鋼板彈簧懸架的設(shè)計(jì)

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1、輕型載貨汽車后懸架鋼板彈簧設(shè)計(jì)摘要懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng)之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞 載荷、緩和沖擊、衰減振動(dòng)以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的 總稱。懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩， 并緩和汽車行駛過(guò)不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的 振動(dòng)，以保證汽車行駛的平順性。本文討論了汽車懸架的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)懸架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹， 對(duì)影響懸架運(yùn)動(dòng)的各種因素進(jìn)行分析，本文通過(guò)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和計(jì) 算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以依維柯歐霸輕卡為原型車，詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算了漸變剛度 鋼板彈簧后懸架。文中首先介紹了懸架系統(tǒng)領(lǐng)域的研究與設(shè)計(jì)及其發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)；其次詳細(xì)概

2、述了懸架系統(tǒng)對(duì)汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的影響； 再次著重闡述 了鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟和設(shè)計(jì)要求， 各主要零部件結(jié)構(gòu)的選型及 計(jì)算；板簧弧高及曲率半徑的計(jì)算，材料強(qiáng)度、剛度的驗(yàn)算、校核；減振 器的選取。關(guān)鍵詞：輕型載貨汽車，后懸架，鋼板彈簧懸架，減震器DESIGN OF LIGHT TRUCKSUSPENSION WITH LEAF SPRINGABSTRACTSuspe nsion invo Ives some related comp onen ts, which exist toguara ntee elastic con tact betwee n wheels or axle an

3、d the carry ing system.It also has a great contributionin transferringthe load,cushioning the impact, attenuating vibration, and regulating the position of thebody of the running car. Apart from thetra nsformatio n of force and mome nt betwee n wheels and frame, ithelps cushi on the impact whe n un

4、eve n road surface is encoun tered,undermine the followingvibration of carrying system, as a result,provide a great possibility of smoothly running.This paper discusses the currentdevelopment of vehiclesuspension, gives a brief introduction of the structural form ofsuspe nsion, an alyze factors whic

5、h have in flue nee on suspe nsionmovement. This article through the traditionaldesign calculationmethod and computer tech no logy, comb ining with IVECO Light Truck Tireas the prototype, the car design calculation after gradient stiffness &leafspring suspension.This paper firstly in troduces the sus

6、pe nsion system researchand design and development status quo and tendency; Secondly detailedoverview of the suspension system and manipulation stability comfort ability influe nces; In troduces emphatically the leaf spri ng aga in suspe nsion desig nprocesses of the ship unlades and design requirem

7、ents, the structure of themain parts selection and calculation,leaf-springcurvature, materialstre ngth,stiffnesscheck ingand check ing,shock absorberselecti on and in stallati on An gle calculatio n.KEY WORDS_ight truck, rear suspe nsion, leaf spri ng suspe nsion, shockabsorber摘要. 1ABSTRACT. 1第一章研究背

8、景. 11.1課題研究背景. 11.2國(guó)外研究概況. 11.3國(guó)內(nèi)研究概況. 31.4 本課題的研究意義和研究?jī)?nèi)容 . 61.4.1研究意義. 61.4.2研究?jī)?nèi)容. 71.4.3研究方法. 81.5 本章小結(jié). 9第二章鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)分析 . 102.1 鋼板彈簧概述 . 102.2 鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 . 132.2.1鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu) . 132.2.2鋼板彈簧懸架的工作原理 . 142.3本文設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)形式 . 152.3.1板簧懸架. 152.3.2空氣懸架. 162.3.3橡膠懸架. 162.3.4總結(jié). 162.4 懸架系統(tǒng)各主要零部件選型 . 17(1

9、)葉片斷面. 17(2)葉片的端頭形狀. 18(3)鋼板彈簧與車架的連接形式的確定 . 19(4)吊耳及鋼板彈簧銷的結(jié)構(gòu) . 19(5)鋼板彈簧卷耳和襯套 . 19(6)彈簧夾箍. 20(7)鋼板彈簧中心螺栓 . 202.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 . 20第三章懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的確 . 233.1 懸架靜撓度和動(dòng)撓度的選擇 . 233.2 懸架彈性特性 . 243.3 后懸架主、副簧剛度的分配關(guān)系 . 253.4 懸架側(cè)傾剛度及其在前、后軸的分配 . 26第四章鋼板彈簧懸架的計(jì)算 . 284.1 初選參數(shù). 281主片長(zhǎng)度. 282斷面尺寸及片數(shù)的確定 . 28各片長(zhǎng)度的確定. 314.3 鋼板彈

10、簧的剛度驗(yàn)算 . 324.4 總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算 . 334.4.1. 彈簧總成自由弧高的確定 . 33.各片副簧自由狀態(tài)下曲率半徑的確定 . 344.5 鋼板彈簧總成弧高的核算 . 35第五章設(shè)計(jì)圖紙. 37第六章結(jié)論. 42參考文獻(xiàn). 43致 謝. 471第一章研究背景1.1 課題研究背景懸架系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它是汽車車架與車軸之間一切傳力連接 裝置的總稱，能保證他們之間的彈性連接。懸架系統(tǒng)能傳遞車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩，并能緩和由于不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊載荷，衰減由此引起 的振動(dòng)，保證汽車平順地行駛。從懸架的結(jié)構(gòu)型式來(lái)看，懸架可分別分為

11、獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架兩種。按其性能 的不同，又可分為主動(dòng)懸架、被動(dòng)懸架和介于二者之間的半主動(dòng)懸架。由于懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置形式對(duì)汽車的行駛平順性、穩(wěn)定性、通過(guò)性、燃油經(jīng) 濟(jì)性等多種使用性能都有影響，因此在設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意要滿足這些性能的要 求。懸架主要由彈性元件、減振器、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，在部分懸架中還有橫向穩(wěn)定桿和 緩沖塊。彈性元件的作用是用來(lái)傳遞垂直力，并且與輪胎一起緩和由路面不平引起的 振動(dòng)和沖擊。其主要類型有鋼板彈簧、螺旋彈簧、空氣彈簧、扭桿彈簧、油氣彈簧和 橡膠彈簧等。這些彈性元件各有自身的特點(diǎn)，所適用的環(huán)境也各不相同。與其它彈性 元件相比，鋼板彈簧不僅起著彈性元件的作用，同時(shí)相鄰

12、簧片之間的摩擦和鉸鏈處的 摩擦還可以起到衰減振動(dòng)的作用。鋼板彈簧除了具有緩沖和減震功能之外，將其縱向布置時(shí)還還可以起到導(dǎo)向傳力 的作用，從而簡(jiǎn)化了懸架的結(jié)構(gòu)。并且其具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保養(yǎng)和維修方便、制造成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因而在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)際當(dāng)中，非獨(dú)立懸架大多會(huì) 采用板簧，而且還可以省去導(dǎo)向裝置。隨著在設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)型式、材料性能以及加 工工藝等方面的不斷發(fā)展，鋼板彈簧能更好地滿足整車性能、疲勞壽命以及輕量化設(shè) 計(jì)地要求。目前為止，鋼板彈簧仍然是載貨汽車和部分客車的非獨(dú)立懸架中主要采用 的彈性元件1,2。1.2 國(guó)外研究概況在1954年,傳統(tǒng)經(jīng)典方法共同曲率法就由前蘇聯(lián)專家帕爾

13、希洛夫斯基率先提出。其用該方法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行了剛度驗(yàn)算和應(yīng)力分析，分析過(guò)程中為了建立好模 型提出了如下假設(shè)：鋼板彈簧在任何載荷作用下各簧片之間在整個(gè)長(zhǎng)度上是完全貼合 的，且在同一截面上各簧片曲率相同。這一假設(shè)使得在葉片的端部產(chǎn)生了彎矩突變， 不能滿足片端無(wú)應(yīng)力的邊界條件，2導(dǎo)致計(jì)算最末幾片應(yīng)力誤差較大，所求彈簧剛度也 偏大。之后，也是前蘇聯(lián)專家提出了另一種經(jīng)典方法一一集中載荷法。該法所用的假設(shè)與共同曲率法不同，其假設(shè)鋼板彈簧在任何負(fù)荷作用下，各簧片之間只在端部和 根部無(wú)摩擦地接觸，即首片簧在端部受到一個(gè)集中載荷同時(shí)受到第二片在端部給它的 反作用力，而中間各簧片則受到其前一簧片給自己簧片端部的集

