1、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
2、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DESIGN OF LIGHT TRUCK SUSPENSION WITH LEAF SPRINGABSTRACTSuspension involves some related components, which exist to guarantee elastic contact between wheels or axle and the carrying sy
3、stem. It also has a great contribution in transferring the load, cushioning the impact, attenuating vibration, and regulating the position of the body of the running car. Apart from the transformation of force and moment between wheels and frame, it helps cushion the impact when uneven road surface
4、is encountered, undermine the following vibration of carrying system, as a result, provide a great possibility of smoothly running. This paper discusses the current development of vehicle suspension, gives a brief introduction of the structural form of suspension, analyze factors which have influenc
5、e on suspension movement. This article through the traditional design calculation method and computer technology, combining with IVECO Light Truck Tire as the prototype, the car design calculation after gradient stiffness Secondly detailed overview of the suspension system and manipulation stability
6、 comfort ability influences; Introduces emphatically the leaf spring again suspension design processes of the ship unlades and design requirements, the structure of the main parts selection and calculation, leaf-spring curvature, material strength, stiffness checking and checking, shock absorber sel
7、ection and installation Angle calculation.KEY WORDS：Light truck, rear suspension, leaf spring suspension, shock absorber 目 录摘要 1ABSTRACT1第一章 研究背景 .11.1 课题研究背景 .11.2 国外研究概况 .11.3 国内研究概况 .31.4 本课题的研究意义和研究内容 .61.4.1 研究意义 61.4.2 研究内容 71.4.3 研究方法 81.5 本章小结 .9第二章 钢板弹簧悬架结构分析 102.1 钢板弹簧概述 102.2 钢板弹簧悬架的基本结构和
