EQ1092货车的前后悬架系统的毕业设计.doc 41页

'EQ1092货车的前后悬架系统的毕业设计目录第1章绪论1第2章悬架系统的结构与分析32.1悬架的作用和组成32.2汽车悬架的分类32.3悬架的设计要求42.4悬架主要参数42.4.1悬架的静挠度fc42.4.2悬架的动挠度fd52.4.3悬架弹性特性52.4.4后悬架主、副簧刚度的分配52.4.5悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配6第3章前后悬架系统的设计73.1前悬架系统设计73.1.1钢板弹簧的设计73.1.2.减振器的选用123.2后悬架系统设计133.2.1主、副钢板弹簧结构参数133.2.2钢板弹簧的强度验算13第4章平顺性分析和编程154.1平顺性的定义154.2平顺性的研究内容154.3平顺性的研究分析16第5章结论21参考文献22致谢23附录Ⅰ：外文资料24附录Ⅱ：中文翻译31附录Ⅲ：程序36II II 第1章绪论随着时代的发展，以及我国汽车行业的发展，人们对货车的舒适性和稳定性提出了新的要求。悬架作为提高汽车操纵稳定性和乘坐舒适性的关键部分必须进行更好的改进，由此悬架得到了人们广泛重视和深入研究。运用优化的设计方法在保证减小悬架整体质量的同时又不缺少应有的刚度、强度与纫度，从而提高了车速，降低了能耗是目前国内汽车悬架系统发展的主方向。汽车车架（或车身）若直接安装于车桥（或车轮）上，由于道路不平，由于地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。汽车悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间全部传力联接装置的总称。它的作用是弹性地连接车桥和车架（或车身），把路面作用于车轮上的各种力及其产生的力矩传递到车架(或承载式车身)上，吸收和缓和行驶中因路面不平引起的车轮跳动而传给车架的冲击和振动，保证货物完好和人员舒适。使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着缓和作用到车架（或车身）上垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。悬架由弹性元件、减振装置和导向机构等三部分组成。同时悬架形式又分为独立悬架和非独立悬架两种。悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。从外表上看，悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。现代汽车悬架的发展十分快，不断出现，崭新的悬架装置。按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，汽车姿态（状态）只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。20世纪80年代以来主动悬架开始在一部分汽车上应用，并且目前还在进一步研究和开发中。主动悬架可以能动地控制垂直振动及其车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度。39 现代汽车对平顺性和操纵稳定性和舒适性的要求越来越高，已成为衡量汽车性能好坏的标准。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。汽车的固有频率是衡量汽车平顺性的重要参数，它由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量（簧载质量）所决定。人体所习惯的垂直振动频率约为1～1.6Hz。车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围，才能满足舒适性要求。在悬架垂直载荷一定时，悬架刚度越小，固有频率就越低，但悬架刚度越小，载荷一定时悬架垂直变形就越大。这样若无有足够大的限位行程，就会使撞击限位块的概率增加。若固有频率选取过低，很可能会出现制动点头角，转弯侧货角，空载和满载车身高度变化过大。一般货车固有频率是1.5～2Hz，旅行客车1.2～1.8Hz，高级轿车1～1.3Hz。另外，当悬架刚度一定时，簧载质量越大，悬架垂直变形也愈大，而固有频率越低。空车时的固有频率要比满载时的高。簧载质量变化范围大，固有频率变化范围也大。为了使空载和满载固有频率保持一定或很小变化，需要把悬架刚度做成可变或可调的。影响汽车平顺性的另一个悬架指标是簧载质量。簧载质量分为簧上质量与簧下质量两部分，由弹性元件承载的部分质量，如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧上质量。车轮、非独立悬架的车轴等属于簧下质量，也叫非簧载质量M。如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低，而车轮振动频率升高，这对减少共振，改善汽车的平顺性是有利的。非簧载质量对平顺性的影响，常用非簧载质量和簧载质量之比m/M进行评价。悬架的侧倾角刚度及前后匹配是影响汽车操纵稳定性的重要参数。当汽车受侧向力作用发生车身侧倾，若侧倾角过大，乘客会感到不安全，不舒适，如侧倾角过小，车身受到横向冲击较大，乘客也会感到不适，司机路感不好。所以，整车侧倾角刚度应满足：当车身受到0.4g侧向加速度时，其侧倾角在2.5～4°范围内，汽车有一定不足转向特性，前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度。一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在1.4～2.6范围内，如前后悬架本身不能满足上述要求，可在前后悬架中加装横向稳定杆，提高汽车操纵稳定性。39 第1章悬架系统的结构与分析1.1悬架的作用和组成悬架系统的作用：(1)传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；(2)缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；(3)保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定器等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式。