悬架设计科大解析.pptx

第六章 悬架设计 第六章第六章 悬架设计悬架设计-1 概概 述述-2 悬架结构形式分析悬架结构形式分析-3 悬架主要参数的确定悬架主要参数的确定-4 弹性元件的计算弹性元件的计算-5 独立悬架导向机构的设计独立悬架导向机构的设计- 减振器减振器-7 主动与半主动悬架系统主动与半主动悬架系统-1-1 概概 述述 一一 、主要作用、主要作用 传递车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩;缓和、抑制路面对车身的冲击和振动；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特 性。保证汽车的操纵稳定性。二二 、对悬架提出的设计要求、对悬架提出的设计要求 1）保证汽车有良好的行驶平顺性。2）具有合适的衰减振动能力。3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。4）汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯 时车身侧倾角要合适。5）有良好的隔声能力。）结构紧凑、占用空间尺寸要小。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。-2 -2 悬架结构形式分析悬架结构形式分析 一、非独立悬架和独立悬架一、非独立悬架和独立悬架 悬架 非独立悬架独立悬架两类 左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接 左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接 非独立悬架 独立悬架1 1、非独立悬架、非独立悬架 优点优点 纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置 结构简单制造容易维修方便工作可靠 缺点缺点 汽车平顺性较差高速行驶时操稳性差轿车不利于发动机、行李舱的布置应用应用：货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架货车、大客车的前、后悬架以及某些轿车的后悬架2、独立悬架、独立悬架 优点优点 簧下质量小；悬架占用的空间小；可以用刚度小的弹簧，改善了汽车行驶平顺性；由于有可能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下 降，又改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和 振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力。缺点缺点 结构复杂成本较高维修困难应用应用：轿车和部分轻型货车、客车及越野车轿车和部分轻型货车、客车及越野车 二、独立悬架结构形式分析二、独立悬架结构形式分析 分类分类双横臂式单横臂式双纵臂式单纵臂式单斜臂式麦弗逊式和扭转梁随动臂式悬架评价指标：悬架评价指标：1）侧倾中心高度）侧倾中心高度 侧倾中心位置高，它到车身质心的距离缩短，可使侧倾力臂及侧倾力矩小些，车身的侧倾角也会减小。但侧倾中心过高，会使车身倾斜时轮距变化大，加速轮胎的磨损。5）悬架占用的空间尺寸）悬架占用的空间尺寸 3）悬架侧倾角刚度）悬架侧倾角刚度4）横向刚度）横向刚度 1）侧倾中心高度）侧倾中心高度 2）车轮定位参数的变化）车轮定位参数的变化2）车轮定位参数的变化）车轮定位参数的变化 若主销后倾角变化大，容易使转向轮产生摆振；若车轮外倾角变化大，会影响汽车直线行驶稳定性，同时也会影响轮距的变化和轮胎的磨损速度。5）悬架占用的空间尺寸）悬架占用的空间尺寸 占用横向尺寸大的悬架影响发动机的布置和从车上拆装发动机的困难程度；占用高度空间小的悬架，则允许行李箱宽敞，而且底部平整，布置油箱容易。3）悬架侧倾角刚度）悬架侧倾角刚度 车厢侧倾角与侧倾力矩和悬架总的侧倾角刚度大小有关，并影响汽车的操纵稳定性和平顺性。4）横向刚度）横向刚度 悬架的横向刚度影响操纵稳定性。若用于转向轴上的悬架横向刚度小，则容易造成转向轮发生摆振现象。双横臂式（双叉式）独立悬架双横臂式（双叉式）独立悬架侧倾中心高度比较低；车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角均有变化；轮距变化小，轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较小，需用横向稳定器；横向刚度大；空间尺寸占用较多；结构复杂，前悬架用得较多。