大型客车空气悬架机构建模与分析毕业论文.doc

河北工业大学2014届本科毕业论文河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 卢磊 学 号： 100326 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程专业 题 目： 大型客车空气悬架机构建模与分析 指导者： 石维佳 教授 评阅者： 年 月 日毕业设计（论文）中文摘要大型客车空气悬架机构建模与分析摘要：随着国内汽车工业的发展，人们对汽车的要求越来越高，传统的悬架系统已不能满足人们的对舒适性和平顺性的要求，而空气悬架的出现恰恰满足了人们的要求。本课题是以国内某公司的一款空气悬架为例，型号为JBR1200J（12米大型公路客车后空气悬架），主要综述了国内外空气悬架的历史发展及应用的状况。根据各零件和总成的选取原则，通过CATIA软件对空气悬架进行简单设计和实体建模，之后将各部件实体模型进行装配。最后利用ANSYS软件对空气悬架系统的稳定性、舒适性和部分零件的载荷特性进行计算分析,确定设计的合理性，为厂家制造提供依据。关键词：空气悬架 实体建模 CATIA及ANSYS软件 稳定性和舒适性毕业设计（论文）外文摘要Title： Structure modeling and analysis of air suspension of large-scale passenger busAbstract:With the development of automotive industry,the demand to the car is become higher and higher.the traditional suspension can not meet the demand of comfort and ride performance.however,the air suspension can be so.The objective of this paper will take a suspension of domestic company for example.model is JBR1200J(Rear air suspension of 12 meters highway bus).it has summarized the application status and development of both domestic and international air suspension According to principle of select of parts and assembly, simple design and solid modeling for it by CATIA software, and realize specific structure and function of air suspension. And then assemble the parts model into whole. Finally, analyze stability and comfort of air suspension system as well as part of parts load characteristics, determine the reasonableness of the design, and then provide the basis for the factory manufacturing.Keywords：Air suspension Solid modeling CATIA and ANSYS software Stability and comfort目录1绪论61.1 国内外空气弹簧的发展状况及发展趋势61.1.2国内空气弹簧的发展历程171.2 CATIA软件及ANSYS等分析软件概述81.3本次课题的研究意义与目的10本章小结112 空气悬架的介绍122.1 空气悬架的基本结构形式122.2 空气悬架的结构介绍132. 3导向机构的匹配设计192.4空气弹簧的选择232.5减震器的选择262.6横向稳定杆的选择272.7高度阀的选择2283 JBR1200J型后空气悬架部件及整车分析313.1 JBR1200J的整车分析和性能计算314 JBR1200J空气悬架的建模364.1建立仿真分析模型零部件的建立364.2 建立仿真分析模型整体装配395 JBR1200J型后空气悬架部分零部件有限元分析425.1 均衡梁有限元分析425.2 驱动桥的分析47用同样的方法对驱动桥进行网格划分。