汽车悬架造型流程设计.docx

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汽车悬架造型流程设计

序言

汽车悬架是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。

悬架结构一般有弹性原件，导向机构和减震器组成。

弹性原件又有钢板弹簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧，空气弹簧等形式。

悬架又分独立悬架和非独立悬架。

悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。

因此，对汽车操纵稳定性﹑平顺性的提升成为了各大汽车厂商的共识。

与此关系密切的悬架系统也被不断改进，主动半主动悬架等具有反馈的电控系统在高端车辆上的应用日趋广泛。

无论定位高端市场，还是普通家庭的经济型轿车，没有哪个厂家敢忽视悬架系统及其在整车中的作用。

这一切，都是因为悬架系统对乘员的主观感受密切联系。

悬架系统的优劣，乘员在车上可以马上感受到。

正因为悬架在现代汽车上的重要重要作用，应该重视汽车悬架的设计。

只有认真，严谨的设计才能确保其与整车的完美匹配。

目前，我国在汽车悬架系统方面，除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外，其他悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进，仿制或直接购买产品阶段。

悬架产品的设计开发滞后，一方面表现在设计手段落后，计算机应力分析，动态仿真在企业中应用还较少；另一方面没有建立一套完善的设计评价体系。

在美国，由于空气悬架的普遍应用，已经成就了一批专门从事空气悬架设计，制造的悬架专业公司。

我国交通行业标准《营运客车类型划分及等级评定》已经规定，高级大中型客车要采用空气悬架，但既没有一家整车厂能独立设计出空气悬架并成功地应用于整车，也没有一家悬架专业公司能够设计出并向市场提供成熟的空气悬架产品。

虽然我国加入WTO之后，汽车及零部件产业会全面融入全国经济一体化，汽车行业可以实现全球采购，但是不能拥有悬架设计和制造的关键技术，整车的市场竞争力肯定会削弱。

第一章我国悬架的现状与发展趋势

1.1我国悬架的现状与发展

国内汽车悬架弹簧生产企业160余家，遍布全国各地，具有规模的专业生产企业（生产规模在0.8万吨以上）约80余家。

产品质量水平已达到国外先进国家90年代水平。

大部分企业规模较小，生产集中度低，散乱差问题较严重。

其中真正形成大规模、大批量生产的企业为数不多，大多仍停留在简单生产工艺的水平上，产品成本较高，难以参与国际市场竞争。

国内能够生产高档次汽车钢板悬架弹簧的企业只有4家：

一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、重庆红岩汽车弹簧厂、山东汽车弹簧厂，他们都具有生产多种叠片簧、渐变刚度弹簧、少片变截面钢板弹簧和双曲率半径及平直段的汽车钢板弹簧的能力。

国内能够同时生产客车、货车、轿车悬架弹簧的厂家只有三个：

一汽集团辽阳汽车弹簧厂、东风汽车悬架弹簧有限公司、山东汽车弹簧厂。

在重卡领域，每家主机厂基本上都有自己的钢板弹簧配套厂家，一汽解放重卡板簧悬架主要是由一汽集团辽阳汽车弹簧厂配套；东风重卡板簧悬架主要由东风汽车悬架弹簧有限公司配套；中国重汽板簧悬架主要由山东汽车弹簧厂配套，上汽依维柯红岩板簧悬架主要由重庆红岩汽车弹簧厂与重庆红旗钢板弹簧厂配套，江淮与华菱重卡板簧悬架主要由安徽安簧机械股份有限公司配套。

