【正文】 鋼板彈簧：由多片不等長(zhǎng)和不等曲率的鋼板疊合而成。安裝好后兩端自然向上彎曲。鋼板彈簧除具有緩沖作用外，還有一定的減振作用，縱向布置時(shí)還具有導(dǎo)向傳力的作用，非獨(dú)立懸掛大多采用鋼板彈簧做彈性元件，可省去導(dǎo)向裝置和減振器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 （ 2） 螺旋彈簧：只具備緩沖作用，多用于轎車(chē)獨(dú)立懸掛裝置。由于上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 9 沒(méi)有減振和傳力的功能，還必須設(shè)有專(zhuān)門(mén)的減振器和導(dǎo)向裝置。 （ 3） 油氣彈簧：以氣體作為彈性介質(zhì)， 液體作為傳力介質(zhì)。它不但具有良好的緩沖能力，還具有減振作用，同時(shí)還可調(diào)節(jié)車(chē)架的高度，適用于重型車(chē)輛和大客車(chē)使用。 （ 4） 扭桿彈簧：將用彈簧桿做成的扭桿一端固定于車(chē)架，另一端通過(guò)擺臂與車(chē)輪相連利用車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)扭桿的扭轉(zhuǎn)變形起到緩沖作用，適用于獨(dú)立懸掛使用。 （ 5） 橡膠彈簧： 它是利用橡膠本身的彈性工作的彈性元件，它可以承受壓縮和扭轉(zhuǎn)載荷，具有單位質(zhì)量?jī)?chǔ)能高于金屬?gòu)椈傻膬?yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還具有變剛度特性，且隔音性能好。但是它也有存在易老化、怕油污和行程小的缺點(diǎn)。現(xiàn)在汽車(chē)上的橡膠彈簧多用作懸架的副簧和緩沖和塊。 減振器 減振器具有衰減振動(dòng)的作用，懸架中用的最多的是內(nèi)部充有液體的液力式減振器。常見(jiàn)的種類(lèi)有：簡(jiǎn)式液力減振器 、搖臂式液力減振器、充氣式減振器和阻力可調(diào)式減振器等。汽車(chē)車(chē)身和車(chē)輪振動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑸l(fā)到周?chē)目諝庵腥?，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。如果能量的耗散僅僅是在壓縮行程或者是在伸張行程進(jìn)行，則把這種減振器稱(chēng)為單向作用式減振器；反之稱(chēng)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的應(yīng)用。 根據(jù)形式的不同，減振器分為搖臂式和 筒式兩種。雖然搖臂式減振器能在比較大的工作壓力（ 10～ 20MPa）條件下工作，但由于它的工作特性上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 10 受活塞磨損和工作溫度變化的影響而淘汰 ，筒式減振器工作壓力雖然僅為～ 5MPa，但是因?yàn)楣ぷ餍阅芊€(wěn)定而在現(xiàn)代汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。筒式減振器又分為單筒式、雙筒式和充氣筒式三種。雙筒充氣液力減振器具有工作性能穩(wěn)定、干摩擦阻力小、噪音低、總長(zhǎng)度短等優(yōu)點(diǎn)，在乘用車(chē)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。 現(xiàn)代汽車(chē)多采用筒式減振器，利用油液在小孔內(nèi)的節(jié)流作用來(lái)消耗振動(dòng)能量。減振器的上端與車(chē)身或者車(chē)架相連，下端與車(chē)橋相連。多數(shù)為壓縮和伸張行 程都能起作用的雙作用減振器。減振器是懸架的阻尼元件，它可將車(chē)輪與車(chē)身相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵夯蚰Σ帘砻娴臒崮懿⑸l(fā)出去。從而迅速衰弱振動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)在不平坦的道路上行駛，車(chē)身會(huì)發(fā)生振動(dòng)，減振器 能迅速衰減車(chē)身的振動(dòng)，利用本身的油液流動(dòng)的阻力來(lái)消耗振動(dòng)的能量。當(dāng)車(chē)架與車(chē)軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的油液會(huì)通過(guò)一些窄小的孔、縫等通道反復(fù)地從一個(gè)腔室流向另一個(gè)腔室，這時(shí)孔壁與油液間的摩擦和油液內(nèi)的分子間的摩擦形成了對(duì)車(chē)身振動(dòng)的阻力，這種阻力工程上稱(chēng)為阻尼力。阻尼力會(huì)將車(chē)身的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，并被油液和殼體所吸收。