【正文】 1 第 1 章 緒 論 課題的背景和意義 目前，礦用防爆車是礦藏開采行業(yè)迫切需要的生產(chǎn)設(shè)備之一，國(guó)內(nèi)大型礦藏井下運(yùn)輸車輛 (包括人員運(yùn)送車、貨運(yùn)車輛 )主要為 4x2 防爆車輛，還有 3000 輛以上非防爆車輛。從 2021 年 4 月起，國(guó)家安全監(jiān)督局己下文明令禁止井下使用非防爆車輛。由于井下道路狀況較差，形同越野路面，礦用越野防爆車對(duì)于提高井下勞動(dòng)效率，改善工人的勞動(dòng)條件和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度顯得尤為重要。我國(guó)目前尚未有此類產(chǎn)品，在用礦用越野車均為進(jìn)口產(chǎn)品，因此設(shè)計(jì)該款車在替代進(jìn)口，結(jié)束國(guó)外公司的壟斷，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的礦用 越野車等方面具有重要的意義。國(guó)內(nèi)礦用井下越野車輛基本為澳大利亞的 SMV及德國(guó)的 PAUS 壟斷，購(gòu)買和維護(hù)費(fèi)用高昂，制約其大量推廣使用，自主開發(fā)一款適合中國(guó)國(guó)情的，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的礦用越野車顯得迫在眉睫。本論文研究的特種防爆礦用越野車國(guó)產(chǎn)化程度高，無(wú)論在購(gòu)買成本和使用成本等方面都將大大低于進(jìn)口產(chǎn)品，設(shè)計(jì)針對(duì)性較強(qiáng)，在性能上將更加適應(yīng)我國(guó)井下作業(yè)，針對(duì)井下作業(yè)車這一細(xì)分市場(chǎng)其前景非?？春?。 全套圖紙，加 153893706 雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)普通汽車懸架的設(shè)計(jì)己經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，如多連桿獨(dú)立懸架、雙橫臂獨(dú)立懸架等。但對(duì)一些特種車輛的懸架設(shè)計(jì)研究很少，如該礦用作業(yè)越野防爆車的多連桿非獨(dú)立懸架。如果把普通汽車的懸架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)套加在此特種汽車懸架設(shè)計(jì)的研究上，是不合適的。因此，有必要將其作為特殊對(duì)象來(lái) 加以研究。該特種礦用作業(yè)車是應(yīng)我國(guó)某礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員的強(qiáng)烈要求，為提高工作效率、減少安全事故專門開發(fā)的 4x4 防爆車輛。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國(guó)外，汽車懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究起步較早，幾乎是隨著獨(dú)立懸架的誕生就開始了，而汽車懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究是在上世紀(jì) 80 年代興起的。 [德 ]耶爾森 .賴姆帕爾著的《汽車底盤基礎(chǔ)》對(duì)車輪定位參數(shù)做了準(zhǔn)確的定義，著重分析了車橋運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)軸距、輪距、側(cè)傾軸線和前輪定位參數(shù)的變化對(duì)懸架性能的影響以及對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響。阿達(dá)姆措莫托著的《汽車行駛性能》和安培正人著的《 汽車的運(yùn)動(dòng)與操縱》介紹了懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)汽車行駛性能的影響，并對(duì)懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析。德國(guó) Wolfgang Matschinsky 編寫的《車輛懸架》從懸架的理論建模、橡膠支撐的模型出發(fā)對(duì)懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的理論分析作了較為深入的研究。在懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，將懸架簡(jiǎn)化成多連桿機(jī)構(gòu)，用圖解法來(lái)分析輪胎的跳動(dòng)所引起的懸架變形 。在懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，則對(duì)懸架模型作了受力分析，推導(dǎo)出變形與力的關(guān)系，并將橡膠襯套鉸接的處理簡(jiǎn)化成三根兩兩垂直的彈簧。 在國(guó)內(nèi)，近幾十年來(lái)才逐步開展對(duì)汽車懸架 運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究。