汽车设计第六章-改

1、第六章第六章 悬架设计悬架设计 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 悬架结构形式分析悬架结构形式分析 第三节第三节 悬架主要参数的确定悬架主要参数的确定 第四节第四节 弹性元件的设计弹性元件的设计 第五节第五节 独立悬架导向机构的设计独立悬架导向机构的设计 第六节第六节 减振器减振器 第七节第七节 悬架的结构元件悬架的结构元件回主目录回主目录第一节第一节 概概 述述一、一、功用功用 把车架或车身与车轴或车轮弹性地连接起来，传递作用在车轮把车架或车身与车轴或车轮弹性地连接起来，传递作用在车轮与车架（或车身）的一切力和力矩。与车架（或车身）的一切力和力矩。 缓和由不平路面传给车架或车身的冲击载荷

2、，衰减由此而引起缓和由不平路面传给车架或车身的冲击载荷，衰减由此而引起的承载系统的振动，保证汽车平顺地行驶。的承载系统的振动，保证汽车平顺地行驶。 使车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车使车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车高速行驶时的稳定性。高速行驶时的稳定性。 二、二、悬架的设计要求悬架的设计要求 1 1保证汽车有良好的行驶平顺性保证汽车有良好的行驶平顺性 2 2具有良好的衰减振动能力具有良好的衰减振动能力 3 3保证汽车有良好的操纵稳定性保证汽车有良好的操纵稳定性 4 4汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身点头、后仰，转弯汽车制动或加速时要保证车身稳定

3、，减少车身点头、后仰，转弯 时车身侧倾角要合适时车身侧倾角要合适 5 5有良好的隔声能力有良好的隔声能力 6 6结构紧凑、占用空间尺寸要小结构紧凑、占用空间尺寸要小 7 7可靠地传递各种力、力矩，在满足零部件质量要小的同时，可靠地传递各种力、力矩，在满足零部件质量要小的同时， 还要保证有足够的强度和寿命还要保证有足够的强度和寿命 三组成三组成 弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器。弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器。 悬 架弹性元件缓 冲 块横向稳定器减振装置导向装置钢板弹簧螺旋弹簧扭杆弹簧空气弹簧油气弹簧橡胶弹簧非独立悬架独立悬架平衡式悬架交联式悬架主动式悬架第二节第二

4、节 悬架结构形式分析悬架结构形式分析一非独立悬架和独立悬架一非独立悬架和独立悬架 1、悬架分类、悬架分类2、非独立悬架和独立悬架特性对比、非独立悬架和独立悬架特性对比 二独立悬架结构形式分析二独立悬架结构形式分析横臂式 纵臂式 双 横臂式 单 横臂式 单 纵臂式 双 纵臂式 单 斜臂式 麦 弗逊式 扭 转梁 随动 臂式 回目录回目录1、独立悬架分类、独立悬架分类越野车装甲车2、不同形式独立悬架方案分析、不同形式独立悬架方案分析 侧倾中心位置高：它到车身质心距离短，侧倾力臂及力矩侧倾中心位置高：它到车身质心距离短，侧倾力臂及力矩小，车身侧倾角小；车身侧倾时轮距变化大，轮胎磨损小，车身侧倾角小；车

5、身侧倾时轮距变化大，轮胎磨损。 主销后倾角变化大，转向轮易摆振。主销后倾角变化大，转向轮易摆振。 外倾角变化大，影响直线行驶稳定性和轮距变化，轮胎磨外倾角变化大，影响直线行驶稳定性和轮距变化，轮胎磨损速度损速度。 轮距变化影响轮胎磨损速度。轮距变化影响轮胎磨损速度。 悬架侧倾角刚度影响车身侧倾角大小。悬架侧倾角刚度影响车身侧倾角大小。 悬架横向刚度小，转向轮容易摆振。悬架横向刚度小，转向轮容易摆振。 悬架悬架占用空间大小影响发动机布置、拆装的方便性。占用空间大小影响发动机布置、拆装的方便性。三、前、后悬架方案的选择三、前、后悬架方案的选择 1前后悬架的匹配方案前后悬架的匹配方案 悬架 方案 前

6、悬架 后悬架 备 注 非独立悬架 独立 悬架 非独立 悬架 独立悬架 纵置钢板弹簧 2三种匹配方案分析三种匹配方案分析 1）前、后轮均采用纵置板簧非独立悬架）前、后轮均采用纵置板簧非独立悬架 纵置钢板弹簧优点：纵置钢板弹簧优点： 悬架结构简单悬架结构简单维修保养方便维修保养方便在车上布置容易在车上布置容易制造容易制造容易1)可传递各种力和力矩可传递各种力和力矩 纵置钢板弹簧缺点：纵置钢板弹簧缺点： 质量大质量大簧下质量大簧下质量大悬架弹性特性是线形的悬架弹性特性是线形的寿命短寿命短1)长度短，刚度大，平顺性长度短，刚度大，平顺性差差 上述优、缺点是指一副钢板弹簧而言，如果前、后轴（桥）上述优、

7、缺点是指一副钢板弹簧而言，如果前、后轴（桥）的四个车轮都装有纵置钢板弹簧，对整车来说又有下述两项缺的四个车轮都装有纵置钢板弹簧，对整车来说又有下述两项缺点：点： （1）汽车转弯行驶时有轴转向效应问题，见图）汽车转弯行驶时有轴转向效应问题，见图6-3 对前轴，轴转向效应使汽车不足转向趋势增加。对前轴，轴转向效应使汽车不足转向趋势增加。 对后桥，轴转向效应增加了汽车过多转向趋势。对后桥，轴转向效应增加了汽车过多转向趋势。 为克服后者带来的缺点，对于轿车要求将后悬架的前吊为克服后者带来的缺点，对于轿车要求将后悬架的前吊耳位置布置低些。耳位置布置低些。（2）前悬架采用纵置钢板弹簧，前轮容易摆振，汽车操