475.3 V型推力杆支座485.5对上V形推力杆进行分析515.6对下V形推力杆进行分析565.7对减震器支架进行分析595.8 下推力杆支座架635.9 本章小结68结论69参考文献：71致 谢731绪论 空气悬架诞生于19世纪中期，真正的广泛应用大概在一个多世纪以后，随着科学技术的飞速发展，经过仅仅几十年的时间，空气悬架从不成熟的技术迅速发展，并且广泛应用于汽车行业，提高改善了汽车的很多性能，极大的满足了人们对汽车各项性能的要求。1.1 国内外空气弹簧的发展状况及发展趋势1.1.1国外空气弹簧发展历程国外的空气弹簧诞生于19世纪50年代，早在1874年就有数据记载空气弹簧，并且同年在创刊号为美国科学（美国）的上提出了“ride on air的概念，从此空气弹簧便进入了人们的生活。1、 在空气弹簧诞生后，由于空气弹簧的性能还存在很多的缺陷，为此人们主要对空气弹簧的气密性、使用次数等性能上进行了研究，空气弹簧的最早应用专利出现在1901年，主要是被用作为有轨电车悬架的减振元件;1910年Geode Bancroft获得了将空气弹簧应用在汽车悬架上的专利;而第一个装有空气弹簧的空气弹簧理论方面的研究首先是从Be1lBenjanin开始的，他的主要贡献就是提出了空气弹簧有效面积的概念。而对于空气弹簧的垂直特性的试验是在1970年J R Evans等人作的并且建了立空气弹簧垂直动态特性模型。空气弹簧的侧向特性试验是在1994年完成的，主要对空气弹簧做了在大频率和幅值情况下，不同载荷的情况下，测量了空气弹簧侧向力和变形，并且还输入正弦波和锯齿波来观察空气弹簧侧向特性对速度的相应。在空气悬架系统中，空气弹簧刚度系数的连续变化主要是通过附加气室和连接管路的方法来来实现的，管道和气室对弹簧特性变化的影响主要是Katsuya Yoyofuku等人通过研究振动频率和弹簧反应来确定的。从上世纪末以来，空气弹簧系统的仿真模拟研究又成为了热点，Giuseppe Quagli TheoM ellex Takuya Yuasa和A1fHmeyer等人利用有限元的方法对空气弹簧进行了一系列模拟研究，并且得到了很多重要结论。1.1.2国内空气弹簧的发展历程1我国空气弹簧的发展比较晚其研究大约始于1957年，并且当时仅仅局限于车辆用空气弹簧的研究，我国的第一名汽车专业的中国工程院院士郭孔辉院士曾经对空气弹簧进行过一些研究，并且取得了一些成果和经验。直到上世纪的80年代初长春一汽研究所再次对空气弹簧悬架投入了研究，并为国内几家汽车厂家设计了相应的空气悬架。目前，国内空气弹簧由于受到种种原因的影响，至今还未能普遍推广应用。1.1.3、空气悬架的发展现状和展望1a、发展现状2000年曾做过统计，在重型载货车上空气悬架的占有率是81%，比1988年增长了50 %，预测到2003年占有率将达到85%;而对于空气弹簧再挂车上的应用基本上为70%，基本和欧洲持平。但是小货车上的应用确实很少，只有2%左右，但是其增长的速度确实很快。由于大型的豪华客车类的投资比较多资金比较充足，所以应用的技术也就比较先进，从而空气悬架的应用就比较广泛。截止到二十世纪六十年代，在德国生产的五十多种大中型客车中有三十多种应用了空气悬架。当前在国外空气悬架应用到轿车上的步伐也已经开始了，如Benz300SE和Benz600。我国虽然从50年代就开始了对空气悬架的研究工作，但由于设计及制造等复杂因素的影响，一直未能得到推广的应用。近年来，随着汽车技术的发展及国外空气悬架的引进，小部分国产高级旅游车开始采用国外购置的空气悬架，如沈阳飞机汽车制造厂、北方汽车制造厂、厦门金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司、丹东汽车制造厂等生产的客车。b、发展趋势随着我国高速公路、公路运输事业的飞速的发展，人们对汽车的操稳性、舒适性和安全性的要求也越来越高了，而空气悬架的优良的性能恰好满足这种性能，所以空气悬架必将得到非常的广泛应用。并且由于人们对汽车对路面的破坏的机理研究越来越深入，和我国的政府对高速公路保养越来越提到了日程上，对于重型汽车空气悬架也将应用上。目前，随着科学技术的广泛应用，先进的科学技术越来越多的应用到了汽车上，使汽车的控制实现了一定的智能化，智能式的空气悬架是未来空气悬架发展的必然趋势。1.2 CATIA软件及ANSYS等分析软件概述在本次课题中，空气悬架的建模与分析将要用到国内外知名的一些软件，如CATIA软件、ANSYS软件等，下面对它们进行简单的介绍。1.2.1 catia软件的介绍CATIA是法国的Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一体化软件，Dassault System 成立于1981年，CATIA的英文名称是 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 。