人們 為了更好地實(shí)現(xiàn)轎車(chē)的行駛平穩(wěn)性和安全性，將阻尼系數(shù)不固定在某一數(shù)值上，而是能隨汽車(chē)運(yùn)行的狀態(tài)而變化，使懸架性能總是處在最優(yōu)的狀態(tài)附近。因此，有些汽車(chē)的減振器是可調(diào)式的，將阻尼分成兩級(jí)或三級(jí)，根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇所需要的阻尼級(jí)。 導(dǎo)向裝置 獨(dú)立懸掛上的彈性元件，大多只能傳遞垂直載荷而不能傳遞縱向力和橫向力，必須另設(shè)導(dǎo)向裝置。如上、下擺臂和縱向、橫向穩(wěn)定器等。汽車(chē)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 11 懸架的彈性元件有鋼板彈簧，螺旋彈簧等輕型汽車(chē)的懸架一般很軟，它可以提高汽車(chē)的平順性。為減少傾斜并提高剛性，通常設(shè)置橫向穩(wěn)定桿。導(dǎo)向裝置可 控制車(chē)輪相對(duì)車(chē)身按設(shè)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并在車(chē)輪與車(chē)架之間傳遞力和力矩。 懸架的分類(lèi) 根據(jù)汽車(chē)兩側(cè)車(chē)輪是否相關(guān)聯(lián)，分為非獨(dú)立懸架與獨(dú)立懸架兩種。 非獨(dú)立懸架 非獨(dú)立懸架其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)的車(chē)輪由一根整體式車(chē)橋相連，車(chē)輪連同車(chē)橋一起通過(guò)彈性懸架與車(chē)架 (或車(chē)身 )連接。當(dāng)一側(cè)車(chē)輪因道路不平而發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，必然引起另一側(cè)車(chē)輪在汽車(chē)橫向平面內(nèi)擺動(dòng)，故稱(chēng)為非獨(dú)立懸架。包括縱置板簧式非獨(dú)立懸架、螺旋彈簧非獨(dú)立懸架、空氣彈簧非獨(dú)立懸架和油氣彈簧非獨(dú)立懸架等。 獨(dú)立懸架 獨(dú)立懸架其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是車(chē)橋做成 斷開(kāi)的，每一側(cè)的車(chē)輪可以單獨(dú)地通過(guò)彈性懸架與車(chē)架 (或車(chē)身 )連接，兩側(cè)車(chē)輪可以單獨(dú)跳動(dòng)，互不影響，故稱(chēng)為獨(dú)立懸架。包括橫臂式獨(dú)立懸架、縱臂式獨(dú)立懸架、車(chē)輪沿主銷(xiāo)移動(dòng)的懸架、單斜臂式獨(dú)立懸架和橫向穩(wěn)定器等。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 12 2 懸架的設(shè)計(jì) 鋼板彈簧的設(shè)計(jì) 鋼板彈簧的布置方案 本文對(duì)貨車(chē)前懸架進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 鋼板彈簧在汽車(chē)上可以縱置或者橫置。后者 因?yàn)橐獋鬟f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，所以只在少數(shù)輕、微型車(chē)上應(yīng)用?？v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故在汽車(chē)上得到 廣泛應(yīng)用。 縱置鋼板彈簧又有對(duì)稱(chēng)式和不對(duì)稱(chēng)式之分。鋼板彈簧中部在車(chē)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(duì)稱(chēng)式鋼板彈簧；若不相等，則稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)式鋼板彈簧。多數(shù)情況下汽車(chē)采用對(duì)稱(chēng)式鋼板彈簧。由于布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車(chē)上的安裝位置不動(dòng)，又要改變軸距或者通過(guò)變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的，采用不對(duì)稱(chēng)式鋼板彈簧。本文采用縱置對(duì)稱(chēng)式。 鋼板彈簧的主要參數(shù)的確定 在進(jìn)行鋼板彈簧計(jì)算之前，應(yīng)當(dāng)知道下列初始條件：滿(mǎn)載靜止時(shí)汽車(chē)前、后軸（橋）負(fù)荷 G G2 和簧下部分荷重 Gu Gu2，并據(jù)此計(jì)算出單個(gè)鋼板彈簧的載荷： FW1=（ G1Gu1） /2 和 FW2=（ G2Gu2） /2，懸架的靜撓度 fc和動(dòng)撓度 fd，汽車(chē)的軸距等。 彈簧上載荷 FW 它總是總體設(shè)計(jì)給定的軸荷減去估算的非簧載部分荷重，然后再求得每副彈簧上的載荷 FW。