单横臂式独立悬架单横臂式独立悬架侧倾中心高度比较高；车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角变化大；轮距变化大，轮胎磨损速度快；悬架侧倾角刚度较大，可不需横向稳定器；横向刚度大；空间尺寸占用较少；结构简单，成本低，前悬架用得较少。单纵臂式独立悬架单纵臂式独立悬架侧倾中心高度比较低；主销后倾角变化大；轮距不变；悬架侧倾角刚度较小，需横向稳定器；横向刚度小；几乎不占用高度空间；结构简单，成本低；斜置单臂式独立悬架斜置单臂式独立悬架侧倾中心高度介于单横臂与单纵臂之间；主销定位参数有变化；轮距变化不大；悬架侧倾角刚度介于单横臂与单纵臂之间；横向刚度较小；几乎不占用高度空间；结构简单，成本低；多杆式独立悬架多杆式独立悬架侧倾中心高度比较低；车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角均有变化；轮距变化小，轮胎磨损速度慢；悬架侧倾角刚度较小，需用横向稳定器；横向刚度大；空间尺寸占用较多；结构复杂，前悬架用得较多。滑柱摆臂式独立悬架（麦弗逊式或支柱式）滑柱摆臂式独立悬架（麦弗逊式或支柱式）侧倾中心高度比较高；车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角变化小；轮距变化很小；悬架侧倾角刚度较大，可不需横向稳定器；横向刚度大；空间尺寸占用较少；结构简单，紧凑，轿车用得较多。扭转梁随动臂式独立悬架（随动转向臂式）扭转梁随动臂式独立悬架（随动转向臂式）侧倾中心高度比较低；车轮定位参数在左右轮同时跳动时不变；轮距不变；悬架侧倾角刚度较大，不需横向稳定器；横向刚度大；占用空间小；结构简单，用于FF乘用车的后悬架；悬架 双横臂式单横臂式单纵臂式单斜臂式麦弗逊式扭转梁随动臂式侧倾中心高比较低比较高比较低居单横臂和单纵臂之间比较高比较低车轮定位参数的变化车轮外倾角与主销内倾角均有变化车轮外倾角与主销内倾角变化大主销后倾角变化大有变化变化小左、右轮同时跳动时不变轮距变化小，轮胎磨损速度慢变化大，轮胎磨损速度快不变变化不大变化很小不变悬架侧倾角刚度较小，需用横向稳定器较大，可不装横向稳定器较小，需用横向稳定器居单横臂式和单纵臂式之间较大，可不装横向稳定器横向刚度横向刚度大横向刚度小 横向刚度较小横向刚度大占用空间尺寸占用较多占用较少几乎不占用高度空间占用的空间小其它结构复杂前悬架用得较多结构简单、成本低，前悬架上用得少结构简单、成本低结构简单、紧凑，轿车上用得较多结构简单，用于发动机前置前轮驱动轿车后悬架各种独立悬架的比较各种独立悬架的比较三、前、后悬架方案的选择三、前、后悬架方案的选择采用的方案采用的方案 前轮和后轮均采用非独立悬架；前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；前轮与后轮均采用独立悬架。1、前轮和后轮均采用非独立悬架、前轮和后轮均采用非独立悬架 前、后悬架均采用纵置钢板弹簧非独立悬架的汽车转向行驶时，内侧悬架处于减载而外侧悬架处于加载状态，于是内侧悬架受拉抻，外侧悬架受压缩，结果与悬架固定连接的车轴（桥）的轴线相对汽车纵向中心线偏转一角度。对前轴，这种偏转使汽车不足转向趋势增加对后桥，则增加了汽车过多转向趋势 轿车将后悬架纵置钢板弹簧的前部吊耳位置布置得比后边吊耳低，于是悬架的瞬时运动中心位置降低，与悬架连接的车桥位置处的运动轨迹如b所示，即处于外侧悬架与车桥连接处的运动轨迹是oa段，结果后桥轴线的偏离不再使汽车具有过多转向的趋势。改进措施2、前轮和后轮均采用独立悬架前轮和后轮均采用独立悬架（1）前悬架：麦佛逊式；）前悬架：麦佛逊式；螺旋弹簧套装在减桭器外部下摆臂球头伸到轮辋空间内结构紧凑制动稳定性好可以形成负主销偏移距发动机前置前轮驱动的乘用车的一般布置：发动机前置前轮驱动的乘用车的一般布置：麦佛逊前悬架扭转随动后悬架麦佛逊前悬架扭转随动后悬架（2）后悬架：扭转随动式）后悬架：扭转随动式随动转向原理随动转向原理FF1F2FF1F2变形方向变形方向变形方向变形方向侧向力侧向力剖面线区剖面线区为橡胶，为橡胶，填充区为填充区为刚性钢板刚性钢板后轴转向后轴转向增加不足转向趋势增加不足转向趋势2.缓冲块缓冲块 橡胶制造，通过硫化将橡胶与钢板连接为一体，再经焊在钢板上的螺钉将缓冲块固定到车架（车身）或其它部位上，起到限制悬架最大行程的作用 多孔聚氨指制成，它兼有辅助弹性元件的作用。这种材料起泡时就形成了致密的耐磨外层，它保护内部的发泡部分不受损伤。