14、中力和其后一簧片在 端部給它作用的反力，末簧片就只受到其前一簧片給末簧片端部作用的集中力，且各 簧片端部處相鄰兩簧片的撓度一樣。 集中載荷法的假設(shè)與很多在工程應(yīng)用實(shí)踐中所發(fā) 現(xiàn)的鋼板彈簧端部磨損很嚴(yán)重的事實(shí)吻合較好。 由于共同曲率法和集中載荷法各有其合理之處，此后國(guó)外許多學(xué)者對(duì)這兩種方法的結(jié)合進(jìn)行了深入廣泛的研究。到1980年，前蘇聯(lián)專家巴希洛夫斯基首先提出末尾兩簧片采用集中載荷法，而其余各簧片仍 用共同曲率法的方法，為此巴氏還引用了一些應(yīng)力分布試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論， 但最后其所求得的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果之間有著較大的差別，計(jì)算的剛度值比實(shí)驗(yàn)值大了15%甚至更多。但巴氏并沒(méi)有解釋誤差產(chǎn)生的原因，

15、而是直接引入了剛度修正系數(shù)來(lái) 解決這個(gè)問(wèn)題。后來(lái)，隨著有限元技術(shù)和CAE技術(shù)的不斷發(fā)展和在工程實(shí)踐中的成 功應(yīng)用，越來(lái)越多的學(xué)者喜歡用此來(lái)對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行分析計(jì)算。Zahavi針對(duì)鋼板彈簧的接觸問(wèn)題首次采用有限元方法進(jìn)行了研究，從鋼板彈簧的受載情況出發(fā)作分析， 發(fā)現(xiàn)接觸過(guò)程與鋼板彈簧的變形有一定的關(guān)聯(lián)性。Toshio Hama no7-8等對(duì)鋼板彈簧的遲滯特性也應(yīng)用有限元方法進(jìn)行了分析，其在劃分鋼板彈簧結(jié)構(gòu)時(shí) 選擇了梁?jiǎn)卧?，而且還構(gòu)造了一種特殊的接觸單元用來(lái)處理非接觸和粘性接觸及滑動(dòng) 接觸等不同狀態(tài)，并用該特殊單元的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代替簧片之間的正壓力和摩擦力，取得 了不錯(cuò)效果。A.Ghazi Zade

16、h等人9為了分析了鋼板彈簧時(shí)域和頻域特性，利用了神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬鋼板彈簧特性，也獲得了想要的結(jié)果。目前，國(guó)外已經(jīng)提出了精益設(shè)計(jì) 的概念來(lái)對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行研究，它將結(jié)構(gòu)的大變形問(wèn)題考慮進(jìn)去，并對(duì)片間的接觸狀 態(tài)做準(zhǔn)確模擬，同時(shí)考慮各簧片組裝時(shí)的預(yù)應(yīng)力和工作應(yīng)力的組合，力求得到鋼板彈 簧的精確設(shè)計(jì)。2000年，Thomas等在ADAMS/Car中建立了某12噸商用車的整車模型，前懸 架鋼板彈簧模型采用離散梁法建立，鋼板彈簧模型剛度特性進(jìn)行了驗(yàn)證，并且對(duì)整車模型進(jìn)行了操縱穩(wěn)定仿真試驗(yàn)10-11。2006年，Niklas Philips。n等在Modelica上發(fā)表了關(guān)于離散梁建模的文章，建立了某重型載

17、貨汽車鋼板彈簧模型，對(duì)模型剛度進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型 與試驗(yàn)臺(tái)所測(cè)得的鋼板彈簧剛度相吻合12O32006年，Uday Prasade等在SAE上發(fā)表了離散梁法的原理和步驟，將鋼板彈 簧模型裝配到懸架模型中，進(jìn)行了懸架動(dòng)載荷仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型能夠準(zhǔn)確模擬 實(shí)際鋼板彈簧特性13O2007年，Jordi等利用離散梁法建立了鋼板彈簧模型，研究了離散體數(shù)目對(duì)鋼 板彈簧剛度的影響，并將其裝配到懸架中，研究了鋼板彈簧的導(dǎo)向作用及懸架動(dòng)特性， 建立了整車模型，對(duì)整車制動(dòng)性進(jìn)行了仿真分析網(wǎng)O2007年，Shahriar等在ADAMS和NASTRAN中分別建立了由20個(gè)離散剛體組 成的鋼板彈簧模型，吊

18、耳在ADAMS中被作為剛性部件創(chuàng)建，仿真分析了兩種模型中 前卷耳與車架連接處、后卷耳與吊耳連接處、后卷耳與吊耳連接處襯套的載荷情況151.3 國(guó)內(nèi)研究概況鋼板彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算的最主要任務(wù)就是計(jì)算它的剛度和應(yīng)力，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)其都有過(guò)研究，其中不少學(xué)者還對(duì)其分析計(jì)算提出了不錯(cuò)的見(jiàn)解。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)對(duì)鋼板彈簧 的研究要比國(guó)外晚很多，這是由我國(guó)國(guó)情所致。在1979年，楊宗孟16就給出了一個(gè) 鋼板彈簧的計(jì)算模型，在該模型中，末尾兩短簧片自由端處受到一集中載荷，其余簧 片具有共同曲率。為了提高該模型的計(jì)算精度，其對(duì)各片片端厚度進(jìn)行了修正，以便 滿足簧片自由端處應(yīng)力（彎矩）為零的邊界條件。所給模型的剛性要比共同曲

19、率法給 定的模型小，為此其提出了一個(gè)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，就是在設(shè)計(jì)中考慮簧片接觸疲勞強(qiáng)度，并 基于此推導(dǎo)出了相應(yīng)的計(jì)算公式。隨后，郭孔輝院士17在1984年提出了主片分析法， 將剛度和應(yīng)力計(jì)算問(wèn)題給統(tǒng)一起來(lái)。該方法從整簧撓度實(shí)質(zhì)上就是主片的撓度出發(fā)，將每一片都分成兩個(gè)部分，即受下一片夾持的約束部分和懸伸在下一片之外的非約束 部分，在約束部分采用共同曲率假設(shè)，而在非約束部分則采用集中載荷假設(shè)。這種綜 合假設(shè)有其合理的一面，能夠改正共同曲率法的某些不足之處，但不是全部，因?yàn)樵?方法仍然按照共同曲率假設(shè)對(duì)各片端所對(duì)應(yīng)的各片應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，所以無(wú)法滿足相鄰兩片在片端接觸處的變形相等的邊界條件。之后，劉廣寬18在集

20、中載荷假設(shè)基礎(chǔ)上也提出了改進(jìn)的計(jì)算模型，認(rèn)為各簧片板端力對(duì)其上各簧片均有影響力，而影響力的大 小可以依照共同曲率假設(shè)求出。顯然此方法不能滿足在各片端處作用力和反作用力相 等的條件，導(dǎo)致難以獲得較理想結(jié)果，為此其對(duì)各板端力引入了一個(gè)修正系數(shù)。隨著 現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的日益發(fā)展，有限元法因其具有精度高、收斂性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn) 逐漸被應(yīng)用到鋼板彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算中來(lái)19。鄭賢中20等基于三維罰函數(shù)法，從兩物體 間的接觸狀態(tài)著手，結(jié)合接觸問(wèn)題的邊界條件，推導(dǎo)出用有限元法模擬的數(shù)值方法。 該方法減少了人為假設(shè)，不再把鋼板彈簧簡(jiǎn)化為梁來(lái)計(jì)算，而是對(duì)其三維實(shí)體進(jìn)行了 有限元的精確離散化。而且其還充分考慮了簧片之間

