汽车设计过学迅第章行驶系统设计

6.1行驶系统概述与行驶系统载荷6.2车架设计6.3悬架设计习题第6章行驶系统设计[主要内容]本章首先对汽车行驶系统的功用、结构形式、设计要求进行概述,介绍行驶系统载荷特点,然后介绍车架的结构形式和设计计算方法,最后讲述悬架的设计方法,主要介绍弹性元件、导向机构和减振器的设计计算。本章要求:1.了解行驶系统的特点与行驶系统载荷的确定；2.掌握车架设计；3.掌握悬架设计。第6章行驶系统设计6.1行驶系统概述与行驶系统载荷6.1.1概述汽车行驶系统的基本功用是接受传动系统传来的发动机转矩并产生驱动力，支撑整车质量，承受和传递路面作用于车轮上的各种力和力矩，缓冲减振，保证汽车行驶的平顺性，与转向系统协调配合工作，控制汽车的行驶方向，以保证汽车操纵稳定性。摆臂平衡悬架6.1.2汽车行驶系统的载荷(１)确定的疲劳载荷:它是一种按一定规律变化的，可用确定的时间函数式来描述的载荷，其最简单的形式就是以最大载荷作幅值、具有零均值的等幅正弦载荷。(２)随机的疲劳载荷:它是一种不规则的、不能用确定的时间函数式来描述的载荷，但它遵循一定的数学统计规律。汽车行驶系统零件的工作载荷大都是随机疲劳载荷，简称随机载荷，对它只能进行统计的描述。6.2车架设计6.2.1车架的功用及设计要求车架是汽车的装配基体和承载基体，其功用是支撑连接汽车的各总成或零部件，将它组成一完整的汽车。同时，车架还承受来自车内外的各种载荷。车架主要为商用货车、中型及以下的商用客车、中高级和高级乘用轿车所采用。6.2.2车架的结构形式１.车架结构类型１)框式车架

(１)边梁式车架

(２)周边式车架

(３)Ｘ型车架２)脊梁式车架３)综合式车架车架结构类型２.车架的结构设计１)纵梁的形式纵梁截面形状２)横梁的形式车架横梁将左右纵梁连在一起，构成一个完整的车架，并保证车架有足够的扭转刚度，横梁还起着支撑某些总成的作用。横梁截面有开口和闭口之分。３)车架纵、横梁的连接４)车架宽度横梁的截面形状及与纵梁的连接纵、横梁的铆钉连接方式6.2.3车架的受载分析１.静载荷２.对称的垂直动载荷３.斜对称的动载荷４.其他载荷6.2.4车架的设计和计算１.弯曲强度计算的基本假设２.纵梁的弯矩计算(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)(6-5)(6-6)(6-7)(6-8)３.纵梁梁截截面面特特性性计计算算对于于槽槽形形截截面面，，截截面面系系数数ＷＷ为为:对于工工字形形截面面。截截面系系数ＷＷ为:对于管管形截截面，，截面面系数数Ｗ为为:(6-11)(6-10)(6-9)常见车车架截截面形形状尺尺寸４.弯曲应应力计计算纵梁断断面的的最大大弯曲曲应力力σ为:弯曲应应力不不应大大于材材料的的许用用应力力：对于槽槽形截截面纵纵梁来来说，，其临临界弯弯曲应应力为为:(6-14)(6-13)(6-12)(6-15)5.临界弯弯曲应应力σc的计算算６.车架的的刚度度校核核１)车架纵纵梁抗抗弯刚刚度校校核。。梁的挠挠度最最大值值按下下式计计算:根据使使用要要求和和经验验,当车架架纵梁梁中间间受ＦＦ=1000N集中载载荷作作用时时,纵梁的的最大大挠度度不得得超过过0.085cm,即:２)车架的的扭转转刚度度(6-17)(6-16)车架的的扭转转刚度度通常常是指指汽车车前、、后桥桥之间间那一一段车车架的的扭转转刚度度。6.3悬架设设计6.3.1悬架的的功用用及设设计要要求其功用用是:传递车车轮和和车架架(或车身身)之间的的一切切力或或力矩矩，并并缓和和由路路面不不平传传给车车架(或车身身)的冲击击载荷荷，衰衰减由由此引引起的的振动动，保保证汽汽车行行驶平平顺。。其设计计要求求有：：(１)保证汽汽车有有良好好的行行驶平平顺性性。(２)有合适适的减减振性性能。。