由于在该材料中有封闭的气泡，在载荷作用下弹性元件被压缩，但其外廓尺寸增加却不大，这点与橡胶不同。有些汽车的缓冲块装在减振器上。四、辅助元件四、辅助元件1.横向稳定器横向稳定器通过减小悬架垂直刚度，能降低车身振动固有频率n ,达到改善汽车平顺性的目的。-3-3 悬架主要参数的确定悬架主要参数的确定 一、前后悬架的静挠度、动挠度的选择一、前后悬架的静挠度、动挠度的选择汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即fc=Fw/c。1、概念、概念1)静挠度静挠度指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。2)动挠度动挠度1 1）使悬架系统有较低的固有频率）使悬架系统有较低的固有频率式中，c1、c2为前、后悬架的刚度；m1、m2为前、后悬架的簧上质量。汽车前、后部分的固有频率n1和n2（亦称偏频）2、选择要求及方法、选择要求及方法2 2）n n1 1与与n n2 2的匹配要合适的匹配要合适3 3）f fd d要合适要合适,根据不同的车和不同路面条件选择根据不同的车和不同路面条件选择1 1）、悬架系统的固有频率）、悬架系统的固有频率 当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可用下式表示fc1=m1g/c1 fc2=m2g/c2 将fc1、fc2代入希望fc1与fc2要接近，但不能相等（防止共振）希望fc1fc2(从加速性考虑，若fc2大，车身的振动大）2 2）、）、n n1 1与与n n2 2的匹配的匹配若汽车以较高车速驶过单个路障，n1/n21时的车身纵向角振动要比n1/n21时小，故推荐取fc2=（0.80.9）fc1。考虑到货车前、后轴荷的差别和驾驶员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值，推荐fc2=（0.0.8）fc1。为了改善微型轿车后排乘客的乘坐舒适性，有时取后悬架的偏频低于前悬架的偏频。v要求：要求：v方法：方法：3 3）、）、f fd d要合适，根据不同的车和不同路面条件选择要合适，根据不同的车和不同路面条件选择要求悬架有足够的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。乘用车：fd=7-9cm;客车：5-8cm;货车：-9cm二、悬架的弹性特征二、悬架的弹性特征悬架受到垂直外力F与由此所引起的车轮中心相对于在车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线。1)线性弹性特性线性弹性特性定义定义:当悬架变形f与所受垂直外力F之间呈固定比例变化时，弹 性特性为一直线，此时悬架刚度为常数。悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种1、定义、定义2、分类、分类特点特点：随载荷的变化，平顺性变化2)非线性弹性特性非线性弹性特性定义定义：当悬架变形f与所受垂直外力F之间不呈固定比例变化时 1缓冲块复原点 2复原行程缓冲块脱离支架3主弹簧弹性特性曲线 4复原行程 5压缩行程缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线 7缓冲块压缩时开始接触弹性支架8额定载荷特点特点在满载位置（图中点8）附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好 距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大 作用作用在有限的动挠度fd范围内，得到比线性悬架更多的动容量 悬架的动容量系指悬架从静载荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功（悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小）空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架。乘用车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。三、货车后悬的主、副簧的刚度匹配三、货车后悬的主、副簧的刚度匹配车身从空载到满载时的振动频率变化要小，以保证汽车有良好的平顺性 副簧参加工作前、后的悬架振动频率变化不大 确定方法确定方法 使副簧开始起作用时的悬架挠度fa等于汽车空载时悬架的挠度f0，而使副簧开始起作用前一瞬间的挠度fK等于满载时悬架的挠度fc。