8、纵稳）前悬架采用纵置钢板弹簧，前轮容易摆振，汽车操纵稳定性变坏。定性变坏。 应用：中、重型货车应用：中、重型货车 2）前轮采用独立悬架、后轮采用非独立悬架）前轮采用独立悬架、后轮采用非独立悬架 （1）目前轿车前轮多采用麦弗逊式悬架，当车轮上、下跳动时车轮）目前轿车前轮多采用麦弗逊式悬架，当车轮上、下跳动时车轮定位参数变化小，因而可以保证前轮不易发生摆振现象，使汽车有良定位参数变化小，因而可以保证前轮不易发生摆振现象，使汽车有良好的操纵稳定性。好的操纵稳定性。 除此之外，两前轮装上麦弗逊式悬架以后，当主销轴线的延长线除此之外，两前轮装上麦弗逊式悬架以后，当主销轴线的延长线与地面的交点位于轮胎胎冠

9、印迹中心外侧时，具有负主销偏移距与地面的交点位于轮胎胎冠印迹中心外侧时，具有负主销偏移距rs，有利于制动稳定性有利于制动稳定性 如图，汽车制动时，一半如图，汽车制动时，一半管路破损，无制动，而另一半管路破损，无制动，而另一半管路完好，有制动作用，结果管路完好，有制动作用，结果前轮制动力不对称，车轮朝力前轮制动力不对称，车轮朝力大的方向绕主销转动。如果用大的方向绕主销转动。如果用负的转臂（主销偏移距），前负的转臂（主销偏移距），前轮制动力使转向轮向右转，后轮制动力使转向轮向右转，后轮制动力使汽车绕质心转，结轮制动力使汽车绕质心转，结果汽车摆正了。果汽车摆正了。汽车制动稳定汽车制动稳定性性 （2）

10、 前悬架采用双横臂式独立悬架、后悬架采用纵置钢板弹簧非前悬架采用双横臂式独立悬架、后悬架采用纵置钢板弹簧非独立悬架时，可通过将双横臂中的上横臂支承轴销的轴线布置成独立悬架时，可通过将双横臂中的上横臂支承轴销的轴线布置成前高后低状，使悬架的纵向运动瞬心位于能减少制动前俯角处，前高后低状，使悬架的纵向运动瞬心位于能减少制动前俯角处，使制动时车身纵倾减少，达到保持车身有良好的稳定性能使制动时车身纵倾减少，达到保持车身有良好的稳定性能 。3）前、后轮采用独立悬架）前、后轮采用独立悬架 轿车前轮用麦弗逊式悬架，后轮用扭转梁随动臂式后悬架用轿车前轮用麦弗逊式悬架，后轮用扭转梁随动臂式后悬架用的非常广泛。对

11、于扭转量随动臂式后悬架，支撑处采用橡胶衬套：的非常广泛。对于扭转量随动臂式后悬架，支撑处采用橡胶衬套： 因橡胶衬套的横截面方向上，按对角因橡胶衬套的横截面方向上，按对角线方向开有楔形孔。结果在不同方向衬套线方向开有楔形孔。结果在不同方向衬套的刚度不一样。即：的刚度不一样。即：a在汽车纵轴线方向衬套的刚度小，缓在汽车纵轴线方向衬套的刚度小，缓冲性能和隔振性能均提高。冲性能和隔振性能均提高。b衬套的纵向刚度增大衬套的纵向刚度增大c衬套的总扭转刚度增大衬套的总扭转刚度增大 b、c两项增大的原因是：两项增大的原因是： 转向行驶时，车轮与地面之间作用转向行驶时，车轮与地面之间作用有侧向力有侧向力FY1、

12、 FY2 简化作用到衬套上简化作用到衬套上的力的力F1、F2和力矩和力矩M1、M2在在F1和和F2作作用下衬套内、外侧相对移动，同时处于橡用下衬套内、外侧相对移动，同时处于橡胶衬套内径处的金属隔套突肩压紧橡胶衬胶衬套内径处的金属隔套突肩压紧橡胶衬套，使之纵向刚度套，使之纵向刚度，扭转刚度，扭转刚度。减轻减轻轴转向效应，操纵稳定性好。轴转向效应，操纵稳定性好。四、辅助元件结构分析四、辅助元件结构分析1横向稳定器横向稳定器 车身振动固有频率车身振动固有频率 ，减小悬架垂直刚度减小悬架垂直刚度C，可使可使n，结果平顺性得到改善，结果平顺性得到改善 。又又悬架侧倾角刚度悬架侧倾角刚度CC，减小减小C又

13、使又使C减小，结果车减小，结果车身侧倾角身侧倾角，舒适性，舒适性 设置横向稳定器可以在不增大设置横向稳定器可以在不增大C的条件下，增大的条件下，增大C，能很好，能很好解决平顺性与舒适性的矛盾。通常使解决平顺性与舒适性的矛盾。通常使C 1 C 2。2缓冲块缓冲块 仅用来限制悬架最大行程的缓冲块仅用来限制悬架最大行程的缓冲块 用半个椭圆形橡胶硫化到钢板上制用半个椭圆形橡胶硫化到钢板上制 成。如成。如 右图所示右图所示兼有辅助弹性元件作用的缓冲块，兼有辅助弹性元件作用的缓冲块， 用多孔聚氨脂制作。它的特点是：用多孔聚氨脂制作。它的特点是： 强度高、耐磨。强度高、耐磨。 2smcn 回目录回目录第三节

14、第三节 悬架主要参数的确定悬架主要参数的确定 一、悬架静挠度一、悬架静挠度f fc c 1.f1.fc c定义：定义： fc是指汽车满载静止时，悬架上的载荷是指汽车满载静止时，悬架上的载荷FW与悬架刚度与悬架刚度C之之比。即比。即fc=FW/C 2影响选取影响选取fc的因素的因素 cfn5cWfFC 车厢侧倾角小前俯角小3、偏频的概念、偏频的概念 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。现代汽车的质量分配系影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。现代汽车的质量分配系数数 1，这样可将汽车前后悬架簧上质量的振