(３)保证汽汽车有有良好好的操操纵稳稳定性性。(４)有适当当的抗抗侧倾倾能力力。(５)能可靠靠地传传递车车轮与与车身身间的的一切切力和和力矩矩。(６)有良好好的隔隔声能能力。。(７)结构紧紧凑、、占用用空间间尺寸寸要小小。6.3.2悬架的的结构构型式式分析析１.弹性元元件２.悬架的的类型型１)非独立立悬架架２)独立悬悬架(１)双横臂臂式独独立悬悬架(２)单横臂臂独立立悬架架(３)纵臂式式独立立悬架架(４)单斜臂臂式独独立悬悬架(５)麦弗逊逊式独独立悬悬架３.独立悬悬架的的评价价(１)侧倾中中心高高度(２)车轮定定位参参数的的变化化(３)悬架侧侧倾角角刚度度(４)横向刚刚度４.前、后后悬架架方案案的选选择前、后后悬架架均采采用非非独立立悬架架、前前悬采采用独独立悬悬架、、后悬采采用非非独立立悬架架、前前悬与与后悬悬均采采用独独立悬悬架。。6.3.3悬架性性能参参数的的选取取１.悬架的的偏频频和静静挠度度汽车前前、后后悬架架偏频频ｎ1、ｎ2可用下下式表表示:(6-18)对于刚刚度为为常数数的悬悬架，，前、、后悬悬架的的静挠挠度可可表示示为:(6-19)(6-20)２.悬架的的动挠挠度悬架的的动挠挠度ｆｆd是指从从满载载静平平衡位位置开开始,悬架由由于冲冲击而而压缩缩到结结构允允许的的最大大变形形(通常指指缓冲冲块压压缩到到其自自由高高度的的1/2或2/3)时,车轮中中心相相对车车架(或车身身)的垂直直位移移。３.悬架的的工作作行程程悬架的的静挠挠度与与动挠挠度取取值受受到汽汽车总总体布布置允允许的的工作作行程程限制制。４.悬架的的弹性性特性性悬架的的弹性性特性性是指指悬架架在垂垂直方方向上上所受受的载载荷ＦＦ与变变形ｆｆ之间间的关关系曲曲线。。可变的的悬架架弹性性曲线线５.商用货货车后后悬架架主、、副簧簧的刚刚度分分配(１)从空载载到满满载范范围内内，频频率的的变化化尽量量小。。副簧、、主簧簧的刚刚度比比λ为:(２)副簧接触托托架前、后后的频率突突变不应过过大。根据刚度分分配，按规规定选择了了主、副簧簧的尺寸、、片数后，，还应进行行应力校核核:(6-23)(6-22)(6-21)钢板弹簧为为主、副簧簧的非独立立悬架弹性性曲线６.悬架的刚度度１)悬架的线刚刚度悬架的线刚刚度Ｃ和偏偏频ｎ关系系为:悬架的侧倾倾角刚度为为:(6-26)(6-25)(6-24)双横臂独立立悬架的垂垂直刚度和和侧倾角刚刚度２)侧倾角刚度度悬架的侧倾倾角刚度:6.3.4弹性元件的的计算１.钢板弹簧１)钢板弹簧主主要尺寸参参数的确定定(１)钢板弹簧的的断面尺寸寸钢板弹簧所所需的总惯惯性矩:总截面系数数：钢板弹簧的的平均厚度度：最大动行程程时的最大大应力为:(6-27)(6-29)(6-30)(6-31b)(6-31a)(6-28)(２)钢板弹簧各各片长度选择钢板弹弹簧各片长长度时,应该使应力力在片间和和沿片长的的分布尽可可能接近等等应力,已达到各片片寿命接近近的要求。。确定各片片长度的方方法有计算算法和展开开作图法,计算法的前前提条件是是,保证沿钢板板弹簧的长长度每一叶叶片有最优优的应力分分布,且各片的应应力幅值有有合理的比比例。展开开作图法则则是基于等等应力钢板板弹簧各片片展开图接接近梯形梁梁形状的原原理来作图图的。确定多片钢钢板弹簧各各片长度的的展开作图图法(３)钢板弹簧总总成在自由由状态下的的弧高及曲曲率半径弧高为:(6-32)Ｕ形螺栓夹夹紧时的总总自由曲率率半径为:(6-33)２)钢板弹簧的的验算(１)刚度验算(２)各片在自自由状态态下的曲曲率半径径和弧高高由疲劳曲曲线来确确定各片片的预应应力(6-34)(6-35)(6-36)(３)钢板弹簧簧组装后后总成弧弧高钢板弹簧簧组装后后的稳定定平衡状状态是各各片势能能总和最最小。