副簧、主簧的刚度比为 使副簧开始起作用时的载荷等于空载与满载时悬架载荷的平均值，即FK=0.5（F0+FW），并使F0和FK间平均载荷对应的频率与FK和FW间平均载荷对应的频率相等，此时副簧与主簧的刚度比为 ca/cm=（2-2）/（+3）。四、悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配四、悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配 侧倾角刚度的大小影响到侧倾角，侧倾角过大过小都不好：侧倾角刚度的大小影响到侧倾角，侧倾角过大过小都不好：过小会感知不到侧翻的潜在危险；过大则感觉太不安全，不舒适。前后悬架的角刚度匹配要考虑汽车的转向特性：前后悬架的角刚度匹配要考虑汽车的转向特性：为满足汽车的不足转向特性，一般使前悬架的角刚度为后悬架角刚度的1.42.倍，使得前轮的侧偏角大于后轮的侧偏角。-4-4 弹性元件的计算弹性元件的计算 一、钢板弹簧的计算一、钢板弹簧的计算（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算（八）其他：材料、工艺等（八）其他：材料、工艺等（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置纵置或横置横置：没办法传递纵向力，需设置附设的导向机构，很少采用。纵置分为：对称式与非对称式 一般为对称式，在需要改变轴距而又不想改变弹簧位置的情况下采用非对称式。（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定 满载静止时前后轴负荷G1,G2 簧下质量Gu1,Gu2 单个钢板弹簧的载荷为：Fw1=(G1-Gu1)/2 Fw2=(G2-Gu2)/2 悬架的静挠度，动挠度，U型螺栓中心距 汽车轴距La计算所需的已知条件主要参数1、满载弧高fa 2、钢板弹簧长度L3、钢板断面尺寸及片数（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳半径）连线间的最大高度差。fa用来保证汽车具有给定的高度。当fa=0时，钢板弹簧在对称位置上工作，为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取fa=1020mm。1、满载弧高、满载弧高fa 2、钢板弹簧长度、钢板弹簧长度L的确定的确定钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。推荐推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度：轿车：L=（0.400.55）轴距；货车:前悬架：L=（0.20.35）轴距；后悬架：L=（0.350.45）轴距。尽可能将钢板弹簧取长些的原因尽可能将钢板弹簧取长些的原因增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命 降低弹簧刚度，改善汽车平顺性 在垂直刚度c 给定的条件下，能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度(刚板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值)增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引 起的弹簧变形 3、钢板断面尺寸及片数的确定、钢板断面尺寸及片数的确定1）.钢板断面宽度钢板断面宽度b的确定的确定（1）根据简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩J0。J0=（L-ks）3c/48Es为U形螺栓中心距（mm）；k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取k=0.5，挠性夹紧，取k=0）；c为钢板弹簧垂直刚度（N/mm），c=FW/fc；（2）钢板弹簧总截面系数W0 W0FW（L-ks）/4W （3）计算钢板弹簧的平均厚度hp片宽片宽b对汽车性能的影响对汽车性能的影响增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦、弹簧的总厚 推荐片宽与片厚的比值b/hp在10范围内选取。