15、动视为相互独立。，这样可将汽车前后悬架簧上质量的振动视为相互独立。此时，汽车前后部分车身的固有振动频率此时，汽车前后部分车身的固有振动频率n1、n2称称为偏频：为偏频：11121mcn22221mcn 式中：式中：c1、c2为前后悬架的刚度（为前后悬架的刚度（N/cm); m1、m2为前后悬架的簧上质量（为前后悬架的簧上质量（kg) 。 当悬架的弹性特性为线性时有：当悬架的弹性特性为线性时有：111/ cgmfc222/cgmfc 分别代入上式有：分别代入上式有：115cfn225cfn 4、选取、选取fc时应遵守的原则时应遵守的原则 1）对轿车应保证有良好的平顺性，即）对轿车应保证有良好的平

16、顺性，即n低，低，fc大；大客车次之，大；大客车次之，载货车居最后。载货车居最后。 2）级别越高的轿车）级别越高的轿车n应越小，应越小，fc应增大。应增大。 3）fc2fc1 分析证明了分析证明了n1/n21时小。时小。 设计时应使设计时应使n1n2，即，即fc2fc1 5、 fc值取值范围值取值范围 设计时，先从为了保设计时，先从为了保 证证 汽车汽车 有良好的平顺性，确定有良好的平顺性，确定n， 然然 后由后由 式可算得式可算得fc，下面给出下面给出n的选定范围：的选定范围： n 车型 HZ HZ 备注 普通级以下 1.001.45 1.171.58 轿车 高级 0.801.15 0.98

17、1.30 货车 1.502.10 1.702.17 nfc51n2n二、二、悬架的动挠度悬架的动挠度f fd d 1、fd定义：定义： 从满载静平衡位置开始，压缩悬架到结构允许的最大变形（通常从满载静平衡位置开始，压缩悬架到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压到其自由高度的指缓冲块压到其自由高度的1/2或或2/3）时，车轮中心相对车架（车身）时，车轮中心相对车架（车身）的垂直位移。的垂直位移。2、影响选取、影响选取fd的因素的因素 fd 影响因素 要求 fd取 备注 坏路行驶舒适性 大 车型不同 不同 车架高度限制 小 车型不同， 使用条件、 车速、路面以及悬架刚度不一样 3选取选取fd的原则的

18、原则 悬架刚度小、使用条件又不好的汽车，悬架刚度小、使用条件又不好的汽车，fd应取大，防止汽车行应取大，防止汽车行驶时经常撞击限位块，影响乘坐舒适性。驶时经常撞击限位块，影响乘坐舒适性。4推荐推荐fd的选取范围的选取范围 fd 车型 fd 轿车 79 大客车 58 货车 69 三、三、悬架的弹性特性悬架的弹性特性 1定义定义 悬架受到的垂直外力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架或车身与由此所引起的车轮中心相对于车架或车身位移位移f（悬架变形）之间的关系曲线。（悬架变形）之间的关系曲线。 悬架刚度：弹性特性曲线上某悬架刚度：弹性特性曲线上某点的切线与水平坐标轴夹角的点的切线与水

19、平坐标轴夹角的正切为该点刚度。正切为该点刚度。 如图中如图中8点刚度点刚度8点静挠度是点静挠度是fc cWfFctan2种类种类 悬架的弹性悬架的弹性f特性有：线性弹性特性、非线性弹性特性两种。特性有：线性弹性特性、非线性弹性特性两种。3特点特点1）线性弹性特性特点）线性弹性特性特点（1）定义：）定义： 悬架变形悬架变形f与所受垂直外力与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，称之为线性弹性特性。称之为线性弹性特性。（2）特点）特点 悬架的刚度悬架的刚度 = 常数常数 m簧上质量簧上质量使用中由于使用中由于m的变化（空、半、满载等），引起的

20、变化（空、半、满载等），引起n变化。当空、半载时，变化。当空、半载时，n平顺性变坏。平顺性变坏。 超载时超载时m n平顺性平顺性。 cfFC mcn21 悬架动容量定义悬架动容量定义 悬架从满载静平衡的位置起，变形到结构允许的最悬架从满载静平衡的位置起，变形到结构允许的最大变形为止，消耗的功。大变形为止，消耗的功。 动容量大，悬架碰撞缓冲块的可能性愈小。动容量大，悬架碰撞缓冲块的可能性愈小。 具有线性特性的悬架，在具有线性特性的悬架，在n比较低的条件下与非线性比较低的条件下与非线性特性悬架比较，当动容量相同时，其动挠度增加很多特性悬架比较，当动容量相同时，其动挠度增加很多碰撞车架碰撞车架舒适性

21、舒适性。 上述情况下为了不碰撞车架，可抬高车架上述情况下为了不碰撞车架，可抬高车架hg汽汽车稳定性车稳定性。 2）非线性弹性特性）非线性弹性特性（1）定义）定义 悬架变形悬架变形f与所受垂直外力与所受垂直外力F之间，不呈固定比例变化时，弹性之间，不呈固定比例变化时，弹性特性为曲线，称之非线性弹性特性。特性为曲线，称之非线性弹性特性。（2）特点）特点 悬架的刚度悬架的刚度C是变化的是变化的要求其变化规律如下：要求其变化规律如下： 满载位置附近（点满载位置附近（点8）C要小，特性曲线平缓、平顺性要小，特性曲线平缓、平顺性。 空载位置附近（点空载位置附近（点2到点到点1）C要大，特性曲线变陡，碰撞要

22、大，特性曲线变陡，碰撞车架的机会车架的机会。 动载荷（或超载）位置附近（点动载荷（或超载）位置附近（点7以上）以上）C要大，曲线变陡，击要大，曲线变陡，击穿缓冲块的机会穿缓冲块的机会。 图中两端（图中两端（21和和7以上）以上）C大，大，在动容量不变的条件下在动容量不变的条件下fd。4影响选取弹性特性的因素影响选取弹性特性的因素 根据上述归纳如下：根据上述归纳如下： 四、四、后悬架主、副簧刚度的分配后悬架主、副簧刚度的分配 只有主簧的钢板弹簧悬架，其弹性特性为线性。有主簧又只有主簧的钢板弹簧悬架，其弹性特性为线性。有主簧又有副簧的钢板弹簧悬架的弹性特性是非线性的。有副簧的钢板弹簧悬架的弹性特性