8、工作原理 132.2.1 钢板弹簧悬架的基本结构 .132.2.2 钢板弹簧悬架的工作原理 .142.3 本文设计采用的结构形式 152.3.1 板簧悬架 .152.3.2 空气悬架 .162.3.3 橡胶悬架 .162.3.4 总结 .162.4 悬架系统各主要零部件选型 172.4.1 叶片断面 .172.4.2 叶片的端头形状 .182.4.3 钢板弹簧与车架的连接形式的确定 .192.4.4 吊耳及钢板弹簧销的结构 .192.4.5 钢板弹簧卷耳和衬套 .192.4.6 弹簧夹箍 .202.4.7 钢板弹簧中心螺栓 .202.5 技术经济分析 21第三章 悬架系统主要性能参数的确 23
9、3.1 悬架静挠度和动挠度的选择 233.2 悬架弹性特性 243.3 后悬架主、副簧刚度的分配关系 253.4 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 284.1 初选参数 284.1.1 主片长度 .284.1.2 断面尺寸及片数的确定 .284.2 各片长度的确定 314.3 钢板弹簧的刚度验算 324.4 总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 334.4.1.弹簧总成自由弧高的确定 .334.4.2各片副簧自由状态下曲率半径的确定 344.5 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 .470第一章 研究背景1
10、.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
11、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
12、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1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
13、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 198
14、0 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。Toshio H
15、amano7-8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.Ghazi Zadeh 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 AD
16、AMS/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2型进行了操纵稳定仿真试验 10-11。2006 年，Niklas Philipson 等在 Modelica 上发表了关于离散梁建模的文章，建立了某重型载货汽车钢板弹簧模型，对模型刚度进行了仿真验证，结果表明该模型与试验台所测得的钢板弹簧刚度相吻合 12。 2006 年，Uday Prasade 等在 SAE 上发表了离散梁法的原理和步骤，将钢板弹簧模型装配到悬架模型中，进行了悬架动载荷仿真试验，验证了该模型能够准确模拟实际钢板弹簧特性 13。2007 年，J
17、ordi 等利用离散梁法建立了钢板弹簧模型，研究了离散体数目对钢板弹簧刚度的影响，并将其装配到悬架中，研究了钢板弹簧的导向作用及悬架动特性，建立了整车模型，对整车制动性进行了仿真分析 14。 2007 年， Shahriar 等在 ADAMS 和 NASTRAN 中分别建立了由 20 个离散刚体组成的钢板弹簧模型，吊耳在 ADAMS 中被作为刚性部件创建，仿真分析了两种模型中前卷耳与车架连接处、后卷耳与吊耳连接处、后卷耳与吊耳连接处衬套的载荷情况 151.3 国内研究概况钢板弹簧设计计算的最主要任务就是计算它的刚度和应力，国内很多学者对其都有过研究，其中不少学者还对其分析计算提出了不错的见解。
18、当然，国内对钢板弹簧的研究要比国外晚很多，这是由我国国情所致。在 1979 年，杨宗孟 16就给出了一个钢板弹簧的计算模型，在该模型中，末尾两短簧片自由端处受到一集中载荷，其余簧片具有共同曲率。为了提高该模型的计算精度，其对各片片端厚度进行了修正，以便满足簧片自由端处应力（弯矩）为零的边界条件。所给模型的刚性要比共同曲率法给定的模型小，为此其提出了一个设计观点，就是在设计中考虑簧片接触疲劳强度，并基于此推导出了相应的计算公式。随后，郭孔辉院士 17在 1984 年提出了主片分析法，将刚度和应力计算问题给统一起来。该方法从整簧挠度实质上就是主片的挠度出发，将每一片都分成两个部分，即受下一片夹持的
