汽车悬架系统弹簧刚度的优化设计.doc

1、 湖北文理学院 毕业设计（论文） 论文（设计）题目 汽车悬架系统弹簧刚度的优化设计 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2015 年 5 月 27 日 I 摘 要 汽车悬架弹簧是汽车底盘的关键零件之一，它关系着汽车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性。因此，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。 汽车悬架弹簧是轿车底盘减震系统中的重要功能性零件，主要作用是吸收振动保证乘员的舒适性。从技术层面分析，它还起着维持轮胎与地面贴合，保证车辆操纵性的功能。目前，除了少数顶级豪华车使用主动悬架之外，大部分轿车的减震系统都是由螺旋悬架弹簧与减震器组合而成。螺旋弹簧作

2、为汽车悬架系统的重要零件，对汽车的运行性能有着重要的影响。汽车悬架弹簧是汽车底盘的 关键零件之一，它关系着汽车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性。因此，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。 本文通过汽车悬架系统的弹簧刚度进行设计，使系统的固有频率满足设计要求，来说明如何进行振动系统参数的优化设计。采用理论法、有限元分析法进行了综合研究，以期获得螺旋弹簧合理的设计方法，提高螺旋弹簧的刚度。 关键词 ：汽车；悬架弹簧；理论法；螺旋弹簧 II Abstract Automobile suspension spring is one of the key parts o

3、f automobile chassis, its relationship with the car, ride comfort and safety of car body adaptability to complex pavement. Therefore, a good car suspension spring is one of the key factors of security car running performance. The automobile suspension spring is an important functional parts, car cha

4、ssis suspension system main function is to absorb vibration ensure occupant comfort. From the technical analysis, it also plays a maintain tire and ground joint, ensure the vehicles maneuvering function. Helical spring as an important parts of the automobile suspension system, the running performanc

5、e of the car has an important influence. In recent years, the domestic and external theoretical research and technology of the helical spring technology has great development. With the development of science and technology and the improvement of the engineering application requirements, a new type o

6、f spring also appear constantly. Automobile suspension spring is one of the key parts of automobile chassis, its relationship with the car, ride comfort and safety of car body adaptability to complex pavement. Therefore, a good car suspension spring is one of the key factors of security car running

7、performance. This article is designed by automotive suspension spring rate of the system, so that the natural frequency of the system to meet the design requirements, to explain how to optimize the design parameters of the vibration system. Theoretical method, finite element analysis conducted a com

8、prehensive study in order to obtain a coil spring rational design methods to improve the rigidity of the coil spring. Key words： automobile; Suspension spring; Theory method; Helical spring III 目 录 摘 要 .I Abstract. II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 本课题研究的背景 . 1 1.2 研究的意义及研究现状与发展趋势 . 2 1.2.1 悬架弹簧的研究意义 . 2 1.2.3 悬

9、架弹簧的未来发展趋势 . 3 1.3 本文研究的主要任务 . 4 第 2 章 汽车悬架弹簧的基本特性及分析 . 5 2.1 汽车悬架弹簧的基本作用与分类 . 5 2.1.1 悬架的分类 . 6 2.1.2 汽车悬架弹簧的作用 . 7 2.2 汽车悬架弹簧的基本性能与材料 . 10 2.2.1 悬架弹簧的特性线 . 10 2.2.2 弹簧的变形能力 .11 2.2.3 弹簧的固有频率 . 12 2.3 汽车悬架弹簧的材料及其特性分析 . 13 2.3.1 汽车悬架弹簧的种类和特点 . 13 2.3.2 车用悬架弹簧的生产工艺 . 14 2.4 悬架弹簧的疲劳强度 . 15 2.4.1 变应力的类

