轻、微型车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故采用纵置钢板弹簧。 纵置钢板弹簧又有对称式与不对称式之分。钢板弹簧中部在车轴(桥)上的固定中心至钢板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式钢板弹簧；若不相等，则称为不对称式钢板弹簧。多数情况下汽车采用对称式钢板弹簧。由于整车布置上的原因，或者钢板弹簧在汽车上的安装位置不动，又要改变轴距或者通过变化轴距达到改善轴荷分配的目的时，才采用不对称式钢板弹簧。所以采用对称式钢板弹簧。 4.2.2钢板弹簧主要参数的确定 初始条件：满载静止时满载时簧上质量1300kg,空载时簧上质量为430kg。静挠度为110mm,动挠度为130mm。轴距3500mm，半轴套直径80mm。 1.满载弧高 满载弧高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(不包括卷耳孔半径)连线间的最大高度差(图4-1)。用来保证汽车具有给定的高度。 当＝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动挠度值，常取＝10～20mm。取=20mm。 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。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。钢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；选用长些的钢板弹簧，会在汽车上布置时产生困难。原则上在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。 设计取长度L为37%轴距，则L=37%×3500mm≈1295mm。 图4-1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 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。对于对称钢板弹簧 (4-1) 式中，s为U形螺栓中心距(mm)；是为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数(如刚性夹紧，取，挠性夹紧，取)；c为钢板弹簧垂直刚度(N／mm)，; 为挠度增大系数(先确定与主片等长的重叠片数，再估计一个总片数=6，求得=1，然后用初定)；E为材料的弹性模量。E取2.06×Mpa,可求出 =1.5Hz =1.332 由，求出=7643.2N/mm 钢板弹簧总截面系数用下式计算 ≥ (4-2) 式中，为许用弯曲应力。 对于60Si2Mn等材料，表面经喷丸处理后，推荐在下列范围内选取：前弹簧和平衡悬架弹簧为350～450N／；后主簧为450～550N／；后副簧为220～250N／。 取500 N／ 将式(4-2)代人下式计算钢板弹簧平均厚度 (4-3) 求得=9.613mm, 有了以后，选钢板弹簧的片宽b。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和弹簧的总厚。推荐片宽与片厚的比值在6～10范围内选取。取b=75mm。 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用下式计算 (4-4) 式中，n为钢板弹簧片数。 求得h=9.7mm 由式(4-4)可知，改变片数n、片宽b和片厚h三者之一，都影响到总惯性矩的变化；再结合式(4-1)可知，总惯性矩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，片厚丸的变化对钢板弹簧总惯性矩了。影响最大。增加片厚九，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。 取相同的钢板厚度 钢板断面尺寸b和h符合国产型材规格尺寸。 图4-2 叶片断面形状 a)矩形断面 b)T形断面 c)单面有抛物线边缘断面 d)单面有双槽的断面 c)钢板断面形状 矩形断面钢板弹簧的中性轴，在钢板断面的对称位置上(图4—2a)。工作时一面受拉应力，另一面受压应力作用，而且上、下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等。因材料抗拉性能低于抗压性能，所以在受拉应力作用的一面首先产生疲劳断犁。除矩形断面以外的其它断面形状的叶片(图4-2b、c、d)，其中性轴均上移，使受拉应力作用的一面的拉应力绝对值减小，而受压应力作用的一面的压应力绝对值增大，从而改善了应力在断面上的分布状况，提高了钢板弹簧的疲劳强度和节约近10％的材料。采用矩形断面。 d)钢板弹簧片数n 片数n少些有利于制造和装配，并可以降低片间的干摩擦，改善汽车行驶平顺性。但片数少了将使钢板弹簧与等强度梁的差别增大，材料利用率变坏。