从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX 平台，V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。CATIA如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造等行业。CATIA是欧美阁顶尖汽车制造厂家的必须应用的产品。CATIA 在曲面设计上有着同行业不同软件无法比拟的优势，所以在车身设计上，汽车造型风格上应用特别广泛。它的最重要的一个特点就是有端对端的解决不同用户之间的问题。CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程的能力可显著缩短产品上市的时间。1.2.2 Ansys软件的介绍随着计算机科学与应用技术的发展，有限元理论日益完善，随之涌现了一大批通用和专业的有限元计算软件。其中，通用有限元软件以ANSYS，MSC公司旗下系列软件为杰出代表，专业软件以ABAQUS、LS-DYNA、Fluent、ADAMS为代表。ANSYS软件是一种由美国ANSYS开发的大型的通用的有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等，它的特点就是前处理功能后处理功能和计算分析能力很强大，使之成为CAD设计软件中的佼佼者，CATIA能够处理求解很多的复杂问题，比如：多场耦合、流体-结构、电-磁场的耦合处理求解等。CATIA软件可以分为前处理分析计算和后处理三个模块。自1996年落户中国以来，ANSYS以其强大功能、可靠质量、良好的市场开拓，得到了中国CAE界的广泛认可和青睐，被用于多方面，比如：土木、生物、水利、机械制造、汽车、航空航天、石油化工等，为各行业的设计研究攻关做出了重要贡献。1.3本次课题的研究意义与目的1.3.1空气悬架的研究目的及意义进入二十一世纪后人类社会的进步汽车工业的发展，人们的生活水平也得到了很大的提高，从而对生活的追求也越来越高，人们对交通工具的乘坐舒适性和安全性的要求有越来越高，传统悬架的发展主要是从无悬架到金属弹簧式的悬架，但是这些传统的悬架在材料和结构上都有一定的缺陷和不足，因此导致这些传统的汽车悬架不能人们对汽车的要求，但是随着我国橡胶行业的发展，橡胶在性能上得到了一定的提高，从而使空气弹簧广泛的应用与汽车上，使汽车的乘坐舒适性得到了很大的提高。空气弹簧的优势主要体现在减震性能上和能量储存上，因此空气弹簧非常受开发商的青睐，带有空气悬架的汽车的得到了大部分的消费者的认可。由于国外的公路系统比较发达人们对商务车的要求不仅仅只是经济性的要求而且近年来更加侧重到了商用汽车的操稳性和舒适性。而且现在人们对汽车的追求要有更高的车速，因此对悬架的性能要求又上了一个更高的台阶，并且由于车速的提高会使车轮的动载荷得到成几何级数的增长，当依然使用金属弹簧的悬架系统时会使轮胎与地面的作用力很大，对路面造成一定的破坏，为此我们可以用空气悬架来代替传统悬架，因为空气悬架的质量在相同刚度下比传统悬架小很多，从而可以大大的降低车轮与地面间的作用力。可以看出空气悬架是有很好的发展潜力的，具有很高的研究价值。由于受到上海锦奔公司的委托本文主要是针对于大客车后悬架进行建模与分析的研究，具有重要的理论意义，和实际工程应用价值。从技术角度来分析，悬架的主要作用实施汽车有良好的乘坐舒适性和操作稳定性，相应的汽车的偏频大小是反映数据，偏频越小，汽车的稳定性和舒适性就越好。因为空气悬架的刚度可以设计得很小所以空气悬架可以得到比传统悬架小得多的偏频。同时由于空气弹簧的刚度与变形的曲线可以使空气弹簧在较大的载荷范围内保持悬架刚度变化不大，从而提高汽车的行驶平稳性。空气悬架还配备高度发可以通过高度阀的调节来调整客车地板的高度从而使客车满足各种不同人群的要求。同时它还有寿命长、质量轻及噪声低等优点。因而空气悬架越来越广泛的应用与城市高档客车上，以满足各种不同乘客的要求。 1.3.2本课题的主要任务（1）空气悬架的基础知识的查阅。包括空气悬架的结构、空气悬架的功用、空气悬架的工作原理等。（2）学习空气悬架各个部分的零件建模的方法。了解CATIA的主要建模功能和它的设计模块，并学习零件建模和装配的方法。（3） 根据锦奔公司空气悬架的参数，运用CATIA软件建立空气悬架模型。（4） 运用CATIA软件及ADAMS等分析软件对所建立的空气悬架模型进行分析，并绘制出主要的运动变化曲线，由仿真结果对空气悬架设计方案进行评价。本章小结本章对空气悬架从的空气悬架的诞生到现在的发展状况进行了概况性的描述，从国内外的角度进行了分析，并且对本课题所需要用到建模以及分析软件进行了描述。