【正文】 鋼板彈簧：由多片不等長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，縱向布置時還具有導(dǎo)向傳力的作用，非獨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)簡單。 （ 2） 螺旋彈簧：只具備緩沖作用，多用于轎車獨立懸掛裝置。由于上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 9 沒有減振和傳力的功能，還必須設(shè)有專門的減振器和導(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，同時還可調(diào)節(jié)車架的高度，適用于重型車輛和大客車使用。 （ 4） 扭桿彈簧：將用彈簧桿做成的扭桿一端固定于車架，另一端通過擺臂與車輪相連利用車輪跳動時扭桿的扭轉(zhuǎn)變形起到緩沖作用，適用于獨立懸掛使用。 （ 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)量儲能高于金屬彈簧的優(yōu)點，同時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?，F(xiàn)在汽車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。常見的種類有：簡式液力減振器 、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。汽車車身和車輪振動時，減振器內(nèi)的液體在流經(jīng)阻尼孔時的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動阻力，將振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并散發(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)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是在伸張行程進(jìn)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（論文） SJ汽車懸架 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，但是因為工作性能穩(wěn)定而在現(xiàn)代汽車上得到廣泛應(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、總長度短等優(yōu)點，在乘用車上得到越來越多的應(yīng)用。 現(xiàn)代汽車多采用筒式減振器，利用油液在小孔內(nèi)的節(jié)流作用來消耗振動能量。減振器的上端與車身或者車架相連，下端與車橋相連。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，它可將車輪與車身相對運(yùn)動的機(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。當(dāng)汽車在不平坦的道路上行駛，車身會發(fā)生振動，減振器 能迅速衰減車身的振動，利用本身的油液流動的阻力來消耗振動的能量。當(dāng)車架與車軸相對運(yùn)動時，減振器內(nèi)的油液會通過一些窄小的孔、縫等通道反復(fù)地從一個腔室流向另一個腔室，這時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車身振動的阻力，這種阻力工程上稱為阻尼力。阻尼力會將車身的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，并被油液和殼體所吸收。人們 為了更好地實現(xiàn)轎車的行駛平穩(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，有些汽車的減振器是可調(diào)式的，將阻尼分成兩級或三級，根據(jù)傳感器信號自動選擇所需要的阻尼級。 導(dǎo)向裝置 獨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。汽車上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ汽車懸架 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的懸架一般很軟，它可以提高汽車的平順性。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 控制車輪相對車身按設(shè)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動，并在車輪與車架之間傳遞力和力矩。 懸架的分類 根據(jù)汽車兩側(cè)車輪是否相關(guān)聯(lián)，分為非獨立懸架與獨立懸架兩種。 非獨立懸架 非獨立懸架其結(jié)構(gòu)特點是兩側(cè)的車輪由一根整體式車橋相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸架與車架 (或車身 )連接。當(dāng)一側(cè)車輪因道路不平而發(fā)生跳動時，必然引起另一側(cè)車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動，故稱為非獨立懸架。包括縱置板簧式非獨立懸架、螺旋彈簧非獨立懸架、空氣彈簧非獨立懸架和油氣彈簧非獨立懸架等。 獨立懸架 獨立懸架其結(jié)構(gòu)特點是車橋做成 斷開的，每一側(cè)的車輪可以單獨地通過彈性懸架與車架 (或車身 )連接，兩側(cè)車輪可以單獨跳動，互不影響，故稱為獨立懸架。包括橫臂式獨立懸架、縱臂式獨立懸架、車輪沿主銷移動的懸架、單斜臂式獨立懸架和橫向穩(wěn)定器等。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 12 2 懸架的設(shè)計 鋼板彈簧的設(shè)計 鋼板彈簧的布置方案 本文對貨車前懸架進(jìn)行了設(shè)計。 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，所以只在少數(shù)輕、微型車上應(yīng)用?？v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結(jié)構(gòu)簡單，故在汽車上得到 廣泛應(yīng)用。 縱置鋼板彈簧又有對稱式和不對稱式之分。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。多數(shù)情況下汽車采用對稱式鋼板彈簧。由于布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車上的安裝位置不動，又要改變軸距或者通過變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的，采用不對稱式鋼板彈簧。本文采用縱置對稱式。 鋼板彈簧的主要參數(shù)的確定 在進(jìn)行鋼板彈簧計算之前，應(yīng)當(dāng)知道下列初始條件：滿載靜止時汽車前、后軸（橋）負(fù)荷 G G2 和簧下部分荷重 Gu Gu2，并據(jù)此計算出單個鋼板彈簧的載荷： FW1=（ G1Gu1） /2 和 FW2=（ G2Gu2） /2，懸架的靜撓度 fc和動撓度 fd，汽車的軸距等。 彈簧上載荷 FW 它總是總體設(shè)計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）滿載弧高 fa 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 13 滿載弧高 fa 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 （圖 ） 。fa用來保證汽車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，鋼板彈簧在對稱位置上工作。為了在車架高度已限定時能得到足夠的動撓度值，常取 fa=10～ 20mm。 本論文取 fa=15mm。 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。增加鋼板彈簧 L 的長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，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，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長 些的鋼板彈簧，會在汽車上布置時產(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些。推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長度：轎車： L=（ ～ ） 軸距；貨車前懸架： 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（論文） SJ汽車懸架 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 J0。 對于對稱鋼板彈簧 ? ?? ? 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效長度系數(shù)（如剛性夾緊，取k=，撓性夾緊，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)（先確定與主片等長的重疊片數(shù) n1，再估計一個總片數(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用下式計算： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ汽車懸架 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)車身受側(cè)向力作用傾斜時，彈簧的扭曲應(yīng)力增大。前懸架用寬的彈簧片，會影響轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角。片寬 選取過窄，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 改變又會影上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 16 響到鋼板彈簧垂直度 c 的變化，也就是影響汽車的平順性變化。其中，片厚 h 的變化對鋼板彈簧總慣性距 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，但因為主片工作條件惡劣。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，要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過三組。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，在鋼板斷面的對稱位置上 （圖 ） 。工作時一面受拉應(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)力絕對值減小，而受壓應(yīng)力作用的一面的壓應(yīng)力絕對值增大，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。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ汽車懸架 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（兩個三角形）。將由兩個三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干片，然后按照長度大小不同依次排列、疊放到 一起，就形成接近實用價值的鋼板彈簧。實際上的鋼板彈簧不可能是三角形，因為為了將鋼板彈簧中部固定到車軸（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用意義。這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度，但長度不同。鋼板彈簧各片 長度就是基于實際鋼板各片展開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（論文） SJ汽車懸架 系統(tǒng) 的仿真與優(yōu)化 18 先將各片厚度 hi的立方值 h