基于ProE小型商用车的后悬架设计

1、基于pro/e小型商用车的后悬架设计目 录摘要iabstractii第一章 绪论11.1 汽车悬架概述11.2国内重卡钢板悬架发展现状21.3论文研究的背景及意义31.4 毕业论文研究内容4第二章 汽车悬架概述52.1悬架基本概念52.11悬架概念52.12悬架最主要的功能52.13悬架基本组成4 662.14悬架类型762.2悬架系统研究与设计的领域72.3悬架设计要求72.4悬架的主要特性82.41 悬架的垂直弹性特性82.42 减振器的特性92.5 本章小结10第三章 悬架对汽车主要性能的影响113.1悬架对汽车平顺性的影响113.11悬架弹性特性对汽车行驶平顺性的影响123.12悬架系

2、统中的阻尼对汽车行驶平顺性的影响153.13非簧载质量对汽车行驶平顺性的影响173.14改善平顺性的主要措施173.2悬架与汽车操纵稳定性183.21 汽车的侧倾183.22侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮上的重新分配及其对稳态响应的影响213.3本章小结23第四章 对长安星卡sc1022d7后悬架的设计25及其结构强度校核254.1 钢板弹簧的种类254.2 钢板弹簧主要元件结构选取274.21钢板弹簧断面形状274.22弹簧端部形状294.23弹簧卷耳304.24弹簧包耳314.25钢板弹簧中心螺栓324.26弹簧夹箍334.3 普通多片钢板弹簧设计与计算344.31共同曲率法介绍344.32

3、 钢板弹簧设计的已知参数354.4本章小结50第五章 三维作图515.1 pro/e软件的简介515.2 三维作图545.21 pro/e设计界面545.22 钢板弹簧悬架设计绘制过程565.3 设计优点665.4 钢板弹簧的工程图675.5 本章小结68结 论69致 谢71参考文献72第1章 绪论1.1 汽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

4、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

5、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

6、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

7、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。1.2国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0.8万吨以上)约80余家。产品质量水平已达到国外先

8、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。1.3论文研究的背景及意义国内汽车悬架弹簧生产企业16

9、0余家，遍布全国各地，具有规模的专业生产企业(生产规模在0.8万吨以上)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

10、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1.4 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

11、法，确定钢板弹簧的主要参数的过程和结构的设计过程。图1-1 2 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sc1022d7车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。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。2.1悬架基本概念2.1.1悬架概念 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

12、的总称。 2.1.2悬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

13、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。2.1.3悬架基本组成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

14、，并提高轮胎对地面的附着力。2.1.4悬架类型71 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。 2.2悬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

15、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

16、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。2.3悬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

17、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；

18、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。2.4悬架的主要特性2.4.1 悬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。图2-1 悬架弹性特性曲线弹住特性上任意点的悬架刚度c，为： (2-1)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仅与有效静挠度有关 (2-2)2.4.2 减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

19、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26倍。减震器的外特性主要指的是阻力-速度特性10，特性图如下图。图2-2 减震器的外特性2.5 本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

20、)、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。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。3.1悬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、

21、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iso2631来评价汽车平顺性，它把乘员承受的疲劳-降低工效界限表示为振动加速度均方根值随频率变化的函数。对垂直振动而言，人体对48hz的振动最敏感，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，取决于车身加速度对路面不平度g的幅频特性“/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3-1 幅频特性曲线3.1.1悬架

22、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 = hz (3-1)式中 固有角振动频率，rad/s c悬架刚度，n/m m簧载质量，kg由于在静载荷作用下悬架的静挠度= (3-2)则 = (3-3)当以每秒振动次数表示时， = hz (3-4)式中静挠度，cm。是指汽车满载静止时悬架上的载荷f与此时的悬架刚度c之比。从上述公式中可见，车身振动的固有频率由簧载质量m、悬架刚度c或由悬架静挠度决定。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11.4hz(6085次/min)，振动

23、的加速度的极限允许值为0.30.4g。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0.60.7g。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12或23)时，车轮中心相对车架(或车身)的垂直位移。从图3-1可知，车身固有频率低于3hz就可以保证人体最敏感的48hz处于减震区。值越低，车身加速度的均方根值越小。但在悬架设计时，值不能选得太低，这主要是值降低，悬架的动挠度就增大，在布置上若不能保证足够大小的限位行程，就会使

24、限位块撞击的概率增加。另外，值选得过低，悬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的实用范围为：货车1.52hz；旅行客车1.21.8hz；高级轿车11.3hz。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

