悬架设计说明书

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汽车设计课程设计说明书设计题目：桑塔纳志俊汽车悬架设计

车胜男

学院交通学院

专业机械设计制造及其自动化

班级机械本1105

学号20112814545

指导教师宏图王昕彦

2013年11月25日

5悬架设计 (1)

5.1悬架的结构形式 (1)

5.2悬架弹性元件的设计与计算 (2)

5.2.1布置方案 (2)

5.2.2 钢板弹簧主要参数的确定 (3)

5.3悬架对汽车主要性能的影响 (11)

5.3.1 悬架对汽车平顺性的影响 (11)

5.3.2 悬架对汽车操纵稳定性的影响 (12)

参考文献 (13)

第五章悬架设计

5.1 悬架的结构形式

悬架可分为非独立悬架和独立悬架两类。

5.1.1独立悬架

独立悬架的优点是：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，改善的汽车行驶的平顺性；由于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，可减少车身的震动和倾斜，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。

5.1.2非独立悬架

以纵置钢板弹簧为弹性元件兼做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长度（特别是前悬架），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（桥）和车身倾斜；当汽车直线行驶在凹凸不平的路面上时，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。

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；前后轮均采用独立悬架几种[4] [5]。

非独立悬架的结构特点是左右车轮用一跟整体轴连接，再经过悬架与车身（或车身）连接，如图5.1（a）所示；独立悬架的结构特点是左右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接，如图5.1（b）所示[4]。

图5.1悬架结构形式

要正确的选择悬架方案和参数，在车轮上下跳动时，使主销的定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动压迫协调，避免前轮摆振；汽车转向时应使之稍有不足转向特性。

此桑塔纳轿车悬架部分结构形式选定为：

（1）前悬采用麦弗逊式独立悬架

（2）后悬采用复合扭转梁式非独立悬架

5.2 悬架弹性元件的设计与计算

5.2.1 布置方案

悬架的主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并且缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的震动，保证汽车行驶的平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特征；保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。

悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块和横向稳定器等组成。

导向装置由导向杆系组成，用来决定车轮相对于车架（或车身）的运动特性，并传递出弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。当用纵置钢板弹簧弹性元件时，它兼起到导向装置的作用。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所引起的震动[2]。

在对此桑塔纳轿车的设计中，对其悬架提出的设计要求有：

（1）保证汽车有良好的行驶平顺性[3]；

（2）具有合适的衰减振动能力；

（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性；

（4）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适；（5）有良好的隔声能力；

（6）结构紧凑、占用空间尺寸要小；

（7）可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩。

本设计是桑塔纳轿车的悬架设计，故采用：

（1）前悬：麦弗逊式独立悬架

（2）后悬：复合扭转梁式非独立悬架

（3）辅助元件：减震器、缓冲块

桑塔纳志俊轿车弗逊式前悬架

通过减小悬架垂直刚度c ，能降低车身震动固有频率n （n=s

m c //2π），达到改

善汽车平顺性的目的。但因为悬架的侧倾角刚度?

C 和悬架垂直刚度c 之间是正比例关

系，所以减少垂直刚度c 的同时使侧倾角刚度

?

C 也减小，并使车厢侧倾角增加，结果

车厢中的乘员会感到不舒服和降低了行车安全感。解决这一矛盾的主要方法是在汽车上设置横向稳定器。有了横向稳定器，就可以做到在不增大悬架垂直刚度c 的条件下，增大悬架的侧倾角刚度

?

C 。

钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂，质量加大所以在在少数轻、微型车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。本设计采用纵置钢板弹簧。纵置钢板弹簧又分对称式和不对称式。钢板弹簧中部在车轴（桥）上的固定中心至钢板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式钢板弹簧；若不相等为不对称式钢板弹簧。多数情况下汽车采用对称式钢板弹簧，故本设计采用对称式钢板弹簧。

5.2.2 钢板弹簧主要参数的确定

260Si Mn

热轧弹簧钢加热成形，而后淬火﹑回火，还要经过实效处理，以消除应力。

材料的参数： 弯曲应力：

445P a MP τ= , 37910G =? ，

弹性模量： 3

20610E =?

