CA1031K2L2轻型载货汽车后悬架设计汽车设计课程设计说明书.docx

《汽车设计》课程设计CA1031K2L2轻型载货汽车后悬架设计蔡立池燕山大学2003年 1月《汽车设计》课程设计CA1031K2L2轻型载货汽车后悬架设计学 院: 车辆与能源学院专 业: 车辆工程学生姓名:蔡立池学 号: 0012指导教师:李文平答辩 日期:摘要 本文通过传统的设计计算方法和计算机技术相结合 ,以 CA1031K2L2为原型车，详细设计计算了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;板簧的动应力和最大应力;减振器的选取;最后选取相应 的合适的细节角度以及附件钢板弹簧悬架有结构简单，工作可靠，制造成本低等 特点，长期以来在各种大中轻型车辆上得到广泛的应用目录第1章绪论课题背景 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力国内能够同时生产客车、货车、轿车悬架弹簧 的厂家也只有三个: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,对钢板弹簧悬架进行详细的设 计计算并进行推广交流显得尤为重要国内外研究现状及发展趋势??国内外研究现状随着道路交通的不断发展,汽 车车速有了很大的提高,被动悬架的缺陷逐渐成为整车性能 ,特别是转向时不侧 倾、制动时不点头要求的瓶颈,为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬 架主动悬架的概念是1954 年美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出的主动 悬架的模型,它在被动悬架的基础上,增加可调节刚度和阻尼的控制装置,汽车悬 架在任何路面上保持最佳的运行状态控制装置通常由测量系统、反馈控制系统、 能源系统等组成20 世纪 80年代,世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研 制开发这种悬架丰田、洛特斯、沃尔沃、奔驰等在汽车上进行了较为成功的试 验,装置主动悬架的汽车,即使在不良路面高速行驶时 ,车身非常平稳,轮胎的噪 音小,转向和制动时车身保持水平特点乘坐非常舒服,但结构复杂、能耗高,成本 昂贵,可靠性存在问题由于种种原因,我国的汽车绝大部分采用被动悬架,在半 主动和主动悬架的研究方面起步晚,与国外的差距大,在西方发达国家,半主动悬 架在 20 世纪 80 年代后期趋于成熟,福特公司和日产公司首先在轿车上应用,取 得了较好的效果,主动悬架虽然提出早,但由于控制复杂,并且牵涉到许多学科, 一直很难有大的突破,进入 20 世纪 90 年代,仅应用于排气量大的豪华汽车,未 见国内汽车产品采用此技术的报道,只有北京理工大学和同济大学等少数几个单 位对主动悬架展开研究。

悬架的发展趋势由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性 的要求,具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势 被动悬架是传统的机械结构,刚度和阻尼都是不可调的,依照随机振动理论,它只 能保证在特定的路况下达到较好效果,但它的理论成熟、结构简单、性能可靠, 成 本相对低廉且不需额外能量 , 因而应用最为广泛,在我国现阶段,仍然有较高的 研究价值被动悬架性能的研究主要集中在三个方面:①通过对汽车进行受力分 析后,建立数学模型,然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数;②研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的 运行状态;③研究导向机构,使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有大的提 高半主动悬架的研究集中在两个方面:①执行策略的研究;②执行器的研究阻 尼可调减振器主要有两种,一种是通过改变节流孔的大小调节阻尼 ,一种是通过 改变减振液的粘性调节,阻尼节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级 或无级的调节,这种方法成本较高,结构复杂通过改变减振液的粘性来改变阻尼 系数,具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点,因此是目前发展的主要方向 在国外,改变减振液粘性的方法主要有电流变液体和磁流变液体两种 ,北京理工 大学的章一鸣教授进行了阻尼可调节半主动悬架的研究,林野进行了悬架自适应 调节的控制决策研究,哈工大的陈卓如教授对车辆的自适应控制方面进行了研究, 执行策略的研究是通过确定性能指标,然后进行控制器的设定。

目前,模糊控制在 这方面应用较多主动悬架研究也集中在两个方面:①可靠性;②执行器由于主动 悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口,元器件的增加降 低了悬架的可靠性,所以加大元件的集成程度,是一个不可逾越的阶段执行器的 研究主要是用电动器件代替液压器件,电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直 流直线伺服电机具有较多的优点,今后将会取代液压执行机构运用电磁蓄能原理, 结合参数估计自校正控制器,可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动 悬架,使主动悬架由理论转化为实际应用悬架技术的每次跨越,都和相关学科的 发展密切相关计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、 运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障,悬架的发展也给相关学科提 出更高的理论要求,使人类的认识迈向新的、更高的境界在重型车辆领域,电子 控制空气悬架和橡胶悬架代表了目前汽车悬架系统的发展方向在欧美汽车悬架 的发展经历了〃钢板弹簧f气囊复合式悬架f被动全空气悬架f主动全空气悬架 即 ECAS 系统或橡胶悬架"过程在欧美,橡胶悬架和空气悬架的价格相差不大, 但是使用环境不同,空气悬架不能超载,因此在牵引车上应用广泛。

