汽车悬架系统弹簧刚度的优化设计.doc

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湖北文理学院

毕业设计（论文）

　　　　　论文（设计）题目　汽车悬架系统弹簧刚度的优化设计　　　　　　　　　　　　

学院　　　　　　　　　　　

　　　　　　专　　业　　　　　　　　　　　

　　　　　　班　　级　　　　　　　　　　　

　　　　　　姓名　　　　　　　　　　　　

学号

　　　　　　指导教师　　　　　　　　　　　

2015年5月27日

摘要

汽车悬架弹簧是汽车底盘的关键零件之一，它关系着汽车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性。

因此，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。

汽车悬架弹簧是轿车底盘减震系统中的重要功能性零件，主要作用是吸收振动保证乘员的舒适性。

从技术层面分析，它还起着维持轮胎与地面贴合，保证车辆操纵性的功能。

目前，除了少数顶级豪华车使用主动悬架之外，大部分轿车的减震系统都是由螺旋悬架弹簧与减震器组合而成。

螺旋弹簧作为汽车悬架系统的重要零件，对汽车的运行性能有着重要的影响。

汽车悬架弹簧是汽车底盘的关键零件之一，它关系着汽车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性。

因此，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。

本文通过汽车悬架系统的弹簧刚度进行设计，使系统的固有频率满足设计要求，来说明如何进行振动系统参数的优化设计。

采用理论法、有限元分析法进行了综合研究，以期获得螺旋弹簧合理的设计方法，提高螺旋弹簧的刚度。

关键词：

汽车；悬架弹簧；理论法；螺旋弹簧

I

Abstract

Automobilesuspensionspringisoneofthekeypartsofautomobilechassis,it’srelationshipwiththecar,ridecomfortandsafetyofcarbodyadaptabilitytocomplexpavement.Therefore,agoodcarsuspensionspringisoneofthekeyfactorsofsecuritycarrunningperformance.

Theautomobilesuspensionspringisanimportantfunctionalparts,carchassissuspensionsystemmainfunctionistoabsorbvibrationensureoccupantcomfort.Fromthetechnicalanalysis,italsoplaysamaintaintireandgroundjoint,ensurethevehiclesmaneuveringfunction.Helicalspringasanimportantpartsoftheautomobilesuspensionsystem,therunningperformanceofthecarhasanimportantinfluence.Inrecentyears,thedomesticandexternaltheoreticalresearchandtechnologyofthehelicalspringtechnologyhasgreatdevelopment.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementoftheengineeringapplicationrequirements,anewtypeofspringalsoappearconstantly.Automobilesuspensionspringisoneofthekeypartsofautomobilechassis,itsrelationshipwiththecar,ridecomfortandsafetyofcarbodyadaptabilitytocomplexpavement.Therefore,agoodcarsuspensionspringisoneofthekeyfactorsofsecuritycarrunningperformance.

Thisarticleisdesignedbyautomotivesuspensionspringrateofthesystem,sothatthenaturalfrequencyofthesystemtomeetthedesignrequirements,toexplainhowtooptimizethedesignparametersofthevibrationsystem.Theoreticalmethod,finiteelementanalysisconductedacomprehensivestudyinordertoobtainacoilspringrationaldesignmethodstoimprovetherigidityofthecoilspring.

Keywords：

automobile;Suspensionspring;Theorymethod;Helicalspring

1

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1本课题研究的背景 1

1.2研究的意义及研究现状与发展趋势 2

1.2.1悬架弹簧的研究意义 2

1.2.3悬架弹簧的未来发展趋势 3

1.3本文研究的主要任务 4

第2章汽车悬架弹簧的基本特性及分析 5

2.1汽车悬架弹簧的基本作用与分类 5

2.1.1悬架的分类 6

2.1.2汽车悬架弹簧的作用 7

2.2汽车悬架弹簧的基本性能与材料 10

2.2.1悬架弹簧的特性线 10

2.2.2弹簧的变形能力 11

2.2.3弹簧的固有频率 12

2.3汽车悬架弹簧的材料及其特性分析 13

2.3.1汽车悬架弹簧的种类和特点 13

2.3.2车用悬架弹簧的生产工艺 14

2.4悬架弹簧的疲劳强度 15

2.4.1变应力的类型和特性 15

2.4.2弹簧疲劳曲线 16

2.4.3影响弹簧疲劳强度的因素 17

2.5本章总结 17

第3章汽车悬架系统弹簧的分析 18

3.1悬架弹簧的理论计算 18

3.1.1受到轴向载荷时，悬架弹簧截面的受力分析 18

3.1.2受到截面载荷作用时，悬架弹簧的应力分析 18

3.1.3受到轴向载荷的作用时，悬架弹簧斜截面的分析 20

3.2本章总结 21

第4章汽车悬架弹簧刚度的优化设计 23

4.1弹簧悬架受力分析 23

4.2悬架系统的固有频率 24

4.3悬架弹簧刚度优化 26

4.4本章总结 28

第5章总结与展望 29

5.1工作总结 29

5.2未来展望 29

参考文献 30

致谢 32

III

第1章绪论

1.1本课题研究的背景

中国进入WTO以来，伴随着与国际市场的更进一步融合，中国的经济得到飞速发展并在全球经济发展中有着举足轻重的地位，《国家中长期科学和技术发展规划纲要》指出，交通运输是我国国民经济的命脉。