（4）根据hp，选钢板弹簧的片宽b。2）.钢板弹簧片厚钢板弹簧片厚h的选择的选择 矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩J0=nbh3/12 片厚h选择的要求增加片厚h，可以减少片数n 钢板弹簧各片厚度可能有相同和不同两种情况，希望尽可能采用前者 但因为主片工作条件恶劣，为了加强主片及卷耳，也常将主片加厚，其余各片厚度稍薄。此时，要求一副钢板弹簧的厚度不宜超过三组。为使各片寿命接近又要求最厚片与最薄片厚度之比应小于1.5。钢板断面尺寸b和h应符合国产型材规格尺寸。（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定 将各片厚度hi的立方值hi3按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上；沿横坐标量出主片长度的一半L/2和U形螺栓中心距的一半s/2，得到A、B两点，连接A、B即得到三角形的钢板弹簧展开图；AB线与各叶片上侧边的交点即为各片长度，如果存在与主片等长的重叠片，就从B点到最后一个重叠片的上侧边端点一直线，此直线与各片上侧边的交点即为各片长度；各片实际长度尺寸需经圆整后确定。（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算 其中 式中，a为经验修正系数，a=0.900.94；E为材料弹性模量；l1、lk+1为主片为第（k+1）片的一半长度。（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下（五）钢板弹簧总成在自由状态下 的弧高及曲率半径计算的弧高及曲率半径计算1）钢板弹簧）钢板弹簧总成总成在自由状态下的弧高在自由状态下的弧高H0 及曲率半径及曲率半径R0H0：钢板弹簧各片装配后，在预压缩和钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U形螺栓夹紧前，其主形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差，片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0H0=（fc+fa+f）fc为静挠度；fa为满载弧高；f为钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高变化。s为U形螺栓中心距；L为钢板弹簧主片长度。R0：钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径R0=L2/8H0（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算2）钢板弹簧各片）钢板弹簧各片自由状态自由状态下曲率半径下曲率半径Ri的确定的确定 将各片弹簧自由曲率半径做成不等的目的：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴紧，减少主片的工作应力。为何还要确定自由状态下的曲率半径为何还要确定自由状态下的曲率半径Ri，用总成的曲率半径行不行？用总成的曲率半径行不行？加预应力的矩形断面钢板弹簧在装配前各片曲率半径：Ri=R0/1+(20iR0)/Ehi 各片弹簧预应力怎么加？各片弹簧预应力怎么加？（a）保证装配前各片弹簧片间间隙相差不大，且装配后各片能很好贴和；（b）为保证主片及一其相邻的长片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。（c）满足各片弹簧在根部处预应力所造成的弯矩之代数和等于零。从主片开始：300350MPa300350MPa3）自由状态下各片的弧高）自由状态下各片的弧高Hi的确定的确定 HiLi2/8Ri（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算 核算钢板弹簧总成的弧高的目的：由于钢板弹簧叶片在自由状态下的曲率半径是经选取预应力后计算的，装配后钢板弹簧总成的孤高计算的结果会不同。等厚叶片弹簧的曲率半径R0的计算 钢板弹簧总成弧高注意：用上式与用式H0=（fc+fa+f）计算的结果应相近。如相差较多，可经重新选用各片预应力再行核算。（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算上机作业上机作业钢板弹簧设计钢板弹簧设计 为某微型商用车设计后钢板弹簧悬架。