10、型和特性 . 15 2.4.2 弹簧疲劳曲线 . 16 2.4.3 影响弹簧疲劳强度的因素 . 17 2.5 本章总结 . 17 第 3 章 汽车悬架系统弹簧的分析 . 18 3.1 悬架弹簧的理论计算 . 18 3.1.1 受到轴向载荷时，悬架弹簧 截面的受力分析 . 18 3.1.2 受到截面载荷作用时，悬架弹簧的应力分析 . 18 3.1.3 受到轴向载荷的作用时，悬架弹簧斜截面的分析 . 20 3.2 本章总结 . 21 第 4 章 汽车悬架弹簧刚度的优化设计 . 23 4.1 弹簧悬架受力分析 . 23 4.2 悬架系统的固有频率 . 24 4.3 悬架弹簧刚度优化 . 26 4.4

11、 本章总结 . 28 第 5 章 总结与展望 . 29 5.1 工作总结 . 29 5.2 未来展望 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 32 1 第 1 章 绪 论 1.1 本课题研究的背景 中国进入 WTO 以来，伴随着与国际市场的更进一步融合，中国的经济得到飞速发展并在全球经济发展中有着举足轻重的地位，国家中长期科学和技术发展规划纲要指出，交通运输是我国国民经济的命脉。当前，我国交通运输的基础设施仍处于加速成型阶段，其总数量不足、规划不合理、运输服务水平不高仍是目前及以后一段时期的主要矛盾，确保交通运输的飞速发展是“十二五”期间的主要战略任务，全面建设小康社会的战 略目标对交通运输

12、业的发展中建设提出更高要求，交通科技面临着重大的战略需求。 汽车是当前数量最多、应用最广、运输量最大的现代化陆地交通工具。据 2012 年公路水路交通行业发展统计公报显示，目前全国公路营运汽车数量有 1339.89 万辆，比 2011 年增长了 6.0%，其中载货汽车占有 1253.9 万辆、货运量为 8062.14 万吨位，同比上年末分别增长 6.3%和 11.0%，占总营运汽车的93% ；截止到 2012 年 12月，我国当前的公路总里程数己经达到了 423.75 万公里，同比 2011 年增加了 13.11 万公里。公路分布 密度为 44.14 公里 /百平方公里，同比 2011 年提高

13、了 1.37 公里 /百平方公里 (图 1-1)。其中，对物流运输业产生了极大影响的高速公路的里程数也达到了 9.62 万公里，同比 2011 年增加 1.13万公里，位居世界第二，仅次于美国。同时，交通科技的快速发展也促进了汽车领域内新兴技术的快速革新。因此，汽车整车轻量化、集成化和节能减排技术等都得到了兴旺的发展。 3 7 3 . 03 8 6 . 14 0 0 . 84 1 0 . 64 2 3 . 83 8 . 94 0 . 24 1 . 84 2 . 84 4 . 10 . 05 0 . 01 0 0 . 01 5 0 . 02 0 0 . 02 5 0 . 03 0 0 . 03

14、5 0 . 04 0 0 . 04 5 0 . 02008 2009 2010 2011 2012万公里051015202530354045公里/百平方公里全国公路总里程 全国公路密度图 1-1 2008-2012年全国公路总里程数及公路密度数 2 悬架弹簧在汽车行驶过程中，需要承受高频往复的压缩运动，有着缓冲、减振的作用，它质量的好坏对车辆稳 定性、安全性有着关键性的作用。乘用车对悬架弹簧的性能要求比较高，需要具有噪声低、振动小、弹性好、稳定性好、舒适度高等特性；商用车（重型及超重型载货车）则需要高强度的悬架弹簧。当今，悬架弹簧的研发趋势总体上为轻量化（高应力）、高可靠性。因此，悬架弹簧应力

15、要求为大于 1100MPa，高的需达到 1200MPa。 1.2 研究的意义及研究现状与发展趋势 1.2.1 悬架弹簧的研究意义 因为悬架弹簧类的产品并不是最终产品，是从属于其它产品中的零部件，所以其对主机厂的依赖性很大。过去一般是主机厂负责悬架弹簧设计，弹簧企 业按图加工。而现在的主机厂一般需要与零部件配套厂家一同参与悬架弹簧的设计和开发。然而，成套新产品开发速度较慢，同时缺乏系统管理及理论上的支持，所以国内对新产品的开发和研究十分滞后，例如空气悬架弹簧等。 目前，广泛应用的弹簧变应力和弹簧变形的计算公式是根据材料力学基础上推导出来的，如果没有一定的实际经验，很难设计和制造出较高精度的弹簧。