橡胶悬架适应 能力强,可用于超载环境,因此主要应用在非公路用车或使用工况恶劣、对车辆载 荷要求大的汽车上目前 ECAS 系统在欧洲部分大客车上已经开始应用,预计,随 着车辆控制技术的发展,ECAS空气悬架系统将成为汽车悬架的一个发展方向 研究内容和方法??研究内容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考虑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研究方法为了使设计研究结果建立在科学、严谨的基础上,使设计更符合实 际情况,对货车总体设计提出了以下研究方法:1 通过实习、调查、上网以及文献 检索等多种有效方法,系统收集汽车悬架的研究成果和相关的专业信息 ;2 在对 国内外悬架的技术现状、发展趋势等情况进行系统分析研究的基础上,确定设计 策略,作为构思总体设计方案的指导思想 ;3 在分析悬架设计要求和各种类型悬 架的优缺点、使用情况、结构特点、基本原理的基础上,参考实习、调研得到的 资料,分析悬架的设计要求和国家标准有关悬架设计的技术条件;4 在整车主要 参数的基础上,根据整车的设计要求、技术条件要求,对悬架进行初步选型设计;5 研究目前悬架的基本结构,结合实际应用,运用所学基础理论和机械设计方面的 专业知识,确定其详细的结构方案和主要技术参数;6 对悬架主要参数进行系统 的优化,对其主要结构部件进行曲率、刚度、强度验算、校核及运动分析; 7 根 据整车布置和结构需要,最终绘出标准机械工程图纸第2章 悬架静载荷的计算悬架静载荷的计算 悬架静载荷指的是车辆水平静置时单个悬架承受的垂直 载荷,又叫悬挂质量或簧上质量。

悬架静载荷要分别计算空载和满载两种工况 , 下面是计算方法:悬架静载荷轴载荷?车轴的重量?车轮的重量?2/3板簧重量*1/2 其中:车轮重量; 后轴重量; 后板簧重量;空载的静载荷：Q0 2040**50%/*满载时的静载荷:Q3420**66%/*参数选择及 计算方法悬架主要参数的选择1. 满载偏频 nc 偏频为评判整车平顺性能的一个重要参数,在设计悬架初期 就要先定义偏频的范围卡车满载偏频的范围nc ~ HZ 72~108 cycle/min，考 虑到乘员乘坐舒适性的要求,一般客车后悬架的偏频低于前悬架的偏频所以针 对自己所设计的轻型货车,满载偏频取为nc HZ2. 满载静挠度fc悬架的静挠度fc会直接影响到车身振动的满载偏频nc, 因此,要想保证汽车有良好的行驶平顺性,必须正确选取悬架的静挠度而且后悬 架的静挠度要比前悬架的静挠度小些 ,这有利于防止车身产生较大的纵向角振动在选定偏频后可以依据下面的公式计算后悬架的静挠度fcfc 25 / nc2cm 得 fc cm3. 板簧线刚度 Cs 悬架的线刚度指的是车轮保持在地面上而车厢做垂直运动时,单位车厢位移下,悬架系统给车厢的总弹簧恢复力。

钢板弹簧作为悬架中的 弹性元件,它自身的线刚度会影响到悬架的线刚度,从而影响车厢的位移量,这里 用 如 下 的 公 式 计 算 板 簧 的 线 刚 度 Cs Q / fc KN/cm 得 Cs KN/cm4. 空载时的偏频n0及挠度f0计算出满载时的偏频nc和静挠度fc后，还需 要通过空载情况下的静载荷求出此时的偏频n0及挠度fO计算公式如下f0 Q0/ Cs cm … n05/Hz ? 得：f0 n0钢板弹簧结构尺寸确定1. 板簧总长L板簧总长度L 一般由总布置人员确定，或由悬架设计人员与总 体设计人员协商确定 L 大，平顺性变好但重量也增大，成本提高，本车后悬架 的板簧长度可取以下值： Lr 12OO、128O、135O mm 车轴可以放在板簧正中间， 也可以稍微偏向一端如前板簧设计时，常将车轴略向前固定卷耳靠近以增大接 近角但一般无特殊要求时，常将车轴置于板簧中间，以减少装配时的麻烦由于车身长a5820mm 轴距l3100mm并且Lr ~*ll085mm~1395mm则取货车的 。