微型汽车后钢板弹簧悬架设计.docx
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微型汽车后钢板弹簧悬架设计
1引言
1.1研究现状和发展趋势：
自从汽车发明以来，工程师们就一直在研究如何将汽车的悬架系统设计得更好。
最初的汽车悬架系统是使用马车的弹性钢板，效果当然不会很好。
1908年螺旋弹簧开始用于轿车。
到了三四十年代，独立悬架开始出现，并得到很大发展。
减振器也由早期的摩擦式发展为液力式。
这些改进无疑提高了悬架的性能，但无论怎样改良，此时的悬架仍然属于被动式悬架，仍然在很多方面有很大局限性。
自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据悬架质量的加速度，利用电控液压部件主动地控制汽车的振动。
在这方面的研究，各大汽车制造公司均不遗余力。
典型的例子，早期有雪铁龙公司在1955年发展的一种液压-空气悬架系统，可以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制造工序太复杂，最终难以普及[12]。
在某些微型、轻型汽车上还采用了前后相关的橡胶液压平衡式悬架。
这种悬架不仅可以得到变刚度特性，而且还可以像空气弹簧那样进去车身高度调节。
七十年代以来，在英国伦敦的公共汽车上首先装用了一种主动式悬架。
这种悬架的最大特点是可以获得良好的行驶平顺性和操作稳定性。
近十多年以来，悬架控制系统的发展日新月异，成果较多。
如福特公司生产的雷鸟轿车上的行使平顺性程序控制悬架系统，此系统中的减振器配置了一种快速作用旋转式螺管电磁开关，在传感器和一台微处理器为基础的电子系统的配合下，根据驾驶员的指示和车辆的运行状态，电磁开关可以调节阻尼。
其他成功的应用还有奔驰车的自适应阻尼控制悬架系统、凯迪拉克轿车的路感悬架系统、以及对阻尼和刚度进行综合控制的丰田电子悬架控制系统和凌志LS400轿车的电子控制空气悬架系统等。
当前磁流变液减振器半主动悬架的发展最为整个汽车工业界所关注。
在这方面国外成果及应用实例较多，国内还处于理论研究和试验阶段，应用实例很少，问题主要是磁流变液减振器的工作性仍然不稳定，成本较高。
因此，当前乃至今后应该以此为重点，展开技术攻关，从研制高性能磁流变材料、优化磁路及结构设计人手，为磁流变半主动悬架的开发作先期基础性研究。
随着电子技术的发展，出现了可变特性悬架控制系统。
它可根据运行条件与路面状况，以手动控制悬架特性变化.具有安全、智能和清洁的绿色智慧悬架将是今后汽车悬架发展的趋势[10]。
1.2悬架系统的重要性
悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。
其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；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振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操作稳定性，使汽车获得高速行驶能力[1]。
1.3悬架的组成和设计理论意义
悬架由弹性元件，导向装置，减振器，缓冲快和横向稳定器等组成。
今年来国内外随着高速公路网的发展，车速的进一步提高，对汽车悬架的结构设计提出了越来越高的要求。
因此在设计悬架的结构设计上应该考虑以几个下问题.
1保证汽车有良好的行驶平顺性。
2具有合适的衰减振动的能力。
3保证汽车具有良好的操作稳定性。
4汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时全身侧倾角要合适。
5有良好的隔声能力。
6结构紧凑、占用空间尺寸小。
7可靠地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。
为了能满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。
前、后悬架固有频率的匹配应合理，对乘用车，要求前悬架固有频率低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架（或车身）。
汽车在不平面路面上行驶时，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。
为了迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振器，并使之具有合理的阻尼。
利用减振器的阻尼作用，使汽车振动的振幅连续减小，直至振动停止。
2汽车悬架系统的作用、组成与分类
2.1汽车悬架的作用
悬架是车架与车桥之间的一切连接和传力装置的总称。
悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架与车轴弹性的连接起来。
其主要任务是传递作用在车轮和车架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架的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，保证乘员的舒适性，减小货物和车辆本身的动载荷，以保证汽车的正常行驶。