21、復(fù)雜的耦合作用，建立4了汽車多 片等截面鋼板彈簧的三維有限元?jiǎng)討B(tài)計(jì)算的線性模型，并應(yīng)用該模型對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行 了計(jì)算，主要模擬了其在動(dòng)載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，取得了不錯(cuò)的仿真效果。CAE軟件的進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)拓了有限元分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者嘗試應(yīng) 用非線性有限元分析方法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行分析。鄒海榮21針對(duì)汽車漸變剛度鋼板彈簧，應(yīng)用ANSY歎件的非線性模塊，并考慮工作過(guò)程中的大變形等多種非線性因素，對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)有限元分析，求得了鋼板彈簧的應(yīng)力大小和分布。她根據(jù)所求 計(jì)算結(jié)果對(duì)該漸變剛度鋼板彈簧的異常斷裂問(wèn)題進(jìn)行了解釋，并提出了避免其異常斷裂的思路。胡玉梅22等則針對(duì)SC1020汽車后懸架

22、鋼板彈簧，用ANSYST限元分析軟 件在考慮接觸狀況下對(duì)其靜態(tài)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析，并將分析結(jié)果同試驗(yàn)值進(jìn)行了 比較，結(jié)果顯示用ANSY有限元軟件分析得到的結(jié)果誤差在6%以內(nèi)，這在工程上是可 以接受的。北京航空航天大學(xué)丁能根等曲利用ANSY有限元分析軟件對(duì)鋼板彈簧的遲 滯特性進(jìn)行了分析， 其結(jié)合計(jì)算實(shí)例得出了鋼板彈簧加載和卸載過(guò)程的載荷-變形特性圖，并分析了不同摩擦系數(shù)對(duì)鋼板彈簧遲滯特性和阻尼特性的影響。此外，他還分 析了正弦激勵(lì)對(duì)鋼板彈簧等效阻尼的影響，得出了激勵(lì)頻率和振幅與鋼板彈簧等效阻 尼成反比的結(jié)論。近20年來(lái)，隨著多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的興起和發(fā)展，不少國(guó)內(nèi)學(xué) 者開(kāi)始將之用在鋼板彈簧的分

23、析計(jì)算上。 王其東24基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理建立了汽 車鋼板彈簧的動(dòng)態(tài)分析模型，并采用ADAM軟件對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真， 得到 了鋼板彈簧動(dòng)剛度與靜載荷、激振頻率及振幅之間關(guān)系。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性， 他還做了臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了結(jié)果比對(duì)。之后，武漢理工大學(xué)的鄭銀環(huán)博士25根據(jù)現(xiàn)代接觸動(dòng)力學(xué)理論， 提出了采用非線性有限元方法和多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法相結(jié)合的方法分 析鋼板彈簧，分析過(guò)程中考慮了片間接觸和摩擦情況，利用ANSYSS ADAM軟件建立了鋼板彈簧的多柔體模型，并對(duì)其動(dòng)特性進(jìn)行了仿真，取得了不錯(cuò)效果。ADAMS有多種鋼板彈簧建模方法，主要有SAE三連桿法、等效中性面法和離 散梁法。各種方

24、法側(cè)重點(diǎn)不同，在建模方法上國(guó)內(nèi)有很豐富的研究。2008年，吳碧磊運(yùn)用SAE三連桿法建模原理，采用退火算法，通過(guò)ISIGHT調(diào) 整扭簧剛度，減小模型剛度與已知?jiǎng)偠戎g的差值，最終得到比較精確的具有漸變剛 度的鋼板彈簧模型。然后，在ABAQUS中建立了鋼板彈簧有限元模型，分析計(jì)算出鋼 板彈簧剛度，與ADAMS建立的鋼板彈簧模型進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證26。2006年和2008年，潘筱等在ADAMS中建立C型汽車整車模型，對(duì)整車模型 進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)。模型詳盡考慮了前后懸架及輪胎模型，其中后懸架模型 的鋼板彈簧模型采用等5效中性面法建立27-28O2007年，秦東晨等運(yùn)用等效中性面法建立了某車懸架鋼板

25、彈簧模型模型，對(duì)模 型進(jìn)行了靜平衡仿真試驗(yàn)，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。然后，將該模型裝配到 整車模型中，進(jìn)行了整車操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)29-30O2009年，李二華等在ADAMS/Car Leafspring中建立了彈藥運(yùn)輸車鋼板彈簧模 型，并且將鋼板彈簧模型裝配到懸架模型中，通過(guò)虛擬試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)，測(cè)出鋼板彈簧裝 配情況下剛度31O2009年，韓翔總結(jié)了ADAMS中幾種鋼板彈簧建模方法，介紹了在ADAMS/Chassis中建立鋼板彈簧模型的原理和步驟，建立了鋼板彈簧模型，對(duì)鋼板彈 簧垂向剛度進(jìn)行了仿真試驗(yàn)32O2009年，朱毅杰在ADAMS/Car Leafspring中建立了鋼板彈簧模型，并

26、建立了 重型載貨汽車的前、后懸架模型 昭O2010年，馬天飛等介紹了Timoshenko梁理論，指出BEAM實(shí)際上是考慮了轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量和剪切變形的歐拉梁，在ADAMS/Car中建立了不考慮摩擦的鋼板彈簧模型， 將模型應(yīng)用到某商用車模型中，進(jìn)行了整車平順性仿真試驗(yàn)34O綜上，學(xué)者們對(duì)重型載貨汽車懸架K&C特性研究還不系統(tǒng)，有待深入研究。軸數(shù)更多的汽車（多于四軸），由于懸架系統(tǒng)靜不定，使得汽車在不平路面上行 駛時(shí)各軸上的載荷分配不斷發(fā)生變化。如要得到可以保證車軸上載荷不變，且與路面 結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的懸架系統(tǒng)，其最好的方法是在靜不定的車軸上裝空氣彈簧懸架。但這會(huì)使 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，很難調(diào)整恰當(dāng)和不易保修等

27、。所以，應(yīng)力圖采用專同形式的鋼板 彈簧懸架，并達(dá)到近似于空氣彈簧懸架的工作性能。據(jù)分析得知，在多軸汽車上采用傳統(tǒng)的鋼板彈簧時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整吊耳長(zhǎng)度和擺 動(dòng)角度。利用隨吊耳實(shí)際擺角迅速增加的吊耳水平分力，可得到工作載荷有一個(gè)在大值的一條懸架特性曲線。在這個(gè)最大值附近，懸架可以在近乎載荷不變的情況下工作。 因此多軸汽車仍可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的非平衡式鋼板彈簧懸架 昭0長(zhǎng)春汽車研究所由板簧整體撓度即主片的撓度觀點(diǎn)出發(fā)，提出了主片分析法，該 方法把計(jì)算剛度與應(yīng)力的問(wèn)題統(tǒng)一起來(lái)。 他們根據(jù)實(shí)測(cè)得到的各個(gè)簧片上應(yīng)力的分布 情況，提出了集中載荷與共同曲率二者相結(jié)合的假設(shè)，即用懸伸在下一片之外的非約 束部分和受下一

28、片夾持的約束部分來(lái)描述每一簧片的載荷工況，其中非約束的部分符合集中載荷的假設(shè)，約束的部分符合共同曲率假設(shè) 昭。這種假設(shè)能夠彌補(bǔ)共同曲率法 的不足之處，但仍然按照共同曲率假設(shè)計(jì)算各片端部所對(duì)應(yīng)的各片應(yīng)力，因此，相鄰 兩片在片端處變形相6等的邊界條件仍舊不能得到滿足何0武漢理工大學(xué)在集中載荷假設(shè)基礎(chǔ)上提出了各片板端力對(duì)其上各片均有影響力 的計(jì)算方法，影響力的大小是按共同曲率假設(shè)求出的 昭。因不滿足在各片端處作用力 與反作用力相等的條件，所以只好對(duì)各板端力引人修正系數(shù)0.90.94旳。在文獻(xiàn)昭的基礎(chǔ)上，遼寧工學(xué)院和吉林工業(yè)大學(xué)提出約束部分不完全符合共同曲率的假設(shè)，對(duì) 模型中各片的假設(shè)都一致，而且與實(shí)