已知参数：总质量为某微型商用车设计后钢板弹簧悬架。已知参数：总质量 ma为为1310kg，整备质量，整备质量 mo为为95kg。空载时。空载时 前轴载荷前轴载荷 为为4250N,后轴载荷后轴载荷为为2700N；满载时前轴载荷为满载时前轴载荷为5750N，后轴载荷为，后轴载荷为7350N；前、后悬架前、后悬架非簧载质量分别为非簧载质量分别为500N和和90N。汽车轴距。汽车轴距L2200mm,骑马螺栓中心骑马螺栓中心距距 S=70mm,满载时偏频满载时偏频 n=1.51.7 H z。叶片断面尺寸按以下几种型。叶片断面尺寸按以下几种型材规格选取：材规格选取：hb=5；75；85；3；73；83；70；770；870。要求：要求：1）用作图法确定钢板弹簧各片长度（按）用作图法确定钢板弹簧各片长度（按 1:5 的比例作图）；的比例作图）；2）用）用TC编程并上机调试；编程并上机调试；3）根据程序，输入已知参数，确定钢板弹簧叶片断面尺寸，片数，并计）根据程序，输入已知参数，确定钢板弹簧叶片断面尺寸，片数，并计算钢板弹簧总成刚度。算钢板弹簧总成刚度。4）输出调试结果。）输出调试结果。5）作业提交内容：初步计算结果；确定钢板长度的绘图；输出结果。）作业提交内容：初步计算结果；确定钢板长度的绘图；输出结果。（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算 （分两种工况）（分两种工况）1、紧急制动时 前钢板弹簧承受的载荷最大，在它的后半段出现的最大应力max=G1m1l2（l1+c）/（l1+l2）W0 式中，G1为作用在前轮上的垂直静负荷；m1为制动时前轴负荷转移系数，l1、l2为钢板弹簧前、后段长度；道路附着系数，取0.8；W0为钢板弹簧总截面系数；c为弹簧固定点到路面的距离。（一）钢板弹簧的布置（一）钢板弹簧的布置（二）钢板弹簧主要参数的确定（二）钢板弹簧主要参数的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（三）钢板弹簧各片长度的确定（四）钢板弹簧刚度验算（四）钢板弹簧刚度验算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（五）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（六）钢板弹簧总成弧高的核算（七）钢板弹簧强度验算（七）钢板弹簧强度验算max=G2m2l1（l2+c）/（l1+l2）W0+G2m2/bh1 式中，G2为作用在后轮上的垂直静负荷；m2为驱动时后轴负荷转移系数，轿车：m2=1.251.30，货车：m2=1.11.2；为道路附着系数；b为钢板弹簧片宽；h1为钢板弹簧主片厚宽。2、汽车驱动时 后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力3、钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度核算（1）卷耳强度计算）卷耳强度计算卷耳所受应力由弯曲应力和拉（压）应力合成=3Fx（D+h1）/bh12 +Fx/bh1 式中，Fx为沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力；D为卷耳内径；b为钢板弹簧宽度；h1为主片厚度。钢板弹簧主片卷耳受力（2 2）钢板弹簧销的强度计算：）钢板弹簧销的强度计算：钢板弹簧销受到挤压应力 z=Fs/bd 其中，Fs为满载静止时钢板弹簧端部的载荷；b为卷耳处叶片宽；d为钢板弹簧销直径。（八）其他（八）其他v材料：55SiMnVB钢或0Si2Mnv工艺：表面喷丸2、少片弹簧、少片弹簧1、钢板弹簧的材料及处理工艺、钢板弹簧的材料及处理工艺二、扭杆弹簧二、扭杆弹簧1、扭杆直径2、扭杆有效长度3、扭杆直径、扭杆直径d，有效长度，有效长度L与扭转刚度与扭转刚度Cn的关系的关系d增大，Cn增大，悬架刚度C与Cn成正比，平顺性变差；d也不能随便减少，必须满足强度要求；L增大，Cn减少，C减少，悬架平顺性改善；L不能过长，过长在整车上布置困难，宜采用组合式扭杆。-5 -5 独立悬架导向机构的设计独立悬架导向机构的设计 一、设计要求一、设计要求1 1、前悬导向机构、前悬导向机构1)悬架上载荷变化时，保证轮距变化不超过4.Omm，轮距变化大会引起轮胎早期磨损。2)悬架上载荷变化时，前轮定位参数要有合理的变化特性，车轮不应产生纵向加速度。