1.2汽车悬架的分类根据汽车导向机构不同悬架种类又可分为独立悬架，非独立悬架。非独立悬架特点是左，右车轮用一根整体轴连接，在经过悬架与车架（或车身）连接，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。其主要特点是：(4)组成悬架的构件少，结构简单，便于维修。(5)坚固耐用，适合重载。(6)转弯时车身倾斜度小。(7)车轮定位几乎不因其上下运动而改变，所以轮胎磨损较少。(8)由于非悬挂重量大，故乘坐欠舒适。(9)由于左右车轮的运动相互影响，很容易产生颤动和摇摆现象。独立悬架是左，右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接39 ，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。综上EQ1092中型货车选用的是非独立悬架。1.1悬架的设计要求悬架与汽车的多种使用性能有关，在悬架的设计中应该满足这些性能的要求：（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。（2）具有合适的衰减振动能力。（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。（4）汽车制动或加速时能保证车身稳定，减少车身纵倾，即点头或后仰；转弯时车身侧倾角要合适。（5）结构紧凑、占用空间小。（6）可靠的传递车身与车轮之间的各种力和力矩。在满足零部件质量小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。1.2悬架主要参数根据悬架在整车中的作用和整车的性能要求，悬架首先应保证有良好的行驶平顺性，这是确定悬架主要性能参数的重要依据。汽车的前、后悬架与簧载质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性主要参数之一。悬架固有频率选取的主要依据是“ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》”，固有频率取值与人步行时身体上下运动的频率接近。此外，前后悬架的固有频率接近可以避免产生较大的车身角振动，n1n2的汽车。故本次设计选取的汽车前后部分的车身固有频率n1、n2分别为n1=1.9Hz,n2=2Hz1.2.1悬架的静挠度悬架的静挠度是指满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即fc=Fw/c。因现代汽车的质量分配系数ε近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前、后部分车身的固有频率n1和n2可用下式表示n1=；n2=（2-1）式中，、为前、后悬架的刚度（N/cm）；m1、m239 为前、后悬架的簧上质量（kg）。悬架的弹性特性为线性变化时，前、后悬架的静挠度可用下式表示fc1=m1g/c1；fc2=m2g/c2式中，g为重力加速度,g=981cm/s2。将fc1、fc2代入式（2-1）得到=5/；=5/（2-2）所以fc1=(5/n1)2=(5/1.9)2=69mmfc2=(5/n2)2=(5/2)2=62mm1.1.1悬架的动挠度fd悬架的动挠度fd是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允的最大变形时，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。所以，对于货车，fd取62mm。1.1.2悬架弹性特性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身位移f（即悬架的变形）的关系曲线，称为悬架的弹性特性。悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形f与所受垂直外力F之间成固定的比例变化时，弹性特性为一直线，称为线性弹性特性，此时悬架刚度为常数。钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的。（如图2-1）图2-1悬架弹性特性曲线1.1.3后悬架主、副簧刚度的分配EQ1092中型货车后悬架采用主、副簧结构的钢板弹簧。其悬架的弹性特性曲线39 图2-2主、副簧为钢板弹簧结构的弹性特性曲线如图2-2所示。载荷小时副簧不工作，载荷达到一定值时副簧与主簧共同工作。1.1.1悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配悬架侧倾角刚度系指簧上质量产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。它对簧上质量的侧倾角有影响。侧倾角过大或过小都不好。EQ1092中型货车车身侧倾角选为6o。此外，还要求汽车转弯行驶时，在0.4g的侧向加速度作用下，前、后轮侧偏角之差δ1-δ2应当在1o～3o范围内。而前、后悬架侧倾角刚度的分配会影响前、后轮的侧偏角大小，从而影响转向特性，设计还要考虑悬架侧倾角刚度在前、后轴上的分配。所以前、后悬架侧倾角刚度的比值为2.4。39 第3章前后悬架系统的设计3.1前悬架系统设计前悬架由前钢板弹簧和减振器组成。钢板弹簧中部用两个U型螺栓固定在前桥上。弹簧两端的卷耳孔中压入衬套。前端卷耳用钢板弹簧销与前支架相连，形成固定的铰链支点，与车架连起来；后端卷耳则通过钢板弹簧吊耳销与用铰链挂在后支架上可以自由摆动的吊耳相连，与车架连起来。从而保证了弹簧变形时两卷耳中心线间的距离有改变的可能。钢板弹簧工作时，越靠近中间受到的弯曲力矩越大，为了充分利用材料并有足够的强度和弹性，钢片长度由上到下逐渐缩短。并且各片的弯度是不等的，钢片越长弯度越小，这样装配后在工作时可以减小主片所受负荷，使各片负荷均匀接近。减振器为液力双作用筒式减振器。