輕型貨車多片鋼板彈簧前懸架設(shè)計

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1、 《輕型貨車多片鋼板彈簧前懸架設(shè)計》 課程設(shè)計 學(xué)生姓名： XXXXX 學(xué) 號： XXXXXX 專業(yè)班級： 車輛工程 指導(dǎo)教師： XXX 二○一二年一月十三日 目錄 一、 整車性能參數(shù)…………………………………………………… 1 1.1整車基本參數(shù)…………………………………………………1 1.2制動系統(tǒng)參數(shù)…………………………………………………1 二、 懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分析…………

2、……………………………… 1 2.1 懸架的設(shè)計要求………………………………………………1 2.2懸架主要參數(shù)確定……………………………………………2 2.3懸架彈性特性…………………………………………………3 三 、前懸架系統(tǒng)的設(shè)計………………………………………………3 3.1前懸架系統(tǒng)設(shè)計………………………………………………3 3.2鋼板彈簧的布置方案…………………………………………4 3.3鋼板彈簧主要參數(shù)的確定……………………………………4 3.4鋼板彈簧各片長度的確定……………………………………7 3.5 鋼板彈簧的剛度驗算…………………………………………7 3.

3、6鋼板主彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算……8 3.7鋼板彈簧主簧總成弧高的核算………………………………8 3.8鋼板彈簧的強度驗算…………………………………………9 3.9鋼板彈簧銷強度計算…………………………………………10 四、 減震器設(shè)計………………………………………………………10 五、 結(jié)論………………………………………………………………11 參考文獻 附錄：matlab程序 一．整車性能參數(shù) 1.1.CA1040輕型載貨汽車重量及外形尺寸 （表1-1） 種類 項目 基本參數(shù) 重量/kg 載重量 1750 汽車自重 1840 汽車

4、滿載總重 3720 外形尺寸/mm 長度 4823 寬度 1807 高度 2023 1.2 CA1040系列輕型載貨汽車的乘員及載荷分配參數(shù) （表1-2） 種類 項目 載荷分配參數(shù) 載荷/kg 空載(前軸) 1010 空載(后軸) 830 滿載(前軸) 1380 滿載(后軸) 2340 1.3.CA1040系列輕型載貨汽車的軸輪距參數(shù) （表1-3） 種類 項目 輪軸距參數(shù) 軸輪距/mm 軸距 2500 前輪距 1414 后輪距 1370 二．懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分析 2．1 懸架的設(shè)計要求 在懸架的設(shè)計中應(yīng)該滿足這些性能

5、的要求： （1）保證汽車有良好的行駛平順性。 （2）具有合適的衰減振動能力。 （3）保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。 （4）汽車制動或加速時能保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾，即點頭或后仰；轉(zhuǎn)彎時車身側(cè)傾角要合適。 （5）有良好的隔音能力。 （6）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小。 （7）可靠的傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩。在滿足零部件質(zhì)量小的同時，還要保證有足夠的強度和壽命。 2．2懸架主要參數(shù)確定 根據(jù)懸架在整車中的作用和整車的性能要求，懸架首先應(yīng)保證有良好的行駛平順性，這是確定懸架主要性能參數(shù)的重要依據(jù)。 （1）車身固有頻率 汽車的前、后懸架與簧載質(zhì)量組成的振動系統(tǒng)的固有頻率，

6、是影響汽車行駛平順性主要參數(shù)之一。懸架固有頻率選取的主要依據(jù)是“ISO2631《人體承受全身振動的評價指南》”，固有頻率取值與人步行時身體上下運動的頻率接近。此外，前后懸架的固有頻率接近可以避免產(chǎn)生較大的車身角振動，n1n2的汽車。本次設(shè)計選取的汽車前部分的車身固有頻率n1為： （2）懸架的靜撓度 懸架的靜撓度是指滿載靜止時懸架上的載荷Fw與此時懸架剛度c之比，即 （2-1） 因現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)ε近似等于1，于是汽車前、后軸上方車身兩點的振動不存在聯(lián)系。因此，汽車后部分車身的