29、驗(yàn)結(jié)果相吻合，即末兩片宜采用集中載荷法，同時(shí)也使相鄰兩簧片在端部處變形相等的邊界條件得到滿足，相對(duì)上述的模型比較完主412007年11月吉林大學(xué)的張寧同學(xué)在他的碩士學(xué)位論文中對(duì)鋼板彈簧懸架的設(shè)計(jì) 計(jì)算進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和分析。他運(yùn)用有限單元機(jī)選方法對(duì)鋼板彈簧的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì) 算，開(kāi)發(fā)了基于分析綜合法的汽車鋼板彈簧計(jì)算設(shè)計(jì)軟件，在論文中對(duì)鋼板彈簧設(shè)計(jì) 和計(jì)算、對(duì)鋼板彈簧設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究、運(yùn)用有限元法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算390由于種種原因，我國(guó)汽車絕大部分采用被動(dòng)懸架。在半主動(dòng)和主動(dòng)懸架的研究方 面起步晚，與國(guó)外差距大。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，半主動(dòng)懸架在20世紀(jì)80年代后期趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在

30、轎車上應(yīng)用，得到了較好的效果。主動(dòng)懸架雖然提 出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，任僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車。 未見(jiàn)國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報(bào)道， 只 有北京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等少數(shù)幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)主動(dòng)懸架展開(kāi)研究41。1.4 本課題的研究意義和研究?jī)?nèi)容1.4.1研究意義懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架（或承載式車身）與車軸（或與車輪）彈性的連接起來(lái)。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪與車架（或承載式車身）之間的一切力 和力矩,并且緩和不平路面?zhèn)鹘o車架（或承載式車身）的沖擊載荷，衰減由沖擊載荷引 起的承載系統(tǒng)的震動(dòng)，以保證汽車的正常行駛。懸架結(jié)構(gòu)

31、形式和性能參數(shù)的選擇合理 與否，直接對(duì)汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)性和舒適性有很大的影響。由此可見(jiàn)懸架系統(tǒng) 在現(xiàn)代汽車上是重要的總成之一。汽車懸往往被列為重要部件編入轎車的技術(shù)規(guī)格 表，作為衡量汽車質(zhì)量的指標(biāo)之一。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)懸架的性能提出了更高的要求，因此懸架的發(fā)展成為一種必然受到人們的重視，本課題即在對(duì)懸架知識(shí) 的了解掌握的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車后懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)。7本次課題的主要目的在于提高我們對(duì)汽車設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。其次通過(guò)計(jì)算，基于UG軟件建立鋼板彈簧的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其優(yōu)化計(jì)算和分析。在滿足強(qiáng)度條件和剛度條件的 要求下，使鋼板彈簧的質(zhì)量減少，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。并通過(guò)對(duì)其熱成形工藝分析， 得出熱

32、成形時(shí)的溫度和鋼板成形的應(yīng)力范圍， 然后對(duì)這個(gè)范圍充自主開(kāi)發(fā)是中國(guó)汽車 產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的保障。我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)在經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)初具規(guī)模，但是面 臨著能源緊張、技術(shù)落后、自主品牌嚴(yán)重缺乏以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇帶來(lái)的壓力。我國(guó)的 汽車產(chǎn)業(yè)要加速、持續(xù)和健康的發(fā)展，并成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，必須堅(jiān)持產(chǎn) 業(yè)創(chuàng)新，選擇面向自主發(fā)展具有中國(guó)特色的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式， 推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)、 技術(shù)的進(jìn)步、以及民族品牌的崛起。所以為了適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)的自主開(kāi)發(fā)道路，對(duì)懸架 進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算并進(jìn)行推廣交流顯得尤為重要。142研究?jī)?nèi)容汽車懸架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)主要是為了提高汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順 性。汽車懸架系

33、統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也相應(yīng)地分為兩大部分：一是對(duì)汽車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性；另一是對(duì)汽車操縱穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的懸架特性。前一部分主要是對(duì)懸架的彈性元件和阻尼元件特性展開(kāi)工作，主要是將路面、輪胎、非簧載質(zhì)量、懸架、簧載質(zhì)量作為一個(gè)整體進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，由于它主要研究的 是在路面的反作用力的激勵(lì)下，影響汽車平順性的彈性元件以及阻尼元件的力學(xué)特 性，因此可以稱之為懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究。后一部分主要是對(duì)懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行工 作，主要是研究在車輪與車身發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如何引導(dǎo)和約束車輪的 運(yùn)動(dòng)、車輪定位及影響轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的一些懸架參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。這一部分的研究稱為 懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究?？紤]了彈

34、性襯套等連接件對(duì)懸架性能的影響，則懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)即為 懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)。懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)是闡述由于輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪 定位等主要懸架參數(shù)的變化特性。這樣懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究就包括了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和 彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面的內(nèi)容。本課題主要是輕型載貨汽車懸架的設(shè)計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容有：研究國(guó)內(nèi)外汽車懸架系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、市場(chǎng)等情況，研究各種類型汽車懸架的優(yōu)缺點(diǎn)、使用情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本原理等內(nèi)容；分析汽車懸架的設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)懸架設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，確定汽車懸架的結(jié)構(gòu)；懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的計(jì)算；8懸架系統(tǒng)各主要零部件的選型及詳細(xì)設(shè)計(jì)；懸架系統(tǒng)彈性元件曲率；各特殊工況下強(qiáng)度，剛度的驗(yàn)算校核

35、；根據(jù)SAE圓弧法對(duì)鋼板彈簧懸架的運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算，分析了板簧系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)軌跡和關(guān)鍵角的變化，并用最小二乘法求出關(guān)鍵點(diǎn)軌跡的曲率中心和曲率半徑；懸架系統(tǒng)裝配圖及其零部件工程圖紙的繪制。1.4.3研究方法為了使設(shè)計(jì)研究結(jié)果建立在科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕A(chǔ)上，使設(shè)計(jì)更符合實(shí)際情況，對(duì)割草車總體設(shè)計(jì)提出了以下研究方法：通過(guò)實(shí)習(xí)、調(diào)查、上網(wǎng)以及文獻(xiàn)檢索等多種有效方法， 系統(tǒng)收集汽車懸架的研 究成果和相關(guān)的專業(yè)信息；在對(duì)國(guó)內(nèi)外懸架的技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)等情況進(jìn)行系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上，確定設(shè)計(jì)策略，作為構(gòu)思總體設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)思想；在分析懸架設(shè)計(jì)要求和各種類型懸架的優(yōu)缺點(diǎn)、使用情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本原 理的基礎(chǔ)上，參考實(shí)習(xí)、調(diào)

36、研得到的資料，分析懸架的設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)懸架 設(shè)計(jì)的技術(shù)條件；在整車主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求、技術(shù)條件要求，對(duì)懸架進(jìn)行 初步選型設(shè)計(jì)；研究目前懸架的基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論和機(jī)械設(shè)計(jì)方面 的專業(yè)知識(shí)，確定其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)方案和主要技術(shù)參數(shù)；對(duì)懸架主要參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化， 對(duì)其主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行曲率、剛度、強(qiáng)度驗(yàn) 算、校核及運(yùn)動(dòng)分析；根據(jù)整車布置和結(jié)構(gòu)需要，最終繪出標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械工程圖紙。1.5 本章小結(jié)本章主要介紹了汽車懸架系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。以及懸架領(lǐng)域主要的研究?jī)?nèi)容。由于世界汽車工業(yè)的飛速發(fā)展必然帶來(lái)中國(guó)汽車工業(yè)的技術(shù)升級(jí)以及生產(chǎn)方式 的轉(zhuǎn)型，加上人們對(duì)汽車舒適

