钢板弹簧悬架的设计.doc
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钢板弹簧悬架的设计.doc
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轻型载货汽车后悬架钢板弹簧设计
摘要
悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统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。
悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩,并缓和汽车行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,以保证汽车行驶的平顺性。
本文讨论了汽车悬架的发展现状,对悬架的结构形式进行简单介绍,对影响悬架运动的各种因素进行分析,本文通过传统的设计计算方法和计算机技术相结合,以依维柯欧霸轻卡为原型车,详细设计计算了渐变刚度钢板弹簧后悬架。
文中首先介绍了悬架系统领域的研究与设计及其发展现状和趋势;其次详细概述了悬架系统对汽车平顺性和操纵稳定性的影响;再次着重阐述了钢板弹簧悬架设计的详细步骤和设计要求,各主要零部件结构的选型及计算;板簧弧高及曲率半径的计算,材料强度、刚度的验算、校核;减振器的选取。
关键词:
轻型载货汽车,后悬架,钢板弹簧悬架,减震器
DESIGNOFLIGHTTRUCK
SUSPENSIONWITHLEAFSPRING
ABSTRACT
Suspensioninvolvessomerelatedcomponents,whichexisttoguaranteeelasticcontactbetweenwheelsoraxleandthecarryingsystem.Italsohasagreatcontributionintransferringtheload,cushioningtheimpact,attenuatingvibration,andregulatingthepositionofthebodyoftherunningcar.Apartfromthetransformationofforceandmomentbetweenwheelsandframe,ithelpscushiontheimpactwhenunevenroadsurfaceisencountered,underminethefollowingvibrationofcarryingsystem,asaresult,provideagreatpossibilityofsmoothlyrunning.
Thispaperdiscussesthecurrentdevelopmentofvehiclesuspension,givesabriefintroductionofthestructuralformofsuspension,analyzefactorswhichhaveinfluenceonsuspensionmovement.Thisarticlethroughthetraditionaldesigncalculationmethodandcomputertechnology,combining
withIVECOLightTruckTireastheprototype,thecardesigncalculationaftergradientstiffness&leafspringsuspension.
Thispaperfirstlyintroducesthesuspensionsystemresearchanddesignanddevelopmentstatusquoandtendency;Secondlydetailedoverviewofthesuspensionsystemandmanipulationstabilitycomfortabilityinfluences;Introducesemphaticallytheleafspringagainsuspensiondesignprocessesoftheshipunladesanddesignrequirements,thestructureofthemainpartsselectionandcalculation,leaf-springcurvature,materialstrength,stiffnesscheckingandchecking,shockabsorberselectionandinstallationAnglecalculation.
KEYWORDS:
Lighttruck,rearsuspension,leafspringsuspension,shockabsorber
目录
摘要 1
ABSTRACT 1
第一章研究背景 1
1.1课题研究背景 1
1.2国外研究概况 1
1.3国内研究概况 3
1.4本课题的研究意义和研究内容 6
1.4.1研究意义 6
1.4.2研究内容 7
1.4.3研究方法 8
1.5本章小结 9
第二章钢板弹簧悬架结构分析 10
2.1钢板弹簧概述 10
2.2钢板弹簧悬架的基本结构和工作原理 13
2.2.1钢板弹簧悬架的基本结构 13
2.2.2钢板弹簧悬架的工作原理 14
2.3本文设计采用的结构形式 15
2.3.1板簧悬架 15
2.3.2空气悬架 16
2.3.3橡胶悬架 16
2.3.4总结 16
2.4悬架系统各主要零部件选型 17
2.4.1叶片断面 17
2.4.2叶片的端头形状 18
2.4.3钢板弹簧与车架的连接形式的确定 19
2.4.4吊耳及钢板弹簧销的结构 19
2.4.5钢板弹簧卷耳和衬套 19