19、约束部分和悬伸在下一片之外的非约束部分，在约束部分采用共同曲率假设，而在非约束部分则采用集中载荷假设。这种综合假设有其合理的一面，能够改正共同曲率法的某些不足之处，但不是全部，因为该方法仍然按照共同曲率假设对各片端所对应的各片应力进行计算，所以无法满足相邻两片在片端接触处的变形相等的边界条件。之后，刘广宽 18在集中载荷假设基础上也提出了改进的计算模型，认为各簧片板端力对其上各簧片均有影响力，而影响力的大3小可以依照共同曲率假设求出。显然此方法不能满足在各片端处作用力和反作用力相等的条件，导致难以获得较理想结果，为此其对各板端力引入了一个修正系数。随着现代科学与技术的日益发展，有限元法因其具有
20、精度高、收敛性好、使用方便等优点逐渐被应用到钢板弹簧的设计计算中来 19。郑贤中 20等基于三维罚函数法，从两物体间的接触状态着手，结合接触问题的边界条件，推导出用有限元法模拟的数值方法。该方法减少了人为假设，不再把钢板弹簧简化为梁来计算，而是对其三维实体进行了有限元的精确离散化。而且其还充分考虑了簧片之间复杂的耦合作用，建立了汽车多片等截面钢板弹簧的三维有限元动态计算的线性模型，并应用该模型对钢板弹簧进行了计算，主要模拟了其在动载荷作用下的动态响应，取得了不错的仿真效果。CAE 软件的进一步发展开拓了有限元分析方法的应用领域，国内已有学者尝试应用非线性有限元分析方法对钢板弹簧进行分析。邹海荣
21、 21针对汽车渐变刚度钢板弹簧，应用 ANSYS 软件的非线性模块，并考虑工作过程中的大变形等多种非线性因素，对其进行了静态和动态有限元分析，求得了钢板弹簧的应力大小和分布。她根据所求计算结果对该渐变刚度钢板弹簧的异常断裂问题进行了解释，并提出了避免其异常断裂的思路。胡玉梅 22等则针对 SC1020 汽车后悬架钢板弹簧，用 ANSYS 有限元分析软件在考虑接触状况下对其静态强度和刚度进行了分析，并将分析结果同试验值进行了比较，结果显示用 ANSYS 有限元软件分析得到的结果误差在 6%以内，这在工程上是可以接受的。北京航空航天大学丁能根等 23利用 ANSYS 有限元分析软件对钢板弹簧的迟滞
22、特性进行了分析，其结合计算实例得出了钢板弹簧加载和卸载过程的载荷-变形特性图，并分析了不同摩擦系数对钢板弹簧迟滞特性和阻尼特性的影响。此外，他还分析了正弦激励对钢板弹簧等效阻尼的影响，得出了激励频率和振幅与钢板弹簧等效阻尼成反比的结论。近 20 年来，随着多体系统动力学理论的兴起和发展，不少国内学者开始将之用在钢板弹簧的分析计算上。王其东 24基于多体系统动力学原理建立了汽车钢板弹簧的动态分析模型，并采用 ADAMS 软件对其动态特性进行计算机仿真，得到了钢板弹簧动刚度与静载荷、激振频率及振幅之间关系。为了验证仿真结果的正确性，他还做了台架试验进行了结果比对。之后，武汉理工大学的郑银环博士 2
23、5根据现代接触动力学理论，提出了采用非线性有限元方法和多体系统动力学方法相结合的方法分析钢板弹簧，分析过程中考虑了片间接触和摩擦情况，利用 ANSYS 和 ADAMS 软件建立了钢板弹簧的多柔体模型，并对其动特性进行了仿真，取得了不错效果。ADAMS 中有多种钢板弹簧建模方法，主要有 SAE 三连杆法、等效中性面法和离散4梁法。各种方法侧重点不同，在建模方法上国内有很丰富的研究。 2008 年，吴碧磊运用 SAE 三连杆法建模原理，采用退火算法，通过 ISIGHT 调整扭簧刚度，减小模型刚度与已知刚度之间的差值，最终得到比较精确的具有渐变刚度的钢板弹簧模型。然后，在 ABAQUS 中建立了钢板
24、弹簧有限元模型，分析计算出钢板弹簧刚度，与 ADAMS 建立的钢板弹簧模型进行了对比验证 26。 2006 年和 2008 年，潘筱等在 ADAMS 中建立 C 型汽车整车模型，对整车模型进行了操纵稳定性仿真试验。模型详尽考虑了前后悬架及轮胎模型，其中后悬架模型的钢板弹簧模型采用等效中性面法建立 27-28。 2007 年，秦东晨等运用等效中性面法建立了某车悬架钢板弹簧模型模型，对模型进行了静平衡仿真试验，与台架试验结果进行了对比验证。然后，将该模型装配到整车模型中，进行了整车操纵稳定性仿真试验 29-30。 2009 年，李二华等在 ADAMS/Car Leafspring 中建立了弹药运输
