1、 - I - 小型商用车的后悬架设计 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 汽车悬架概述 . 1 1.2 国内重卡钢板悬架发展现状 . 2 1.3 论文研究的背景及意义 . 3 1.4 毕业论文研究内容 . 3 第二章 汽车悬架概述 . 5 2.1 悬架基本概念 . 5 2.11 悬架概念 . 5 2.12 悬架最主要的功能 . 5 2.13 悬架基本组成 4 6 . 5 2.14 悬架类型 7 . 6 2.2 悬架系统研究与设计的领域 . 6 2.3 悬架设计要求 . 7 2.4 悬架的主要特性 . 7 2.41 悬架的垂直弹性特性 . 7 2.42 减振器的特性 . 8 2.5 本章小结
2、. 9 第三章 悬架对汽车主要性能的影响 . 10 3.1 悬架对汽车平顺性的影响 . 10 3.11 悬架弹性特性对汽车行驶平顺性的影响 . 11 3.12 悬架系统中的阻尼对汽车行驶平顺性的影响 . 14 3.13 非簧载质量对汽车行驶平顺性的影响 . 15 3.14 改善平顺性的 主要措施 . 15 3.2 悬架与汽车操纵稳定性 . 16 3.21 汽车的侧倾 . 16 3.22 侧倾时垂直载荷在左、右侧车轮上的重新分配及 其对稳态响- II - 应的影响 . 18 3.3 本章小结 . 20 第四章 对长安星卡 SC1022D7 后悬架的设计 . 22 及其结构强度校核 . 22 4.
3、1 钢板弹簧的种类 . 22 4.2 钢板弹簧主要元件结构选取 . 24 4.21 钢板弹簧断面形状 . 24 4.22 弹簧端部形状 . 25 4.23 弹簧卷耳 . 26 4.24 弹簧包耳 . 27 4.25 钢板弹簧中心螺栓 . 28 4.26 弹簧夹箍 . 29 4.3 普通多片钢板弹簧设计与计算 . 29 4.31 共同曲率法介绍 . 29 4.32 钢板弹簧设计的已知参数 . 30 4.4 本章小结 . 44 第五章 三 维作图 . 45 5.1 Pro/E 软件的简介 . 45 5.2 三维作图 . 46 5.21 Pro/E 设计界面 . 46 5.22 钢板弹簧悬架设计绘制
4、过程 . 48 5.3 设计优点 . 52 5.4 钢板弹簧的工程图 . 53 5.5 本章小结 . 54 结 论 . 55 - 1 - 第 1章 绪论 1.1 汽车悬架概述 悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成 1。导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对对于车架 (或车身 )的运动特性，并传递除弹性元件传递的垂直力以外 的各种力和力矩。当用 纵置钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置作用。缓冲块用来减轻车轴对车架 (或车身 )的直接冲撞，防止弹性元件产生过大的变形。装有横向稳定器的汽车，能减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动。 根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非
5、独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮。独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自 “独立 ”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等 ， 它的主要功用如下 2： 1 缓和、抑制由于不平路面所引起的振动和冲击，以保证汽车的行驶平顺性； 2 迅速衰减车身和车桥 (或车轮 )的振动； 3 传递作用在车轮和车架 (或车身 )之间的各种力 (驱动力、制动力、横向力 )和力矩 (制动力矩和反作用力矩 )； 4 保证汽车行驶稳定性。 为了完成 1、 2 项功能，悬架使用了
6、弹簧和减震器。汽车悬架常用的弹性元件有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、橡胶弹簧及空气弹簧等。减震器有多种形式，现在最常用的是筒式减震器。 为了完成 3、 4 项功能，悬架采用了适当的导向干系把车架 (车身 )与车轴(车轮 )联接起来。导向杆系有多种新式，可单独用其中的一种，也可将几种配合起来使用。钢板弹簧悬架中的钢板弹簧不仅用作弹性元件而且兼起导向的作用 。 为了减轻车轴对车架 (或车身 )的直接冲撞，采用了缓冲块。为了减小车身的侧倾角，有的汽车还装有横向稳定杆。 钢板弹簧简介 3 - 2 - 钢板弹簧是 汽车悬架 中应用最广泛的一种弹性元件，它是由若干片等宽但不等长（厚度可以相等，也可以不相等
7、）的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁。 当钢板弹簧安装在汽车悬架中，所承受的垂直载荷为正向时，各弹簧片都受力变形，有向上拱弯的趋势。这时， 车桥 和 车架 便相互靠近。当车桥与车架互相远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和变形便逐渐减小，有时甚至会反向。 主片卷耳受力严重，是薄弱处，为改善主片卷耳的受力情况，常将第二片末端也弯成卷耳，包在主片卷耳的外面，称为包耳。为了使得在弹性变形时各片有相对滑动的可能，在主片卷耳与第二片包耳之间留有较大的空隙。有些悬架中的钢板弹簧两端不做成卷耳，而采用其他的支撑连接方式，如橡胶支撑垫。 扁平长方形的钢板呈弯曲形，以数片叠成的底盘用弹簧，一端以梢子安装