23、是非线性的。 1 . 工作特点工作特点 分两个阶段：分两个阶段：1）空载及小载荷工况下，只有主簧工作，）空载及小载荷工况下，只有主簧工作，副簧不参与工作。从结构变形看，主簧仍副簧不参与工作。从结构变形看，主簧仍是下凹状，随载荷增加向平的状态接近。是下凹状，随载荷增加向平的状态接近。随之副簧与托架之间的间隙逐渐减小。此随之副簧与托架之间的间隙逐渐减小。此阶段悬架的弹性特性是线性的，且刚度阶段悬架的弹性特性是线性的，且刚度C较小。较小。 2）载荷增加到）载荷增加到FK瞬间，副簧与托架之间间隙消除。从此，副簧与主簧瞬间，副簧与托架之间间隙消除。从此，副簧与主簧共同承担作用在悬架上的载荷。刚度共同承担

24、作用在悬架上的载荷。刚度C增大，悬架的弹性特性曲线变陡。增大，悬架的弹性特性曲线变陡。 2载荷分配载荷分配 主副簧共同工作时，作用到主、副簧上的载荷按它们的刚度成正比分主副簧共同工作时，作用到主、副簧上的载荷按它们的刚度成正比分配。配。 3刚度分配刚度分配 设计有副簧的悬架，需要确定两个参数：设计有副簧的悬架，需要确定两个参数： 1）主副簧之间的刚度分配。）主副簧之间的刚度分配。2）副簧开始参加工作时的载荷。）副簧开始参加工作时的载荷。 具体确定刚度分配的方法有两种：具体确定刚度分配的方法有两种：1）考虑的原则是：）考虑的原则是： 使空载时悬架频率使空载时悬架频率n0(f0)、满载时悬架的频率

25、、满载时悬架的频率nc(fc)，副簧起作用前瞬间，副簧起作用前瞬间的振动频率的振动频率nk(fk)、起作用后悬架的频率、起作用后悬架的频率na(fa)相差不大，即保证汽车满载相差不大，即保证汽车满载和空载平顺性良好为基本出发点。和空载平顺性良好为基本出发点。 由由 式可知：式可知：（1）只有主簧工作时，）只有主簧工作时，C不变，随不变，随F，n （2）副簧参加工作瞬间）副簧参加工作瞬间C，n。当。当F继续继续时，时，n又又 由图可知只要做到由图可知只要做到n0、nc、nk、na相近，汽车的平顺性在空、满载相近，汽车的平顺性在空、满载和副簧起作用前后等均良好。和副簧起作用前后等均良好。 Fcn5

26、FcnfnCFffFC55又结论：副簧在空载与满载载荷比例结论：副簧在空载与满载载荷比例中项时起作用，可保证在使用范围中项时起作用，可保证在使用范围内频率变化不大。内频率变化不大。 整理与式得副簧、主簧刚整理与式得副簧、主簧刚度比为度比为 本方法适用于半载运输状况少本方法适用于半载运输状况少时的车辆时的车辆 1/macco/ FFw0wFFFk0w2FFFk具体做法：具体做法： 令 又 将代入，整理后得：将代入，整理后得：ckannnn0fn5ckaffff0)()(w00amcmkkamkamCCFfCFfCCFfCFfammkmamkCCFCFCFCCFw0)()(w0amkamkCCFF

27、CCFF2）第二种方法第二种方法 使副簧开始起作用时的载荷等于空载与满载时悬架载荷的平均值，使副簧开始起作用时的载荷等于空载与满载时悬架载荷的平均值，Fk=0.5(F0+FW)，并使，并使Fo和和Fk间的平均载荷对应的频率与间的平均载荷对应的频率与Fk和和FW间平均载间平均载荷对应的频率（静挠度）相等，即图中荷对应的频率（静挠度）相等，即图中f1=f2 FW、F0和和Cm是已知的，是已知的，用上式求得用上式求得Ca 本方法适用于经常处于半载运输条件下的车辆。本方法适用于经常处于半载运输条件下的车辆。 )(220amkwmkCCFFCFFmwkakmkCFFCFFCFF)()()(00)()(0

28、0FFCFFCwmkakwmaFFFFCC00322322/32222000000000maWWmaWWWmawWmawkCCFFFFCCFFFFFFCCFFFFFCCFFF即则令即又五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配五、悬架侧倾角刚度及其在前后轴的分配 1悬架侧倾角刚度定义悬架侧倾角刚度定义 簧上质量产生单位侧倾角时悬架给车身的弹性恢复力矩。簧上质量产生单位侧倾角时悬架给车身的弹性恢复力矩。2悬架侧倾角刚度对下列使用性能有影响悬架侧倾角刚度对下列使用性能有影响 侧 倾 角 刚 度 使 用 性 能 备 注 过 小 乘 员 乘 坐 舒 适 感不 好 乘 员 乘 坐 安 全 感不 好 侧 倾角

29、刚度 过 大 乘 员 缺 乏 发 生 侧翻 感 觉 ， 后 轮 侧 倾角 大， 过 多 转 向性 车 身 侧 倾 角 大 车 身 侧 倾 角 大 车 身 侧 倾 角 小 由定义侧倾角刚度越大，在相同车身侧倾角条件下，恢复力矩也应大，由定义侧倾角刚度越大，在相同车身侧倾角条件下，恢复力矩也应大，结果作用到轮胎的负荷结果作用到轮胎的负荷。 3车身侧倾角车身侧倾角 当侧向惯性力等于当侧向惯性力等于0.4倍车重时，车身侧倾角在下列范围倍车重时，车身侧倾角在下列范围 侧倾角 车型 车 身 侧 倾角 备注 轿车 2.5040 货车 6070 前后悬架侧倾角刚度的匹配前后悬架侧倾角刚度的匹配 前后悬架侧倾角

30、刚度的分配影响前后轮侧偏角大小，要求汽车前后悬架侧倾角刚度的分配影响前后轮侧偏角大小，要求汽车转弯行驶时转弯行驶时,在在0.4g侧向加速度作用下侧向加速度作用下1-2=1030内，为满足不足转内，为满足不足转向特性要求，应使前悬架侧倾角刚度略大于后悬架的侧倾角刚度。向特性要求，应使前悬架侧倾角刚度略大于后悬架的侧倾角刚度。 轿车前后悬架侧倾角刚度比值为轿车前后悬架侧倾角刚度比值为1.42.6。 回目录回目录O、弹性元件结构分析、弹性元件结构分析 第四节第四节 弹性元件的计算弹性元件的计算 变厚少片簧比多片减少变厚少片簧比多片减少20%40%的质量。的质量。 油气和空气弹簧比多片钢板弹簧轻油气和