空气悬架弹簧是一种运用在高档客车和重型载货车上的悬架系统，是世界钢板弹簧发展趋势，空气悬架簧的最终发展趋势是不再需要或使用很少的弹簧扁钢。

空气悬架在欧美发达国家已经有70多年的发展历史，二十世纪五十年代，空气悬架弹簧开始应用在载重车、小轿车、大客车及铁道车辆上。

到六十年代，德国、美国等工业发达国家生产的大部分公共汽车中装有了空气弹簧悬架。

目前欧、美地区95%的客车、80%的货车和40%的挂车都已使用空气悬架系统，而我国仍处于起步阶段，空气悬架系统只应用在一些豪华客车和少部分重型货车和挂车上。

虽然重汽HOWO-A7、东风天龙、解放J6、华菱星凯马等各厂家上市的新产品高配中都有空气悬架，但仅是概念阶段，真正被市场接受，实现量产还需要一段时间。

这主要与中国国情有关，国内虽然治理超载超限力度不断加强，但是用户超载现象仍然比较严重，空气悬架系统由于超载性不好，加之价格昂贵、国内物流业竞争激烈、利润微薄，所以一直不被客户接受，只能在精密仪器、电子设备等特殊货物的运输中有所应用。

电子控制空气悬架和橡胶悬架代表了目前汽车悬架系统的发展方向。

在欧美汽车悬架的发展经历了“钢板弹簧→气囊复合式悬架→被动全空气悬架→主动全空气悬架（即ECAS系统）或橡胶悬架”过程。

在欧美，橡胶悬架和空气悬架的价格相差不大，但是使用环境不同，空气悬架不能超载，因此在牵引车上应用广泛；橡胶悬架适应能力强，可用于超载环境，因此主要应用在非公路用车或使用工况恶劣、对车辆载荷要求大的汽车上。

目前ECAS系统在欧洲部分大客车上已经开始应用，预计，随着车辆控制技术的发展，ECAS空气悬架系统将成为汽车悬架的一个发展方向。

虽然空气悬架与橡胶悬架已经在我国重卡领域引入多年，为什么到现在还没有实现量产呢？

我认为主要有以下原因：

（1）国内用户超载超限现象严重。

在相当长的一段时期内，国内重卡用户的营运模式都是以超载超限来创造利润，抑制了新型悬架的需求。

从2005年开始国家加大了治超治限的力度，计重收费政策得到进一步落实，现在全国90%以上的高速公路已经开始实行计重收费，所以对于公路用车（如牵引车）来说，已经朝向轻量化、舒适性、经济性方向发展，目前空气悬架已经率先在某些运输特殊品（如精密仪器）的牵引车上引进。

（2）购买与维修费用较高，维修不方便。

国内物流业利润较低，导致重卡用户对价格敏感度高。

虽然翰德森橡胶悬架超载能力强，但是价格昂贵、维修不方便，所以自卸车、搅拌车等工程车用户更加青睐工艺成熟的板簧悬架。

（3）工艺、技术方面与还有一定的差距。

重汽在展示HOWO-A7车的时候就有一辆是翰德森橡胶悬架，但是悬架底端的离地间隙仅为200mm，对于应用在建筑工地、矿区的工程车来说这个缺陷几乎是致命的。

由于橡胶悬架铸件较多、结构复杂，目前国内的橡胶悬架也仅停留在概念阶段。

虽然国内新型悬架的引进过程缓慢，但是在重型卡车技术发展方面，空气弹簧悬架和橡胶悬架都代表着我国重卡悬架未来发展方向，主要原因有如下两种:

（1）重卡行业发展的需要。

随着我国高等级公路的发展、运输量的增加、计重收费政策的普及以及重卡用户收入的提高，他们开始对汽车的操纵稳定性、平顺性、舒适性和安全性提出了更高的要求，因此符合以上要求的新型悬架开始为越来越多的用户所关注；

（2）政策的鼓励。

由于空气悬架与橡胶悬架具有自重轻、对道路的损坏程度低等特点，国家颁发的《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》（GB1589-2004）中，对装有空气悬架或橡胶悬架的车辆轴载质量限值的规定，比装板簧悬架的车辆轴载质量提高15%。