8、在吊架上，另一端使用吊耳连接到大梁上，使弹簧能伸缩。目前适用于中大型 的货卡车上 。 1.2 国内重卡 钢板 悬架发展现状 钢板弹簧悬架 (简称板簧悬架 )又分为少片变截面钢板悬架与等截面多片板簧悬架。目前国内 95%以上的重卡悬架系统是以钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，其主要优点是结构简单，制造容易，维修方便，工艺成熟，工作可靠。缺点是汽车平顺性、舒适性较差；簧下质量大，无法适应重卡轻量化的发展，并且不能同时兼顾重卡的舒适性与操纵稳定性。 国内汽车悬架弹簧生产企业 160 余家，遍布全国各地，具有规模的专业生产企业 (生产规模在 0.8 万吨以上 )约 80 余家。产品质量水平已
9、达到国外先进 国家 90 年代水平。大部分企业规模较小，生产集中度低，散乱差问题较严重。其中真正形成大规模、大批量生产的企业为数不多，大多仍停留在简单生产工艺的水平上，产品成本较高，难以参与国际市场竞争。国内能够生产高档次汽车钢板悬架弹簧的企业只有 4 家：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、重庆红岩汽车弹簧厂、山东汽车弹簧厂，他们都具有生产多种叠片簧、渐变刚度弹簧、少片变截面钢板弹簧和双曲率半径及平直段的汽车钢板弹簧的能力。国内能够同时生产客车、货车、轿车悬架弹簧的厂家只有三个：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬 架弹簧有限公司、山东汽车弹簧厂 。 - 3 - 1.3 论文研究
10、的背景及意义 国内汽车悬架弹簧生产企业 160 余家，遍布全国各地，具有规模的专业生产企业 (生产规模在 0.8 万吨以上 )约 80 余家。产品质量水平 刚 达到国外先进国家 90 年代水平。大部分企业规模较小，生产集中度低，散乱差问题较严重。其中真正形成大规模、大批量生产的企业为数不多，大多仍停留在简单生产工艺的水平上，产品成本较高，难以参与国际市场竞争。国内能够生产高档次汽车钢板悬架弹簧的企业只有 4 家：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、重庆红岩汽车弹簧厂、山东汽 车弹簧厂，他们都具有生产多种叠片簧、渐变刚度弹簧、少片变截面钢板弹簧和双曲率半径及平直段的汽车钢板弹簧的能
11、力。国内能够同时生产客车、货车、轿车悬架弹簧的厂家只有三个：一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、山东汽车弹簧厂。 自主开发是中国汽车产业持续发展的保障。我国汽车产业在经过半个世纪的发展，已经初具规模，但是面临着能源紧张、技术落后、自主品牌严重缺乏以及国际竞争加剧带来的压力。我国的汽车产业要加速、持续和健康的发展，并成为我国国民经济的支柱产业，必须坚持产业创新，选择面向自主发展具有中国特色的 产业创新模式，推动汽车产业结构的升级、技术的进步、以及民族品牌的崛起。 所以为了适应汽车产业的自主开发道路，对悬架进行设计和强度计算并进行推广交流显得尤为重要 1.4 毕业论文研究内容 本文主
12、要对小型商用车 微卡的后悬架进行设计研究。 1 钢板弹簧的结构设计 介绍钢板弹簧的设计方法，确定钢板弹簧的主要参数的过程和结构的设计过程 。 - 4 - 图 1-1 2 对钢板弹簧进行结构强度分析 介绍钢板弹簧悬架结构强度分析方法和过程。 3 最后以长安星卡 SC1022D7 车型为例设计后悬架 钢板弹簧悬架，结构设计和强 度设 计，并对其结构强度分析。 - 5 - 第 2章 汽车悬架概述 悬架是汽车的车架与车桥或者车轮之间的一切传力、连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，并且缓冲 衰减 由不平路面传给车架或车身的冲击，以保证汽车能平顺行驶。 2.1 悬架基本概念 2.1
13、.1 悬架概念 保证车轮或车桥与汽车承载系统 (车架或承载式车身 )之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称 。 2.1.2 悬架最主要的功能 悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架 (或车身 )之间的一切力和力矩，并缓和汽 车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量、非悬挂质量 (即非簧载质量 )和弹簧 (弹性元件 )组成的振
14、动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架 或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。 2.1.3 悬架 基本 组成 4 6 悬架主要由弹性元件、导向机构和减振器组成，有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。 弹性元件受冲击后会产生持续的振动，使乘坐不适，因此，设有减振器将振动迅速衰减，使振幅迅速减小。