2 空气悬架的介绍2.1 空气悬架的基本结构形式空气弹簧在悬架系统布置上对整车的性能有极大的影响。在布置允许的情况下, 应尽可能的把空气弹簧布置在车架的外侧, 以利加大弹簧的中心距, 获得充分大的侧倾刚度。而导向机构是用来传递汽车的纵向力和侧向力的,根据导向机构类型的不同,将空气悬架分成三种基本类型。2.1.1 直接传力式空气弹簧悬架系统直接传力式空气弹簧悬架系统, 空气弹簧的刚度直接影响到车身的振动性能,因此也直接影响汽车的固有频率。空气弹簧的变形量直接反映了车身和车桥之间的相对位移。常见的结构有(见图2-1) :(1) 整体刚性驱动车桥, 四个空气弹簧平行布置在左右两侧车轮的前后方, 下纵向推力杆, 上三角形推力杆。 (2) 整体式空气弹簧悬架前桥, 两个空气弹簧布置在车桥的正上方, 纵向推力杆, 横向推力杆或三角形推力杆。(3) 前桥双横臂独立悬架, 两个空气弹簧布置在车桥的正上方。2.1.2 间接传力式空气弹簧悬架系统间接传力式的空气弹簧悬架系统, 空气弹簧没有布置在车桥正上方, 车桥和空气弹簧分别布置在不同的位置上, 空气弹簧的受力和变形与悬架的受力与变形是不同的, 二者差别取决于杠杆比(见图)。图2-1 直接传力式空气弹簧悬架系统 图2-2间接传力式空气弹簧悬架系统后桥常见结构是整体式的车桥, 拖臂式空气弹簧悬架系统, 两个空气弹簧布置在车桥的后方。前桥常见的结构是整体式车桥, 以类似于一半的抛物线型钢板弹簧作为导向机构, 两个空气弹簧也布置在车桥的后方。2.1.3 复合式空气弹簧悬架系统复合式空气弹簧悬架系统是指由空气弹簧和钢板弹簧并联组成的空气弹簧悬架系统, 一般空气弹簧布置在车桥正上方（见图三）。这种复合式空气弹簧悬架系统在某些情况有一定的优点, 其中的钢板弹簧既可以承担一部分垂直载荷, 又可以作为车桥的导向机构。 图2-3 并联复合式空气弹簧悬架系统 2.2 空气悬架的结构介绍1）空气悬架系统的组成2a、空气悬架的组成：1、压气机，2、油水分离器，3、调压阀，4、储气筒，6、高度调节阀，7、控制连杆，8、空气弹簧，9、储气罐，5、10空气滤清器和管路、导向传力杆、减振器、横向稳定器等部分组成。图2-42）空气悬架的优点及特点A)特点（1货车可以通过安装空气悬架的方法实现对一轴或多轴的提升，从而是汽车轮胎的磨损量减少，增加了汽车轮胎的使用寿命，与此同时也是车轮与路面的附着力得到了一定的提高。但是如果提升了某些桥从而使另外没有提升的桥载荷过大有过载的危险时，汽车悬架控制系统会是本提升的桥放下避免过载的情况。 （2）空气悬架的高的控制系统是通过读空气弹簧的充放气实现的：汽车在坏路上行驶时可以通过给空气弹簧充气，是汽车的离地高度提高，通过性提高；当汽车再好路上行驶时这是要求良好的操稳性和安全性，通过给空气弹簧放气来实现降低车身，从而达到要求。（3）减小汽车车身侧倾角：再装有空气弹簧的汽车上当汽车两边的质量不一致而导致汽车出现侧偏时，我们可以通过调节高度控制阀来进行调节。是汽车左右侧的高度相同。当汽车在高速路上行驶是由于向心力较大的作用可能会使汽车的侧偏角较大使乘坐的舒适性变坏，这是可以通过调节空气弹簧的调节机构，使车身的侧倾角变小舒适性变好。（4）路面受到的破坏程度减轻：汽车车轮与路面之间的动载和的大小与车速的大小有很大的联系，车速越高动载越大。由于各种复杂的受力情况从而对路面形成很大的破坏作用。是路面的寿命大大减低浪费国家资源和财力。动载不仅与车速有关还与汽车的非簧载质量有关，质量越大动载越大，对路面的破坏越大。然而对于装有空气悬架的汽车由于大大减小了非簧载质量，并且空气弹簧的刚度也比较小从而大大减小了动载，是汽车对路面的破坏大大减小。图2-53）、空气悬架的分类:图2-6由上图可以看出空气弹簧可以分为囊式、膜式和复合式空气弹簧：囊式:囊式的空气弹簧用钢制的腰环将气囊分为多个部分，有单气囊多气囊之分，主要部分为橡胶气囊。囊式的空气弹簧的刚度主要与气囊的曲数和气囊内的压力有关，另外还与气囊的体积的大小有关。气室容积刚度；气室容积相同的条件下，曲数刚度，但曲数过多会使弹簧横向稳定性变坏，因此多用双曲。优点：制造成本低，制造方便简单，图2-7图2-8膜式:根据橡胶气囊止口与接口的连接方式不同分为： 约束膜式：用螺栓夹紧密封 自由膜式：用气囊内压力密封图2-9图2-10复合式空气弹簧结构介于囊式和膜式之间，并具有膜式空气弹簧刚度较低的特点，制造复杂，成本略高。图2-114)、空气弹簧的布置方案a、在转向轴上的布置：图2-12空气弹簧布置在主销的内测b、空气弹簧在驱动桥上的布置：可以放在驱动桥的后部，也可以放在驱动桥的前方和后方个布置一个空气弹簧。图2-13对空气悬架的系统的稳定性、舒适性和部分零件载荷特性进行计算分析,确定设计合理性5）、确立空气悬架结构形式经过对市场上公路客运车的调查，发现国内绝大多数的公路客运车的后悬架都是非独立的悬架，并且基于客车的用途，和对应的人群，选择非独立悬架是比较合理的。