37、性、操控性的要求越來(lái)越高，新型懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā) 會(huì)發(fā)展的更快，而國(guó)內(nèi)為節(jié)約成本，懸架系統(tǒng)的制造都采用普通材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì) 簡(jiǎn)單，加工工藝也相對(duì)落后。再加9上懸架加裝在底盤后的調(diào)校技術(shù)差距較大，所以導(dǎo) 致整車的平順性和操控性不足。因此需要我們不僅在彈性元件材料的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)以及懸架系統(tǒng)的調(diào)試對(duì)整車性能的影響等這些方面做出更多的努力。10第二章鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)分析2.1 鋼板彈簧概述在工程實(shí)際問(wèn)題中存在這樣一種情況，希望某種構(gòu)件在滿足強(qiáng)度要求的前提下， 能盡量產(chǎn)生較大的彈性位移，象我們常見(jiàn)的彈簧就是這樣的構(gòu)件，它是使用對(duì)變形有 足夠強(qiáng)度的材料制成的彈性元件。彈簧不僅是利用物體的彈性變形，

38、還有一個(gè)目的就 是充分利用它的彈性來(lái)吸收或貯存能量，即彈簧基本上就是一個(gè)能量?jī)?chǔ)存器。目前汽 車懸架上的彈簧主要功用是傳遞車架作用的垂直力，并與輪胎一起緩合與吸收車輛行 駛過(guò)程中受到的由不平路面引起的振動(dòng)與沖擊。由于彈簧具有可伸長(zhǎng)和壓縮的特性， 它能把車輪在駛過(guò)不平路面時(shí)所產(chǎn)生的彈跳（能量）及時(shí)地吸收與釋放，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn) 車體的平衡與穩(wěn)定。而在減震器的調(diào)控下，部分儲(chǔ)存在彈簧中的能量會(huì)在其伸長(zhǎng)（即回彈）時(shí)轉(zhuǎn)化成熱能散播于空氣中?，F(xiàn)代汽車懸架上我們所能見(jiàn)到的彈性元件除了有 葉片式彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧等金屬?gòu)椈梢酝?，還有橡膠彈簧、油氣彈簧及空氣 彈簧等非金屬?gòu)椈?。在這些各式各樣的彈簧中，它們都有其

39、自身的特點(diǎn)，這使得它們 的應(yīng)用場(chǎng)合不盡相同。一般載貨汽車上的非獨(dú)立懸架廣泛選用葉片式彈簧，大部分轎 車的獨(dú)立懸架則采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，而在重型載貨汽車上氣體彈簧得到了廣泛 應(yīng)用42-43。與其它彈性元件相比較，由于葉片式彈簧不僅起著傳遞各個(gè)方向的力和力 矩的作用，還起著懸架機(jī)構(gòu)的一個(gè)構(gòu)件的作用（導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用），這樣可直接省去導(dǎo)向裝置和減振器，使得懸架結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，而且它還具有工作可靠、保養(yǎng)維修方便、制 造成本相對(duì)較低的特點(diǎn)，所以備受青睞，得到了非常廣泛的應(yīng)用。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技 術(shù)的日益發(fā)展，葉片式鋼板彈簧在結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)方法等上已經(jīng)有了進(jìn)一步改進(jìn)，在 材料性能、加工工藝方面也不斷提高，這些使

40、得葉片式鋼板彈簧能夠更好地滿足整車 性能、疲勞壽命以及輕量化設(shè)計(jì)的要求。到目前為止，葉片式鋼板彈簧仍然是各類型 載貨汽車和部分客車的非獨(dú)立懸架中主要采用的彈性元件。葉片式彈簧就是我們常說(shuō)的鋼板彈簧或是疊板彈簧，它是行駛系統(tǒng)中較重要的部 件，它的11任何損傷和故障，將會(huì)直接影響車輛的行駛平穩(wěn)性，不利于汽車的正常行駛。 一般來(lái)說(shuō)它主要用在貨車、客車等車種上的前后兩軸的懸架上，當(dāng)然在少量轎車上也有涉及，但僅限于轎車后軸的懸架上。通常這種彈簧的拱度、中心騎馬螺栓、夾箍、 襯套、葉片、吊耳等對(duì)彈簧和安裝部分的連接狀況有密切的關(guān)系，影響整個(gè)懸架系統(tǒng) 的彈簧特性44。鋼板彈簧的中部一般由騎馬螺栓剛性固定在車

41、橋上，其兩端的卷耳則 是用銷子鉸接在車架的支架上。這樣，車橋與車身便由鋼板彈簧將其連接起來(lái)，很方 便地實(shí)現(xiàn)了緩沖、減振、傳力的目的。鋼板彈簧是由若干彈簧簧片疊合而成，一般各簧片的寬度是相等的，但長(zhǎng)度不相等，而厚度有的相等有的也不等。在自由狀態(tài)下， 各簧片的曲率半徑不相等，通常下片小于上片?；善凶铋L(zhǎng)的第一片稱為主片，其兩 端設(shè)有卷耳。為了加強(qiáng)主片的卷耳，常將第二片末端也彎成卷耳用來(lái)包住主片卷耳。 在結(jié)構(gòu)上，一般將鋼板彈簧在整體上做成一根近似于等強(qiáng)度的彈性梁，這樣可以更充 分的利用材料。目前，常見(jiàn)的汽車鋼板彈簧類型有片等截面式、主副簧復(fù)合式、少片 變截面式、漸變剛度式這四種，其中多片等截面式鋼板

42、彈簧和少片變截面式鋼板彈簧 屬于等剛度彈簧，而主副簧復(fù)合式和漸變剛度式彈簧屬于變剛度彈簧45，各類型示意圖如下所示。圖 2-1多片等截面式鋼板彈簧圖 2-2主副簧復(fù)合式鋼板彈簧12圖 2-4 少片變截面式鋼板彈簧上述各類型汽車鋼板彈簧中，多片等截面式鋼板彈簧是傳統(tǒng)的鋼板彈簧，它由中 心騎馬螺栓和若干片等寬、等截面但不等長(zhǎng)的簧片夾連在一起，其各片的厚度可以相 同，也可以不同，視需要而定，簧片之間通常涂有較稠的石墨潤(rùn)滑劑。這種鋼板彈簧 通常在大客車、各種載重汽車和拖拉機(jī)以及軌道機(jī)車上用得較多。多片鋼板彈簧的各 簧片疊加成倒三角形狀，在最上端的主簧片最長(zhǎng)，最下端的簧片最短，簧片的數(shù)量直 接影響支承汽

43、車的重量和減震效果?；善蕉嘣胶裨蕉蹋鄳?yīng)地彈簧剛性就會(huì)越大。 當(dāng)鋼板彈簧工作時(shí)，簧片必定產(chǎn)生撓曲，進(jìn)而使各簧片之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦而引起噪聲， 同時(shí)摩擦還會(huì)引起彈簧的變形，導(dǎo)致汽車行駛不平順?；诖?，在承載量相對(duì)較小的 輕型汽車上，少片鋼板彈簧應(yīng)用得較多，因?yàn)樗軓浹a(bǔ)多片鋼板彈簧的某些缺陷，并 滿足人們?cè)诠?jié)約能源和提高汽車平順性方面的要求。少片鋼板彈簧是指單片或由2-4片組成一副的變截面鋼板彈簧，單片變截面鋼板彈簧強(qiáng)度要求往往達(dá)不到，所以不是 特別安全，一般不在客車上使用?，F(xiàn)在我們常見(jiàn)的少片鋼板彈簧在寬度上是相等的， 而厚度上則呈現(xiàn)兩端薄、中間厚的現(xiàn)象，這使得少片鋼板彈簧的簧片截面變化較大， 從