16、伴随着设计应力能力的提高，过去的很多经验已不适用。为此，必须采用更加精密的解析技术，而目前应用较广的分析方法是有限元法 (FEM)。有限元法可以详细分析预测弹簧变应力对其疲劳寿命 和永久变形的影响，而且可以准确反映出材料对其疲劳寿命和永久变形的关系。 1.2.2 悬架弹簧的研究现状 弹簧是一种能量储放的弹性元件，在我国古代，弓和弩 就是弹簧性能的典型应用。而严格意义上提出弹簧概念的则是英国科学家虎克。在虎克时代，弹簧己经被广泛应用，但是人们完整认识弹簧还是因为“虎克定理”的出现，“虎克定理”表明弹簧的伸长量与其承受载荷的大小成正比的应力与变形之间的对应关系。弹簧逐渐的从概念变成现实，从理论走向

17、工程，并被广泛运用于生活、生产和工程的各个领域 1。 在设计中弹簧材料的选择根据生产企业的不 同，采用弹簧材料的技术标准、元素含量、材料型号也并不同 2，如图 1-2所示。 3 标准 牌号 C Si Mn Cr V Ni Cu P S宝钢Q/BQB516-2003B55SiCrr0.510.591.401.400.600.800.600.80 0.35 0.25 0.030 0.030宝钢Q/BZJ531 2 0 0 7B55SiCrV0.510.591.401.600.600.800.600.800.150.25- 0.12 0.025 0.025兴澄特钢XCJS267XC55SiCr0.5

18、10.591.201.600.600.900.600.80- 0.05 0.10 0.015 0.010GB/T195355SiCrA0.500.601.201.600.500.900.500.80- - 0.20 0.025 0.025GB/T122 65Mn0.620.700.170.370.901.200.25- 0.25 0.25 0.035 0.0306OSi2MnA0.560.641.602.000.600.900.35- 0.35 0.25 0.030 0.0306OSi2CrA0.560.641.401.800.400.700.701.00- 0.35 0.25 0.030 0

19、.030汽车悬架是车身与车轴之间连接的传力机构，也是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，悬架作为重要部件被列入汽车的技术规格表，并作为衡量轿车质量的指标之一。汽车悬架包括弹性元件、减震器和传力装置三部分，它们分别起到缓冲、减震和传递力的作用。弹性元件便是弹簧，其承受垂直载荷，具有缓和及抑制不平路面对车体的冲击，同时具有占用空间小，质量小，结构简单和无需润滑的优点。所以，悬架弹簧作为关 键部件，如何提高其性能和质量成为该领域重点研究的内容之一。 1.2.3 悬架弹簧的未来发展趋势 空气悬架弹簧 空气悬架弹簧是一种使用在高档客车和拖车上的悬架系统中的弹簧，是当前汽车钢板弹簧的替代品。它具有降低噪音，

20、提高车辆的平稳性与舒适性。未来国外客车中 100%、拖车中 100%、重型载重车中 85%都采用空气悬架弹簧 3。 伴随着道路路面的改善，国内消费水平的逐渐提高，国内客车产品的档次逐级上升，空气悬架弹簧慢慢被市场接受。目前，悬架弹簧正朝向着轻量化、高应力化方向发展，由弹簧组成的机械装置正慢慢被由气动装 置取代，悬架弹簧行业应当关注这方面的变化，提高自身综合开发能力，来适应市场的需求和变化。 图 1-2 悬架弹簧国内品牌及其化学成分 wt% 4 变截面悬架弹簧 变截面悬架弹簧，从轻量化、缩小空间、提高舒适度和改善弹簧应力分布来考虑，比圆截面弹簧更加合理。但是这类弹簧材料价格较高，制造工艺复杂，弹