根據(jù)相關(guān)材料可得 FW=9500N。 1）滿(mǎn)載弧高 fa 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 13 滿(mǎn)載弧高 fa 是指鋼板彈簧裝到車(chē)軸（橋）上，汽車(chē)滿(mǎn)載時(shí)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 （圖 ） 。fa用來(lái)保證汽車(chē)兩端具有給定的高度。 圖 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 當(dāng) fa=0 時(shí)，鋼板彈簧在對(duì)稱(chēng)位置上工作。為了在車(chē)架高度已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值，常取 fa=10～ 20mm。 本論文取 fa=15mm。 2）鋼板彈簧長(zhǎng)度 L 的確定 鋼板彈簧長(zhǎng)度 L 是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。增加鋼板彈簧 L 的長(zhǎng)度能顯著降低彈簧應(yīng)力，提高使用壽命；降低彈簧剛度，改善汽車(chē)平順性；在垂直剛度 c 給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度。鋼板彈簧的縱向角剛度系數(shù)是指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時(shí)，作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值。增大鋼板彈簧縱向角剛度 的同時(shí)，能減少車(chē)輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長(zhǎng) 些的鋼板彈簧，會(huì)在汽車(chē)上布置時(shí)產(chǎn)生困難。原則上在總布置可能的條件下，應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些。推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長(zhǎng)度：轎車(chē)： L=（ ～ ） 軸距；貨車(chē)前懸架： L=（ ～ ） 軸距，后懸架： L=（ ～ ） 軸距。本文假定軸距 5000，故取 L=1450mm。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 14 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 有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強(qiáng)度等，可按等截面簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式計(jì)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(jiǎn)支梁公式 計(jì)算鋼板彈簧所需要的總慣性矩 J0。 對(duì)于對(duì)稱(chēng)鋼板彈簧 ? ?? ? EcksLJ 4830 ??? ?? ?????????????????? ? ? （ ） 式中， s 為 U 形螺栓中心距 (mm)； k 是為考慮 U 形螺栓夾緊彈簧后的無(wú)效長(zhǎng)度系數(shù)（如剛性?shī)A緊，取k=，撓性?shī)A緊，取 k=0）； c 為鋼板彈簧垂直剛度（ N/mm）。 c=FW/fC； δ為撓度增大系數(shù)（先確定與主片等長(zhǎng)的重疊片數(shù) n1，再估計(jì)一個(gè)總片數(shù) n0，求η =n1/n2，然后用δ =[(1+ )]出定δ）； E 為材料的彈性模量。 本論文對(duì)式（ ）中各參數(shù)取值如下： S=76mm； L=1400mm； K=； C=106N/mm； δ =（ n1=2， n0=8）； E= 105Mpa。 將上述各值代入式（ ）得 J0= 鋼板彈簧總截面系數(shù) W0用下式計(jì)算： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 15 ? ?? ? ? ?Ww ksLFW ?40 ?? ?? ????????????????? ? ? （ ） 式中 [δ W]為許用彎曲應(yīng)力。 對(duì)于 55SiMnVB 或 60Si2Mn 等材料，表面經(jīng)噴丸處理后，推薦 [δ W]在下列范圍內(nèi)取值：前彈簧和平衡懸架彈簧為 350～ 450N/mm2；后主簧為450～ 550N/mm2；后副簧為 220～ 250N/mm2。本文所使用的材料為 55SiMnVB，表面經(jīng)過(guò)噴丸處理，取 [δ W]=400N/mm2，已知 FW=9500N。 將各參數(shù)代入式（ ）得 W0≥ 將式（ ）代入下式計(jì)算鋼板彈簧平均厚度 hP： hP=2J0/W0=2 有了 hP以后，再選鋼板彈簧的片寬 b。