25、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3-2 弹性特性曲线a线性弹性弹性 b非线性弹性特性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=常数 (3-5)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求刚度时的次切矩(不是悬架从原点的变形)，也有人称f为悬架的折算静挠度； 在静载荷时，为汽车获得较为良好

26、平顺性所要求的悬架静挠度。因为 = (3-6)可将上式改写成 = (3-7)积分得 ln p=+a (3-8)因为当f=时，p=所以 a= ln-1 (3-9)因此 p=这就是说不管载荷如何变，为保持车身固有频率不变，当载荷p等于大于时，悬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。3.1.2悬架系统中的阻尼对汽车行驶平顺性的影响减震器起衰

27、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3-3 减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/在高、低两个共

28、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/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。图3-5 、和(z-)与阻尼比的关系图中曲线走向表示，只是弹簧行程(z-)曲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0.18，后者为04以上，故设计人员只能从中采取拆衷方案。3.1.3非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

29、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。3.1.4改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。(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

30、振动得到衰减。3.2悬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。3.2.1 汽车的侧倾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

31、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t为悬架系统作用于车身的总弹性恢复力偶矩，为车身转角，则悬架的侧倾角刚度为=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 具有非独立悬架的汽车车

32、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 ks,则悬架的线刚度为 ：k=2ks (3-10) 图3-6非独立悬架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时地面作用于轮胎的反作用力，就可以求出悬架的线刚度。即： (3-11)(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

33、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。 图3-7等效弹簧参照上图3-7，当车厢发生小侧倾角d时，等效弹簧的变形量为d,故车厢受到的弹性恢复力偶矩为dt=d悬架侧倾角刚度为 = (3-12)式中 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 = (3-13)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300-1200nm（0），后侧倾角刚度为180-700nm（0）3.2.2

34、侧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3-8所示：图3-8垂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

35、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，令为车轴左、右车轮的垂直载荷，为每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，则相应的侧偏角为= (3-14)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、。由于左、右车轮的侧偏角相等，故有 =+ (3-15)或 = (3-16)若令=，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= (3-17)w垂直载荷w侧偏刚度k图3-9 左右车轮垂直载荷再分配时侧偏刚度由上图3-9可知，平均侧偏刚度即为梯形abcd中线ef的高度。显然，即。

36、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。3.3本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

37、不是孤立的，而是存在着一定的内在联系。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。第4章 对长安星卡sc1022d7后悬架的设计第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sc1022d7为例，设计其后钢板悬架。此车属于微卡系列，该车的图片如下。图4-1 长安星卡sc1022d7实图4.1

38、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，呈线性特性图4-2 普通多片钢板弹簧(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4-3 变截面钢板弹簧(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4-4 两级变刚度

39、复式钢板弹簧（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4-5 渐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sc1022d7车型是轻型货车，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。4.2 钢板弹簧主要元件结构选取4.2.1钢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4-6 矩形断面簧片图4-6的

40、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 图4-7 单面带槽断面图4-8 t形断面图4-9 单面带双槽断面图4-7、图4-8和图4-9的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sc1022d7车型是轻型货车，矩形断面许用应力足够，而且加上制造方便，成本低，选用图4-6矩形断面。

41、4.2.2弹簧端部形状簧片端部形状常见有3种型式。图4-10 矩形端部第一种是矩形图4-10，这种弹簧制造简单，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4-11 梯形端部为克服图4-10的缺点，将簧片端部切去两角而呈梯形，如图4-11。图 4-12 压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。4.2.3弹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

42、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。图4-13下卷耳图4-14上卷耳图4-15平卷耳对于轻型货车常用上卷耳，故长安星卡sc1022d7可采用上卷耳图4-14，可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.4.24弹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

43、作成包耳形式，以保护主片。包耳常见的有14包耳(图4-16)和34包耳(图4-17)。轻型车或厢式客车多采用14包耳，而大型载货汽车和大型客车多采用34包耳。本车长安星卡sc1022d7属于微卡，故本车采用14包耳。图4-16 14包耳图4-17 34包耳4.2.5钢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15mnvb材料作成，机械性能等级为8.8级。对于重型载货汽车，中心螺栓多用

44、40cr或40mnb制成。表4-1 中心螺栓直径尺寸中心螺栓直径810121416簧片厚77991111131316中心孔直径8.510.512.514.516.5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8mm，由此得中心孔直径为8.5，螺栓由15mnvb材料作成。4.2.6弹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1.5m