当前，我国交通运输的基础设施仍处于加速成型阶段，其总数量不足、规划不合理、运输服务水平不高仍是目前及以后一段时期的主要矛盾，确保交通运输的飞速发展是“十二五”期间的主要战略任务，全面建设小康社会的战略目标对交通运输业的发展中建设提出更高要求，交通科技面临着重大的战略需求。

汽车是当前数量最多、应用最广、运输量最大的现代化陆地交通工具。

据《2012年公路水路交通行业发展统计公报》显示，目前全国公路营运汽车数量有1339.89万辆，比2011年增长了6.0%，其中载货汽车占有1253.9万辆、货运量为8062.14万吨位，同比上年末分别增长6.3%和11.0%，占总营运汽车的93%；截止到2012年12月，我国当前的公路总里程数己经达到了423.75万公里，同比2011年增加了13.11万公里。

公路分布密度为44.14公里/百平方公里，同比2011年提高了1.37公里/百平方公里（图1-1）。

其中，对物流运输业产生了极大影响的高速公路的里程数也达到了9.62万公里，同比2011年增加1.13万公里，位居世界第二，仅次于美国。

同时，交通科技的快速发展也促进了汽车领域内新兴技术的快速革新。

因此，汽车整车轻量化、集成化和节能减排技术等都得到了兴旺的发展。

图1-12008-2012年全国公路总里程数及公路密度数

悬架弹簧在汽车行驶过程中，需要承受高频往复的压缩运动，有着缓冲、减振的作用，它质量的好坏对车辆稳定性、安全性有着关键性的作用。

乘用车对悬架弹簧的性能要求比较高，需要具有噪声低、振动小、弹性好、稳定性好、舒适度高等特性；商用车（重型及超重型载货车）则需要高强度的悬架弹簧。

当今，悬架弹簧的研发趋势总体上为轻量化（高应力）、高可靠性。

因此，悬架弹簧应力要求为大于1100MPa，高的需达到1200MPa。

1.2研究的意义及研究现状与发展趋势

1.2.1悬架弹簧的研究意义

因为悬架弹簧类的产品并不是最终产品，是从属于其它产品中的零部件，所以其对主机厂的依赖性很大。

过去一般是主机厂负责悬架弹簧设计，弹簧企业按图加工。

而现在的主机厂一般需要与零部件配套厂家一同参与悬架弹簧的设计和开发。

然而，成套新产品开发速度较慢，同时缺乏系统管理及理论上的支持，所以国内对新产品的开发和研究十分滞后，例如空气悬架弹簧等。

目前，广泛应用的弹簧变应力和弹簧变形的计算公式是根据材料力学基础上推导出来的，如果没有一定的实际经验，很难设计和制造出较高精度的弹簧。

伴随着设计应力能力的提高，过去的很多经验已不适用。

为此，必须采用更加精密的解析技术，而目前应用较广的分析方法是有限元法（FEM）。

有限元法可以详细分析预测弹簧变应力对其疲劳寿命和永久变形的影响，而且可以准确反映出材料对其疲劳寿命和永久变形的关系。

1.2.2悬架弹簧的研究现状

弹簧是一种能量储放的弹性元件，在我国古代，弓和弩就是弹簧性能的典型应用。

而严格意义上提出弹簧概念的则是英国科学家虎克。

在虎克时代，弹簧己经被广泛应用，但是人们完整认识弹簧还是因为“虎克定理”的出现，“虎克定理”表明弹簧的伸长量与其承受载荷的大小成正比的应力与变形之间的对应关系。

弹簧逐渐的从概念变成现实，从理论走向工程，并被广泛运用于生活、生产和工程的各个领域[1]。

在设计中弹簧材料的选择根据生产企业的不同，采用弹簧材料的技术标准、元素含量、材料型号也并不同[2]，如图1-2所示。

图1-2悬架弹簧国内品牌及其化学成分wt%

汽车悬架是车身与车轴之间连接的传力机构，也是保证汽车行驶安全的重要部件。

因此，悬架作为重要部件被列入汽车的技术规格表，并作为衡量轿车质量的指标之一。

汽车悬架包括弹性元件、减震器和传力装置三部分，它们分别起到缓冲、减震和传递力的作用。

弹性元件便是弹簧，其承受垂直载荷，具有缓和及抑制不平路面对车体