悬架的主要职能有三个：
1）连接车体和车轮，并用适度的刚性支撑车轮；
2）吸收来自路面的冲击，提高乘坐舒适性；
3）有助于行驶中车体的稳定，提高操纵性能。
悬架系统的这些作用是紧密相连的，但又是相互矛盾的，比如提高了舒适性，那么车辆的稳定性就会降低。
所以悬架系统的设计就是要争取达到最佳的平衡状态[9，10]。
由实践得知，悬架对汽车的行驶平顺性、稳定性、通过性、燃料经济性等多种使用性能都有影响，因此在选择悬架参数及布置导向机构时，应注意满足这些性能的要求。
在悬架设计中应满足这些性能的要求，其要点如下[11]：
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。
2）有合适的减振性能。
它应与悬架的弹性特性很好的匹配，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。
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。
汽车制动和加速时能保持车身稳定，减少车身纵倾的可能性。
能可靠的传递车身与车轮间的一切力和力矩，零部件质量轻并有足够的强度和寿命。
2.2悬架的组成
尽管现代汽车悬架的结构形式多种多样，但一般典型的悬架都由弹性元件、导向机构和减振器等组成，个别机构则还有缓冲块、横向稳定杆等。
2.2.1弹性元件
由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，里面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大数值，冲击里传到车架和车身时，可能引起汽车机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受到损伤，为了缓和冲击，在汽车行使系统中，采用弹性的充气轮胎外，在悬架中装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间有弹性联系。
2.2.2减振器
在弹性系统受到冲击后，将产生振动。
持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。
故悬架应具有减振作用，使振动迅速衰减，为此需装有减振器。
减振器的阻尼力越大，振动消除的越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏，为此对减振器提出以下要求：
（1）在悬架压缩行程内，减振器阻尼里应较小，以边充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击。
（2）在悬架伸张行程内，减振器的阻尼里应大，以求迅速减振。
（3）当车桥与车架的相对速度过大时，减振器应能自动加大液流通过截面面积，阻尼力给终保持在一定的范围内，以免承受过大的冲击载荷。
减振器分类：
双向作用式减振器，单向作用式减振器，充气式减振器，阻力可调式减振器。
2.2.3导向机构
车轮相对于车架车身跳动时，车轮的运动诡计应符合一定的需求，否则对汽车某些行驶性能有不利的影响，因此，悬架中某些传力构件，同时承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务。
因此这些传力构件还起到导向作用，故称为导向机构。
这三个主要部分分别起到缓冲、导向和减振的作用，然而三者有一个共同任务则是传力[10]。
应该指出，悬架只要具备了上述功能，在结构上并不是非要设置上述三个独立的部分不可。
例如钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置，并且一端与车架作固定铰链连接时，即可负担起传递所有各项力和力矩，以及决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要设置其他导向机构。
此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，它们之间的摩擦既具有一定的减振作用，因而当对减振要求不很高时，在采用钢板弹簧的悬架中，也可以不装减振器[12]。
2.3悬架的分类
悬架分为两大类：
非独立悬架和独立悬架。
非独立悬架的结构特点是两侧的车轮由一根整体或车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架的下面。
独立悬架则是每一侧的车轮单独通过弹性悬架悬挂杂车架的下面。
采用独立悬架时，车桥都做成切开的。
2.3.1非独立悬架
非独立悬架因结构简单，工作可靠，广泛应用于汽车的前、后悬架。
在轿车中，非独立悬架仅用于后桥。
悬架的结构，特别是导向结构的结构，随所采用的弹性元件不同而有所差异，而且有时车别很大。
采用螺旋弹簧，气体弹簧时需要有较复杂的导向机构。
而采用钢板弹簧时，由于钢板弹簧本身兼起导向结构的作用，并有一定的减振作用，使得悬架结构大为简化。