25、车钢板弹簧模型，并且将钢板弹簧模型装配到悬架模型中，通过虚拟试验台驱动，测出钢板弹簧装配情况下刚度 31。 2009 年，韩翔总结了 ADAMS 中几种钢板弹簧建模方法，介绍了在 ADAMS/Chassis 中建立钢板弹簧模型的原理和步骤，建立了钢板弹簧模型，对钢板弹簧垂向刚度进行了仿真试验 32。 2009 年，朱毅杰在 ADAMS/Car Leafspring 中建立了钢板弹簧模型，并建立了重型载货汽车的前、后悬架模型 33。2010 年，马天飞等介绍了 Timoshenko 梁理论，指出 BEAM 实际上是考虑了转动惯量和剪切变形的欧拉梁，在 ADAMS/Car 中建立了不考虑摩擦的钢板
26、弹簧模型，将模型应用到某商用车模型中，进行了整车平顺性仿真试验 34。 综上，学者们对重型载货汽车悬架 K&C 特性研究还不系统，有待深入研究。轴数更多的汽车（多于四轴） ，由于悬架系统静不定，使得汽车在不平路面上行驶时各轴上的载荷分配不断发生变化。如要得到可以保证车轴上载荷不变，且与路面结构无关的悬架系统，其最好的方法是在静不定的车轴上装空气弹簧悬架。但这会使结构复杂，成本高，很难调整恰当和不易保修等。所以，应力图采用专同形式的钢板弹簧悬架，并达到近似于空气弹簧悬架的工作性能。据分析得知，在多轴汽车上采用传统的钢板弹簧时，应适当的调整吊耳长度和摆动角度。利用随吊耳实际摆角迅速增加的吊耳水平分
27、力，可得到工作载荷有一个在大5值的一条悬架特性曲线。在这个最大值附近，悬架可以在近乎载荷不变的情况下工作。因此多轴汽车仍可采用结构简单的非平衡式钢板弹簧悬架 35。长春汽车研究所由板簧整体挠度即主片的挠度观点出发，提出了主片分析法，该方法把计算刚度与应力的问题统一起来。他们根据实测得到的各个簧片上应力的分布情况，提出了集中载荷与共同曲率二者相结合的假设，即用悬伸在下一片之外的非约束部分和受下一片夹持的约束部分来描述每一簧片的载荷工况，其中非约束的部分符合集中载荷的假设，约束的部分符合共同曲率假设 36。这种假设能够弥补共同曲率法的不足之处，但仍然按照共同曲率假设计算各片端部所对应的各片应力，因
28、此，相邻两片在片端处变形相等的边界条件仍旧不能得到满足 37。 武汉理工大学在集中载荷假设基础上提出了各片板端力对其上各片均有影响力的计算方法，影响力的大小是按共同曲率假设求出的 38。因不满足在各片端处作用力与反作用力相等的条件，所以只好对各板端力引人修正系数 0.90.94 41。在文献 36的基础上，辽宁工学院和吉林工业大学提出约束部分不完全符合共同曲率的假设，对模型中各片的假设都一致，而且与实 验结果相吻合，即末两片宜采用集中载荷法，同时也使相邻两簧片在端部处变形相等的边界条件得到满足，相对上述的模型比较完善41。2007 年 11 月吉林大学的张宁同学在他的硕士学位论文中对钢板弹簧悬
29、架的设计计算进行了系统的研究和分析。他运用有限单元机选方法对钢板弹簧的设计进行计算，开发了基于分析综合法的汽车钢板弹簧计算设计软件，在论文中对钢板弹簧设计和计算、对钢板弹簧设计方法进行研究、运用有限元法对钢板弹簧进行设计计算 39。由于种种原因，我国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，得到了较好的效果。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，任仅应用于排气量大的豪华汽车。未见国内汽车产品采用
30、此技术的报道，只有北京理工大学和同济大学等少数几个研究机构对主动悬架展开研究 41。 1.4 本课题的研究意义和研究内容1.4.1 研究意义悬架是现代汽车上的重要总成之一,它把车架(或承载式车身)与车轴(或与车轮)弹6性的连接起来。其主要任务是传递作用在车轮与车架(或承载式车身)之间的一切力和力矩,并且缓和不平路面传给车架(或承载式车身)的冲击载荷,衰减由冲击载荷引起的承载系统的震动,以保证汽车的正常行驶。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。汽车悬往往被列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量