44、中間到兩端的截面是逐漸不同，因此其軋制工藝較為復(fù)雜。另外，少片變截面鋼板 彈簧所采用的材質(zhì)也與等截面的多片鋼板彈簧有所不一樣，有的用鉻錳釩彈簧鋼，硬 度也比多片等截面鋼板彈簧高得多。通常情況下還要對(duì)少片彈簧的彈簧片進(jìn)行特殊工 藝處理，以便提高其應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。上述特點(diǎn)，使其較之傳統(tǒng)的多片鋼板彈 簧節(jié)省了不少材料，減輕了30%-40%的重量，多的話甚至能減輕50%。另外，由于 少片鋼板彈簧各簧片之間保持了一定的間隙，彈簧總成中間等厚平直段（騎馬螺栓夾緊部位），同上下保護(hù)墊片之間和彈簧片之間均插入聚甲醛襯墊，消除了彈簧總成工 作時(shí)在中間等厚平直段的直接擠壓摩擦。在承載時(shí)，除端部受力處和中部騎

45、馬螺栓夾 緊部位有接觸外，13再無(wú)片間接觸現(xiàn)象，從而大大減少了片間摩擦和接觸疲勞，增加了 疲勞壽命。除此之外，使用少片鋼板彈簧方便汽車布置，有利于降低整車高度；同時(shí) 還能得到較大的撓度，且在小振幅振動(dòng)時(shí)其剛度會(huì)略有增加，這可改善汽車行駛平順 性和穩(wěn)定性，從而提高乘坐舒適性。由于少片鋼板彈簧有上述優(yōu)點(diǎn)，且符合乘車技術(shù) 要求，因此在輕型汽車上得到了廣泛使用，現(xiàn)在一些大中型客車也開(kāi)始嘗試使用這種 鋼板彈簧4602.2 鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu)和工作原理2.2.1鋼板彈簧懸架的基本結(jié)構(gòu)鋼板彈簧不僅能夠承受垂向、側(cè)向、縱向方向上的力，而且還能夠承受汽車制動(dòng) 和原地起步時(shí)的扭矩。此外，鋼板彈簧還能使作用力合

46、理分布到車架和車身上，在縱 向布置的鋼板彈簧懸架中，鋼板彈簧還起導(dǎo)向作用。鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、 維修及保養(yǎng)方便，它能夠很好滿足整車性能、使用周期等需要，在汽車上得到了廣泛 使用。絕大部分客車、重型載貨汽車都使用鋼板彈簧作為懸架中的彈性元件；部分的 軍用汽車、越野汽車懸架以及部分轎車后懸架也使用鋼板彈簧。鋼板彈簧第一片稱為主片，其兩端彎成卷耳，內(nèi)裝青銅或塑料、橡膠、粉末冶金 制成的襯套，以便使用彈簧銷與固定在車架上的支架或吊耳作銷鏈連接。鋼板彈簧中 部一般用U形螺栓固定在車橋上。中心螺栓用以連接各彈簧片，并保證裝配時(shí)各片的 相對(duì)位置。中心螺栓距兩端卷耳的距離可以相等，（稱為結(jié)稱式鋼板彈

47、簧）；也可以不 相等（稱為非結(jié)稱式鋼板彈簧）。當(dāng)鋼板彈簧安裝在汽車懸架中，所承受的垂直載荷 為正向時(shí)，各彈簧片都受力變形，有向上拱彎的的趨勢(shì)。這時(shí)車橋和車架便相互靠近。 當(dāng)車橋與車架相互遠(yuǎn)離時(shí)，鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和變形都逐漸減小，有時(shí)甚 至反向。14圖 2.5 鋼板彈簧式非獨(dú)立懸架鋼板彈簧中部通過(guò)U型螺栓和壓板固定在車橋上，簧片間通過(guò)彈簧夾夾緊，兩 端分別通過(guò)卷耳和吊耳與車架相連，其結(jié)構(gòu)及安裝，如圖2.2所示。圖 2.6 鋼板彈簧結(jié)構(gòu)及安裝示意2.2.2鋼板彈簧懸架的工作原理主片卷受力嚴(yán)重，是薄弱處，為改善主片卷耳的受力情況，常將第二片末端也彎 成卷耳，包在主片卷耳的外面（亦稱包耳）。

48、為了使得在彈簧片變形時(shí)各片有相對(duì)滑 動(dòng)的可能。在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。有些懸架中的鋼板彈簧兩 端不做卷耳，而米用兩端插入厚壁的橡膠支承墊中，靠橡膠變形保證彈簧變形時(shí)兩端 的相移動(dòng)?？v向力側(cè)向力直接由橡膠支承墊傳至車架，采用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是主片不 易損壞，無(wú)需潤(rùn)滑，有良好的消除噪音能力，1.彈簧夾 2.車軸 3.U 型螺栓及蓋板 4.卷耳 5.吊耳15但鋼板彈簧的縱向移動(dòng)量受到限制，因 此這種結(jié)構(gòu)只在較長(zhǎng)而且剛度較大的鋼板彈簧上采用。連接各片的構(gòu)件除中心螺栓外，還有若干個(gè)彈簧夾其主要作用是當(dāng)鋼板彈簧反向 變形時(shí)，使各片不至于相互分開(kāi)，以免主片單獨(dú)承載。此外，開(kāi)可防止各片橫向錯(cuò)動(dòng)

49、 彈簧夾用鉚釘鉚接在與之相連的最下面彈簧片的頂端。彈簧夾的兩邊用螺栓連接，在 螺栓上有套管頂住彈簧夾的兩邊，以免將彈簧片夾得過(guò)緊。在螺栓套管與彈簧片之間 有一定間隙（不小于1.5mm）。以保證彈簧變形時(shí)，各片可以相互滑動(dòng)。鋼板彈簧在載荷作用下變形時(shí)，各片之間有相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦。可以促進(jìn)車架 振動(dòng)的衰減。促進(jìn)各片間的干摩擦，將使車輪所受的沖擊在很大的程度上傳給車架， 即降低了懸架緩和沖擊的能力，并使彈簧各片加速磨損，這是不利的，為減少?gòu)椈善?的磨損，在裝和鋼板彈簧時(shí)每個(gè)片間必須涂上較稠的潤(rùn)滑劑（石墨潤(rùn)滑脂）并在定期 進(jìn)行保養(yǎng)。為了在使用期間長(zhǎng)期儲(chǔ)存潤(rùn)滑脂和防止污染， 有時(shí)將鋼板彈簧裝在護(hù)套內(nèi)前

50、已述及，鋼板彈簧本身還能兼起導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的作用，并且由于彈簧各片之間的摩 擦而起到一定的減振作用。為了保證在彈簧片間產(chǎn)生定值摩擦里以及消除噪聲，可選 在彈簧片之間夾入塑料墊片。如某些高級(jí)轎車后鋼板彈簧即采用次種結(jié)構(gòu)。2.3 本文設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)形式本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)為輕型載貨汽車后懸架系統(tǒng)，考慮到經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性要求，所以 選用非獨(dú)立懸架。汽車懸架的彈性元件一般有以下四種，見(jiàn)表2.1：表 2.1 彈性元件四種形式鋼板彈簧螺旋彈簧扭桿彈簧氣體彈簧橡膠彈簧其中螺旋彈簧和扭桿彈簧一般應(yīng)用于獨(dú)立懸架中，本文不作考慮。以下分別為其他三種懸架。2.3.1板簧懸架鋼板彈簧懸架（簡(jiǎn)稱板簧懸架）又分為少片變截面鋼板懸架與等

51、截面多片板簧懸 架。目前國(guó)內(nèi)95%以上的載貨汽車懸架系統(tǒng)是以鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的 非獨(dú)立懸架，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠。缺點(diǎn)是汽車平順性、舒適性較差；簧下質(zhì)量大，無(wú)法適應(yīng)輕量化的發(fā)展，并且不 能同時(shí)兼顧舒適性與操縱穩(wěn)定性。而空氣懸架則充分利用了空氣彈簧變剛性的特性， 達(dá)到同時(shí)兼顧這兩16個(gè)方面的目的。232空氣懸架空氣懸架系統(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件，以空氣做彈性介質(zhì)，在一個(gè)密封的容器內(nèi) 充入壓縮空氣（氣壓為0.50.7Mpa）,禾I用氣體的可壓縮性，實(shí)現(xiàn)其彈性作用的。這種 彈簧的剛度可變，具有較理想的彈性特性。目前空氣懸架控制模式主要有兩種，一種