多片钢板弹簧一般片数在6～14片之间选取，重型货车可达20片。用变截面少片簧时，片数在1～4片之间选取。 设计采用多片普通钢板弹簧，片数取7片。 4.2.3钢板弹簧各片长度的确定 片厚不变宽度连续变化的单片钢板弹簧是等强度梁，形状为菱形(两个三角形)。将由两个三角形钢板组成的钢板弹簧分割成宽度相同的若干片，然后按照长度大小不同依次排列、叠放到一起，就形成接近实用价值的钢板弹簧。实际上的钢板弹簧不可能是三角形，因为为了将钢板弹簧中部固定到车轴(桥)上和使两卷耳处能可靠地传递力，必须使它们有一定的宽度，因此应该用中部为矩形的双梯形钢板弹簧(图4-3)替代三角形钢板弹簧才有真正的实用意义。这种钢板弹簧各片具有相同的宽度，但长度不同。钢板弹簧各片长度就是基于实际钢板各片展开图接近梯形梁的形状这一原则来作图的。首先假设各片厚度不同，则具体进行步骤如下： 先将各片厚度的立方值按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上(图4-4)，再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，就从月点到最后一个重叠片的上侧边端点连一直线，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。求得各片的长度为 =1280mm, =1080mm, =951mm, =765mm, =592mm, =432mm, =289mm。 图4-4确定钢板弹簧各片长度的作图法 4.2.4钢板许用静弯曲应力验算 用公式：， 算出=485.5Mpa。 在用公式：， 算出=447.95 Mpa≤900 MPa。 ∴所选钢板弹簧合适。 4.2.5钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 a)钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 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(图4-1)，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高，用下式计算 (4-5) 式中，为静挠度；为满载弧高；为钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高变化，；s为U形螺栓中心距；L为钢板弹簧主片长度。 =18.3mm, =148mm。 钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径=860mm。 钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同(图4-5)，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。 图4-5 钢板弹簧各片自由状态下的曲率半径 矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定 (4-6) 式中，为第i片弹簧自由状态下的曲率半径(mm)；为钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径(mm)；为各片弹簧的预应力(N／)；正为材料弹性模量(N／)，取N/；为第i片的弹簧厚度(mm)。 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；为保证主片及与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。 为此，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／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。 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之代数和等于零，即 =0 (4-7) 或 =0 (4-8) 各片弹簧的预应力为: =-90 Mpa,=-60 Mpa,=-180 Mpa,=0 Mpa,=30 Mpa,=60 Mpa =180 Mpa。 用式(4-6)计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径。 =2910mm,=2368mm,=2037mm,=1786mm,=1697mm,=1642mm, =1642mm。 如果第i片的片长为，则第i片弹簧的弧高为 (4-9) 算得=38 mm,=46 mm,=41 mm,=34 mm,=24 mm, =15.6 mm, =8.4 mm。 4.2.6钢板弹簧总成弧高的核算 由于钢板弹簧叶片在自由状态下的曲率半径是经选取预应力后用式(4-6)计算，受其影响，装配后钢板弹簧总成的弧高与用式计算的结果会不同。