31、空气弹簧比多片钢板弹簧轻50%扭杆弹簧本身固定在车架上，扭杆弹簧本身固定在车架上，簧下质量小。簧下质量小。板簧轴销处要求每天或行驶板簧轴销处要求每天或行驶500公里保养一次，即加注润滑脂。公里保养一次，即加注润滑脂。板簧在交变应力作用下，并受污泥、浊水腐蚀，易产生细而深裂纹板簧在交变应力作用下，并受污泥、浊水腐蚀，易产生细而深裂纹 发展成疲劳裂纹。发展成疲劳裂纹。 板簧板簧 寿命寿命 好路好路 1015万万km 坏路坏路 11.5万万km 一般一般 45万万km 空气弹簧气囊寿命是板簧四倍空气弹簧气囊寿命是板簧四倍.一、钢板弹簧一、钢板弹簧 （一）布置方案（一）布置方案 纵置钢板弹簧 对称式

32、不对称式 对称式：钢板弹簧中部在车轴上的固定中心至两端卷耳中心距离相等对称式：钢板弹簧中部在车轴上的固定中心至两端卷耳中心距离相等不对称式：钢板弹簧中部在车轴（桥）上的固定中心至两端卷耳中心距离不对称式：钢板弹簧中部在车轴（桥）上的固定中心至两端卷耳中心距离不相等不相等 。 二、主要参数的确定二、主要参数的确定 由总体布置给出的初始条件：由总体布置给出的初始条件：G1、G2 满载静止时，汽车前、后轴（桥）负荷满载静止时，汽车前、后轴（桥）负荷Gu1、Gu2 簧下部分荷重簧下部分荷重 钢板弹簧载荷：钢板弹簧载荷：Fw1 =（G1 - Gu1）/2Fw2 =（G2 - Gu2）/2L 汽车轴距汽车

33、轴距 已选定的参数：已选定的参数：fcfd1. 满载弧高满载弧高fa 1）定义：）定义： fa是指钢板弹簧装到车轴上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与是指钢板弹簧装到车轴上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与 两端（不含卷耳孔半径）连线间的最大高度差。两端（不含卷耳孔半径）连线间的最大高度差。 2）影响选取）影响选取fa的因素的因素 fa 影 响 因 素 要 求 fa取 备 注 车 身 高 度 小 （ fa =0） fa增 大 ，车 身 高 度 增 加 ， hg增 加 板 簧 工 作 应 力 变 化 幅 度 零 板 簧 在 对 称 位 置 上 工 作 板 簧 工 作 中 的 塑 性 变 形 小 fa

34、略 大 于 零 可 以 补 偿 塑 性 变 形 动 挠 度 fd 大 保 证 有 足 够 的 fd 10 20 mm 钢板弹簧长度钢板弹簧长度L 1）定义：钢板弹簧伸直后，两卷耳）定义：钢板弹簧伸直后，两卷耳中心之间的距离中心之间的距离 。2）影响选取）影响选取L的因素的因素 3.）fa的推荐值的推荐值 影响因素 L 要求L取 备 注 钢板弹簧的 工作应力 尽可能长些 钢板弹簧的 刚度 尽可能长些 钢板弹簧的 纵向角刚度 尽可能长些 总体布置 短 些 因扭转力矩产生的应力 尽可能长些 轴距短的汽车 短 些 车头形式 平头车前悬架 布置困难 26)(/KSLEhfcw3048)(/KSLEJC4

35、2/CLC LrEh/2 纵向角刚度纵向角刚度C的定义：的定义： 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（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（T）值。即值。即 分析上式可知：在垂直刚度不变的条件下，分析上式可知：在垂直刚度不变的条件下，CL2 所以所以L增加的同增加的同时时C也上升，结果因纵向扭转力矩也上升，结果因纵向扭转力矩T引起的变形减少（即引起的变形减少（即角减少）导致角减少）导致纵向扭转力矩纵向扭转力矩T产生的应力减少：产生的应力减少： 3）选取）选取L的原则的原则 在总布置允许的条件下，在总布置允许的条件下，L尽可能选长些。尽可能选长些。 42CL

36、TCLLEh12所以4）推荐）推荐L的选取范围的选取范围 3. 钢板断面尺寸及片数的确定钢板断面尺寸及片数的确定 1）钢板断面宽度）钢板断面宽度b (1) 影响选取影响选取b的因素的因素 参数 b 影响因素 要求 b 取 备注 增加卷耳强度 宽 因为传力复杂，故有必要加强 减少钢板弹簧片数 宽 片数少了，片间摩擦减少，总厚变小 增加转向轮转角 窄 减少钢板弹簧 扭曲应力 窄 指汽车车身侧倾时 （2） 钢板弹簧各片平均厚度钢板弹簧各片平均厚度hp的确定的确定 钢板弹簧的总惯性矩钢板弹簧的总惯性矩Jo的确定：的确定： 钢板弹簧总截面系数钢板弹簧总截面系数Wo： 钢板弹簧的平均厚度钢板弹簧的平均厚度

37、hp： （3） 推荐推荐b的选取范围：的选取范围： b=(610) hp ， b应符合国标应符合国标2） 钢板弹簧片厚钢板弹簧片厚h的选择的选择 （1） 影响选择影响选择h的因素的因素 ECKSLJ4830)( wWSKLFW40)(002WJhpS U形螺栓的中心距，形螺栓的中心距，mm。K U形螺栓夹紧弹簧后的无形螺栓夹紧弹簧后的无 效长度系数。刚性夹紧效长度系数。刚性夹紧 k=0.5，挠性夹紧，挠性夹紧k=0。C 钢板弹簧的垂直刚度，钢板弹簧的垂直刚度， （N/mm）；）； 挠度增大系数，以下式初挠度增大系数，以下式初算：算： )5 . 01 (04. 15 . 1=n1/n0，n1 为