因此在政策层面国家也对新型悬架做了倾斜。

未来5～10年，随着国内汽车工业的发展，重卡技术的提升，空气悬架与橡胶悬架必将会迎来一个快速发展期。

第二章汽车悬架系统的概述

2.1悬架系统的组成与功能

2.1.1悬架的概念

悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总成。

它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（之承力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证车的正常行驶。

悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。

从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。

比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。

2.1.2悬架的组成

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都由弹性元件、减震器和导向机构三部分组成，个别结构还有缓冲块和横向稳定器等。

弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。

各元件功能：

减震器　　

功能:

减振器是产生阻尼力的主要元件,其作用是迅速衰减汽车的振动,改善汽车的行驶平顺性,增强车轮和地面的附着力.另外,减振器能够降低车身部分的动载荷,延长汽车的使用寿命.目前在汽车上广泛使用的减振器主要是筒式液力减振器,其结构可分为双筒式,单筒充气式和双筒充气式三种。

　　工作原理：

在车轮上下跳过程中，减振器活塞在工作腔内往复运动，使减振器液体通过活塞上的节流孔，由于液体有一定的粘性和液体通过节流孔时与孔壁间产生摩擦，使动能转化成热能散发到空气中，从而达到衰减振动功能。

弹性元件　　

功能：

支撑垂直载荷,缓和和抑止不平路面引起的振动和冲击.弹性元件主要有钢板弹簧，螺旋弹簧,扭杆弹簧,气弹簧和橡胶弹簧等。

原理：

用具有弹性较高材料制成的零件，在车轮受到大的冲击时，动能转化为弹性势能储存起来，在车轮下跳或回复原行驶状态时释放出来。

导向机构　

导向机构的作用是传递力和力矩,同时兼起导向作用。

在汽车的行驶过程当中,能够控制车轮的运动轨迹。

在多数轿车和客车上，为了防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件——横向稳定器。

为限制弹簧的最大变形并防止弹簧直接撞击车架，在货车上铺设有缓冲块。

在一些轿车上也设有缓冲块，以限制悬架的最大变形。

2.1.3悬架的作用

汽车悬架尽管有各中不同的结构形式，但一般都是由弹性元件，减震器和导向机构三部分组成。

由于汽车行驶的路面不可能绝对平坦，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上告诉行驶时这种冲击力将达到很大的数值。

冲击力传到车身时，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，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，将产生振动。

持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳。

故悬架系统还应具有减振作用，以使振动速度衰减，振幅速度减小，为此，在许多形式的悬架系统中都设有专门的减振器。

悬架系统只要求具备上述各个功能，在结构上并非一定要设置这些单独的装置，例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当他在汽车上纵向安置，并且一端与车架做固定铰链连接时，就可担负起决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要再设置其它导向机构，此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，它本身即具有一定的减震能力，因而对减震要求不高时，在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬架系统中，就可以不装减震器（一般中型货车的后悬架和重型货车悬架中都不装减震器）。