使用温度： 0

40200C -:

剪切应力：

1569b a

MP σ=

-------据《机械零件设计手册》 冶金工业 表 25—5

?钢板弹簧主要参数的确定

在进行钢板弹簧计算之前，应当知道下列初始条件：满载静止时汽车前后轴（桥）符合1G、2G和簧下部分荷重1u

G

、2u

G

，并根据此计算出单个钢板弹簧的载荷：1w

F

=（1G- 1u

G

）/2和2w

F=（

2

G-

2

u

G）/2，悬架的静扰度

c

f和动扰度

d

f

，汽车的轴距等。

?满载弧高a f

满载弧高a

f是指钢板弹簧装带轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差，如图6.1所示：a

f

用来保证汽车具有给顶的高度。当a

f

为0时，钢板弹簧在对称位置上工作。为了在车架高度已限定时能得到足够的动扰度值，常取a

f

=10-20mm。本设计取a

f

=20mm。

?钢板弹簧长度L的确定

钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命；降低弹簧刚度，改善汽车平顺性；在垂直刚度c给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。钢板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少轮扭转力矩所引起的弹簧变形；选用长些的钢板弹簧，会在汽车上布置时产生困难。原则上在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长一些。本设计采用

图6.1 钢板弹簧弧高示意图

L=0.43×轴距。L=1600×0.437=668mm 钢板断面尺寸及片数的确定 ⑴ 钢板断面宽度b 的确定

有关钢板弹簧的刚度、强度等，可按等截面简支梁啊计算公式计算，但需要引入扰度增大系数δ加以修正。

由于钢板弹簧的主片有一部分要用着卷耳L = L-Ks

因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩

3033

[()]48[(10860.576)59.37 1.282]48206108911.205L kS c J E

δ-=

-???=

??= 3562.559.37/60w a c F N

c N mm f mm =

==

S ＝76 mm （ U 型螺旋中心距）

10 1.5 1.5

1.282

1(1.040.5) 1.04(1)4

14n n δηη=

==-?+==

（δ

为挠度增大系数）

10n n ..........与主片长度相等的片数..........总片数

E=2063

10? N/3

mm （弹性模量）

钢板弹簧总截面系数0W 用下式计算

13.513450

4)

765.0688(1421]

[4)(0=??-?=

?-?≥w w ks L F w 取 514

0=w

对于55SiMnVB 或60Si2Mn 等材料，表面经喷丸处理后，推荐[w σ]在400～550N/mm 2

，

本设计选取[w σ]=450 N/mm 2

将公式0W ≥[w F （L-ks ）]/4[w σ]带入

mm w J h p 187.2514171

.5622200=?==

mm

mm h h p p p 3h 187.2'

=∴=≤取Θ

有了

p

h 之后，再选钢板弹簧的片宽b ，增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧

向里作用力倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦和弹簧的总厚。推荐 片宽与片厚的比值b/

p

h 在6～10之间选取。

p

b

610h Q

:＝取值 p

b h ∴取＝8

得b ＝24mm

⑵ 钢板断面形状

矩形断面钢板弹簧（如图6.2所示）的中性轴，在钢板断面的对称位置上。工作时一面受拉应力，另一面受压应力作用，而且上下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等。因材料抗拉性能低于抗压性能，所以在受拉应力作用的一面首先产生疲劳断裂。

⑶钢板弹簧片数n 片数n少些有利于制造和装配，并可以降低片间的干摩擦，改善汽车行驶平顺性。但片数少了将使钢板弹簧与等强度梁的差别增大，材料利用率变坏。本设计选取n=4

?厚度的确定

由前得

171

.

562

=

J

Q

3

012

nbh

J=6

12

3

24

4

12

3

3

3

3

=

?

?