38、与主片等为与主片等长的重叠片数，长的重叠片数，n0 为总为总片数。片数。 参数 h 影响因素 要求 h 取 备注 减少 薄 Jo影响 C 减少 薄 C 影响平顺性 减少片数 n 厚 加强主片强度 厚 制造工艺 厚度组数少 各片寿命相近 厚度差别小 1230/ )(nbhJ 3048)/()(KSLEJC3） 钢板断面形状钢板断面形状 （1）钢板断面形状不同的原因）钢板断面形状不同的原因图图a示出的矩形断面钢板弹簧中性轴在对称位置处。示出的矩形断面钢板弹簧中性轴在对称位置处。工作时，上、下表面的拉、压应力绝对值相等。工作时，上、下表面的拉、压应力绝对值相等。 因为材料抗压能力大于抗拉能力，所以，

39、受拉应力因为材料抗压能力大于抗拉能力，所以，受拉应力 的上表面先行损坏。的上表面先行损坏。 移动中性轴可以使拉应力下降，压应力上升，寿命提高。移动中性轴可以使拉应力下降，压应力上升，寿命提高。（2） 选取片厚的原则选取片厚的原则 h应当符合国家标准规格应当符合国家标准规格 h选用选用=(1 0.1)h计算计算 厚度组数厚度组数三组，而且三组，而且hmax/hmin1.5 相邻两组的厚度比相邻两组的厚度比1.25 计算hhnnii)1.01(11（2）举例）举例 a) 矩形断面 b) T形断面 c) 单面抛物线边缘断面 d) 单面有双槽断面但会导致制造工艺复杂。4） 钢板弹簧片数钢板弹簧片数n（

40、1） 影响选取片数影响选取片数n的因素的因素 n 影 响 因 素 要 求 n 取 备 注 制 造 少 装 配 少 减 少 干 摩 擦 少 提 高 平 顺 性 等 强 度 多 材 料 利 用 率 多 （2）推荐）推荐n值取用范围值取用范围 n 钢 板 弹 簧 形 式 n(片 ) 备 注 多 片 钢 板 弹 簧 6 14 重 型 货 车 可 达 20 少 片 钢 板 弹 簧 1 4 （三）（三） 各片长度的确定各片长度的确定 1. 作图法作图法 、先将各片厚的立方值、先将各片厚的立方值hi3按同一比例尺沿纵坐标绘出。按同一比例尺沿纵坐标绘出。、沿横坐标量出主片长度的一半、沿横坐标量出主片长度的一半

41、L/2和和U形螺栓中心距之半形螺栓中心距之半S/2，得到，得到A， B两点。两点。、连接、连接A、B得到三角形钢板弹簧的展开图，得到三角形钢板弹簧的展开图，AB线与各叶片上侧边的交线与各叶片上侧边的交 点即为各片的长度。点即为各片的长度。、若有与主片等长的重叠片，就从、若有与主片等长的重叠片，就从B点到最后一个重叠片的端点（上侧点到最后一个重叠片的端点（上侧 边）连成一直线，此直线与各片上侧边交点即为各片长度。边）连成一直线，此直线与各片上侧边交点即为各片长度。、按、按、求得各片的长度以后，需要圆整而得到各片的实际长度。装求得各片的长度以后，需要圆整而得到各片的实际长度。装 有卡箍的叶片，端部

42、应略伸出卡箍外少许。有卡箍的叶片，端部应略伸出卡箍外少许。2. 为什么用为什么用hi3作图作图u多片、等厚、等应力钢板弹簧，相当于由两个三角形钢板构成双多片、等厚、等应力钢板弹簧，相当于由两个三角形钢板构成双 臂单片臂单片 板簧。板簧。u因为布置上的困难，将单片板簧按照同一宽度因为布置上的困难，将单片板簧按照同一宽度b切割为若干片，再切割为若干片，再 叠放叠放 构成等应力板簧。构成等应力板簧。u剪开前等应力梁的惯性矩剪开前等应力梁的惯性矩:u剪开后叠放的多片板簧惯性矩不变剪开后叠放的多片板簧惯性矩不变, 即即B=bn u若各片厚度不等，有三组若各片厚度不等，有三组(h1、h2、h3)，每组各有

43、，每组各有n1、n2、n3片，则片，则 3121BhJ 3121bnhJ 可见：可见：B和和h1/h、h2/h、h3/h是三次方关系。所以应该用厚度立方值是三次方关系。所以应该用厚度立方值画到纵坐标上。画到纵坐标上。 h 为h1、h2、h3的平均厚度 所以 )()()(321333231hhnhhnhhnbB)()(3333223111213121333322311121333121332212123111211hnhnhnbBhhnhnhnbJhbnJhbnJhbnJ（四）（四） 钢板弹簧刚度验算钢板弹簧刚度验算 1为什么要验算刚度？为什么要验算刚度？ 在此之前，理论上需要的在此之前，理论上

44、需要的Jo是用是用 式计算出来的。式计算出来的。 之后，靠选取之后，靠选取n.h.b,来保证来保证Jo 。因此带来如下问题：。因此带来如下问题： 1）b、h应符合标准，即圆整过，所以实际惯性矩与理论上出现差别。应符合标准，即圆整过，所以实际惯性矩与理论上出现差别。 2）式中）式中是用是用 算出，式中只考虑了片数，算出，式中只考虑了片数， 没有考虑没有考虑 板簧的形状，不够准确板簧的形状，不够准确 。 3）上述公式是简化公式）上述公式是简化公式 2 计算板簧刚度的共同曲率法计算板簧刚度的共同曲率法 假设：假设：1）同一截面上各片曲率半径变化值相同）同一截面上各片曲率半径变化值相同 2）各片承受的