2.2悬架的分类

汽车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种。

2.2.1非独立悬架

非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。

非独立悬架根据弹性原件的不同可分为钢板弹簧非独立悬架、螺旋弹簧非独立悬架、空气弹簧非独立悬架和油气弹簧非独立悬架。

钢板弹簧非独立悬架

钢板弹簧被用做非独立悬架的弹性元件，由于它兼起导向机构的作用，使得悬架系统大为简化。

这种悬架广泛用于货车的前、后悬架中。

SUV的后悬架也使用钢板弹簧非独立悬架。

它中部用U型螺栓将钢板弹簧固定在车桥上。

悬架前端为固定铰链，也叫死吊耳。

它由钢板弹簧销钉将钢板弹簧前端卷耳部与钢板弹簧前支架连接在一起，前端卷耳孔中为减少摩损装有衬套。

后端卷耳通过钢板弹簧吊耳销与后端吊耳与吊耳架相连，后端可以自由摆动，形成活动吊耳。

当车架受到冲击弹簧变形时两卷耳之间的距离有变化的可能。

螺旋弹簧非独立悬架

螺旋弹簧非独立悬架是一种复合式悬架，装有该类后悬架的轿车，其后桥的结构形式对后悬架的刚度特性有重要影响。

因为螺旋弹簧作为弹性元件，只能承受垂直载荷，所以其悬架系统要加设导向机构和减振器。

螺旋弹簧非独立悬架是一种复合式悬架,装有该类后悬架的轿车,其后桥的结构形式对后悬架的刚度特性有重要影响。

因为螺旋弹簧作为弹性元件，只能承受垂直载荷，所以其悬架系统要加设导向机构和减振器，因此螺旋弹簧一般只用于轿车后悬架。

空气弹簧非独立悬架

汽车在行驶时由于载荷和路面的变化，要求悬架刚度随着变化。

当空车时车身被抬高，满载时车身则被压得很低，会出现撞击缓冲块的情况。

因而对于不同类型汽车提出不同的要求，矿山及大型客车要求其空车与满载时的车身高度变化不大；对于轿车要求在好路上降低车身高度，提高车速行驶；在坏路上提高车身，可以增大通过能力。

因而要求车身高度随使用要求可以调节。

空气弹簧非独立悬架可以满足要求。

空气弹簧只承受垂直载荷，因而必加设减振器，其纵向力和横向力及其力矩由悬架中的纵向推力杆和横向推力杆来传递。

油气弹簧非独立悬架

大吨位的自卸汽车采用的油气弹簧悬架与钢板弹簧悬架相比有一下特点：

油气悬架具有变刚度特性，可保证汽车具有良好的形式平顺性，特别是工地和矿山用车，其道路条件和装载条件都很恶劣（用大型电铲将矿石从空中往车箱里倾装时，会产生很大的冲击）。

采用油气悬架后，可显著地缓和冲击，减少颠簸，从而改善驾驶员的劳动条件和提高平均车速；油气弹簧纵向尺寸小，对整车总布置有力，有的自卸汽车采用了烛式独立悬架，能使转向轮偏角达45度，大大减小了汽车的转向直径；改变缸筒工作腔的油量和气室的充气压力，可得到不同的变刚度特性，从而使油气弹簧的主要部件可以在不同吨位的汽车上通用。

基于以上特点，油气悬架越来越广泛地被应用在大型矿用自卸汽车上。

2.2.2独立悬架

独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架（或车身）下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。

但这种悬架构造较复杂，承载力小。

现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。

独立悬架的结构可分有烛式、麦弗逊式、连杆式等多种，其中烛式和麦克弗逊式形状相似，两者都是将螺旋弹簧与减振器组合在一起，但因结构不同又有重大区别。

烛式采用车轮沿主销轴方向移动的悬架形式，形状似烛形而得名。

特点是主销位置和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化，有利于汽车的操纵性和稳定性。

麦克弗逊式是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主销，转向节可以绕着它转动。

特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，这点与烛式悬架正好相反。

这种悬架构造简单，布置紧凑，前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性。

所以，目前轿车使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架。

第三章悬架设计流程

3.1悬架设计流程概述

悬架设计流程的步骤主要分一下几种，如图3-1所示。

选择悬架类型

↓

选择参考车型

↓

收集整车数据资料

↓

导向机构设计

弹性元件设计

减震器设计

↓

↓

实现动态仿真

图3-1悬架设计流程

3.2钢板弹簧具体设计流程

3.2.1钢板弹簧式悬架种类和结构

汽车钢板弹簧除了起弹性元件作用之外，还兼起导向作用，而多片弹簧片间磨擦还起系统阻尼作用。

由于钢板弹簧结构简单，使用维修、保养方便，长期以来钢板弹簧在汽车上得到广泛应用。

目前汽车使用的钢板弹簧常见的有以下几种。

①通多片钢板弹簧，如图3-2中a所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大型客车上，弹簧弹性特性如图3-3中a所示，呈线性特性。

②少片变截面钢板弹簧，如图3-2中b所示，为减少弹簧质量，弹簧厚度沿长度方向制成等厚，其弹性特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性图3-3中a。