2.4.6弹簧夹箍 20
2.4.7钢板弹簧中心螺栓 20
2.5技术经济分析 21
第三章悬架系统主要性能参数的确 23
3.1悬架静挠度和动挠度的选择 23
3.2悬架弹性特性 24
3.3后悬架主、副簧刚度的分配关系 25
3.4悬架侧倾刚度及其在前、后轴的分配 26
第四章钢板弹簧悬架的计算 28
4.1初选参数 28
4.1.1主片长度 28
4.1.2断面尺寸及片数的确定 28
4.2各片长度的确定 31
4.3钢板弹簧的刚度验算 32
4.4总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 33
4.4.1.弹簧总成自由弧高的确定 33
4.4.2.各片副簧自由状态下曲率半径的确定 34
4.5钢板弹簧总成弧高的核算 35
第五章设计图纸 37
第六章结论 42
参考文献 43
致谢 47
第一章研究背景
1.1课题研究背景
悬架系统是现代汽车上的重要总成之一,它是汽车车架与车轴之间一切传力连接装置的总称,能保证他们之间的弹性连接。
悬架系统能传递车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩,并能缓和由于不平路面传给车架或车身的冲击载荷,衰减由此引起的振动,保证汽车平顺地行驶。
从悬架的结构型式来看,悬架可分别分为独立悬架和非独立悬架两种。
按其性能的不同,又可分为主动悬架、被动悬架和介于二者之间的半主动悬架。
由于悬架的结构参数和布置形式对汽车的行驶平顺性、稳定性、通过性、燃油经济性等多种使用性能都有影响,因此在设计悬架系统时,应注意要满足这些性能的要求。
悬架主要由弹性元件、减振器、导向机构组成,在部分悬架中还有横向稳定杆和缓冲块。
弹性元件的作用是用来传递垂直力,并且与轮胎一起缓和由路面不平引起的振动和冲击。
其主要类型有钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧和橡胶弹簧等。
这些弹性元件各有自身的特点,所适用的环境也各不相同。
与其它弹性元件相比,钢板弹簧不仅起着弹性元件的作用,同时相邻簧片之间的摩擦和铰链处的摩擦还可以起到衰减振动的作用。
钢板弹簧除了具有缓冲和减震功能之外,将其纵向布置时还还可以起到导向传力的作用,从而简化了悬架的结构。
并且其具有工作可靠、结构简单、保养和维修方便、制造成本较低等优点,因而在实际中得到了广泛应用。
实际当中,非独立悬架大多会采用板簧,而且还可以省去导向装置。
随着在设计方法、结构型式、材料性能以及加工工艺等方面的不断发展,钢板弹簧能更好地满足整车性能、疲劳寿命以及轻量化设计地要求。
目前为止,钢板弹簧仍然是载货汽车和部分客车的非独立悬架中主要采用的弹性元件[1,2]。
1.2国外研究概况
在1954年,传统经典方法——共同曲率法就由前苏联专家帕尔希洛夫斯基[3]率先提出。
其用该方法对钢板弹簧进行了刚度验算和应力分析,分析过程中为了建立好模型提出了如下假设:
钢板弹簧在任何载荷作用下各簧片之间在整个长度上是完全贴合的,且在同一截面上各簧片曲率相同。
这一假设使得在叶片的端部产生了弯矩突变,不能满足片端无应力的边界条件,导致计算最末几片应力误差较大,所求弹簧刚度也偏大。
之后,也是前苏联专家提出了另一种经典方法——集中载荷法[4]。
该法所用的假设与共同曲率法不同,其假设钢板弹簧在任何负荷作用下,各簧片之间只在端部和根部无摩擦地接触,即首片簧在端部受到一个集中载荷同时受到第二片在端部给它的反作用力,而中间各簧片则受到其前一簧片给自己簧片端部的集中力和其后一簧片在端部给它作用的反力,末簧片就只受到其前一簧片给末簧片端部作用的集中力,且各簧片端部处相邻两簧片的挠度一样。
集中载荷法的假设与很多在工程应用实践中所发现的钢板弹簧端部磨损很严重的事实吻合较好。
由于共同曲率法和集中载荷法各有其合理之处,此后国外许多学者对这两种方法的结合进行了深入广泛的研究。
到1980年,前苏联专家巴希洛夫斯基首先提出末尾两簧片采用集中载荷法,而其余各簧片仍用共同曲率法的方法,为此巴氏还引用了一些应力分布试验的数据来验证这个结论,但最后其所求得的结果和试验结果之间有着较大的差别,计算的刚度值比实验值大了15%甚至更多。
但巴氏并没有解释误差产生的原因,而是直接引入了刚度修正系数来解决这个问题[5]。
后来,随着有限元技术和CAE技术的不断发展和在工程实践中的成功应用,越来越多的学者喜欢用此来对钢板弹簧进行分析计算。
Zahavi[6]针对钢板弹簧的接触问题首次采用有限元方法进行了研究,从钢板弹簧的受载情况出发作分析,发现接触过程与钢板弹簧的变形有一定的关联性。
ToshioHamano
[7-8]等对钢板弹簧的迟滞特性也应用有限元方法进行了分析,其在划分钢板弹簧结构时选择了梁单元,而且还构造了一种特殊的接触单元用来处理非接触和粘性接触及滑动接触等不同状态,并用该特殊单元的节点力来代替簧片之间的正压力和摩擦力,取得了不错效果。
A.GhaziZadeh等人[9]为了分析了钢板弹簧时域和频域特性,利用了神经网络来模拟钢板弹簧特性,也获得了想要的结果。
目前,国外已经提出了精益设计的概念来对钢板弹簧进行研究,它将结构的大变形问题考虑进去,并对片间的接触状态做准确模拟,同时考虑各簧片组装时的预应力和工作应力的组合,力求得到钢板弹簧的精确设计。
2000年,Thomas等在ADAMS/Car中建立了某12吨商用车的整车模型,前悬架钢板弹簧模型采用离散梁法建立,钢板弹簧模型刚度特性进行了验证,并且对整车模型进行了操纵稳定仿真试验[10-11]。
2006年,NiklasPhilipson等在Modelica上发表了关于离散梁建模的
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