=

=

∴

nbh

h

?钢板弹簧各片长度的确定

片厚不变宽度连续变化的单片钢板弹簧是等强度梁，形状为菱形（两个三角形）。将由两个三角形钢板组成的钢板弹簧分割成宽度相同的若干片，然后按照长度大小不同依次排列、叠放在一起，就形成接近实用价值的钢板弹簧。实际上的钢板弹簧不可能是三角形，因为为了将钢板弹簧中部固定到车轴（桥）上和使两卷耳处能可靠地传递力，必须使它们有一定的宽度，因此应该用中部为举行的如图6.3替代三角形钢板弹簧才有真正的实用意义[9]。

图6.2 矩形断面钢板弹簧

这种钢板弹簧个片具有相同的宽度，但长度不同。钢板弹簧各片长度就是基于实际钢板各片展开图接近梯形梁的形状这一原则来作图的。首先假设各片厚度不同，则具体进行步骤如下：

先将个片厚度h i 的立方值h i 3按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上再沿横坐标量出主片长度的一半L/2和U 型螺栓中心距的一半s/2，得到A 、B 两点，连接A 、B 即得到三角形的钢板弹簧展开图（如图6.4）。AB 线与各叶片上侧边的交点即为各片长度。如果存在与主片同长的重叠片，就从B 点到最后一个重叠片的上侧边端点连一直线，此直线与各片上侧边的交点即为各片长度。各片长度尺寸需经调整后确定。

经画图测量得：=2L 565 mm , 3L =442 mm , =4L 356 mm

钢板弹簧刚度验算

在此之前，有关扰度增大系数δ、总惯性矩0J 、片长和叶片端部形状等的确定都不能够准确，所以有必要验算刚度。用共同曲率法计算刚度的前提是，假定同一截面上各片曲率变化值相同，各片所承受的弯矩正比于其惯性矩，同时该截面上各片的弯矩和等于外力所引起的弯矩。刚度验算公式为

图6.3 双梯形钢板弹簧

C = 6aE/[∑=+n

k k a

1

31

（k Y -1+k Y ）]

式中1+k a =（1l -1+k l ）；k Y =1/∑=K

I i

J 1

；1+k Y =1/∑+=1

1

k i i

J 式中a 为经验修正系数，a=0.90～0.94；

E 为材料弹性模量，取E=2.1×105Mpa ；1l

、1+k l 为主片和第（k+1）片的一半长度。

上公式中主片的一半L 1，如果用中心螺栓到卷耳中心间的距离带入，求得的刚度值为钢板弹簧总成自由刚度

j

c ；如果用有效长度，即1l

=（l-0.5ks ）带度上公式求得的刚

度值是钢板弹簧总成的夹紧刚度z c 。

mm L 6681= mm L 5652= mm L 4423= mm L 3564= mm L L a 103212=-= mm L L a 123323=-= mm L L a 86434=-=

432

12

34321==

===bh J J J J

3

1

11031.21

-?==J Y

3

2

121015.11-?=+=J J Y

4

3

2131079.51-?=++=J J J Y

4

4

32141089.21

-?=+++=J J J J Y

mm

N Y Y a

aE

C k k n

k k /14.42)

(611

3

1

=-=

+=+∑

刚度校核基本符合

钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算

⑴ 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高0H 钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U 形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差称为钢板弹簧在自由状态下的弧高0H ，用下式计算[2]：

0H =（c f +a f +f ?）

式中f ?为钢板弹簧总成用U 形螺栓夹紧后引起的弧高变化，

0c a H f f f =++V

96

=c f mm ――――静挠度 20

a f = mm ―――－满载弧高

f V ――――――钢板弹簧总成用U 型螺旋夹紧后弧高的变化量

S ———————U 形螺栓中心距s=76mm ；L 为钢板弹簧主片长度。

mm L f f s L s f c a 77.126882)2060)(766883(762)

)(3(2

2

=?+-??=

+-=

? 68.106)]

766883(688276

1[)122060()]3(21[)(2

20=-???+?++=-?+

??++=s L L s

f f H a c 取 Δ=12mm 钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径

63

.55468.106868882020=?==H L R mm

⑵ 钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定

因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同，装配后各片产生预应力，其值确定了自由状态下的曲率半径i R 。各片自由状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好的贴紧，减少主片的工作应力，使各片寿命接近。

矩形截面钢板弹簧装配前各片的曲率半径由下式确定

i R = 0R /[1+（2i 0σ0R ）/E i h

在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径0R 和各片弹簧预应力i 0σ的条件下，可以

用上公式计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径i R 。

63

.55468.106868882

020=?==H L R mm

=

01σ-40

=

02σ-20

=

03σ10

=

04σ30

]

/)2(1/[100101Eh R R R σ+==437.059mm =+=]/)2(1/[200202Eh R R R σ427.059mm =+=]/)2(1/[300303Eh R R R σ400.511mm =