21、簧生产成本要远高于圆截面弹簧。 1.3 本文研究的主要任务 在本文设计中，对悬架系统弹簧刚度进行优化设计，目前汽车上运用的主要为螺旋弹簧，因此以它为实验对象。以汲取前人的设计经验为基础，运用 有限元法 (FEM)进行设计和分析。目前来说，其广泛应用的弹簧应力及其变形的计算公式是在材料力学的基础上推导出来的，假使没有一定的实际经验，很难设计和制造出较高精度的弹簧来的。因此，本文首先阐述悬架弹簧的发展前景，分析其结构及历史进程，通过设计分析使得弹簧的固有频率能够满足设计要求，从而说明如何进行悬架系统弹簧的参数优化，使其刚度能更好的满足要求，进而满足 汽车的轻量化、集成化和节能减排技术等要求。本论文

22、第一章介绍了汽车悬架系统弹簧的一些基本知识和发展趋势、状况及研究意义；第二章介绍了弹簧的基本特性并对其分析与研究综述；第三章则主要说明汽车悬架系统弹簧应力分析；第四章就对汽车悬架系统弹簧进 行优化设计，论文最后再做出总结与展望。 5 第 2 章 汽车悬架弹簧的基本特性及分析 2.1 汽车悬架弹簧的基本作用与分类 悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，悬架的主要作用是传递作用在车身与车轴之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，并衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆自身的动载荷。 悬架基本功用： 对不平整路面所造成的汽车行驶中的各种颤动、摇摆和

23、震动等，与轮胎一起，予以吸收和减缓。从而保障乘客和货物的安全，并提高驾驶稳定性。 将路面与车轮之间的磨擦 所产生的驱动力和制动力，传输至底盘和车身。 支承车桥上的车身，并使车身与车轮之间保持适当的几何关系。 典型的汽车悬架结构由弹性元件、减震器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲，减振和传递力的作用。绝大多数悬架具有螺旋弹簧和减振器结构。 悬架的组成（图 2-1） 悬架一般有弹性元件、导向装置、减振器和横向稳定杆组成。其中的弹性元件用来承受并传递垂直载荷、缓和不平路面、紧急制动、加速和转弯引起的冲击或车身位置的变化。常见的弹性元件包括螺旋弹簧、油气弹簧、扭杆弹簧、钢板弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧

24、。现代轿车常 用的弹簧一般为螺旋弹簧，高级轿车有些也选择采用空气弹簧，一般的货车考虑其经济性以及结构简便采用钢板弹簧，大型客车较多的采用空气弹簧。 图 2-1 悬架的组成 6 2.1.1 悬架的分类 1）按照控制形式不同，悬架可分为被动式悬架和主动式悬架两大类。 目前多数汽车上采用被动式悬架。被动式悬架的定义是，汽车状态只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性元件、导向装置以及减振器这些机械零件。主动悬架可以根据路面和行驶工况自动调整悬架的刚度和阻尼，从而使车辆能主动地控制垂直动及其车身或车架的姿态。 2）按悬架系统结构不同，分为非独立悬架和独立悬 架 (图 2-2)。 非独立悬架因其结构简单

25、，工作可靠，被广泛应用于货车的前、后悬。非独立悬架的特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，车轮连同车桥一起通过弹性元件悬架在车架或车身上一侧车轮受到冲击时会直接影响到另一侧车轮。非独立悬架由于簧载质量比较大，特别是汽车高速行使，悬架受到较大的冲击载荷时，汽车平顺性较差。 独立悬架采用断开式车桥，两侧车轮分别通过独立悬架与车架或车身相连，每侧车轮可单独运动，互不干扰。轿车和载质量在 1000kg 以下的货车 的转向轮广泛采用独立悬架，这样可以满足行使平顺性，操纵稳定性等方面的要求。但是，独立悬架结构复杂，制造成本高，维修不方便。 独立悬架中的弹性元件使用的是螺旋弹簧和扭杆弹簧，钢板弹簧，其它形式的弹簧很少使用。目前采用较多的是不等长双臂式、滑柱连杆式和斜置单臂式。具体差异见表 2-1； 图 2-2 非独立悬架和独立悬架