52、是采用機(jī)械高度閥手動(dòng)調(diào)節(jié)。另一種為 電子控制（ECAS）,使傳統(tǒng)空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，提高了懸架操作舒適性 和反應(yīng)靈敏度。233橡膠懸架橡膠懸架是以橡膠彈簧為彈性元件，由于橡膠彈簧具有變剛度的特點(diǎn)，因此，整 個(gè)懸架有較強(qiáng)的承載能力。橡膠懸架在承載性、可靠性等方面都比傳統(tǒng)使用的鋼板懸 架更具優(yōu)勢(shì)，而且能夠適應(yīng)礦山作業(yè)等惡劣工況。2.3.4總結(jié)綜上所述，目前國(guó)內(nèi)最主要的懸架仍然為鋼板彈簧懸架，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造 容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠。考慮到成本控制及制造因素，本設(shè)計(jì)依舊采 用鋼板彈簧后懸架。鋼板彈簧懸架（簡(jiǎn)稱板簧懸架）又分為少片變截面鋼板懸架與等截面多片板簧懸 架。少片變

53、截面鋼板彈簧克服了多片鋼板彈簧質(zhì)量大，性能差（由于片間摩擦的存在, 影響了汽車的行駛平順性）的缺點(diǎn)。這種板簧對(duì)實(shí)現(xiàn)車輛輕量化，節(jié)約能源和合金彈 簧鋼材大為有利，故應(yīng)用日漸廣泛。但其制造加工工藝復(fù)雜，成本高。所以本車選用 等截面多片板簧，并設(shè)計(jì)成為漸變剛度，主副簧結(jié)構(gòu)的多片鋼板彈簧后懸架，以節(jié)約 成本并有效提高其行駛平順性46。原型車為依維柯輕型載貨汽車，其后懸架系統(tǒng)如圖2.7:51-后鋼板彈簧；2-緩沖塊；3-減振器；4-吊耳；5-后鋼板彈簧后支架；6-前支架；7-蓋板；8-U 型螺栓17圖 2.7 依維柯 S 系列后懸架采用變剛度鋼板彈簧的目的是為了在空載 （帶駕駛員）和滿載時(shí)都能獲得良好的

54、 平順性。汽車空載時(shí)，只要主簧起作用，載荷增加時(shí)隨著主簧的變形與副簧逐漸貼合, 至設(shè)計(jì)載荷附近主副簧完全貼合共同起作用。變剛度板簧有利于提高汽車平順性，但 在布置上要求有足夠的變形空間。2.4 懸架系統(tǒng)各主要零部件選型2.4.1葉片斷面最常用的板簧材料為熱軋彈簧扁鋼。矩形斷面，為了提高斷面葉片的疲勞強(qiáng)度， 改善葉片間潤(rùn)滑的情況，通常其制成兩頭帶圓弧或兩面有較大的凹陷弧度的矩形（如 圖2.8 （a）。單面帶拋物線的斷面（如圖2.8（b）和單面帶槽的斷面（如圖2.8 （c）、（d）都采用改進(jìn)后的特殊矩形斷面。其共同特點(diǎn)是使斷面的幾何形狀在垂直方向（厚度方向） 不對(duì)稱，變形時(shí)的中性軸上移，葉片的上表

55、面拉力減少，下面的壓力增加（一般材料 的抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度），提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度，使疲勞壽命約提高了30%, 同時(shí)可節(jié)約10%14%的材料。由于矩形斷面設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單，制造加工方便。所以本設(shè)計(jì)采用矩形斷面。g4)(a)標(biāo)準(zhǔn)型；(b)單面單槽；(c)拋物線側(cè)邊；(d)單面雙槽圖 2.8鋼板彈簧的截面形狀2.4.2葉片的端頭形狀葉片的端頭形狀有直角形、梯形、橢圓形幾種。如圖2.4所示：18(b)梯形片端(c)橢圓形片端圖 2.9葉片端頭形狀直角形的制造容易，在載貨汽車上應(yīng)用比較廣泛，但是這種形狀的葉片端部剛度 大，易引起壓應(yīng)力集中，因而增加了葉片的磨損和摩擦，很難設(shè)計(jì)成與等強(qiáng)度梁近似 的結(jié)構(gòu)

56、，此外，彈簧的質(zhì)量也很大。梯形的能制成比較接近等強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，克服了直 角形的某些缺點(diǎn)。橢圓形的葉片末端壓延成所需要的變截面形狀，以得到等強(qiáng)度梁， 并可增加葉片端部的彈性，減少片間的摩擦，改善應(yīng)力沿葉片長(zhǎng)度方向的分布，從而 使彈簧的質(zhì)量減小，這種端頭形狀的葉片在國(guó)外已日趨廣泛采用， 在國(guó)內(nèi)因制造困難， 故目前還比較少應(yīng)用。由于本次設(shè)計(jì)是輕型載貨汽車的后懸架，考慮到制造工藝和經(jīng)濟(jì)性的要求，采用 直角形端頭形狀。243鋼板彈簧與車架的連接形式的確定鋼板彈簧與車架的連接形式目前常見(jiàn)的有鉸鏈連接、滑動(dòng)連接、橡膠塊連接等。 鉸鏈連接可承受垂直載荷和水平載荷，滑動(dòng)連接只能傳遞垂直載荷，橡膠塊連接可有 很好的

57、減振作用，但橡膠塊易老化。本設(shè)計(jì)選用鉸鏈連接。244吊耳及鋼板彈簧銷的結(jié)構(gòu)大多數(shù)板簧的支撐方式為一端采用固定卷耳，另一端采用擺動(dòng)吊耳。擺動(dòng)吊耳的 結(jié)構(gòu)可以用C形、叉形以及分體式等。彈簧銷的支承、潤(rùn)滑則可用螺紋式，自潤(rùn)滑式。 滑動(dòng)軸承，橡膠支承，或者將板簧支承在橡膠座內(nèi)。螺紋式的好處在于可同時(shí)承受垂 向及側(cè)向載荷，板簧側(cè)面不必加工，螺紋可起儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑和防塵的作用。螺紋表面滲 碳以達(dá)到一定的硬度，一般其擠壓應(yīng)力為7Mpa。自潤(rùn)滑式多用于轎車及輕型載貨汽 車，具有不必加潤(rùn)滑脂及噪聲小的特點(diǎn)。重卡上多使用滑動(dòng)軸承式，一般采用銅合金 或粉末冶金襯套，工作擠壓應(yīng)力約為3.57Mpa,這種結(jié)構(gòu)中，板簧卷耳兩

58、側(cè)必須加 工至規(guī)定寬度以便與支架或吊耳配合傳遞側(cè)向力。 在采用橡膠支承時(shí)必須充分考慮其 對(duì)懸架特性的影響。本文采用一端采用固定卷耳，另一端采用擺動(dòng)吊耳。擺動(dòng)吊耳結(jié)構(gòu)采用分體式自 潤(rùn)滑式。2.4.5鋼板彈簧卷耳和襯套鋼板彈簧主片端部制成以便安裝彈簧銷和用以與托架或吊耳連接。常用的卷耳型19式有上卷耳、平卷耳、下卷耳、鍛造卷耳等，上卷耳應(yīng)用比較多。采用下卷耳主要是 因?yàn)橛袝r(shí)需要用來(lái)保證彈簧運(yùn)動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，但是它在載荷作用下容易張 開(kāi)。車身高度受限時(shí)，采用下卷耳。平卷耳可以減少卷耳的應(yīng)力，應(yīng)縱向力作用方向 和彈簧主片斷面的中心線重合，但制造復(fù)雜。鍛造卷耳，強(qiáng)度較高，它與彈簧主片分 開(kāi)為兩個(gè)零