3)汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小。在04g侧向加速度作用下，车身侧倾角不大于7，并使车轮与车身的倾斜同向，以增强不足转向效应。4)汽车制动时，应使车身有抗前俯作用；加速时，有抗后仰作用。2 2、后悬导向机构、后悬导向机构1)悬架上的载荷变化时，轮距无显著变化。2)汽车转弯行驶时，应使车身侧倾角小，并使车轮与车身的倾斜反向，以减小过多转向效应。二、导向机构的布置参数二、导向机构的布置参数 1 1侧倾中心侧倾中心 侧倾轴线应大致与地面平行，且尽可能离地面高些。2.侧倾轴线侧倾轴线前悬架的侧倾中心高度受到允许的轮距变化的限制：侧倾中心高度太高，轮距变化大。实际独立悬架车辆的侧倾中心高度：前悬架0120mm；后悬架80150mm。使得在曲线行驶时前、后轴上的轴荷变化接近相等，从而保证中性转向特性。平行尽可能高使车身的侧倾限制在允许的范围内。3纵倾中心纵倾中心 4抗制动纵倾性抗制动纵倾性(抗制动前俯角抗制动前俯角)抗制动纵倾性可减小制动时汽车车头的下沉量和车尾的抬高量。只有当前后悬架的纵倾中心位于两车轴之间时，这一性能方可实现。反映制动时车身前俯程度f1,f2的推导f10时，无前俯现象f10时，发生前俯现象汽车重心高度h,制动力分配系数,轴距 L 已知时，纵倾中心高度e1,e2 的选择有助于汽车抗制动前俯现象的发生。表征抗制动前俯的指标表征抗制动前俯的指标抗前俯率抗前俯率d对乘用车，d 5070三、麦弗逊式独立悬架导向机构设计三、麦弗逊式独立悬架导向机构设计 以G点为支点，求力F4:F4(b+c)=F1a以导向套为支点，求力F3:F3(d-c)=F4d F3=F1ad/(b+c)(d-c)力F3越大，则作用在导向套上的摩擦力 F3f 越大(f为摩擦因数)，这使得推活塞杆下落所需的垂直力变大，影响平顺性。在保持减振器轴线不变的条件下，常将在保持减振器轴线不变的条件下，常将G G点外伸至车轮内部，为什么？点外伸至车轮内部，为什么？既可以达到缩短尺寸的目的，又可获得较小的甚至是负的主销偏移距，提高制动时的方向稳定性。F3b+ca或悬架占用空间增加，在布置上有困难采用增加减振器轴线倾斜度的方法，可达到减小尺寸的目的，但也存在布置困难的问题。F3=F1ad/(b+c)(d-c)将弹簧和减振器的轴线相互偏移距离s，再考虑到弹簧轴向力F的影响，则作用到导向套上的力将减小，可用下式计算1）增加距离s，有助于减小作用到导向套上的横向力F3。2）为了发挥弹簧反力减小横向力F3的作用，还将弹簧下端布置得尽量靠近车轮，从而造成弹簧轴线及减振器轴线成一角度。麦弗逊式悬架中，主销轴线、滑柱轴线麦弗逊式悬架中，主销轴线、滑柱轴线和弹簧轴线不共线的主要原因和弹簧轴线不共线的主要原因一、分类：汽车悬架系统多采用筒式液力减振器。筒式液力减振器。又分为单向作用减振器，双向作用减振器。又分为单向作用减振器，双向作用减振器。工作原理工作原理：当车架（或车身）和车桥间受振动出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，使汽车振动能量转化为油液热能，再由减振器吸收散发到大气中。- 减振器减振器 二、阻尼比(相对阻尼系数）值取大，能使振动迅速衰减，但会把路面较大的冲击传递到车身，值取小，振动衰减慢，受冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒服。为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比设计得比伸张小。为减振器阻尼系数c为悬架系统垂直刚度ms为簧上质量 阻力速度特性曲线 -7-7 主动与半主动悬架系统主动与半主动悬架系统 1 主动悬架系统主动悬架系统 主动悬架中不再有传统意义上的“弹簧刚度”和“阻尼特性”，悬架中的弹簧和减振器全部或者至少部分被执行元件所取代。基本原理基本原理是靠自身的能源通过执行元件对振动进行“主动”干预。分类：分类：根据执行元件的响应带宽可分为宽带主动悬架和有限带宽主动悬架两种，两种悬架又分别称为全主动悬架和慢主动悬架。主动与被动悬架系统演示1）全主动悬架全主动悬架概念：概念：全主动悬架系统所采用的执行元件具有较宽的响应频带，以便对车轮的高频共振也加以控制。执行元件多采用电液或液气伺服系统，控制带宽一般应至少覆盖015Hz，有的执行元件响应带宽甚至高达100Hz。全主动悬架工作原理的示意图(单个车轮)A-执行元件 E-比较器 F-力传感器 P-电位器 V-控制阀1-悬挂质量 2-加速度传感器 3-信号处理器 4-控制单元 5-进油 -出油 7-非悬挂质量 8-路面输入 系统主要由执行元件、各种必要的传感器、信号处理器和控制单元等组成。