因而有非独立悬架大数采用钢板弹簧作为弹性元件。
（1）非独立悬架的分类
纵置板簧式非独立悬架—其钢板弹簧通常是纵向安置；
螺旋弹簧非独立悬架—一般用于轿车的后悬架；
空气弹簧非独立悬架—为提高汽车平顺性，希望弹簧做得尽可能柔软，如太柔软弹簧变形很大，空车时车身抬得很高；满载时车身压得很低，出现不断碰撞缓冲块的现象。
因此对不同的汽车有不同的要求；对于重型矿车及大客车，空车与满载时车身高相等，对于轿车在好路面降低车身以便高速行驶，在坏路面提高车身，以便增大通过性，采用空气弹簧悬架时，同意实现车身高度的自动调节。
油气弹簧非独立悬架—油气弹簧可用于独立或非独立悬架
2.3.2独立悬架
随着汽车车速的不断提高，非独立悬架已不能满足行驶平顺性的操作稳定性等方面提出的要求。
因此独立悬架获得了很大发展。
独立悬架的结构特点，是两侧的车轮各自独立地与车桥或车身弹性连接，因而具有以下优点：
（1）在悬架弹性元件一定饿变形范围内，两侧车轮可以单独运动，互不影响，这样在不平路面上行驶时有利于减少车架和车身的振动，而且有助与消除转向轮不断偏摆的不良现象。
（2）减少了汽车的非簧载质量。
在非独立性悬架的情况下，整个车桥和车轮都属于非簧式质量部分，在用独立悬架时，对驱动桥而言，由于在减振器、差速器及其外壳都固定在车架上成了簧载质量；对转向桥而言，它仅具有转向主销和转向节，而主部的整体梁不再存在，所以采用独立悬架时非簧载质量只包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质量，显然比用非独立悬架时的非簧载质量要小得多，在道路情况和车速相同时，非簧载质量越小，则悬架所受到的冲击载荷也越小。
故采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度。
（3）采用断开式车桥，发动机总成的位置可以降低或前移，使汽车中心下降，提高了汽车行驶稳定性。
同时能给予车轮较大的上下运动的空间，因而可以将悬架刚度设计的较小，使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性。
（4）非簧载质量小，可以有效地提高车轮的接地性。
（5）独立悬架的导向杆系在布置和结构参数选择上有较大余地。
合理的设计可使汽车具有良好的操作性。
（6）由于左右车轮间不存在横贯的车轴，发动机可放低，从而使整车中心降低，并为布置紧凑提供条件
（7）独立悬架允许车轮有较大跳动空间，可以选择较软的弹簧，以获得良好的平顺性。
与非独立悬架比，独立悬架结构复杂，成本高。
独立悬架按车运动形式分为三类：
（1）车轮在汽车横向平面内摆动的悬架，横臂式独立悬架，其中单臂式独立悬架变形时，车轮平面将产生倾斜而改变两侧车轮与地面接触点间的距离—轮距，使得轮胎相对于地面侧向滑移，破坏轮胎和地面的附着。
此外这种悬架用于转向轮时，会使主销内倾角和车轮外倾角发生较大的变化，对于转向操作有一定的影响；目前很少采用；双横臂式独立悬架的两个摆臂长度可以相等，也可以不等。
两摆臂等长的悬架，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜名单轮距却发生了较大的变化，这将增加车轮侧向滑移的可能性。
在摆臂不相等长的独立悬架中，如将两臂长度选择适当，可以使车轮和主销的角度以及轮距的变化都不太大。
不大的轮距变化在轮胎较软时，可以由轮胎变形俩适应，目前轿车的轮胎可容许轮距的改变在每个车轮上达到4—5mm而且不致使车轮沿路而滑移。
因此不等长的双横臂式独立悬架在轿车的前轮上应用得较广泛。
图2.1双横臂式独立悬架
（2）车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架，纵臂独立悬架。
单纵臂式独立悬架被转向轮采用时，车轮上下跳动将使主销后倾角产生很大变化，因此前臂式独立悬架一般多用于不转向的后轮；双纵臂式独立悬架的两个纵臂一般做成相等，形成平行四连杆机构。
这样，在车轮上下跳动时，主销的后倾角保持不变，故这种形式的悬架适用于转向轮。
（3）车轮沿主销移动的悬架，其中包括：
烛式悬架和麦弗逊式悬架。
2.4钢板弹簧
钢板弹簧又叫叶片弹簧，它是由若干不等长的合金弹簧片叠加在一起组合成一根近似等强度的梁，是汽车中应用最广泛的一种弹性元件。
2.4.1钢板弹簧的基本结构和作用原理
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和变形都逐渐减小，有时甚至反向。
图2.2钢板弹簧式非独立悬架
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（亦称加弹夹）其主要作用是当钢板弹簧反向变形（即反跳）时，使保片不致相互分开，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。
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。
2.4.2弹性元件种类及其特点
（1）钢板弹簧—如前所述
（2）螺旋弹簧—主要用于独立悬架。
与钢板弹簧相比有以下优点：