45、m，夹箍与弹簧片侧面间隙为0.51mm。对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4-18 可拆式夹箍图4-19 不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。4.3 普通多片钢板弹簧设计与计算4.3.1共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，这样就可以用单片弹簧计

46、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4-20钢板悬架簧片图4-20是钢板弹簧片组，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4-21共同曲率法4.3.2 钢板弹簧设计的已知参数1 弹簧载荷通常在设计时，根据整车布置给定的空、满载轴载荷质量减去估算的非簧载质量，得到在每副弹簧上的承载质量。一般将前、后轴，车轮，制动鼓及转向节等总成视为非簧载质量，将传动轴、转向纵拉杆等总成一半也视为非簧载质量。如果钢板弹簧布置在车桥上方，弹簧34的质量为非簧载质量；下置弹簧，

47、则14弹簧质量为非簧载质量。本车考虑到车内人员的舒适性，悬架采用将钢板弹簧布置在车桥的下方，这样就可减少非簧载质量。收集资料后得到长安星卡sc1022d7的数据如下。表4-2非簧载质量kg前悬架簧载质量kg后悬架簧载质量kg空载340340200满载6408002 汽车前后轴的轴距查数据得此车的后车轴轴距为2500mm4.3.3钢板弹簧具体计算1钢板弹簧多数情况下采用55simnvb钢或60simn钢制造。本车选用60simn。钢材弹性模数e=2.110，nmm。2 悬架的静挠度值和动挠度以及满载弧高的确定；用途不同的汽车，对平顺性的要求是不一样的。轿车对平顺性的要求最高，客车次之，载货车更次

48、之。由前面第三章得各种车型车身固有频率的实用范围为：货车1.52.17hz；旅行客车1.21.8hz；高级轿车11.3hz。货车后悬架一般要求是在1.72.17hz，本车为微卡，比一般的大货车舒适性要求较高。故可选择为=1.8 。由式 =hz 得值为80mm。悬架的动挠度是指悬架从满载静平衡位置开始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1/3) 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。一般：轿 车：79 cm； 大客车：58cm； 货 车：69cm 。故选择动挠度为7cm即70mm。满载弧高是指钢板

49、弹簧装到车轴上，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。用来保证汽车具有给定的高度。为了在车架高度内已限定时能得到足够的动挠度值，常取=1020mm。考虑到轻卡空间和载荷，取=10mm。3 期望的弹簧断面尺寸和有效长度的确定a 期望的弹簧刚度值(夹紧刚度)28(k)=49nmm (4-1)b 初步确定钢板弹簧片数 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614片之间选取。因为此车是微卡类型，故载重不大，不需要太多片数。故选取各片中和主片相等(包括主

50、片)的片数为2，总片为5。则弹簧挠度增大系数= (4-2)式中 n为和主片相等片数，n为总片数。计算得=1.2019。c 钢板弹簧的长度，一般由总布置的考虑选取。钢板弹簧长度l是指弹簧两卷耳中心之间的距离，对于小轿车的后钢板弹簧，初步可以选取l=(0.40.55)l；对于货车前钢板弹簧l=(0.260.35)l；货车后钢板弹簧l=(0.350.45)l。可以初步确定l=0.4 l.得到l=0.42500=1000mm。弹簧的无效长度l一般取 l=k*s，弹簧的有效长度 =l- l=l- k*s (mm)式中 k无效长度系数，一般取k=0.40.6；选k=0.5 su形螺栓夹紧距，mm。取s=9

51、0mm。则=1000-0.590=955mm。d 钢板弹簧所需要的总惯性矩j:理想刚度（k）= (4-3) 则 j=(l-ks)(k)48e =(955)491.236 (482.110) =5233mm。梯形单片弹簧在根部应力=(nmm) (4-4)式中 w梯形单片弹簧在根部的断面系数，mm。w= (4-5)设计时要求wq（l-ks）4，为许用弯曲应力。对于60simn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350450nmm；后弹簧悬架为450550 nmm。则选取为500nmm，得出w4009.8955(4500)=1871而钢板弹簧的平均厚度h=2=2=5.

52、6.有了h以后，再选钢板弹簧的片宽b。增大片宽，能加强卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。片宽选得太窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦和弹簧的总厚。推荐片宽和平均片厚的比值bh在610间选取。结合考虑强度故选择b=55mm。 此时的bh=555.6=9.8，符合给定的比例范围。反过来确定片厚h，根据式 j=nbh12 (4-6)确定h=6.12，取6.2。重新对刚度进行验算：j= nbh12=5461.7 (k)=52.6，符合要求。e 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、叠放在一起，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