31、汽车质量的指标之一。随着汽车技术的发展,人们对悬架的性能提出了更高的要求,因此悬架的发展成为一种必然受到人们的重视,本课题即在对悬架知识的了解掌握的基础上,对汽车后悬架进行设计。本次课题的主要目的在于提高我们对汽车设计的认识。其次通过计算，基于 UG 软件建立钢板弹簧的数学模型，对其优化计算和分析。在满足强度条件和刚度条件的要求下，使钢板弹簧的质量减少，达到优化设计的目的。并通过对其热成形工艺分析，得出热成形时的温度和钢板成形的应力范围，然后对这个范围充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
32、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。1.4.2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
33、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。这一部分的研究称为悬架的7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
34、的内容。本课题主要是轻型载货汽车悬架的设计，主要研究内容有：(1)研究国内外汽车悬架系统的技术现状、发展趋势、市场等情况，研究各种类型汽车悬架的优缺点、使用情况、结构特点、基本原理等内容；(2)分析汽车悬架的设计要求和国家标准有关悬架设计的技术条件，确定汽车悬架的结构；(3)悬架系统主要性能参数的计算；(4)悬架系统各主要零部件的选型及详细设计；(5)悬架系统弹性元件曲率；各特殊工况下强度，刚度的验算校核；(6)根据 SAE 圆弧法对钢板弹簧悬架的运动分析计算，分析了板簧系统关键点轨迹和关键角的变化，并用最小二乘法求出关键点轨迹的曲率中心和曲率半径；(7)悬架系统装配图及其零部件工程图纸的绘制
35、。1.4.3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，对割草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
36、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8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。1.5本章小结本章主要介绍了汽车悬架系统的研究现状和发展趋势。以及悬架领域主要的研究内容。由于世界汽车工业的飞速发展必然带来中国汽车工业的技术升级以及生产方式的转型，加上人们对汽车舒适性、操控性的要求越来越高，新型悬架系统的设计研发会发展的更快，而国内为节约成本，悬架系统的制造都采用普通材料，结构设计相对简单，加工工艺也相对落后。再
37、加上悬架加装在底盘后的调校技术差距较大，所以导致整车的平顺性和操控性不足。因此需要我们不仅在弹性元件材料的选择，结构的设计以及悬架系统的调试对整车性能的影响等这些方面做出更多的努力。9第 2章 钢板弹簧悬架结构分析2.1钢板弹簧概述在工程实际问题中存在这样一种情况，希望某种构件在满足强度要求的前提下，能尽量产生较大的弹性位移，象我们常见的弹簧就是这样的构件，它是使用对变形有足够强度的材料制成的弹性元件。弹簧不仅是利用物体的弹性变形，还有一个目的就是充分利用它的弹性来吸收或贮存能量，即弹簧基本上就是一个能量储存器。目前汽车悬架上的弹簧主要功用是传递车架作用的垂直力，并与轮胎一起缓合与吸收车辆行驶
38、过程中受到的由不平路面引起的振动与冲击。由于弹簧具有可伸长和压缩的特性，它能把车轮在驶过不平路面时所产生的弹跳(能量)及时地吸收与释放，同时可以实现车体的平衡与稳定。而在减震器的调控下，部分储存在弹簧中的能量会在其伸长(即回弹)时转化成热能散播于空气中。现代汽车悬架上我们所能见到的弹性元件除了有叶片式弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等金属弹簧以外，还有橡胶弹簧、油气弹簧及空气弹簧等非金属弹簧。在这些各式各样的弹簧中，它们都有其自身的特点，这使得它们的应用场合不尽相同。一般载货汽车上的非独立悬架广泛选用叶片式弹簧，大部分轿车的独立悬架则采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，而在重型载货汽车上气体弹簧得到了广泛应用42