45、弯矩正比于其惯性矩）各片承受的弯矩正比于其惯性矩 3）截面上各片的弯矩之和等于外力所引起的力矩）截面上各片的弯矩之和等于外力所引起的力矩 ECJKSL48/)(30)(31210nbhJ )5 . 01 (04. 1/5 . 101nnl1、lk+1主片和第（主片和第（k+1）片的一半长度）片的一半长度E材料弹性模量材料弹性模量经验修正系数经验修正系数 =0.900.94l1用主片长度的一半代入得到的是钢板弹簧总成自由刚度用主片长度的一半代入得到的是钢板弹簧总成自由刚度Cj (l1-0.5ks)代入得到的是钢板弹簧总成夹紧刚度代入得到的是钢板弹簧总成夹紧刚度Cz 计算公式：计算公式： 1111

46、1111131116kiikkiikkknkkkkJYJYllYYEC)()(（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高Ho及曲率半径计算及曲率半径计算 1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高钢板弹簧总成在自由状态下的弧高Ho 1）Ho定义定义 钢板弹簧各片装配后，在预压缩和钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U型螺栓夹紧前，型螺栓夹紧前，主片上表面与两端（不含卷耳孔半径）连线间的最大高度主片上表面与两端（不含卷耳孔半径）连线间的最大高度差差Ho。 2） Ho的计算公式的计算公式 H0=(fc+fa+f) f钢板弹簧总成用钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高变化量。形螺栓夹

47、紧后引起的弧高变化量。3) 钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径Ro证明：证明：abcbdc所以所以22)(3(LffSLSfca0208HLR 020020008L22HRHlRHllR4）钢板弹簧在自由状态下的曲率半径的确定）钢板弹簧在自由状态下的曲率半径的确定（1）自由状态下曲率半径的特点）自由状态下曲率半径的特点各片曲率半径不同，如图所示：主片附近的几片曲率半径比较大，各片曲率半径不同，如图所示：主片附近的几片曲率半径比较大，片越短，曲率半径越小。片越短，曲率半径越小。装配夹紧之后，各片曲率半径相同。装配夹紧之后，各片曲率半径相同。（2）自由状态下曲率半

48、径不同的原因）自由状态下曲率半径不同的原因 保证各片有相同的寿命保证各片有相同的寿命 由式由式 可知：可知： 在承受垂直载荷作用时，片厚越厚的片应力在承受垂直载荷作用时，片厚越厚的片应力稍大。稍大。 主片又承受其它力。故早于其它片损坏的机会多。主片又承受其它力。故早于其它片损坏的机会多。 当将各片曲率半径作成不一样时，装配后用当将各片曲率半径作成不一样时，装配后用U形螺栓夹紧。形螺栓夹紧。有些片产生负的预应力。有些片则产生正的预应力。工作时产生有些片产生负的预应力。有些片则产生正的预应力。工作时产生的应力与之合成。使各片应力大致接近。寿命也接近。的应力与之合成。使各片应力大致接近。寿命也接近。

49、 )(26KSLEhf 减轻主片的工作条件减轻主片的工作条件a 各片厚度不一样，各片曲率半径也作成不同。目的是利用各片曲率各片厚度不一样，各片曲率半径也作成不同。目的是利用各片曲率半径不同，装配夹紧后各片之间贴合良好，当载荷小时，各片也都能半径不同，装配夹紧后各片之间贴合良好，当载荷小时，各片也都能参加工作，减轻主片负荷。参加工作，减轻主片负荷。b 若各片曲率半径相同，在车轮自由落下时，下面几片松脱（因为有若各片曲率半径相同，在车轮自由落下时，下面几片松脱（因为有U形螺栓，不会散开）、车轮、车轴的质量由主片承担，不合理。形螺栓，不会散开）、车轮、车轴的质量由主片承担，不合理。 （3）要求）要求

50、 各片自由状态下具有的曲率半径，经装配夹紧后产生的预应力，各片自由状态下具有的曲率半径，经装配夹紧后产生的预应力，能保证各片有相同的疲劳强度。能保证各片有相同的疲劳强度。 （4）各片自由状态下的曲率半径）各片自由状态下的曲率半径Ri的确定的确定 21 000iiiEhRRR Rii片自由状态下的曲率半径片自由状态下的曲率半径 Ro总成自由状态下的曲率半径总成自由状态下的曲率半径 0i各片弹簧预应力各片弹簧预应力 E材料弹性模量材料弹性模量2.1x105 N/mm2 hii片的厚度片的厚度 因为因为Ro已知。所以只要知道已知。所以只要知道0i用上式可以算出用上式可以算出Ri （5）0i的确定原则

51、的确定原则 选取选取0i时要求作到下述两点：时要求作到下述两点：1）装配前各片弹簧片间间隙相差不大。装配后贴合良好）装配前各片弹簧片间间隙相差不大。装配后贴合良好2）适当降低主片及相邻长片的应力，保证有足够的使用寿命。原则：）适当降低主片及相邻长片的应力，保证有足够的使用寿命。原则： 各片厚度相同的钢板弹簧各片厚度相同的钢板弹簧0i不宜选取过大。不宜选取过大。 各片厚度不同的钢板弹簧，厚片各片厚度不同的钢板弹簧，厚片0i可取大些。可取大些。 （六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算 1 为什么要核算钢板弹簧总成弧高？为什么要核算钢板弹簧总成弧高？ 因为叶片自由状态下的曲率半径因

52、为叶片自由状态下的曲率半径Ri是经选是经选0i再用式再用式计算出。装配后钢板弹簧总成自由状态的弧高计算出。装配后钢板弹簧总成自由状态的弧高H0与用式与用式R0=L2/8H0计算有出入并影响车身高度发生变化。计算有出入并影响车身高度发生变化。 因为因为 式中式中Ro、E不变。若各片不变。若各片h一样，一样，Ri=f(0i) 所以所以0i取小些可以满足取小些可以满足 原原则一。基于同一理由若各片则一。基于同一理由若各片hi不同不同Ri=f(0i，hi) 所以所以0i可以取大些。可以取大些。 （6）推荐）推荐0i的取值范围的取值范围 预应力从长片到短片由负值逐渐增至正值。预应力从长片到短片由负值逐渐