若片厚相相等，则则:(6-38)(6-37)总成弧高高为:(４)钢板弹簧簧强度验验算①紧急制动动时，前前钢板弹弹簧承受受最大载载荷，它它的后半半段有最最大应力力为:②驱动时，，后钢板板弹簧承承受的载载荷最大大，它的的前半段段出现最最大应力力为:③汽车通过过不平路路面时，，弹簧中中部应力力最大，，为:④钢板弹簧簧卷耳和和弹簧销销的强度度校核(6-40)(6-39)(6-41)(6-42)２.扭杆弹簧簧悬架刚度度Ｃ为:扭杆受力力及断面面形状(１)对于管形形断面(亦适用于于圆形断断面γ=0)为:(２)对于片形形扭杆为为:当扭杆为为管形或或圆形时时(6-46)(6-47)(6-45)(6-44)(6-43)３.螺旋弹簧簧螺旋弹簧簧在其轴轴向负荷荷Ｆ作用用下的静静挠度fcs为:弹簧刚度度为:弹簧钢丝丝表面的的扭转应应力为:(6-50)(6-48)(6-49)(6-51)(6-52)(6-53)４.空气弹簧簧空气弹簧簧的刚度度为载荷荷Ｆ对其其垂直位位移的导导数,即:静平衡时时的刚度度为:静平衡时时的振动动频率为为:(6-56)(6-55)(6-54)空气气弹弹簧簧空气气弹弹簧簧受受力力简简图图6.3.5独立立悬悬架架导导向向机机构构的的设设计计１.设计计要要求求１)对前前轮轮独独立立悬悬架架导导向向机机构构的的要要求求(１)悬架架上上载载荷荷变变化化时时,轮距距变变化化不不超超过过±4.0mm,以防防轮轮胎胎早早期期磨磨损损。。(２)悬架上载载荷变化化时，前前轮定位位参数有有合理的的变化特特性，车车轮不产产生很大大的纵向向加速度度。(３)汽车转弯弯行驶时时，车身身侧倾角角尽可能能小。(４)制动和加加速时，，车身有有抗前俯俯和抗后后仰作用用。２)对后轮独独立悬架架导向机机构的要要求(１)悬架上载载荷变化化时，轮轮距无显显著变化化。(２)汽车转弯弯行驶时时，车身身侧倾角角尽可能能小。２.前轮定位位角的变变化和导导向机构构尺寸的的选择前轮定位位参数随随车轮上上下跳动动的变化化特性常常指从满满载位置置到车轮轮跳动±40mm的范围内内的特性性。在导导向机构构和前轮轮定位角角的关系系中，首首先应考考虑前轮轮外倾角角和主销销后倾角角的特性性。前轮外倾角角与车轮跳跳动位置的的关系３.上、下臂在在横向平面面内的倾角角及其倾斜斜方向的确确定上、下臂布布置不同，，侧倾中心心位置也不不同，可根根据对侧倾倾中心的高高度要求来来确定其布布置方案。。侧倾中心心越高，离离车身质心心越近，侧侧倾力矩越越小，但车车轮的横向向位置增大大。上、下横臂臂在横向平平面内的布布置方案４.上、下摆臂臂轴线倾角角的选择１)上、下摆臂臂轴线在纵纵向平面内内的布置２)上、下横臂摆摆动轴线在水水平面内的布布置上、下横臂在在纵向平面布布置方案上下横臂在水水平面的布置置方案6.3.6减振器的设计计１.减振器主要性性能参数的选选择减振器中阻力力与速度之间间的关系可用用下式表示:(6-57)若悬架系统的的刚度为Ｃ，，簧载质量为为ms,则评价振动衰衰减程度的相相对阻尼系数数(阻尼比)ψ为:(6-58)减振器特性１)相对阻尼系数数ψ的选择相对阻尼系数数ψ取得大，能使使振动迅速衰衰减，但会把把较大的不平平路面的冲击击传给车身。。ψ选得小，振动动衰减慢，不不利于行驶平平顺性。２)减振器阻尼系系数δ的确定减振器阻力系系数折算３)最大卸荷力ＦＦ0的确定(6-60)(6-59)(6-61)２.主要尺寸参数数筒式减振器工工作缸直径：：(6-62)习题１.车架的设设计要求是什什么？车架架上承受的载载荷大致可分分为几类？２.一一辆辆轻轻型型货货车车采采用用独独立立前前悬悬架架，，另另一一辆辆采采用用纵纵置置钢钢板板弹弹簧簧非非独独立立前前悬悬架架，，它它们们的的尺尺寸寸、、质质量量参参数数基基本本相相同同，，哪哪种种车车的的车车架架应应该该具具有有比比较较大大的的扭扭转转刚刚度度？？为为什什么么？？３.设设计计悬