控制单元根据检测到的各种信号判断汽车的当前状态，并根据事先设定的控制策略决定执行元件该输出多大的力。系统内部靠力闭环控制保证执行元件输出的力满足指令要求。实际使用时，还必须包括更多的传感器以检测必要的系统状态量，比如转向时与汽车运动相关的横向加速度、方向盘角速度，还有汽车车速、发动机油门开度、制动踏板位置以及汽车车身高度等系统状态量。系统工作原理及过程主动悬架布置图 1-悬架位移传感器 2-后悬架执行元件3-车门开关传感器4-隔离阀 5-前悬架执行元件-控制阀 7-液压泵 8-油门位置传感器 9-车速传感器 10-控制踏板位置传感器 11-方向盘传感器 12-中央控制单元 性能指标评价标准性能指标评价标准主动悬架的性能指标可以用多个系统输出变量的均方根值的加权和来表征。这些变量可以包括车身加速度、车轮与地面间的动载、车轮相对于车身的位移以及执行元件的作用力等。系统的控制变量也比传统的被动悬架要多，并且参数的选择范围也更宽。主动悬架特点 要求执行元件所产生的力能够很好地跟踪任何力控制信号 因此，它为控制律的选择提供了一个广阔的设计空间，即如何确定控制律以使系统能够让车辆达到最佳的总体性能。研究表明，主动悬架能够在不同路面及行驶条件下显著地提高车辆性能。2）慢主动悬架慢主动悬架 慢主动悬架将执行元件的频响带宽降低到只考虑车身的垂直、俯仰和侧倾振动以及汽车的转向反应，不考虑车轮刚度所对应的频率，也即带宽降至34Hz。它与前述的主动悬架在被测状态量和控制实施等方面都有类似，唯一的差异就是执行元件带宽的降低。一类为当其不起作用(激励频率超过响应带宽)时可以像普通弹簧一样工作，比如气压执行元件，在这种情况下由于执行元件可以支持车身的重量，所以系统中可以不加弹簧或并联一个弹簧。另一类为不起作用时变为刚性体的执行元件，如滑阀控制的液力作动器，在这种情况下系统中必须串联弹性元件 在慢主动悬架中，可以选用两类执行元件轿车用慢主动悬架原理图 1-悬挂质量2-空气弹簧3-阻力阀4-比例流量控制阀5-接油泵-接油罐 7-轮胎刚度8-非悬挂质量 9-执行元件 慢主动悬架特点由于慢主动悬架执行元件仅需在一窄带频率范围内工作，降低了系统的成本及复杂程度。比全主动悬架便宜得多。它的主动控制仍然覆盖了主要的车身振动，包含纵向、俯仰、侧倾及转向控制等要求的频率范围，改善了车身共振频率附近的行驶性能，提高了对车身姿态的控制。性能可达到与全主动悬架系统很接近的程度。就实用性及商业竞争力而言，慢主动悬架有较好的应用前景。2 半主动式悬架 与主动悬架的比较半主动悬架与主动悬架的区别在于用可控阻尼的减振器取代了执行元件。可控阻尼减振器所起的作用与主动悬架中执行元件的作用类似，都是通过系统内的力闭环控制实现控制单元提出的力要求。所不同的是执行元件要做功，而减振器则是通过调节阻尼力控制耗散掉的能量的多少，几乎不消耗汽车发动机的能量。显然，在半主动悬架中，必须并联弹簧以支持悬挂质量，一般情况下该弹簧刚度是不变的。半主动悬架不需要油泵、过滤器、储油器、冷却器及输油管等附件，几乎不消耗发动机功率，并且制造可控阻尼减振器不像制造电液伺服液力执行元件那样复杂，悬架系统的制造成本和运行成本可大大降低。分类分类半主动悬架包括阻尼连续可调式和可切换阻尼式两类，前者的阻尼系数在一定的范围内可以连续变化，后者的阻尼系数只能在几个离散的阻尼值之间进行切换。各自特点各自特点可切换阻尼系统与前面介绍的阻尼可调自适应悬架的区别在于阻尼值停留在特定设置的时间长短不同。阻尼可调自适应悬架在每一设置上停留的时间较长(一般在5s以上)而可切换阻尼式悬架的设置则可在每一车辆振动周期变化范围内在频繁地改变(切换速度为十几毫秒)。常见的可切换阻尼式悬架一般设置2至3个档位，阻尼系数可在几档之间快速切换，切换的时间通常为1020S。控制方法通常采用Karnopp等提出的算法，即根据车身的相对速度和绝对速度来改变系统阻尼的设置。以两挡切换系统为例，如果二者符号相同，阻尼为硬设置；否则为软设置。可切换阻尼悬架的设计关键是发展先进的控制阀技术，保证切换时间能足够短，以便使复杂的控制策略的应用成为可能。但这也将导致阻尼器的制造成本升高，目前这种快速切换阻尼系统在实际应用中仍不多见。可切换阻尼式悬架应用可切换阻尼式悬架应用连续可调减振器的两种基本结构形式连续可调减振器的两种基本结构形式 一种是通过调节减振器节流阀的面积而改变阻尼特性的孔径调节式，其孔径的改变一般可由电磁阀或其它类似的机电式驱动阀来实现；另一种是电流变或磁流变可调阻尼器，其工作原理是通过