因此，需要核算钢板弹簧总成的弧高。 根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此可求得等厚叶片弹簧的为 (4-10) 式中，为钢板弹簧第i片长度。 求得=905 mm。 钢板弹簧总成弧高为 (4-11) 求得H=140 mm。 用式(4-11)与用式(4-5)计算的结果相近,所选钢板合适。 4.2.7钢板弹簧强度验算 a)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用下式计算 (4-12) 式中，G2为作用在后轮上的垂直静负荷；m；为驱动时后轴负荷转移系数，轿车：＝1.25～1.30，货车：＝1.1～1.2；为道路附着系数；b为钢板弹簧片宽；为钢板弹簧主片厚度。 此外，还应当验算汽车通过不平路面时钢板弹簧的强度。许用应力[]取为1000N／。 =894.8 N／<1000 N／, 所以选用的钢板合适。 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4-7所示。卷耳处所受应力是由弯曲应力和拉(压)应力合成的应力。 图4-6 汽车制动时钢板弹簧的受力图 图4-7 钢板弹簧主片卷耳受力图 (4-13) 式中，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；为主片厚度。 许用应力[]取为350N／。 =117.9N／<350N／ 合适。 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的挤压应力。其中，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[]取为3～4N／；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[]≤7～9N／mm。 钢板弹簧60SiMnVB钢制造。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，本设计中采用后者,这样可使钢板弹簧表面的残余应力比前者大很多。 5减振器机构类型及主要参数的选择计算 5.1减振器的分类 悬架中用得最多的减振器是内部充有液体的液力式减振器。汽车车身和车轮振动时，减振器内的液体在流经阻尼孔时的摩擦和液体的粘性摩擦形成了振动阻力，将振动能量转变为热能，并散发到周围空气中去，达到迅速衰减振动的目的。如果能量的耗散仅仅是在压缩行程或者是在伸张行程进行，则把这种减振器称之为单向作用式减振器，反之称之为双向作用式减振器。后者因减振作用比前者好所以采用后种。 根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。虽然摇臂式减振器能够在比较大的工作压力(10—20Mpa)条件下工作，但由于它的工作特性受活塞磨损和工作温度变化的影响大而遭淘汰。筒式减振器工作压力虽然仅为2.5～5Mpa，但是因为工作性能稳定而在现代汽车上得到广泛应用。筒式减振器又分为单筒式、双筒式和充气筒式三种。由于双筒充气液力减振器具有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低等优点，所以采用此种减振器。 设计减振器时应当满足的基本要求是，在使用期间保证汽车行驶平顺性的性能稳定。 5.2相对阻尼系数 减振器在卸荷阀打开前，减振器中的阻力F与减振器振动速度之间有如下关系 (5-1) 式中，为减振器阻尼系数。 图5-1b示出减振器的阻力－速度特性图。该图具有如下特点：阻力－速度特性由四段近似直线线段组成，其中压缩行程和伸张行程的阻力－速度特性各占两段；各段特性线的斜率是减振器的阻尼系数，所以减振器有四个阻尼系数。在没有特别指明时，减振器的阻尼系数是指卸荷阀开启前的阻尼系数而言。通常压缩行程的阻尼系数与伸张行程的阻尼系数不等。 图5-1 减振器的特性 a) 阻力一位移特性 b)阻力一速度特性 汽车悬架有阻尼以后，簧上质量的振动是周期衰减振动，用相对阻尼系数的大小来评定振动衰减的快慢程度。的表达式为 (5-2) 式中，c为悬架系统垂直刚度；为簧上质量。 式(5-2)表明，相对阻尼系数的物理意义是：减振器的阻尼作用在与不同刚度c和不同簧上质量的悬架系统匹配时，会产生不同的阻尼效果。值大，振动能迅速衰减，同时又能将较大的路面冲击力传到车身；值小则反之。通常情况下，将压缩行程时的相对阻尼系数取得小些，伸张行程时的相对阻尼系数取得大些。两者之间保持 ＝(0.25～0.50) 的关系。 设计时，先选取与的平均值。对于无内摩擦的弹性元件悬架，取＝0.25～0.35；对于有内摩擦的弹性元件悬架，值取小些。对于行驶路面条件较差的汽车，值应取大些，一般取＞0.3；为避免悬架碰撞车架，取＝0.5。 =0.35则取=0.5=0.175 5.3减振器阻尼系数的确定 减振器阻尼系数。因悬架系统固有振动频率，所以理论上。实际上应根据减振器的布置特点确定减振器的阻尼系数。