53、增至正值。 14片长片叠加出负的预应力，短片叠加正的预应力。片长片叠加出负的预应力，短片叠加正的预应力。 主片根部的工作应力与预应力叠加后的合成应力要在主片根部的工作应力与预应力叠加后的合成应力要在300350 N/mm2 21 000iiiEhRRR21 000iiiEhRRR2. 核算用公式核算用公式 等厚叶片等厚叶片Ro用下式计算：用下式计算： 钢板弹簧总成弧高钢板弹簧总成弧高H用下式计算用下式计算 两式核算结果应相近。两式核算结果应相近。 如果相差较大须从新选取如果相差较大须从新选取0i再核算。再核算。 （七）钢板弹簧强度计算（七）钢板弹簧强度计算 niiniiiLRLR110/102

54、0028)(8RLHfffHRLHac用制动工况：制动工况：前板簧受前板簧受力最大。力最大。后半段出后半段出现最大应现最大应力。力。0211211max)()(WllCllmG1110212111max)()(bhmGWllCllmG1220212122max)()(bhmGWllCllmG02121)(WlllKlGi021211)(Wlll lF0W3. 卷耳和弹簧销的强度核算卷耳和弹簧销的强度核算 1) 受力分析受力分析 部位 核算公式 许用应力N/mm2 备 注 主片卷耳 （弯曲+拉或压） 350 30、40 34 弹簧销 （挤压） 20、20Cr 79 Fx-纵向力 Fx -静、 满

55、、 端部载荷 D-卷耳内径 b-板簧宽 h1-主片厚 d-销直径 1211)(3bhFbhhDFxxbdFxz（八）（八） 少片弹簧少片弹簧 1. 特点特点 : 1）片数）片数n少，少，1nl2(2-1)或或2h18mm h2 12 20mm )ll ()hh(A1212)ll ()lhlh(B12122121ll21hh二、扭杆弹簧二、扭杆弹簧 1.扭杆弹簧分类与布置 1）分类 扭杆弹簧根据断面不同形状分根据弹性元件数量不同分圆形管形片形组合式单杆式串联并联2）在汽车上的布置）在汽车上的布置 2 . 结构形式分析结构形式分析 布置特点不同布置特点不同横横 置置斜斜 置置纵纵 置置3 圆形断面

56、扭杆设计圆形断面扭杆设计 1）扭杆直径）扭杆直径d 扭杆应有足够的强度。在承受最大扭矩作用时不能损坏。扭杆应有足够的强度。在承受最大扭矩作用时不能损坏。 Mmax作用在扭杆上的最大扭矩作用在扭杆上的最大扭矩许用扭转切应力许用扭转切应力 800 900MPa3max)(M16d2) 扭杆有效长度扭杆有效长度L G切变模量切变模量 G=7.7x104MPaCn扭转刚度扭转刚度 设计时先根据平顺性要求选定悬架刚度设计时先根据平顺性要求选定悬架刚度C，而悬架刚度又与扭杆，而悬架刚度又与扭杆扭转刚度成正比。所以，扭转刚度不宜过大，以防汽车平顺性变坏。扭转刚度成正比。所以，扭转刚度不宜过大，以防汽车平顺性

57、变坏。 分析和式：分析和式：（1） 将式改写为将式改写为 可见如欲减少可见如欲减少d，即使仅减少，即使仅减少d，因为，因为正比于正比于1/d3，会使，会使大大地增加，强度不够，所以大大地增加，强度不够，所以d不能随便减少。不能随便减少。（2）将式改写成）将式改写成 。可见在。可见在L不变的条件下，如能减少不变的条件下，如能减少d，因为因为Cn正比于正比于d4所以所以Cn大大地减少，平顺性变好。大大地减少，平顺性变好。（3）在）在d不能减少的情况下，又要满足减少不能减少的情况下，又要满足减少Cn，提高平顺性，唯一，提高平顺性，唯一可行的办法就是加长可行的办法就是加长L。加长加长L会因总布置有困难

58、，不得不采用组合式扭杆会因总布置有困难，不得不采用组合式扭杆 n4c32GdL3max16dMLGdCn3243) 材料材料 40Cr , 45CrNiMoVA, 42CrMo,50CrV,经过预扭处理和喷丸处理。经过预扭处理和喷丸处理。 4）端部形状）端部形状 如用三角形花键，花键角度若取太小，载荷分布不均匀；如用三角形花键，花键角度若取太小，载荷分布不均匀； 花键角度若取太大，套管会因强度不足而裂开花键角度若取太大，套管会因强度不足而裂开 一般应选用一般应选用90三角花键或渐开线花键三角花键或渐开线花键 六角形端部组合式用的多六角形端部组合式用的多 5）端部尺寸）端部尺寸 扭杆弹簧分三部分

59、：扭杆弹簧分三部分：端部、过渡段、杆部，端部、过渡段、杆部，过渡段又有锥度过渡和圆弧过渡两种：过渡段又有锥度过渡和圆弧过渡两种：（1）端部尺寸 推荐： D=(1.2 1.3)d L1=0.4D （2）过渡段尺寸）过渡段尺寸 推荐：端部到杆部用推荐：端部到杆部用30夹角椎体过渡，使之应力集中最小夹角椎体过渡，使之应力集中最小 过渡段长：过渡段长：Lg =(D-d)/2tg15 过渡圆角：过渡圆角： r=1.5d （3）有效长度）有效长度Le 过渡段过渡段Lg中中(Lg-Le)不起扭杆作用，称之为非有效部分不起扭杆作用，称之为非有效部分过渡段中过渡段中Le一段起扭杆作用，称之为有效长度一段起扭杆作

60、用，称之为有效长度Le锥度过渡时：锥度过渡时： （4）扭杆的工作长度）扭杆的工作长度L L=Lo+2Le 32geDdDdDd3LL回目录回目录三、空气弹簧三、空气弹簧（一）空气悬架的组成与空气弹簧的分类（一）空气悬架的组成与空气弹簧的分类 1、空气悬架组成、空气悬架组成 由压气机、油水分离器、调压阀、储气筒、高度控制阀、控制连杆、由压气机、油水分离器、调压阀、储气筒、高度控制阀、控制连杆、空气弹簧、储气罐、空气滤清器和管路、导向传力杆、减振器、空气弹簧、储气罐、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。横向稳定器等部分组成。2、空气弹簧的分类、空气弹簧的分类1) 空气弹簧空