毕业设计--轻型载货汽车悬架的设计
轻型载货汽车悬架的设计
摘要：汽车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。其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。本次设计主要是1.5t货车的悬架设计。参照力帆LFJ3048的基本参数，根据载货汽车悬架系统的要求，设计出符合国家标准的悬架系统。悬架的设计主要是通过汽车主要的质量参数的分析，初步制定悬架系统的结构方案。本设计的弹性元件选择钢板弹簧，经过设计计算确定钢板弹簧的主要尺寸和结构形式。通过数据的论证确定悬架的结构方案与主要参数，利用计算机绘制图纸。在设计过程中即要考虑设计的合理性，同时还要考虑结构简单、成本低等因素。通过计算得出的数据表明此次设计的悬架系统符合设计要求。
关键词：1.5T货车；悬架设计；钢板弹簧
Dgsign carry cargo car of light tack suspension
Zhaowei
（Vehicle Engineering 2009, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan, 650224)
Abstract:Automotive suspension is the frame and wheel axle or between all the force of the floorboard of the connected device, Its role is to transfer function between the wheel and the frame of torsional force and force.It is buffered by the uneven pavement on the body and chassis of impact, resulting in reduced vibration, to ensure that the car can run smoothly. The design is mainly 1.5t truck suspension design. My design is based Lifan LFJ3048 basic paramete, According to the requirements of truck suspension systems, suspension systems designed in line with national standard.Suspension design is mainly through the analysis of the main quality parameters of the car, and determine the structure of the original suspension system solutions.Select the leaf spring elastic element, has been calculated to determine the size and structure of the main leaf spring. Through the data to calculate and determine the structure scheme and main parameters of suspension,and using computer drawing drawings .In the design process is to consider the rationality of the design should also consider the simple, low cost factors.Through the calculated data show that suspension system meet the design requirements.
Key words：1.5T truck；suspension design；plate sping
目录
摘要.......................................................... I Abstract..................................................... II 1概述 (1)
1.1 悬架的功用和组成 (1)
1.2悬架结构形式的分析 (2)
1.3悬架的设计方案 (4)
2 悬架基本参数的确定 (5)
2.1固有频率 (5)
2.2悬架的静挠度 (5)
2.3悬架的动挠度 (6)
2.4悬架的刚度 (6)
2.5悬架弹性特性 (6)
2.6后悬架主、副簧刚度的分配 (7)
3 钢板弹簧的设计 (9)
3.1钢板弹簧结构选择 (9)
3.2钢板弹簧主要参数的选择 (9)
3.2.1单个钢板弹簧承受的载荷 (9)
3.2.2满载弧高 (10)
3.2.3钢板弹簧长度L的确定 (10)
3.2.4钢板弹簧片数n及厚度h的选择 (12)
3.2.5钢板断面尺寸形状的确定 (12)
3.2.6钢板弹簧各片长度的确定 (12)
3.3 钢板弹簧的刚度验算 (15)
3.4钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 (17)
H (17)
3.4.1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高
3.4.2钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 (18)
3.4.3弹簧的弧高 (21)
3.4.4钢板弹簧总成弧高的验算 (21)
3.5钢板弹簧的强度验算 (22)
3.6钢板弹簧中心螺栓的选定 (23)
3.7钢板弹簧衬套的分析和选型 (23)
3.8弹簧夹箍的选择 (24)
4 卷耳的设计 (26)
4.1 卷耳形式的选择 (26)
4.2卷耳的强度验算 (26)
4.3钢板弹簧销的强度验算 (27)
4.4叶片的端部结构 (28)
5减振器的设计 (29)
5.1减振器的分析和选型 (29)
5.2阻尼器基本参数的确定 (30)
5.2.1相对阻尼系数ψ (30)
δ (31)
5.2.2伸张行程的阻尼系数
s
5.3最大卸荷力F的确定 (31)
5.4筒式减振器主要尺寸参数的确定 (32)
6 总结 (33)
参考文献 (34)
指导教师简介 (35)
致谢 (36)
1 概述
1.1 悬架的功用和组成
舒适性是货车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架（或车身）与车轴（或车轮）之间作连接的传力机构，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。
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（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。它的作用是弹性地连接车轿和车架（或车身），缓和行驶中车辆受到的冲击力。保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，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传递垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向抬反力以及这些力所造成的力矩作用到车架（或车身）上，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。
悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，对汽车行驶平顺性、操作稳定性和舒适性有很大影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的组成之一。
悬架与汽车的多种使用性能有关，在悬架设计中应满足这些性能的要求，其要点如下：
（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。为此，汽车应有较低的振动频率，乘员在车中承受的振动加速度应不超过国际标准GB2631-78规定的人体承受振动界限值。振动加速度的界限值是振动频率和人承受振动作用时间的函数。承受振动作用的时间长，容许的加速度值就小。而频率的影响表现在某一频段（对于垂直振动，此频率为4—8Hz)容许振动加速度为最小；而在其余频段内，振动加速度与频率成线性关系。
在设计中要考虑这一特点。
（2）具有合适的衰减振动的能力。它应与悬架的弹性特性很好匹配，保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。