例如，当减振器如图5-2a安装时，减振器阻尼系数用下式计算 图5-2减振器安装位置 (5-3) 中，n为双横臂悬架的下臂长；a为减振器在下横臂上的连接点到下横臂在车身上的铰接之间的距离。 减振器如图5-2b所示安装时，减振器的阻尼系数占用下式计算 (5-4) 式中，a为减振器轴线与铅垂线之间的夹角。 减振器如图5-2c所示安装时，减振器的阻尼系数用下式计算 (5-5) 分析式(5-3)～式(5-4)可知：在下横臂长度n不变的条件下，改变减振器在下横上的固定点位置或者减振器轴线与铅垂线之间的夹角。，会影响减振器阻尼系数的变化。 前后悬架的减振器均采用图5-2c所示安装的,所以代人数据进5-5可以求得前悬架减振器的=63.153后悬架减振器的=99.51 5.4最大卸荷力F0的确定 为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞振动速度达到一定值时，减振器打开卸荷。此时的活塞速度称为卸荷速度。在减振器安装如图8－2c所示时 (5-6) 式中，为卸载速度，一般为0.15～0.30m/s；A为车身振幅，取±40mm，为悬架振动固有频率。 减振器=126.56mm/s。 又已知伸张行程时的阻尼系数，载伸张行程的最大卸荷力。 求得减振器=7992.9N。 5.5筒式减振器工作缸直径D的确定 根据伸张行程的最大卸荷力计算工作缸直径D （5-7） 式中，为工作缸最大允许压力，取3～4Mpa；为连杆直径与缸筒直径之比，双筒式减振器取＝0.40～0.50，单筒式减振器取＝0.30～0.35。 壁厚取为4mm，材料选20号钢。 求得减振器D=52mm。 6 结论 悬架主要是针对YC1041轻型货车而设计的。悬架的主要创新点在于前悬采用了少片钢板弹簧式悬架，可将导向机构及减振器装置集合在一起,可将多个零件集成在一个单元里。这样一来,相对于双横摆臂悬架而言,他不仅简化了结构,减小了质量,还节省了空间,降低了制造成本,并且几乎不占用横向空间,有利于车身前部地板的构造和发动机布置。另外,当车轮跳动时,其轮距和前束及车轮外倾角等均改变不大,减轻了轮胎的磨损,也使汽车具有良好的行驶稳定性。前悬架采用独立悬架,后悬架采用独立悬架。这样保证汽车有一定稳定性的同时还具有一定的刚度。不足的是,后悬架采用的是钢板弹簧降低了乘坐的舒适性。 悬架设计中由于考虑成本与安装复杂性问题,采用了纯机械结构。在以后可以改进为用一个有自身能源的动力发生器来代替被动悬架中的弹簧和减振器的主动悬架,这样可以在不同的路面及行驶条件下显著地提高车辆性能。 参 考 文 献 [1] 刘惟信. 汽车设计 [M].北京：清华大学出版社，2001. [2] 甘永力. 几何量公差与检测 [M].上海：上海科学技术出版社，2001. [3] 陈家瑞. 汽车构造 [M].北京：机械工业出版社，2001. [4] 王望予. 汽车设计 [M].北京：机械工业出版社，2000. [5] 《汽车工程手册》编辑委员会. 汽车工程手册 [M].北京：人民交通出版社，2001. [6] 邹有慧,华学超,苏建,潘洪达.流动检测车悬架性能参数的优化.[J].中国公路学报,1994. [7] 东风汽车工程研究院 陈耀明. 混合式空气悬架的设计.[J].汽车技术,1994. [8] 王学义,魏德永,隋军,王文阁.汽车独立悬架系统中扭杆弹簧的随机应力及寿命预测.[J].汽车技术,1996. [9] 冯国胜.汽车车架结构参数的优化设计.[J]. COMPUTATIONAL STRUCTURAL MECHANICS AND APPLICATIONS,1994. [10] 刘少军、郭淑娟. 高速ON/OFF电磁阀在汽车主动控制悬架系统中的应用.[J]. 中南工业大学学报,1996. 致　谢 为期四个月的毕业设计已经结束。回顾整个毕业设计过程，虽然充满了困难与曲折,但我感到收益菲浅。毕业设计课题是YC1041轻型货车的悬架系统的设计。设计是为了解决货车行驶的稳定性。毕业设计是学完大学期间本专业应修的课程以后所进行的，是对我三年半来所学知识的一次大检验。是我能够在毕业前将理论与实践更加融会贯通，加深了我对理论知识的理解，强化了我对实际工作的感性认识。 此次毕业设计是在老师的认真指导下进行的。老师经常为我解答一系列的疑难问题，以及知道我的思想，引导我的思路。在经历四个多月的设计过程中，一直热心辅导。另外,我还得到了王琪主任的悉心指导,在此表示衷心的感谢！ 通过这次设计,我基本掌握了机械设计的方法和步骤,以及设计时应注意的问题等,另外还更加熟悉运用查阅各种相关手册,选择使用工艺装备等。 总的来说,这次设计使我在理论的综合运用以及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的锻炼,提高了我独立思考问题,解决问题以及创新设计的能力,缩短了我与工厂技术人员的差距,为我以后从事实际技术工作奠定了一个坚实的基础。 设计任务已顺利完成,但由于本人水平有限,缺乏经验,难免会留下一些遗憾,在此恳请各位专家和老师不吝赐教。 23