7、固有頻率n1可用下式表示 （2-2） 式中，前懸架的剛度（N/cm）；為前懸架的簧上質(zhì)量（kg）。 懸架的彈性特性為線性變化時，前懸架的靜撓度可用下式表示 （2-3） 式中，g為重力加速度, 。將代入得到 （2-4） 所以 =77.16mm 取后懸架靜撓度 （3）懸架的動撓度 懸架的動撓度是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允的最大變形時，車輪中心相對車架（或車身）的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動撓度，以防止在壞路面上行駛時經(jīng)常碰撞緩沖塊。對于貨

8、車 （2-5） 取懸架的動撓度 2.3懸架彈性特性 懸架受到的垂直外力F與由此所引起的車輪中心相對于車身位移f（即懸架的變形）的關(guān)系曲線，稱為懸架的彈性特性。 懸架的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。當懸架變形f與所受垂直外力F之間成固定的比例變化時，彈性特性為一直線，稱為線性彈性特性，此時懸架剛度為常數(shù)。鋼板彈簧非獨立懸架的彈性特性可視為線性的。 圖2-1 懸架彈性特性曲線示意圖 三．前懸架系統(tǒng)的設(shè)計 3.1前懸架系統(tǒng)設(shè)計 前懸架由前鋼板彈簧和減振器組成。 鋼板彈簧

9、中部用兩個U型螺栓固定在前橋上。彈簧兩端的卷耳孔中壓入襯套。前端卷耳用鋼板彈簧銷與前支架相連，形成固定的鉸鏈支點，與車架連起來；后端卷耳則通過鋼板彈簧吊耳銷與用鉸鏈掛在后支架上可以自由擺動的吊耳相連，與車架連起來。從而保證了彈簧變形時兩卷耳中心線間的距離有改變的可能。鋼板彈簧工作時，越靠近中間受到的彎曲力矩越大，為了充分利用材料并有足夠的強度和彈性，鋼片長度由上到下逐漸縮短。并且各片的彎度是不等的，鋼片越長彎度越小，這樣裝配后在工作時可以減小主片所受負荷，使各片負荷均勻接近。 減振器為液力雙作用筒式減振器。減振器在拉伸和壓縮過程中，通過復(fù)原閥和壓縮閥及其相應(yīng)的節(jié)流系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼力，從而使鋼板彈

10、簧的振動速度衰減以改善汽車的行駛平順性。減振器通過連接銷、上支架、下支架以及其橡膠襯套分別與車架和前軸連接。 3.2鋼板彈簧的布置方案 鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。后者因為要傳遞縱向力，必須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大，所以只在極少數(shù)汽車上應(yīng)用。縱置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結(jié)構(gòu)簡單，故選用在CA1040輕型貨車上。 縱置鋼板彈簧又有對稱與不對稱式之分。鋼板彈簧中部在車軸（橋）上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離若相等，則為對稱式鋼板彈簧；若不相等，則稱為不對稱式鋼板彈簧。CA1040貨車采用對稱式鋼板彈簧。 3.3鋼板彈簧主要參數(shù)的確定

11、（1）汽車軸距 汽車軸距是通過車輛同一側(cè)相鄰兩車輪的中點，并垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面的二垂線之間的距離。簡單的說，就是汽車前軸中心到后軸中心的距離。對于三軸以上的汽車，其軸距由從前到后的相鄰兩車輪之間的軸距分別表示，總軸距為各軸距之和。 =2500mm （2）滿載弧高 滿載弧高是指鋼板彈簧裝到車軸（橋）上，汽車滿載時鋼板彈簧主片上表面與兩端（不包括卷耳孔半徑）連線間的最大高度差。用來保證汽車具有給定的高度。 （2）. 鋼板彈簧長度L的確定 鋼板彈簧長度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。 L=0.35×=875mm （3）鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定 1）鋼板斷面寬度b的確定

12、 有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強度等，可按等截面簡支梁的計算公式計算，但需引入撓度增大系數(shù)δ加以修正。因此，可根據(jù)修正后的簡支梁公式計算鋼板彈簧所需要的總慣性矩。對于對稱鋼板彈簧： （3-1） 式中，s為U形螺栓中心距（mm）；k為考慮U形螺栓夾緊彈簧后的無效長度系數(shù)（剛性夾緊，取ks=0.5；撓性夾緊，取ks=0）；c為鋼板彈簧垂直剛度（N/mm），；δ為撓度增大系數(shù)（先確定與主片等長的重疊片數(shù)，再估計一個總片數(shù),求得，然后用初定δ）E為材料的彈性模量。 s=60mm; k=0; =71.83N/mm; E=200000MPa ，取，則，將其代