15、导向机构用来确定车轮相对于车架或车身的运动，传递除垂直力以外的- 6 - 各种力和力矩。 为减少车轴对车架或车身的直接冲 撞，一些汽车悬架上装有缓冲块，起限制移动行程。横向稳定杆的作用是减少转弯时车身的侧倾，并提高轮胎 对地面的附着力。 2.1.4 悬架类型 7 1 根据导向机构的结构特点，汽车悬架可以分为非独立悬架和独立悬架两大类。 (1) 非独立悬架是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单边车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮 。 (2) 独立悬架中没有这样的刚性梁，左右车轮各自 “独立 ”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为横臂式、纵臂式、斜臂式等等。 2
16、按照弹性元件的种类， 钢板弹簧悬架、螺旋 弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等 。 2.2 悬架系统研究与设计的领域 汽车悬架系统的研究 与设计 主要是为了提高汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性。汽车悬架系统的研究 与设计的领域 也相应地分为两大部分：一是对汽车平顺性产生主要影响的悬架特性；另一是对汽车操纵稳定产生主要影响的悬架特性 。 前一部分主要是对悬架的弹性元件和阻尼元件特性展开工作，主要是将路面、轮胎、非簧载质量、悬架、簧载质量作为一个整体进行研究 与设计 ，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激励下，影响汽车平顺性的弹性元件以及阻尼元件的力学特性 ，因此可以称之为悬架系统动力
17、学研究。 后一部分主要是对悬架的导向机构进行工作，主要是研究在车轮与车身发生相对运动时，悬架导向机构如何引导和约束车轮的运动 、 车轮定位及影响转向运动的一些悬架参数的运动学特性。这一部分的研究称为悬架的运动学研究。考虑了弹性衬套等连接件对悬架性能的影响，则悬架运动学即为悬架弹性运动学。悬架弹性运动学是阐述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位等主要悬架参数的变化特性。这样悬架系统的运动学研究就包括了悬架运动学和弹性运动学两个方面的内容。 - 7 - 2.3 悬架设计要求 如前所述，汽车悬架和 簧载质量、非簧载质量构成了一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一
18、步影响到汽车的行驶车速、燃油经济性和运营经济性。该振动系统也决定了汽车承载系和行驶系许多零部件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命。此外，悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求 8 9： 1 通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩伸张行程极限点 发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力； 2 合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间力和力矩可靠传递 。 3 导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可能引
19、起转向轮摆振； 4 侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾 (即所谓 “点头 ”和 “后仰 ”)； 5 悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小； 6 便于布置 7 所有零部件应具有足够的强度和使用寿命； 8 制造成本低； 9 便于维修、保养。 悬架设计可以大致分为结构型式及主要参数选择和详细设计两个阶段，有时还要反复交叉进行。由于悬架的参数影响到许多整车特性，并且涉及其他总 成的布置，因而一般要与总布置共同协商确定。 2.4 悬架的主要特性 2.4.1 悬架的垂直弹性特性 汽车悬架的垂直弹性特性表示作用在悬架上的垂直载荷与在轮轴上方的变形之间的关系。 - 8 - 图 2-1 悬架弹性特性曲线 弹住特性上任意点的悬架刚度 c，为 ： KKdSdTC (2-1) 当簧下质量固定不动时，而又无减震器时，簧上质量的自由振动偏频 0n仅与有效静挠度有关 CTTCgn 212 00 (2-2) 2.4.2 减振器的特性 减振器阻力 P 与其活塞位移速度 y 之间的关系。 经常用的是双向作用的，具有非对称特性及卸荷阀的减振器。在现有的减振器中，复原阻力系数比压缩阻力系数要大 2 6 倍。 减震器的 外特性 主要指的是 阻力 -速度特性 10，特性图如下图 。