对半轴的受力形式选择：半轴的受力形式：a、全浮式，b、3/4浮式，c、半浮式。并且根据本车型的载货量，和生产成本，本悬架系统宜选用全浮式的半轴受力形式。2. 3导向机构的匹配设计2. 3. 1主要原则(1)在进行设计前空气悬架的纵向推力杆时，要求汽车的前轮的定位参数的变化量不能随车轮的跳动而变化过大从而影响汽车的性能。(2)对于后桥的空气悬架的设计主要要保证的就是传动轴与减速器的之间的夹角的变化要在后桥跳动时在设计允许的范围之内，以免影响汽车的整车性能。(3)对于横向推力杆的设计准则是，保证横向稳定杆的运动与导向杆的运动的干涉最小，同时还要保证汽车的横向运动最小。(4)横行推力杆对汽车的侧倾力臂的影响比较大，应合理的设计使汽车的侧倾力矩尽量的小一些。(5)因为导向系统中有金属件和非金属件，金属件的寿命相当于分金属件是无限的，所以橡胶套不应按无限期寿命设计。2.3.2、四连杆导向机构的选择24对于客车的后悬架的设计一般是根据经验进行设计，由经验可得客车导向机构一般为四连杆机构，故本课题只对四连杆机构的不同形式进行选择。关于V形杆具体的结构的选择1）.固定端的跨距大于活动端的跨距的布置(倒V形)：四连杆的结构一般根据经验都会采用的布置结构基本上是固定端跨距大于活动端(倒八字)的结构，见图2-14，因为下纵杆的轴线平行于汽车的纵轴线，所以它的瞬时中心在无穷远处，因此当汽车做侧向摆动时，它不会起到任何的限制作用。车轴相对车身的瞬时转动的中心是上V形杆的交点O点，由交点O约束两个V形杆的的向侧向和向纵向的运动，从而使汽车的车轴只能够绕着该点相对与车身在水平面内做转动。这些分析成立的条件只是对于特定的铰接头来说的，只有刚性且无间隙的接头才适用。图2-14四连杆导向机构的倒V形布置方案2）.固定端之间的距离小于活动端的布置结构(正V形结构):固定端之间的距离小于活动端的布置结构(正V形)的四连杆导向机构只有很少汽车设计厂家在四连杆的的设计上会应用这种正V形机构，如图2-15所示。这主要是因为这种布置结构在设计的结构上存在一定的缺陷，会使汽车在行驶的过程中使车轮发生剧烈的摆阵现象，所以这种设计基本上没有被广泛的应用最终被否定。图2-15四连杆导向机构的正V形布置所以选择固定端跨距大，活动端小(倒八字)的结构。3）、关于四连杆导向机构V型杆夹角的选择I.从上、下杆受力均匀考虑:在推力杆的工作过程中，推力杆承受纵向力的频次(驱动、制动)要比承受侧向力的频次(转弯、横坡)大，在此先分析纵向受力情况，见图图2-16从一般的情况考虑，上下推力杆一般都会平衡的布置，如上图所示。上下杆与顶面之间的距离分别为a和b，车轮与地面之间的作用力为T(制动或驱动力，只是方向相反)，由于力矩平衡的关系我们可以求出上下推力杆所承受的杆向力的大小为: 多数情况下a=2b 所以有： 有以上的广西我们可以看出下杆所受的力为上杆的二倍，从受力平衡的角度来分析上杆用一个下杆用两个，便可以达到力的平衡。但是一般不采用那样的结构，一般会在结构上进行改变，比如使上杆之间存在一定的角度，当上杆采用V型结构布置时，它的纵向受力情况如图所示：图2-17在忽略铰接头扭转刚度和摩擦，即认为铰接点都是理想的链接时，由上图我们可以看出上推力杆的受力情况，也属于二力杆，其中杆只承受杆向的力R，对推力杆进行受力分析可以得到，合力R和分力的关系为:从节省材料的角度来分析和受力平衡的角度来分析，上杆受力为T，下杆受力为2T，下杆用两根杆，每根受力为T，上杆也用两根，但排列为正V形，则每根受力为R)，则令:; =由上式我们可以得出当两个上V型杆之间的夹角小于120度，两根上V形杆的受力大小就会小于R，.从承受侧向力时减轻上杆所受力的情况来考虑:上V形杆的所受的侧向力的情况如图所示。图2-18二力杆所受的杆向力为:当=120时，R=0.577L我们如果仅仅只从受力的角度来考虑就不能保证推力杆在侧向的投影的长度，车轴的运动可能会产生干涉的现象，所以不能选的太大。根据经验上V形杆的杆与杆之间的夹角多选为,，只有少数的情况选为48度：=48时，R=1.23L=57时，R=1.05L=76时，R=0.812L根据上面的分析我们可以很容易的看出当上推力杆之间的夹角越大时，V形杆在承受侧向力时杆向力就会越小，但所受的纵向力时杆向力就会越大。但是与下导向杆相比，我们从受力的角度就可以看出：下导向杆与上导向杆之间有2倍的差距，所以上导向杆之间的夹角大一点也是可以接受的。当考虑到车间的纵梁结构，和上V形导向杆的角度时，上V形杆的外侧固定端应该布置在汽车纵梁的外侧。2.4空气弹簧的选择2.4.1空气弹簧的匹配技术空气悬架中由于空气空气弹簧的刚度可变所以可以对空气弹簧的感度进行调整以达到最佳的性能。