39、-43。与其它弹性元件相比较，由于叶片式弹簧不仅起着传递各个方向的力和力矩的作用，还起着悬架机构的一个构件的作用（导向机构用） ，这样可直接省去导向装置和减振器，使得悬架结构大为简化，而且它还具有工作可靠、保养维修方便、制造成本相对较低的特点，所以备受青睐，得到了非常广泛的应用。伴随着现代科学技术的日益发展，叶片式钢板弹簧在结构型式、设计方法等上已经有了进一步改进，在材料性能、加工工艺方面也不断提高，这些使得叶片式钢板弹簧能够更好地满足整车性能、疲劳寿命以及轻量化设计的要求。到目前为止，叶片式钢板弹簧仍然是各类型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。 叶片式弹簧就是我们常说的钢板
40、弹簧或是叠板弹簧，它是行驶系统中较重要的部件，它的任何损伤和故障，将会直接影响车辆的行驶平稳性，不利于汽车的正常行驶。一般来说它主要用在货车、客车等车种上的前后两轴的悬架上，当然在少量轿车上也10有涉及，但仅限于轿车后轴的悬架上。通常这种弹簧的拱度、中心骑马螺栓、夹箍、衬套、叶片、吊耳等对弹簧和安装部分的连接状况有密切的关系，影响整个悬架系统的弹簧特性 44。钢板弹簧的中部一般由骑马螺栓刚性固定在车桥上，其两端的卷耳则是用销子铰接在车架的支架上。这样，车桥与车身便由钢板弹簧将其连接起来，很方便地实现了缓冲、减振、传力的目的。钢板弹簧是由若干弹簧簧片 叠合而成，一般各簧片的宽度是相等的，但长度不
41、相等，而厚度有的相等有的也不等。在自由状态下，各簧片的曲率半径不相等，通常下片小于上片。簧片中最长的第一片称为主片，其两端设有卷耳。为了加强主片的卷耳，常将第二片末端也弯成卷耳用来包住主片卷耳。在结构上，一般将钢板弹簧在整体上做成一根近似于等强度的弹性梁，这样可以更充分的利用材料。目前，常见的汽车钢板弹簧类型有片等截面式、主副簧复合式、少片变截面式、渐变刚度式这四种，其中多片等截面式钢板弹簧和少片变截面式钢板弹簧属于等刚度弹簧，而主副簧复合式和渐变刚度式弹簧属于变刚度弹簧 45，各类型示意图如下所示。 图 2-1 多片等截面式钢板弹簧 图 2-2 主副簧复合式钢板弹簧 11图 2-3 渐变刚度
42、式钢板弹簧 图 2-4 少片变截面式钢板弹簧 上述各类型汽车钢板弹簧中，多片等截面式钢板弹簧是传统的钢板弹簧，它由中心骑马螺栓和若干片等宽、等截面但不等长的簧片夹连在一起，其各片的厚度可以相同，也可以不同，视需要而定，簧片之间通常涂有较稠的石墨润滑剂。这种钢板弹簧通常在大客车、各种载重汽车和拖拉机以及轨道机车上用得较多。多片钢板弹簧的各簧片叠加成倒三角形状，在最上端的主簧片最长，最下端的簧片最短，簧片的数量直接影响支承汽车的重量和减震效果。簧片越多越厚越短，相应地弹簧刚性就会越大。当钢板弹簧工作时，簧片必定产生挠曲，进而使各簧片之间发生滑动摩擦而引起噪声，同时摩擦还会引起弹簧的变形，导致汽车行
43、驶不平顺。基于此，在承载量相对较小的轻型汽车上，少片钢板弹簧应用得较多，因为它能弥补多片钢板弹簧的某些缺陷，并满足人们在节约能源和提高汽车平顺性方面的要求。少片钢板弹簧是指单片或由 2-4片组成一副的变截面钢板弹簧，单片变截面钢板弹簧强度要求往往达不到，所以不是特别安全，一般不在客车上使用。现在我们常见的少片钢板弹簧在宽度上是相等的，而厚度上则呈现两端薄、中间厚的现象，这使得少片钢板弹簧的簧片截面变化较大，从中间到两端的截面是逐渐不同，因此其轧制工艺较为复杂。另外，少片变截面钢板弹簧所采用的材质也与等截面的多片钢板弹簧有所不一样，有的用铬锰钒弹簧钢，硬度也比多片等截面钢板弹簧高得多。通常情况下
44、还要对少片弹簧的弹簧片进行特殊工艺处理，以便提高其应力，实现汽车轻量化。上述特点，使其较之传统的多片钢板弹簧节省了不少材料，减轻了 30-40的重量，多的话甚至能减轻 50。另外，由于少片钢板弹簧各簧片之间保持了一定的间隙，弹簧总成中间等厚平直段(骑马螺栓夹紧12部位)，同上下保护垫片之间和弹簧片之间均插入聚甲醛衬垫，消除了弹簧总成工作时在中间等厚平直段的直接挤压摩擦。在承载时，除端部受力处和中部骑马螺栓夹紧部位有接触外，再无片间接触现象，从而大大减少了片间摩擦和接触疲劳，增加了疲劳寿命。除此之外，使用少片钢板弹簧方便汽车布置，有利于降低整车高度；同时还能得到较大的挠度，且在小振幅振动时其刚度