13、入求得 （4）鋼板彈簧總截面系數(shù) （3-2） =L-ks;=350MPa 初取 ， 取 b=10=38.530mm 推薦片寬與片厚的比值b/在6~10范圍內(nèi)選取。 (2).鋼板彈簧片厚h的選擇 根據(jù)總慣性矩 （3-3） ； 片厚h選擇的要求： 1）.增加片厚h，可以減少片數(shù)n 2）.鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不同兩種情況，希望盡可能采用前者但因為主片工作條件惡劣，為了加強主片及卷耳，也常將主片加厚，其余各片厚度稍薄。此時，要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過三組。 3.）為使各

14、片壽命接近又要求最厚片與最薄片厚度之比應(yīng)小于1.5。 4.）鋼板斷面尺寸b和h應(yīng)符合國產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。 查表確定b和h的值，使其符合國產(chǎn)型材規(guī)格尺寸，取b=50mm , h=7mm。 取各片片厚等厚：======7mm (3)鋼板斷面形狀 圖3-1 矩形斷面 3.4鋼板彈簧各片長度的確定 在選擇各葉片長度時，應(yīng)盡量使應(yīng)力在片間和沿片長的分布合理，以達到各片壽命接近并節(jié)省材料、減小板簧質(zhì)量的目的。 確定各葉片長度的方法有作圖法和計算法。用作圖法確定各片長度的方法是基于實際鋼板彈簧各葉片的展開圖接近梯形梁形狀這一原則來作圖的,先將各葉片厚度的立方值 按同一比

15、例尺沿縱坐標繪出，再沿橫坐標繪出主片長度之半(即L／2)和u形螺拴中心距之半(即s／2)，得A、B兩點。連接這兩點就得到三角形的鋼板彈簧展開圖。AB線與各葉片上側(cè)邊的交點即決定了各片長度。當有與主片等長的重疊片時，可將B點與最下一個重疊片的上側(cè)端點相連。該圖中實線所示的葉片長度是經(jīng)過圓整后的尺寸。 ,。其中，，s=60, mm,帶入得 a=805/6mm 代入計算并經(jīng)過圓整后分別是：（mm） 3.5 鋼板彈簧的剛度驗算 由于有關(guān)撓度增大系數(shù)δ、慣性矩Jo、片長和葉片端部形狀等的確定不夠準確，所以要驗算剛度。用共同曲率法來計算剛度。假定同一截

16、面上各片曲率變化值相同，各片所承受的彎矩正比于其慣性矩，同時該截面上各片的彎矩和等于外力所引起的彎矩。剛度驗算公式為 （3-4） 其中 （3-5） （3-6） （3-7） 式中，α—經(jīng)驗修正系數(shù)，α=0.90 E—材料的彈性模量，E=200000MPa 結(jié)果 km=88.7N/m 與前面計算所得的Km=71.83 N/mm 相差不大，因此無需修正。 3.6鋼板主彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算

17、 （1）鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端（不包括卷耳孔半徑）連線間的最大高度差，稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高Ho，用下式計算 （3-8） （2）鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑 (3-9) =880.9725mm 3.7鋼板彈簧主簧總成弧高的核算 根據(jù)最小勢能原理，鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢能總和最小狀態(tài)，由此可求得等厚葉片彈簧的Ri （3-10） R1=R0/(1-2×50×Rm/E

18、/h)= 898.8049mm R2=R0/(1-2×30×Rm/E/h)= 898.1882mm R3=R0/(1+2×10×Rm/E/h)=893.4889mm R4=R0/(1+2×15×Rm/E/h)=891.2137mm R5=R0/(1+2×25×Rm/E/h)= 882.7362mm R6=R0/(1+2×30×Rm/E/h)= 855.8863mm = （3-11） 由 得 = 106.9257mm 相差不大，驗算合格。 3.8鋼板彈簧的強度驗算 1.緊急制動時，前鋼板彈簧承受的載荷最大，在其后半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力