要想是正常工作是空气弹簧的刚度变化范围小，我们可以通过优化空气弹簧的尺寸参数和结构，而伸张和压缩行程边缘的刚度较大。2.4.2. 空气弹簧的设计技术空气弹簧参数的设计空气弹簧的具体的性能与尺寸参数主要是根据实际应用的场合来确定的。主要参数有：如空气弹簧的刚度、空气弹簧有效承压面积以及空气弹簧的空气容积等。空气弹簧的性能的改变可以通过对空气弹簧的结构参数进行改变，和空气弹簧的性能参数进行改变，例如改变空气弹簧的有效面积、改变空气弹簧的底座的形状从而可以改变空气弹簧的性能曲线，改变节流孔的大小也可以改变弹簧的性能。2.4.3. JBR1200J型后空气悬架空气弹簧本次设计采用中国前进牌的1T66E-10.8型客车空气弹簧，这是一款专门用于客车上的膜式空气弹簧。其结构及性能见图图2-192.5减震器的选择汽车整车的比较重要的一个部分就是减振器了，因为减震器的结构比较复杂性能难以控制，所以它的技术保障是比较困难的，减震器的先进程度在一定的程度上能够反映我国的汽车发展水平。对汽车来说，最重要的性能就是汽车的良好的操稳性和舒适安全性。以上这两点性能能否保证直接的影响到悬架系统性能的好坏，然而见证其优势影响悬架性能的主要的构成元件就是减震器了，所以理想的减振器的特性可以在很大程度上提高轿车行驶的平顺性和乘坐的舒适性。2.5.1汽车悬架减振器原理减震器的工作原理是将动能转化为热能，通过设计阻尼来实现的。我国自从1956年一汽底盘分厂按苏联提供的图纸仿制出国内第一支摇臂式汽车减振器;上海汽车底盘厂按美式汽车减振器式样仿制出国内第一支筒式汽车减振器后，到20世纪70年代基本上全部采用了筒式减振器。图2-20不同形式的减振器 图2-21双向作用筒式1-活塞杆；2工作缸筒；3-活塞；4伸张阀；5储油缸筒；6-压缩阀;7补偿阀8流通阀；9一导向座；10防尘罩:11油封减振器结构示意图减震器的结构介绍筒式减振器的结构主要可以分为单筒和双筒式的减震器。单筒式的减震器与多筒式的减震器由于结构上的不同，从而在性能上也存在很大的差异，单筒式减振器收到了外界的碰伤之后它的性能会有很大的变化，而双筒式减振器却对外界的碰撞不是特别的敏感，当有碰伤之后其性能变化也不大。图2-20为双筒式减振器结构示意图，双筒式减振器的元件组成有防尘罩、贮油缸、工作缸、活塞、导向座、压缩阀、流通阀、复原阀、卒卜偿阀等。车身与减震器的上筒相连悬架系统与减震器的下筒相连，车身相对于悬架的运动会带动减震器上下筒的相对运动，从而使减震器中的液体从一个筒流到另一个筒中，筒与筒之间有阻尼阀，当液体通过阻尼阀时，存在着能量的转换，将液体的动能转化为液体的热能，另外当液体在流动时液体与减震器筒壁之间也有能量的转换，因为二者之间有摩擦力的存在，是液体的动能转化为了液体的热能。之后液体的内能再通过减震器壁散失到大气中。目前应用比较广泛的减震器是筒式的双作用的减震器，应用在国内外的各种汽车上。这种减振器有如下特点：1).在减震器的压缩行程时，为了充分的利用空气弹簧的作用，减震器的阻尼设计得很小，可以很好地减小冲击 2).挡在减震器的伸张行程时，为了更多地消耗能量实现汽车振动的迅速衰减，减震器的阻尼设计的比较大，3).当减震器的上下筒之间的相对的速度过大时减震器的流通阀能够自动的变大，以增加液体的流量，从而保证减震器桶内的压力不至于太大，从而使减震器的壳体不至于因为液体压力过大而开裂。2.6横向稳定杆的选择横向稳定杆的作用是防止 汽车过度的倾斜，因为空气弹簧的垂直刚度较小，并且侧向刚度很小，还有在空间布局上的尺寸限制，一般空气悬架都要加上横向稳定机构，以防止车身出现过大幅度的倾斜。根据以往的设计经验和以前的设计成果JBR1200J型的后空气悬架的横向稳定机构选用U型扭力杆机构。图2-22图2-23与车架的连接方式与图二的连接方式不同但受力情况类似因此计算过程可以按照图二的结构方式进行计算2.7高度阀的选择2高度阀的控制系统使用来调节空气弹簧的气压的使空气弹簧的气体压力按照使用者的要求满足使用要求，通常高度阀总成安装在车桥与车架之间即可，高度阀的主要作用就是通过结构上的设计能够知道汽车车身两侧的高度变化从而调节空气弹簧内的气体的压力从而实现空气弹簧的高度的变化，进而来调节整车的左右两侧的高度变化，是汽车车身维持在基本水平的范围内。高度阀必须依赖于空气弹簧而存在，而空气弹簧也必须烤高度阀的调节才能充分的发挥空气弹簧的优势图2-24 高度阀组件2.7.1. 高度控制阀组成根据高度阀的主要工作的原理的不同可将高度机械式和电磁式两种不同的类型。按高度阀的组成可以分为带延时机构的和不带延时机构的高度阀。针对我国的目前的现状由于我国的汽车发展起步比较晚，大多数的高度阀基本上全部都是机械式的高度阀，因此我们在这里只对机械式的两种带延时机构的和不带延时机构的高度阀进行研究。