+=]/)2(1/[400404Eh R R R σ369.856mm

选取各片弹簧预应力时，要求做到：装配前各片弹簧片间间隙相差不大，且装配后各片能很好贴和；为保证主片及与其相邻的长片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。 钢板弹簧卷耳强度验算

钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度核算钢板弹簧主片卷耳受力如图5.5所示：卷耳处所受应力σ是由弯曲应力和拉（压）应力合成的应力：

1

211//)](3[bh F bh h D F x x ++=σ=8.5N/mm 2

式中，x F 为沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力；D 为卷耳径；b 为钢板弹簧宽度；

1h 为主片后厚度。须用应力[σ]取350N/mm 2。对钢板弹簧销要验算钢板弹簧受静载荷

时钢板弹簧销受到的挤压应力σz =s F /bd 。其中，s F 为满载静止时钢板锻部受到的载荷；b 为卷耳处叶片宽；d 为钢板弹簧销的直径。用30钢或40钢经液体碳氮共渗处理时，弹簧销许用挤压应力[σz ]3～4N/mm 2

；用20钢或20Cr 钢经渗碳处理或用45高频淬火

后，其许用应力[σz ]≤7～9 N/mm 2

。

图6.5 钢板弹簧主片卷耳受力图

钢板弹簧多数情况下采用55SiMnVB钢或60Si2Mn钢制造。常采用表面喷丸处理工艺和减少表面脱碳层深度的措施来提高钢板弹簧的寿命。表面喷丸处理有一般喷丸和应力喷丸两种，后者可使钢板弹簧表面的残余应力比前者大的多。

5.3 悬架对汽车主要性能的影响

悬架是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。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垂向载荷，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即簧载质量、非悬挂质量即非簧载质量和弹簧弹性元件组成的振动系统，承受来不平路面、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。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。

5.3.1 悬架对汽车平顺性的影响

汽车行驶平顺性是指汽车在一般车速行驶时避免振动和冲击保持乘员舒适的能

力对于货车还包括保持货物在运输过程中完好性的能力。在汽车行驶过程中如果平顺

性能差驾驶员就会因强烈的振动而被迫降低汽车行驶速度从而使汽车的平均速度和

运输生产率下降。发动机不能在最佳转速运转又会使汽车的燃油经济性变差。振动产生的动载加速机件的磨损,由于动载产生的交变应力会造成机件的疲劳破坏,这些都

严重影响汽车的使用寿命。汽车振动时,车轮相对于地面的跳动又会使接地性变差,使附着性能变坏,从而影响汽车的通过性操纵稳定性,同时影响汽车的行驶安全性。随着人们对平顺性的要求越来越高,汽车平顺性研究的重要性也日益凸显。减少汽车振动

除了调整汽车结构本身外,还有两个重要途径:一方面是改善路面,减少振动来源。

5.3.2 悬架对汽车操纵稳定性的影响

现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性等之外，目前正致力于提高安全性与舒适性，向高附加价值、高性能和高质量的方向发展。对此，尤其作为提高操纵稳定性、乘坐舒适性的轿车悬架必须进行相应的改进。舒适性是汽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。悬架是汽车上的重要总成之一，它把车身和车轮弹性地连接在一起。悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，悬架系统必须能满足这些性能的要求:首先，悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性，对以载人为主要目的的轿车来讲，乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值。其次，悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。再次，要能保证汽车有良好的操纵稳定性，一方面悬架要保证车轮跳动时，车轮定位参数不发生很大的变化，另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。还有就是要保证车身在制动、转弯、加速时稳定，减小车身的俯仰和侧倾。最后要保证悬架系统的可靠性，有足够的刚度、强度和寿命。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件，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。

参考文献

[1] 王望予.汽车设计（第4版）[M].机械工业，2005

[2] 惟信.汽车设计[M].清华大学，2001

[3] 余志生.汽车理论（第3版）[M].机械工业，2000

[4] 家瑞.汽车构造[M].机械工业，2005

[5] 龚微寒.汽车现代设计制造[M].人民交通，1995

[6] 《汽车工程手册》编辑委员会[S].汽车工程手册.人民交通，2001

[7] 机械设计手册（最新版）[S]