45、会略有增加，这可改善汽车行驶平顺性和稳定性，从而提高乘坐舒适性。由于少片钢板弹簧有上述优点，且符合乘车技术要求，因此在轻型汽车上得到了广泛使用，现在一些大中型客车也开始尝试使用这种钢板弹簧 46。 2.2钢板弹簧悬架的基本结构和工作原理2.2.1钢板弹簧悬架的基本结构 钢板弹簧不仅能够承受垂向、侧向、纵向方向上的力，而且还能够承受汽车制动和原地起步时的扭矩。此外，钢板弹簧还能使作用力合理分布到车架和车身上，在纵向布置的钢板弹簧悬架中，钢板弹簧还起导向作用。钢板弹簧结构简单、制造成本低、维修及保养方便，它能够很好满足整车性能、使用周期等需要，在汽车上得到了广泛使用。绝大部分客车、重型载货汽车都使
46、用钢板弹簧作为悬架中的弹性元件；部分的军用汽车、越野汽车悬架以及部分轿车后悬架也使用钢板弹簧。 钢板弹簧第一片称为主片，其两端弯成卷耳，内装青铜或塑料、橡胶、粉末冶金制成的衬套，以便使用弹簧销与固定在车架上的支架或吊耳作销链连接。钢板弹簧中部一般用 U 形螺栓固定在车桥上。中心螺栓用以连接各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。中心螺栓距两端卷耳的距离可以相等， （称为结称式钢板弹簧） ；也可以不相等（称为非结称式钢板弹簧） 。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，有向上拱弯的的趋势。这时车桥和车架便相互靠近。当车桥与车架相互远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷
47、和变形都逐渐减小，有时甚至反向。13图 2.5 钢板弹簧式非独立悬架钢板弹簧中部通过 U 型螺栓和压板固定在车桥上，簧片间通过弹簧夹夹紧，两端分别通过卷耳和吊耳与车架相连，其结构及安装，如图 2.2 所示。 1.弹簧夹 2.车轴 3.U 型螺栓及盖板 4.卷耳 5.吊耳 图 2.6 钢板弹簧结构及安装示意 2.2.2钢板弹簧悬架的工作原理主片卷受力严重，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（亦称包耳） 。为了使得在弹簧片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卷耳，而采用两端插入厚壁的橡胶支承
48、垫中，靠橡胶变形保证弹簧变形时两端的相移动。纵向力侧向力直接由橡胶支承垫传至车架，采用这种结构的优点是主片不易损坏，无需润滑，有良好的消除噪音能力，但钢板弹簧的纵向移动量受到限制，因此14这种结构只在较长而且刚度较大的钢板弹簧上采用。连接各片的构件除中心螺栓外，还有若干个弹簧夹其主要作用是当钢板弹簧反向变形时，使各片不至于相互分开，以免主片单独承载。此外，开可防止各片横向错动。弹簧夹用铆钉铆接在与之相连的最下面弹簧片的顶端。弹簧夹的两边用螺栓连接，在螺栓上有套管顶住弹簧夹的两边，以免将弹簧片夹得过紧。在螺栓套管与弹簧片之间有一定间隙（不小于 1.5mm） 。以保证弹簧变形时，各片可以相互滑动。
49、钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间有相对滑动而产生摩擦。可以促进车架振动的衰减。促进各片间的干摩擦，将使车轮所受的冲击在很大的程度上传给车架，即降低了悬架缓和冲击的能力，并使弹簧各片加速磨损，这是不利的，为减少弹簧片的磨损，在装和钢板弹簧时每个片间必须涂上较稠的润滑剂（石墨润滑脂）并在定期进行保养。为了在使用期间长期储存润滑脂和防止污染，有时将钢板弹簧装在护套内。前已述及，钢板弹簧本身还能兼起导向结构的作用，并且由于弹簧各片之间的摩擦而起到一定的减振作用。为了保证在弹簧片间产生定值摩擦里以及消除噪声，可选在弹簧片之间夹入塑料垫片。如某些高级轿车后钢板弹簧即采用次种结构。2.3本文设计采用的结构形式本文的设计目标为轻型载货汽车后悬架系统，考虑到经济性和技术性要求，所以选用非独立悬架。汽车悬架的弹性元件一般有以下四种，见表 2.1：表 2.1 弹性元件四种形式钢板弹簧 螺旋弹簧 扭杆弹簧 气体弹簧 橡胶弹簧其中螺旋弹簧和扭杆弹簧一般应用于独立悬架中，本文不作考虑。以下分别为其他三种悬架。2.3.1板簧悬架钢板弹簧悬架(简称板簧悬架)又分