延时机构主要是由缓冲弹簧与油压减振器等零部件组成的，延迟机构的作用是：当汽车在正常的运行过程中存在正常的颠簸，在这时延迟机构可以是空气弹簧不会因为这么一点点的颠簸而通过高度控制阀进行充放气的动作，只在原来的基础上进行弹簧的变形；在另一种工况下时空气弹簧通过高度控制阀进行充放气的动作，工况为极低频率的振动或静载时。在一般的不带有延时机构的高度控制阀上当汽车遇到颠簸时，高度控制阀会不停的开关，空气弹簧不停的充放气，浪费了很多的能量。为此，设计者为避免这一缺陷都有会在气体通道上设置一个节流孔，有的也在高度阀的；排气的通道上设置一个长橡胶管来限制空气的流量，也能避免杂物进入堵住空气孔。图2-25为带延时机构的示意图，图2-26为不带有延时机构的示意图。图2-25 带延时机构的高度阀结构示意 图2-26 不带延时机构的高度阀结构示意 图 2-27 高度阀工作原理图3 JBR1200J型后空气悬架部件及整车分析3.1 JBR1200J的整车分析和性能计算型号JBR1200J系列后空气悬架额定轴荷1000013000 kg车架宽861 mm轮距18001860 mm气囊安装高度242 mm车桥动行程190 mm（向上：90 mm 向下：100 mm）气囊跨距1520 mm系统偏频1.151.3HZ 3.1.1对空气弹簧的计算因为系统偏频范围为1.15-1.3Hz，有刚度与系统的偏频的公式可以求出系统总体刚度：。后轴的额定轴荷为10000-13000kg，初选为12000kg，由公式可得，从而可以求出后悬架系统的总体刚度。系统总体刚度：式中：c为系统总体刚度f后悬架系统的偏频 初选为1.2Hzm后轴的轴荷计算结果为c=17280Nm=。后悬架系统的总体刚度由两部分组成，一是：空气弹簧的刚度，二是：横向稳定杆的刚度。弹簧刚度公式： 式中：P0空气弹簧静平衡位置时气囊内气体的绝对压力（N/mm2） V0空气弹簧静平衡位置时气囊内的气体容积（mm3）K多变指数汽车振动缓慢或在实验室作静态试验时，取K=1.00汽车振动激烈时，取K=1.40一般情况下，取K=1.33df空气弹簧在轴线方向的微小变形量（mm）A空气弹簧有效面积（mm2）， D空气弹簧有效直径（mm）有效面积变化率 对于空气弹簧的选取，根据经验可以选取型号为前进牌1T66E-10.8的气囊，其具体尺寸为：A = 73541，D = 306 刚度为：可以看出设计合理尺寸选取正确3.1.2横向稳定杆刚度已知：。稳定杆直径D=45。图3-1 横向稳定杆简图横向稳定杆角的刚度：式中： 为拉压弹性模量 为剪切弹性模量 为杆的极惯性矩 为杆的惯性矩解得：3.1.3侧倾校核（1） 侧倾力臂图3-2 侧倾力臂简图 前悬架由推力杆布置求得：前悬架侧倾中心离地面高度 h1 = 549mm前悬架侧倾中心距前轴水平距离 L1 =127mm 后悬架由推力杆布置求得：后悬架侧倾中心离地面高度 h2 =843mm 簧载质心高度： 质心距前轴距离 侧倾力臂3.1.4. 侧倾角刚度计算(1) 高度阀不起作用时整车侧倾角刚度由于前悬架采用单个高度阀，左右气簧是连通的，当高度阀的开口与大气相通时，空气弹簧不起作用，此时的前气簧的角刚度为0。(2) 当满载时悬架的侧倾刚度为： 式中：D2A = 122.2cm 前气簧左右跨距3.1.5.整车侧倾角当整车以向心加速度0.4g稳定转向时，整车侧倾角：式中：计算结果：（满载时）高度阀起作用时 高度阀不起作用时 。4 JBR1200J空气悬架的建模4.1建立仿真分析模型零部件的建立CATIA软件提供了六个工具栏可以在零件设计过程中有，它们分别是Sketch-Based Features（基于草图特征）工具栏、Dress-Up Features（修饰特征）工具栏、Reference Element(参考元素) 工具栏、Surface Based Features(基于零件特征) 工具栏、Transformation Features(转换特征) 工具栏、Boolean Operations(布尔运算) 工具栏。其中Sketch-Based Features(基于草图特征)工具栏提供了10种生成零件的方法，这10种方法又可以分为6类，是构建三维实体模型的基本工具。Dress-Up Features(修饰特征) 工具栏提供了几种修饰零件的功能，对零件进行细化操作。Reference Element(参考元素) 工具栏用来生成点、线、面作为生成零件的参考。Surface Based Features(基于曲面特征) 工具栏然提供了4种利用曲面生成实体的方法，这些方法在构建复杂外形的零件时非常有用。Transformation Features(转换特征) 工具栏提供了几种转换工具，可以利用他们方便的生成零件特征或修饰零件避免了许多重复操作。根据相应的参数再主要使用这6个工具栏进行建模，然后再将零件模型进行组装。