19、 （3-12） 式中—作用在后輪上的垂直靜載荷, G2=69200N —驅(qū)動時后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，=1.2 —道路附著系數(shù)，=0.8 b—鋼板彈簧片寬，b=90mm —鋼板彈簧前、后段長度,=437.5mm c—彈簧固定點到路面的距離,c=400mm Wo—鋼板彈簧總截面系數(shù), Wo=3464.2 σmax=848.4Mpa

20、經(jīng)阻尼孔時的摩擦和液體的粘性摩擦形成了減振阻力，將振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并散發(fā)到周圍的空氣中去，達到迅速衰減振動的目的。如果能量的耗散僅僅是在壓縮行程或者在伸張行程進行，則把這種減振器稱為單向作用式減振器；反之稱為雙向作用式減振器。后者因減振作用比前者好而得到廣泛應(yīng)用。 設(shè)計減振器時應(yīng)當滿足的基本要求是，在使用期間保證汽車的行駛平順性的性能穩(wěn)定；有足夠的使用壽命。 CA1040輕型貨車選用的是單筒式減振器。 單筒式減振器工作缸直徑D的確定 當減振器活塞振動速度達到一定值時，減振器即打開卸荷閥，此時活塞速度稱為卸荷速度 ，即 =0.3m/s。已知伸張行程時的阻尼系數(shù)近似為7500，則最大卸

21、荷力=7500×0.3=2500N 根據(jù)伸張行程的最大卸荷力Fo計算工作缸直徑D (4-1) 式中，[P]—工作缸最大允許壓力，[P]=4MPa Fo—最大卸荷力，F(xiàn)o=6000N λ—連桿直徑與缸筒直徑之比，λ=0.4 D=30.78mm 根據(jù)標準選用，詳見QC/T491-1999《汽車筒式減振器 尺寸系列及技術(shù)要求》 取D=30mm 連桿直徑d=0.4×30=12 mm 壁厚取2mm 五、結(jié)論 我的此次課程設(shè)計具體所作的工作主要有以下幾點： 1、 查閱了大量書籍和資料，對懸架結(jié)構(gòu)，尤其是鋼板彈簧懸架有了深

22、刻的研究。 2、計算出了懸架，鋼板彈簧，減振器的主要參數(shù)。 3、進行裝配圖的繪制。 4、完成說明書的編制。 經(jīng)過設(shè)計計算我學(xué)到的東西和需要注意的地方： (1)選擇合適的固有頻率，保證汽車有良好的行駛平順性，合適的衰減振動能力； (2)選擇合理的阻尼系數(shù)，保證減振器能起到很好的減振效果； (3)計算懸架各部件的強度，保證可靠的傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩； (4)根據(jù)計算的相關(guān)參數(shù)繪制懸架裝配圖； (5)編寫完成設(shè)計說明書。 在本次課程設(shè)計過程中，通過查閱相關(guān)的資料，運用專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，確定輕型貨車前懸架系統(tǒng)的設(shè)計方案，進行部件的設(shè)計計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。使我達到了綜

23、合運用所學(xué)知識分析汽車基本性能和部件設(shè)計的訓(xùn)練，為今后實際工作打下了基礎(chǔ)。 參考文獻 [1] 王望舒.汽車設(shè)計，第四版.吉林大學(xué)，2008.4 [2] 吳宗澤主編.機械設(shè)計師手冊. 北京:機械工程出版社,2002 [3] 王樹偉.MATLAB6.5輔助圖象處理.北京：電子工業(yè)出版社，2003. [4] 劉彥戎.張慧緣，李萬用.汽車標準匯編（第四卷）.中國汽車技術(shù)研究中心標準化研究所出版社，2000 [5] 龔為寒．汽車現(xiàn)代設(shè)計制造.北京：人民交通出版社，1995.8 [6] 顧柏良.汽車工程手冊（第1版）.北京理工文學(xué)出版社，1999 附錄：matla

24、b程序 %鋼板彈簧前懸架設(shè)計 %主簧設(shè)計 clear clc g=9.81; %重力加速度 n=1.8; %滿載自振頻率 Ls=2500; %軸距 E=200000; fc=(5/n)^2*10; %懸架靜撓度 Mw=1380; %滿載前軸載荷 Mo=1010; %空載前軸載荷 Mu=250;