59、件，用螺栓連接起來(lái)，但由于制造成本比較高，目前應(yīng)用較少。本設(shè)計(jì)鋼 板彈簧前端采用上卷耳式，后端采用吊耳式。在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈簧主處需要得到加強(qiáng)，將第二、 三片端部制成加強(qiáng)卷耳的包耳。由于本設(shè)計(jì)是輕型貨車，只將第二片設(shè)計(jì)成包耳。鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國(guó)內(nèi)外汽 車上已經(jīng)廣泛采用塑料襯套。因它具有耐磨，耐腐蝕、減振、不需要潤(rùn)滑、重量輕的 優(yōu)點(diǎn)。常用的塑料襯套材料為尼龍1010，聚甲醛等。246彈簧夾箍彈簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯(cuò)位之外，還能在彈簧回彈時(shí)，將力傳遞給其他簧片，減少主片應(yīng)力。彈簧夾箍結(jié)構(gòu)如下圖所示。目前使用最多的是可拆式

60、夾箍。為 了防止彈簧橫向扭曲時(shí)在簧片上產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力，在夾箍和彈簧片表面之間會(huì)留有一 定的間隙，一般不小于1.5m m,夾箍與彈簧片側(cè)面間隙為0.51mm。對(duì)于不經(jīng)常拆 裝換片的彈簧，大都采用了不可拆式夾箍，這種夾箍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少制造費(fèi)用，而且 彈簧裝配方便，多用于轎車和輕型載貨汽車上。此車采用不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 費(fèi)用低。2.4.7鋼板彈簧中心螺栓中心螺栓的作用，除了夾緊各片彈簧外，又是安裝鋼板彈簧的定位銷。中心螺栓 在U形螺栓松動(dòng)時(shí)易剪斷，因此應(yīng)有一定的強(qiáng)度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧 斷面強(qiáng)度，因此其直徑不宜做的過(guò)大，一般與簧片厚度相等。下表是推薦的中心螺栓 直徑尺寸。中心螺栓一

61、般用15MnVB材料作成， 機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)。 對(duì)于重型載 貨汽車， 中心螺栓多用40Cr或40MnB制成。表 2.2中心螺栓直徑尺寸中心螺栓直徑810121416簧片厚V77991111 1313 16中心孔直徑C L 七58.50* C L 北.510.50L 七.512.50八 U 旳.514.50L 冊(cè).516.5020本車類型為輕卡，但為漸變剛度板簧，所以，因此由表2.2得出中心螺栓直徑先初步確定為12mm，由此得中心孔直徑為12.500.5，螺栓由材料15MnVB做成。2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析鋼板彈簧懸架主要由鋼板彈簧前后支架、若干片板簧、板簧蓋板、U型螺栓、 中 心螺栓、吊耳、

62、板簧銷、緩沖塊、減振器等組成。它有加工工藝簡(jiǎn)單，可靠耐用，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單成本低等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)為等截面漸變剛度鋼板彈簧懸架，二級(jí)主副簧結(jié)構(gòu)。結(jié) 構(gòu)示意圖如圖2.10所示。圖 2.10變剛度板簧的結(jié)構(gòu)示意圖彈性元件選用二級(jí)厚度鋼板彈簧，本設(shè)計(jì)采用矩形斷面，設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單，制造加 工方便。選用最常用的板簧材料熱軋彈簧扁鋼。選用直角形的端頭，制造容易，在載 貨汽車上應(yīng)用比較廣泛，成本低。但是這種形狀的葉片端部剛度大，易引起壓應(yīng)力集 中，因而增加了葉片的磨損和摩擦，很難設(shè)計(jì)成與等強(qiáng)度梁近似的結(jié)構(gòu)，此外，彈簧 的質(zhì)量也很大。懸架與車架采用鉸鏈連接。一端采用固定卷耳，另一端采用擺動(dòng)吊耳。擺動(dòng)吊耳 結(jié)構(gòu)采用分體式自

63、潤(rùn)滑式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。鋼板彈簧前端采用上卷耳式。在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈 簧主處需要得到加強(qiáng)，將第二、三片端部制成加強(qiáng)卷耳的包耳。由于本設(shè)計(jì)是輕型貨 車，只將第二片設(shè)計(jì)成包耳。鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國(guó)內(nèi)外汽 車上已經(jīng)廣泛采用塑料襯套。因它具有耐磨，耐腐蝕、減振、不需要潤(rùn)滑、重量輕的 優(yōu)點(diǎn)。常用的塑料襯套材料為尼龍1010,聚甲醛等。本文選用橡膠材料，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。采用不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。中心螺栓選用一般常用的15MnV附料做成，機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)。U型螺栓，也采用普通鋼材制造。鋼板彈簧前后支架、 板簧上下蓋板等設(shè)計(jì)機(jī)

64、構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造，而且都采用球墨鑄鐵等一般常用材料，經(jīng)濟(jì) 實(shí)用。橫向穩(wěn)定器選用普通彈簧鋼制造。 汽車上加裝橫向穩(wěn)定器，就可以做到在不增大 懸架垂直剛度c的條件下，增大懸架的側(cè)傾剛度，以保證汽車有不足轉(zhuǎn)向特性，提高 整車的操縱穩(wěn)定性。緩沖塊選用通常的硫化橡膠制造，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。有些汽車選用多孔聚氨酯，它兼有 輔助彈性元件的作用，是一種有很高強(qiáng)度和耐磨性的復(fù)合材料。這種材料起泡時(shí)就形 成了致密的耐磨外21層，保護(hù)內(nèi)部的發(fā)泡部分不受損傷。在載荷作用下彈性元件被壓縮， 但其外廓尺寸增加卻不大，這點(diǎn)與橡膠不同。減振器按其作用原理可分為單向作用和雙向作用式兩種。由于筒式減振器具有質(zhì)量小，性能穩(wěn)定，工作可靠，適宜

65、大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以已經(jīng)成為汽車減振器的主流。 筒式減振器又分為雙筒式、單筒式和充氣筒式等結(jié)構(gòu)，以雙筒式應(yīng)用最多。所以本文 選用雙向作用筒式減振器。綜上所述，本后懸架系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，不僅能滿足輕型載貨汽車各工況下 的使用性能，而且還能相對(duì)提高整車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。22第三章懸架系統(tǒng)主要性能參數(shù)的確3.1 懸架靜撓度和動(dòng)撓度的選擇懸架靜撓度f(wàn)c是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷Fw與此時(shí)懸架剛度C之比,式（3.1）根據(jù)汽車?yán)碚摽芍浩嚽昂髴壹芘c其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行使平順性的主要參數(shù)之一。因現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)近似等于1,于是汽車前后軸上方車身兩點(diǎn)的振動(dòng)不

66、存在聯(lián)系。因此，汽車前后部分的車身的固有頻率（亦稱偏頻）可用式（3.2）表示式（3.2）由上式可以看出:（1）懸架所受的垂直載荷一定時(shí)，懸架的剛度愈小，是懸架的剛度愈小，在一定的載荷下懸架的垂直變形就愈大，即車輪上下跳動(dòng)所需空 間就愈大，這對(duì)簧載質(zhì)量大的貨車，在結(jié)構(gòu)上是難以保證的，故實(shí)際上貨車的車身自 然振動(dòng)頻率往往偏高，而大大超過(guò)理想的頻率范圍。（2）當(dāng)懸架剛度一定時(shí)，簧載質(zhì)量愈大，則懸架的垂直變形就愈大，而自然頻率就愈低。故空車行使時(shí)的振動(dòng)頻率比滿載時(shí)的高。簧載質(zhì)量也愈大。各型車的偏頻及撓 度值如表3.1所示式中仁前c后分別為前后懸架的靜撓度，單位為mmfc后則汽車自然振動(dòng)頻率愈低。但23表 3.1懸架的靜撓度、動(dòng)撓度和偏頻車型n/Hzfc/mmfd/mm貨車1.5 2.250 11060 90驕車0.9 1.610 30070 90大客車1.3 1.870 15050 80越野車1.4 2.060 13070 130在懸架設(shè)計(jì)中，先根據(jù)行使平順性要求確定前后懸架的n前和n后值，由以上計(jì)算 公式可以求出前后懸架的靜撓度。本設(shè)計(jì)的鋼板彈簧懸架用于汽車后懸架，由表3.1選取滿載時(shí)的偏頻