增大片寬，能增加卷耳強(qiáng)度，但當(dāng)車(chē)身受側(cè)向力作用傾斜時(shí)，彈簧的扭曲應(yīng)力增大。前懸架用寬的彈簧片，會(huì)影響轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角。片寬 選取過(guò)窄，又得 增加片數(shù)，從而增加片間的摩擦和彈簧的總厚。推薦片寬與片厚的比值 b/hP在 6～ 10 范圍內(nèi)選取。 本文取 b/hP=8，可得 b=。 （ 2）鋼板彈簧片厚的 h 的選擇 矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性距 J0用下式計(jì)算： 1230 nbhJ ? ? ?????????????????????? ? ? （ ） 式中， n 為鋼板彈簧片數(shù)。 由式（ ）可得： h=。 由式（ ）可 知，改變片數(shù) n、片寬 b 和片厚 h 三者之一，都影響到總慣性距 J0的變化；再結(jié)合式（ ）可知，總慣性距 J0的 改變又會(huì)影上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 16 響到鋼板彈簧垂直度 c 的變化，也就是影響汽車(chē)的平順性變化。其中，片厚 h 的變化對(duì)鋼板彈簧總慣性距 J0的影響最大。增加片厚 h，可以減少片數(shù) n。鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不相同兩種情況，希望盡可能采用前者，但因?yàn)橹髌ぷ鳁l件惡劣。為了加強(qiáng)主片及卷耳，也常將主片加厚，其余各片厚度稍薄。此時(shí)，要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過(guò)三組。為使各片壽命接近又要求最厚片與最薄片厚度之比應(yīng)小于 。 最后，鋼板斷面尺寸 b 和 h 應(yīng)符合 國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸，故?。? b=75mm； h=9mm。 （ 3）鋼板斷面形狀的確定 矩形斷面鋼 板彈簧的中性軸，在鋼板斷面的對(duì)稱(chēng)位置上 （圖 ） 。工作時(shí)一面受拉應(yīng)力，另一面受壓應(yīng)力作用，而且上、下表面的名義拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的絕對(duì)值相等。因材料抗拉性能低于抗壓性能，所以在受拉應(yīng)力作用的一面首先產(chǎn)生疲勞斷裂。除矩形斷面以外的其它斷面形狀的葉片(圖 、 c、 d)，其中性軸均上移，使受拉應(yīng)力作用的一面的拉應(yīng)力絕對(duì)值減小，而受壓應(yīng)力作用的一面的壓應(yīng)力絕對(duì)值增大，從而改善了應(yīng)力在斷面上的分布狀況，提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度和節(jié)約近 10%的材料。本文采用 （圖 ） 的截面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 17 a)矩形截面 b)T 形截面 c)單面有拋物線邊緣斷面 d）單面有雙槽的斷面 圖 葉片斷面形狀 （ 4）鋼板彈簧片數(shù) n 片數(shù) n 少些有利于制造和裝配，并可以降低片間的干摩擦。改善汽車(chē)行駛平順性。但片數(shù)少了將使鋼板彈簧與等強(qiáng)度梁的差別增大，材料利用率變壞。多片鋼板彈簧一般片數(shù)在 6～ 14 片之間選取，本文選取鋼板彈簧的片數(shù)為 8 片。 鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的確定 片厚不變 寬度連續(xù)變化的單片鋼板彈簧是等強(qiáng)度梁，形狀為菱形（兩個(gè)三角形）。將由兩個(gè)三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干片，然后按照長(zhǎng)度大小不同依次排列、疊放到 一起，就形成接近實(shí)用價(jià)值的鋼板彈簧。實(shí)際上的鋼板彈簧不可能是三角形，因?yàn)闉榱藢摪鍙椈芍胁抗潭ǖ杰?chē)軸（橋）上和使兩卷耳處能可靠地傳遞力，必須使它們有一定的寬度，因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼板彈簧 （圖 ） 替代三角形鋼板彈簧才有真正的實(shí)用意義。這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度，但長(zhǎng)度不同。鋼板彈簧各片 長(zhǎng)度就是基于實(shí)際鋼板各片展開(kāi)圖接近梯形梁的形狀這一原則作圖的。首先假設(shè)各片厚度不同，則具體進(jìn)行步驟如下： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ汽車(chē)懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 18 先將各片厚度 hi的立方值 h