无需润滑，不忌泥污；它本身不具有减振作用，必须另装减振器；且只能承受垂直载荷，必须装设导向机构以传递各种里和力矩。
（3）扭杆弹簧—采用扭杆弹簧的悬架其刚度是可变的。
在制造时扭杆弹簧，须先施加了一定的扭转力矩载荷，使这产生一个永久的扭转变形，从具有一定的预应力。
左右扭杆弹簧的预扭转方向应与安装后的工作载荷与扭转方向相同。
故左右扭转弹簧不能互换，与钢板弹簧相比具有质量小，不需润滑的特点。
（4）气体弹簧—是在一个密封的容器中充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现起弹簧作用的，其刚度是可变的。
气体弹簧有空气弹簧和油气弹簧两种。
空气弹簧又有气囊式和膜式之别。
（5）橡胶弹簧—是利用橡胶本身的弹性来起弹性元件的作用。
它可承受压缩载荷。
其优点是单位质量的储能较金属弹簧多，隔音性能好，橡胶弹簧多用作悬架的副簧和缓冲块。
在某些汽车的悬架中也有用踏做主簧的。
4后悬挂系统钢板弹簧设计
4.1钢板弹簧主要参数的确定
设计给定参数：
总重：
Ga=13100N（驾驶室内两人）自重:
G0=6950N（驾驶室内两人）
空车：
前轴载荷：
G01=4250N后轴载荷：
G02=2700N
满载：
前轴载荷：
G01=5750N后轴载荷：
G02=7350N
非簧载质量Gu=690N（指后悬架）钢板弹簧长度L=（1000-1100）mm
满载时偏频n=（1.5-1.7）H
1）单个钢板弹簧的载荷：
后悬架：
Fw=（7350-690）/2=3330N
2）汽车后悬架偏频、静挠度和动挠度的选取
汽车前、后悬架的偏频应接近且应使后悬架偏频略大于千偏频，以免发生较大的车身纵向角振动。
表4.1为各类汽车的偏频和静、动挠度值得一般范围。
对于货车，考虑到前、后轴荷的差别和避免司机疲劳，前、后静挠度比只要大些。
对于我们要研究的110型载货汽车的后悬架系统，参考表4.1，由公式
得汽车的静挠度
=（5/1.5）2=11cm
满载动挠度选取
。
3110微型汽车后钢板弹簧悬架系统
110微型汽车后悬架系统用非独立悬架。
非独立悬架因其结构简单，工作可靠，而被广泛地应用在汽车上。
悬架的结构，特别是导向机构的结构，随所采用的弹性元件不同而不同。
采用螺旋弹簧、气体弹簧时需要有较复杂的导向机构。
而采用钢板弹簧时，由于钢板弹簧本身可兼起导向机构的作用，并有一定的减振作用，使得悬架的结构大为简化。
因而在非独立悬架中大多数采用钢板弹簧作为弹性元件。
钢板弹簧通常是纵向安置的。
货车后悬挂所承受的载荷因汽车行驶时实际装载质量不同而在很大范围内变化，因而为保持车身自振动频率不变或变化较小，悬架刚度应该是可变的，而且变化的幅度应是后悬架比前悬架要大，通常是在后悬架中加装副钢板弹簧[11，16]。
钢板弹簧各片的应力验算
钢板弹簧在实际工作时的应力值应为弹簧各叶片的预应力与工作时外载荷对其施加的作用力共同产生的。
计算公式为：
（4.20）
式中
—预应力；
；
；
。
计算见下表：
表4.8簧各片应力验算
叶
片
序
号
惯性矩
截面系数
分配到各叶
片的弯矩
预应力
实际应力
1
2691.09
810
20158
229834.7
283.7
-90
193.7
2
2691.09
810
229834.7
283.7
-80
203.7
3
2691.09
810
229834.7
283.7
-20
263.7
4
2691.09
810
223498.7
283.7
-10
273.7
5
2691.09
810
223498.7
283.7
20
303.7
6
1340.51
490
114487.3
233.6
30
263.6
7
1340.51
490
114487.3
233.6
40
273.6
8
1340.51
490
114487.3
233.6
50
283.6
9
1430.51
490
114487.3
233.6
60
293.6
10
1430.51
490
114487.3
233.6
60
293.6
其中叶片的最大应力为467.1
，弹簧叶片的材料为60Si2MnA,其许用拉应力为
。
比较实际计算应力与许用应力
所以，钢板弹簧各片强度符合实际要求。
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5结论
本次设计的重点是对110微型汽车后悬架系统钢板弹簧的设计计算。
在设计过程中查阅了大量资料，对汽车的总体构造、悬架系统对汽车的作用有了清晰地认识，最重要是对钢板弹簧的设计流程有了深刻认识。
并在此基础上完成了本次设计。
在设计中也发现了许多现实问题，汽车工业可以看成是一个国家工业化的标志，可是我国的汽车工业却存在着许多问题，制约着其发展壮大。
在汽车悬架方面，以后的发展趋势必然是智能化悬架。
我国与日、美存在着很大的差距，国外的相关技术有些已经比较成熟，并有不少已经应用在了实际中；而国内基本上还处于理论研究和试验阶段，应用实例很少。
还有在制造悬架弹簧的材料方面与国外也存在较大差距。
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