减振器在拉伸和压缩过程中，通过复原阀和压缩阀及其相应的节流系统产生阻尼力，从而使钢板弹簧的振动速度衰减以改善汽车的行驶平顺性。减振器通过连接销、上支架、下支架以及其橡胶衬套分别与车架和前轴连接。3.1.1钢板弹簧的设计1.钢板弹簧的布置方案钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在极少数汽车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故选用在EQ1092中型货车上。纵置钢板弹簧又有对称与不对称式之分。钢板弹簧中部在车轴（桥）上的固定中心至钢板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式钢板弹簧；若不相等，则称为不对称式钢板弹簧。EQ1092货车采用对称式钢板弹簧。2.钢板弹簧主要参数的确定初始条件：满载静止时汽车前、后轴（桥）负荷G1=23347.8N、G2=67983.3N和簧下部分荷重Gu1=4847N、Gu2=9403N，悬架的静挠度fc和动挠度fd，单个钢板弹簧的载荷：N(3-1)N(3-2)汽车的轴距Lz=3950mm。39 （1）.满载弧高fa满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴（桥）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。fa用来保证汽车具有给定的高度。取fa=20mm。（2）.钢板弹簧长度L的确定钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。L=0.32×Lz=0.32×3950=1264mm（3）.钢板断面尺寸及片数的确定1）钢板断面宽度b的确定钢板弹簧的总惯性矩Jo（3-3）式中，s—U形螺栓中心距，s=120mmk—U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数，k=0.5c—钢板弹簧垂直刚度，δ—挠度增大系数,δ=1.36E—材料的弹性模量，E=2.1×105MPaJo=[（1264-0.5×120）3×134×1.36]/(48×2.1×105)=31554.6mm2钢板弹簧总截面系数WoW≥[Fw(L-ks)/(4[σw])]（3-4）式中，[σw]—许用弯曲应力，对于55SiMnVB，表面经喷丸处理后，[σw]=350～450MPaWo≥[9250.4×(1264-0.5×120)/(4×400)]=6960.9刚板弹簧的平均厚度hp（3-5）取片宽b=75mm2）钢板弹簧片厚h的选择矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩JoJo=nbh3/12(3-6)式中，n—钢板弹簧片数，n=9h===9mm取各片片厚等厚：h1=h2=h3=h4=h5=h6=h7=h8=9mm3）钢板断面形状（如图3-1）39 图3-1矩形断面3.钢板弹簧各片长度的确定在选择各叶片长度时，应尽量使应力在片间和沿片长的分布合理，以达到各片寿命接近并节省材料、减小板簧质量的目的。确定各叶片长度的方法有作图法和计算法。用作图法确定各片长度的方法是基于实际钢板弹簧各叶片的展开图接近梯形梁形状这一原则来作图的,先将各叶片厚度的立方值按同一比例尺沿纵坐标绘出，再沿横坐标绘出主片长度之半(即L／2)和u形螺拴中心距之半(即s／2)，得A、B两点。连接这两点就得到三角形的钢板弹簧展开图。AB线与各叶片上侧边的交点即决定了各片长度。当有与主片等长的重叠片时，可将B点与最下一个重叠片的上侧端点相连。该图中实线所示的叶片长度是经过圆整后的尺寸。有的叶片端部装有卡箍，则需伸出卡箍稍许。(如图3-2)图3-2钢板弹簧各片长度的作图法由此图得出个片半长经过圆整后分别是635mm，565mm，495mm，420mm，39 350mm，275mm，205mm，135mm4.钢板弹簧的刚度验算由于有关挠度增大系数δ、惯性矩Jo、片长和叶片端部形状等的确定不够准确，所以要验算刚度。用共同曲率法来计算刚度。假定同一截面上各片曲率变化值相同，各片所承受的弯矩正比于其惯性矩，同时该截面上各片的弯矩和等于外力所引起的弯矩。刚度验算公式为c=6αE/[](3-7)其中Yk=Yk+1=式中，α—经验修正系数，α=0.9E—材料的弹性模量，E=2.1×105MPal1、lk+1—主片和第k+1片的一半长度。结果c=17.6×104N/m5.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（1）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高Ho钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高Ho，用下式计算Ho=fc+fa+△f(3-8)式中，△f—钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高△f=（3-9）△f==12mmHo=69+20+12=101mm（2）钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径RoRo=L2/(8Ho)(3-10)Ro=12702/(8×101)=1996mm6.钢板弹簧总成弧高的核算根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此可求得等厚叶片弹簧的Ro39 1/Ro=（3-12）结果Ro=1906mm经检验合格。钢板弹簧总成弧高HH=L2/(8Ro)(3-13)H=L2/(8Ro)=12702/(8×1906)=105mm7.钢板弹簧的强度验算（1）紧急制动时，前钢板弹簧承受的载荷最大在它的后半段出现的最大应力σmaxσmax=[G1]/[](3-14)式中，G1—作用在前轮上的垂直静载荷,G1=23347.8N—制动时前轴负荷转移系数,=1.5—道路附着系数,=0.8—钢板弹簧前、后段长度,=635mmWo—钢板弹簧总截面系数,Wo=6960.9c—弹簧固定点到路面的距离,c=750mmσmax=[23347.8×]/[]=976.4Mpa