这种弹簧主要用于轻型货车及大、中型载货汽车前悬架。

③两级变刚度复式钢板弹簧，如图3-2中c所示，这种弹簧主要用于大、中型载货汽车后悬架。

弹性特性如图3-3中b所示，为两级变刚度特性，开始时仅主簧起作用，当载荷增加到某值时副簧与主簧共同起作用，弹性特性由两条直线组成。

④渐变刚度钢板弹簧，如图3-2中d所示，这种弹簧多用于轻型载货汽车与厢式客车后悬架。

副簧放在主簧之下，副簧随汽车载荷变化逐渐起作用，弹簧特性呈非线性特性，如图3-3中c所示。

图3-2钢板弹簧图3-3弹簧特性

钢板弹簧计算实质上是在已知弹簧负荷情况下，根据汽车对悬架性能（频率）要

求，确定弹簧刚度，求出弹簧长度、片宽、片厚、片数。

并要求弹簧尺寸规格满足弹簧的强度要求。

3.2.2钢板弹簧设计的已知参数

1）弹簧负荷

通常新车设计时，根据整车布置给定的空、满载轴载质量减去估算的非簧载质量，得到在每副弹簧上的承载质量。

一般将前、后轴，车轮，制动鼓及转向节、传动轴、转向纵拉杆等总成视为非簧载质量。

如果钢板弹簧布置在车桥上方，弹簧3/4的质量为非簧载质量，下置弹簧，1/4弹簧质量为非簧载质量。

2）弹簧伸直长度

根据不同车型要求，由总布置给出弹簧伸直长度的控制尺寸。

在布置可能的情况下，尽量增加长度，这主要是考虑以下几个方面原因。

①由于弹簧刚度与弹簧长度的三次方成反比，因此从改善汽车平顺性角度看，希望弹簧长度长些好。

②在弹簧刚度相同情况下，长的弹簧在车轮上下跳动时，弹簧两卷耳孔距离变化相对较小，对前悬架来说，主销后倾角变化小，有利于汽车行驶稳定性。

③增加弹簧长度可以降低弹簧工作应力和应力幅，从而提高弹簧使用寿命。

④增加弹簧长度可以选用簧片厚的弹簧，从而减少弹簧片数，并且簧片厚的弹簧对提高主片卷耳强度有利。

3）悬架静挠度

汽车簧载质量与其质量组成的振动系统固有频率是评价汽车行驶平顺性的重要参数。

悬架设计时根据汽车平顺性要求，应给出汽车空、满载时前、后悬架频率范围。

如果知道频率，就可以求出悬架静挠度值c。

选取悬架静挠度值时，希望后悬架静挠度值c2小于前悬架静挠度值c1，并且两值最好接近。

4）弹簧满载弧高

由于车身高度、悬架动行程及钢板弹簧导向特性等都与汽车满载弧高有关，因此弹簧满载弧高值c0应根据整车和悬架性能要求给出适当值，一般取c0=10-30mm。

有的车辆为得到良好的操纵稳定性，满载弧高取负值。

3.2.3　钢板弹簧设计步骤

　１　钢板弹簧的刚度和应力计算

　２　ｕ型螺栓夹紧时弹簧刚度和应力确定

　３　钢板弹簧断面尺寸和主片长度的确定

　４　钢板弹簧各片长度的尺寸确定

　５　钢板弹簧各片预应力及弧高确定

　６　钢板弹簧总成自由弧高及总成装备弧高确定

　７　钢板弹簧强制制动时的强度校核

3.2.4　钢板弹簧的导向特性

由于钢板弹簧兼有导向元件作用，因此钢板弹簧的运动特性就确定了车轮相对车架的运动轨迹，钢板弹簧的变形运动与汽车制动特性，转向特性等有着密切的关系，因此悬架设计时必须对钢板弹簧运动学进行计算。

参考文献

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