25、 %簧下載荷 fd=1*fc; %懸架動撓度 fd=1*fc Fw=(Mw-Mu)*g/2; %滿載時單邊懸架載荷 Fo=(Mo-Mu)*g/2; %空載時單邊懸架載荷 C=Fw/fc; %彈簧剛度 L=0.35*Ls; %鋼板彈簧長度 s=60; %U型螺栓中心距 k=0;

26、 %U型螺栓夾緊彈簧后的無效長度系數(shù) Ow=350; %許用彎曲應(yīng)力 n0=6; %鋼板彈簧片數(shù) n1=1; %與主彈簧等長的重疊片數(shù) ne=n1/n0; d=1.5/(1.04*(1+0.5*ne)); %撓度增大系數(shù) J0=((L-k*s)^3*C*d)/(48*E); %總慣性矩 W0=Fw*L/(4*Ow); %鋼板彈簧總截面系數(shù) hp=2*J

27、0/W0; %鋼板彈簧的平均厚度 b0=10*hp; %初取鋼板彈簧片寬 h=(12*J0/(n0*b0))^(1/3); %初取鋼板彈簧片厚 B=50; %鋼板彈簧片寬 H=7; %鋼板彈簧片厚 l1=L; %鋼板彈簧長度 a=805/6; %l6=s+a;l6=l1-(6-1)a;

28、 l6=205; l=linspace(l6,l1,6) %各片長度數(shù)組 %剛度驗算 J=B*H^3/12; %J為各片慣性矩數(shù)組 Y=[1/J,1/(2*J),1/(3*J),1/(4*J),1/(5*J),1/(6*J),0] km=6*0.9*E/((l(6)/2-l(5)/2)^3*(Y(1)-Y(2))+(l(6)/2-l(4)/2)^3*(Y(2)-Y(3))+(l(6)/2-l(3)/2)^3*(Y(3)-Y(4))+(l(6)/2-l(2)/2)^3*(Y(4)-Y(5))+

29、(l(6)/2-l(1)/2)^3*(Y(5)-Y(6))+(l(6)/2)^3*(Y(6)-Y(7))) %km>ct合格 fa=20; %滿載弧高 H00=fc+fa+s*(3*L-s)*(fa+fc)/(2*L^2) %自由狀態(tài)下弧高 R0=L^2/(8*H00) %鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下曲率半徑 H0=[(l(6))^2/(8*R0),(l(5))^2/(8*R0),(l(4))^2/(8*R0),(l(3))^2/(8*R0),(l(2))^2/(8*R0),(l

30、(1))^2/(8*R0),] %每片彈簧弧高 o01=-50; o02=-30; o03=10; o04=15; o05=25; o06=30; %各片自由狀態(tài)下的曲率 Ri=[R0/(1+(2*o01*R0)/(E*H0(1))),R0/(1+(2*o02*R0)/(E*H0(2))),R0/(1+(2*o03*R0)/(E*H0(3))),R0/(1+(2*o04*R0)/(E*H0(4))),R0/(1+(2*o05*R0)/(E*H0(5))),R0/(1+(2*o06*R0)/(E*H0(6)))] %各片彈簧的弧高 Hi=[(l(6))^2/(8*Ri

31、(1)),(l(5))^2/(8*Ri(2)),(l(4))^2/(8*Ri(3)),(l(3))^2/(8*Ri(4)),(l(2))^2/(8*Ri(5)),(l(1))^2/(8*Ri(6))] Li=2*[l(1) l(2) l(3) l(4) l(5) l(6)] %各片的片長 R0=sum(Li)/sum(Li./Ri) H=L^2/(8*R0) %鋼板彈簧總成的弧高 m1=1.40; %驅(qū)動時后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù) L1=437.5,

32、L2=437.5; %鋼板彈簧前后段長度 P=0.8; %道路附著系數(shù) c=400; %彈簧固定點到路面的距離 h1=H; %鋼板彈簧主片厚度 Omax=((Mw-Mu)/2*g*m1*L2*(L1+P*c))/((L1+L2)*W0) %鋼板彈簧的強度驗算 Fx=Fw*P D=36 O=(3*Fx*(D+H))/(B*H^2)+Fx/(B*H)