建模对象主要包括车架、车轮、标准件、高度阀、横向稳定杆、后桥、减震器、均衡梁、空气气囊、推力杆等零件。4.1.1、标准件（部分零件图片）图4-1 图4-2 图4-3 图4-4弹簧垫圈 施必牢螺母 1/2-13UNC-30组合件 3/4-16UNF组合件4.1.2、承载系统承载系统由空气弹簧、均衡梁总成及后桥总成三部分构成，主要零件包括空气弹簧总成、左右均衡梁总成、车桥、左右上盖板、左右下托板总成、双经定位销、吊杆座、弹簧垫圈、平垫圈、六角螺母、螺栓、施必牢螺母等等。其作用是支撑车架或承载车身，使两者之间具有弹性联系并传递载荷等。均衡两总成均衡两总成有C型梁、上下盖板、减震器支座、下托板等组合而成。如下图所示图4-5 图4-6 图4-7 图4-8 图 4-9上盖板 下盖板 减震器支座 C型梁 下托板 横向稳定机构横向稳定机构有横行稳定杆、吊杆总成等组成。如下图所示 图4-10 图4-11 横向稳定杆 吊杆总成 导向机构导向机构的组成由推力杆、推杆支座、球铰等零件组成。如下图所示图4-12 图4-13 图4-14 推杆 推杆支座 球铰空气弹簧空气弹簧总成由气囊、弹簧下托架总成、螺栓、上盖板等零部件组成。如下图所示图4-15 图4-16 图4-17 图4-18气囊上盖板弹簧托架总成 弹簧总成图4-19 图4-20 图4-21 图4-22 图 4-23 垫片 螺母M12 密封 弹簧下桶 螺母盖板减震器减震器总成由上下桶、橡胶垫等零部件组成。如下图所示图4-24 图4-25 图4-26 图4-27 图 4-28 上桶 下桶 支板 橡胶垫 减震器总成储气筒储气筒总成由储气筒底座、储气筒通身和一些线路组成。如下图所示图4-29 图4-30 储气筒底座 储气筒通身4.1.3、高度控制系统高度控制系统主要包括的零部件有高度阀总成、高度调节杆总成、Z型支架、直杆、摆杆、连接杆、柔性接头、开口销等等。部分零件在后桥总成中。如下图所示图4-31 图4-32 图4-33 图4-34 Z型支架 摆杆 柔性接头 直杆图4-35 图4-36 高度阀总成 高度调节杆总成4.1.4、车架车架总成由纵梁、横梁等零部件。如下图所示图4-37 图4-38 图 4-39 纵梁横梁车架总成4.2 建立仿真分析模型整体装配CATIA的零件设计过程中用到的工具栏主要有6个。它们分别为约束工具栏、移动工具栏、约束创建工具栏、产品结构工具工具栏、装配件特征工具栏、空间分析工具栏。【约束】工具栏，这里有很多的零件与零件之间的约束关系对各个需要装配的零件的位置进行约束从而限制零件的位置移动。【移动】工具栏，这是CATIA提供的将装配图中的零部件移动的工具栏，运用这些工具可以将零件按照用户的需求进行移动。【约束创建】工具栏，本工具栏是为了当有三种零部件之间有约束时，用以调整各约束之间的关系的工具栏。【产品结构工具】工具栏，提供了插入元件构建多种产品结构方式装配配件的工具，并提供了相应的元件管理工具。【装配件特征】工具栏，本工具栏提供了时装配好的零部件在装配环境下仍然可以进行零件的修改的操作，包括拉伸、打孔、修剪、画螺纹和镜像复制等操作。【空间分析】工具栏，提供了对装配件的分析工具，包括装配件的干涉分析、截面和切面管理以及零部件距离分析。CATIA的装配中提供了两种装配的方法比较常用分别是自上而下的装配方法和自下而上的装配方法。我们通过这两种方法来进行装配，可以让单独的零件设计与整体装配之间达到同时同步的进行。在进行整体装配时我们可以通过使用鼠标和使用图形化的工具来进行建立零部件之间的约束从而比较快捷方便的将零部件进行装配。也可以通过手动的方式或采用自动的方式进行装配图的更新，设计者可以重新排列产品的结构，动态的把零件拖放到指定位置并进行干涉和缝隙检查。在进行装配时当插入一个零件后，马上就需要对这个零件进行完全的约束，而且尽可能的应用面与面之间的约束，如平面与平面的重合、平面与平面之间的距离、中心线与中心线的重合、平面与平面之间的角度等。因为这些约束的条件是非常稳定的装配约束。应尽可能避免使用几何图形的边和顶点，因为它们容易在零件的修改时发生变化。下面简单介绍整体装配过程：进入工作台，把车桥总成导入作为固定件，然后逐步导入均衡梁总成、气囊总成、车架总成、推力杆及减震器总成、横向稳定杆及高度阀总成、车轮总成及标准件，通过一定的位置关系及约束技巧，把它们装配成一个整体。图4-40 图4-41 单侧悬架装配图 空气弹簧装配图图 4-42总装配之后的局部的视图装配后的总装图图4-40 图4-41 5 JBR1200J型后空气悬架部分零部件有限元分析5.1 均衡梁有限元分析5.1.1 均衡梁受力分析(1) 均衡梁结构均衡梁具体结构因车型和安装位置而有所不同，一般大型豪华客车的四个空气弹簧用两个C型梁来之支撑，C形梁与车桥的连接是通过定位销来实现的，用来约束C型梁的横向的移动，并用螺栓固定在客车后