（3）保证汽车有良好的操纵稳定性。要正确地选择悬架方案和参数，导向机构在车轮跳动时，应不使主销定位参数变化过大，车轮运动与导向机构运动应协调，不出现摆振现象。转向时整车应有一些不足转向特性。
（4）汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾（即所谓“点头”或“后仰”）的可能性，转弯时车身侧倾角要合适。
（5）有良好的隔振能力。
（6）机构紧凑、占用空间尺寸要小。
（7）可靠的传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。
现代汽车悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般悬架由弹性元件、导向机构、减振器等组成。弹性元件用来承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。弹性元件种类包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。导向机构用来传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。
1.2悬架结构形式的分析
悬架分为非独立悬架和独立悬架两类。非独立悬架的结构特点是，左、右车轮用一根整体轴连接，在经过悬架与车架连接；独立悬架的结构特点是左、右车轮通过各自的悬架与车架连接。
（1）非独立悬架主要的优点是：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺
点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度，使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴和车身倾斜；当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；车轴(桥)上方要求有与弹簧行程相适应的空间。这种悬架主要用在货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架上。
（2）独立悬架又分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、麦弗逊式和扭梁随动臂式等几种类型。独立悬架的优点：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。独立悬架的缺点是结构复杂，成本较高，维修困难。这种悬架主要用于轿车和部分轻型货车、客车及越野车上。
对于不同结构形式的独立悬架，不仅结构特点不同，而且许多基本特性也有较大区别。评价时常从以下几个方面进行： (1)侧倾中心高度汽车在侧向力作用下，车身在通过左、右车轮中心的横向垂直平面内发生侧倾时，相对于地面的瞬时转动中心称之为侧倾中心。侧倾中心到地面的距离称为侧倾中心高度。侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。 (2)车轮定位参数的变化车轮相对车身上、下跳动时，主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角及车轮前束等定位参数会发生变化。若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。
(3)悬架侧倾角刚度当汽车作稳态圆周行驶时，在侧向力作用下，车厢绕侧倾轴线转动，并将此转动角度称之为车厢侧倾角。车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。(4)横向刚度悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。不同形式的悬架占用的空间尺寸不同，占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度；占用高度空间小的悬架，则允许行李箱宽敞，而且底部
平整，布置油箱容易。因此，悬架占用的空间尺寸也用来作为评价指标之一。
1.3悬架的设计方案
目前汽车的前、后悬架采用的方案有：前轮和后轮均采用非独立悬架；前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；前轮与后轮均采用独立悬架等几种。前、后悬架均采用纵置钢板弹簧非独立悬架的汽车转向行驶时，内侧悬架处于减载而外侧悬架处于加载状态，于是内侧悬架受拉抻，外侧悬架受压缩，结果与悬架固定连接的车轴(桥)的轴线相对汽车纵向中心线偏转一角度。对前轴，这种偏转使汽车不足转向趋势增加；对后桥，则增加了汽车过多转向趋势。轿车将后悬架纵置钢板弹簧的前部吊耳位置布置得比后边吊耳低，于是悬架的瞬时运动中心位置降低，与悬架连接的车桥位置处的运动轨迹处于外侧悬架与车桥连接处的运动轨迹，结果后桥轴线的偏离不再使汽车具有过多转向的趋势。
本次设计参考车型LFJ3048，载重1.5t，总质量4190kg，整备质量2500kg，前悬架簧上质量1300kg，前悬架簧下质量140kg，后悬架簧上质量2400kg，后悬架簧下质量380kg，轴距3400mm。前后悬架采用的是纵置钢板弹簧非独立悬架。因为非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点。
2 悬架基本参数的确定
悬架设计的主要目的有以下两个方面：一是确保汽车有良好的行驶平顺性；一是保证汽车有良好的操纵稳定性。而对平顺性影响最为显著的三个特征参数为：悬架的弹性特征、阻尼特性和非悬挂质量。对操纵稳定性影响的因素很多，包括稳态、瞬态转向特性及保持直线行驶的能力。
2.1固有频率
悬架固有频率的选取主要依据ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》，目前固有频率的取值与人体步行时身体上下运动的频率相近。货车满载时，前悬架固有频率n 要求在 1.50~2.10hz ，而后悬架则要求在1.70~2.17hz 。初选前悬n 1=1.70HZ ，后悬n 2=1.80HZ 。
2.2悬架的静挠度
悬架静挠度w f 是指汽车满载静止时悬架上的载荷w F 与此时悬架刚度c 之比，即c F f /w c =。
汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。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1n 和2n 可用下式表示
)2/(/111π=m c n )2/(/222π=m c n （2-1）
当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前悬架的静挠度1c f 与后悬架动挠度2c f 可用下式表示
111c /c g m f = 222c /c g m f =
2-2）
式中，g 为重力加速度，g=980cm/s ，1m 为前悬架的簧上质量，2m 为后悬架的簧上质量（kg ）。
将（2-2）式代入（2-1)可得
1c 1/5f n = 2c 2/5f n = （2-3)
把HZ n 70.11=, HZ n 80.12=代入（2-3）中得cm 65.81c =f ，cm 72.72c =f 。 符合货车静挠度的变化范围。
2.3悬架的动挠度
悬架的动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。要求悬架应用足够大的动挠度，以防在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对于货车，d f 取cm 9~6。这里取前悬架cm 71d =f ，后悬架cm 5.72d =f 。
2.4悬架的刚度
由c mg f /c =得悬架的刚度，簧上质量kg 1300m 1=, kg 2400m 2=,代入得悬架刚度。
mm /1065.141N c ?= mm /1076.342N c ?=
2.5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厂(即悬架的变形)的关系曲线称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。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 之间呈固定比例变化时，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。当悬架变形f 与所受垂直外力F 之间不呈固定比例变化时，弹性特性如图所示。此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置(图2-1中点8)附近，刚度小且曲线变化平缓，