中國(guó)工程院院士郭孔輝所著《汽車操縱穩(wěn)定性》對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)作了最為系統(tǒng)的分析，并且在國(guó)內(nèi)首次提出了從側(cè)向力、縱向力轉(zhuǎn)向的角度研究懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)。吉林大學(xué)的林逸教授等人在 90 年代也先后在各報(bào)刊發(fā)表文章闡述了橡膠元件的基本性能，著重分析了獨(dú)立懸架中橡膠元件對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的和平順性的影響，并提出了處理彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的一般思路和方法。吉林大學(xué)工學(xué)博士楊樹凱發(fā)表博士論文《橡膠襯套對(duì)懸架彈性運(yùn)動(dòng)與整車轉(zhuǎn)向特性影響的研究》，重點(diǎn)分析了影響懸架彈性運(yùn)動(dòng)的因素及本質(zhì)原因 (橡膠襯套變形 )。在分析懸架橡膠襯套工況特點(diǎn)和傳 統(tǒng)襯套模型不足的基礎(chǔ)上，基于有限元與模態(tài)綜合理論建立了面向結(jié)構(gòu)的橡膠襯套柔性體模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 課題研究的目的和內(nèi)容 礦用越野車在我國(guó)應(yīng)用較廣，其中 懸架是 礦用越野車 的的主要部件，其設(shè)計(jì)的成功與否決定著車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性、舒適性等多方面的設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉的 懸架系統(tǒng) ，能大大降低整車生產(chǎn)的總成本，推動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 所以本題設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)優(yōu)良的 礦用越野車懸架系統(tǒng) 具有一定的實(shí)際意義 。 本課題主要研究?jī)?nèi)容包括 : (l)懸架系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，它包括對(duì)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式設(shè) 計(jì)和系統(tǒng)各零部件的總體布置設(shè)計(jì)。 (2)懸架系統(tǒng)的彈簧元件性能設(shè)計(jì)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)布置設(shè)計(jì)，根據(jù)整車總體布置方案 3 對(duì)平順性提出的要求確定懸架系統(tǒng)彈性元件的剛度 。根據(jù)行駛路面的狀況來(lái)確定懸架系統(tǒng)的動(dòng)撓度 。根據(jù)整車行駛的姿態(tài)和要求來(lái)確定彈性元件的自由長(zhǎng)度等 。根據(jù)懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定導(dǎo)向機(jī)構(gòu)布置參數(shù) 。根據(jù)懸架總體布置方案來(lái)確定懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在汽車縱向平面、橫向平面以及水平面內(nèi)布置方案。 第 2章 懸架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的確定 懸架的概論 懸架的形式根據(jù)其是用于可轉(zhuǎn)向的前橋，還是后橋，是用于驅(qū)動(dòng)橋，還是非驅(qū) 動(dòng)橋而有所不同。按照導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式不同，懸架基本上可以分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩大類。屬于后者的有雙橫臂式懸架、麥弗遜式懸架、縱臂式懸架以及斜置單臂式懸架等。在所有非獨(dú)立懸架中，車橋在整個(gè)彈簧行程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，為此必須提供車橋上方的空間。對(duì)于后橋來(lái)說(shuō)，這就要減小行李箱空間，并使備胎布置困難 。而對(duì)于前橋來(lái)說(shuō)，車橋要布置在發(fā)動(dòng)機(jī)下方，為了獲得足夠的彈簧壓縮行程，即不可避免地要抬高發(fā)動(dòng)機(jī)或者是把它后移。由于這個(gè)原因，非獨(dú)立懸架用于前橋常常是在載貨汽車 以及全輪驅(qū)動(dòng)的多用途轎車中 汽車懸架包括彈性元件，減振器和 傳力裝 置 等三部分，這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。從轎車上來(lái)講，彈性元件多指螺旋彈簧，它只承受垂直載荷，緩和及抑制不平路面對(duì)車體的沖擊，具有占用空間小，質(zhì)量小，無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)，但由于本身沒(méi)有摩擦而沒(méi)有減振作用。減振器指液力減振器，是為了加速衰減車身的振動(dòng)，它是懸架機(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)械件。傳力裝置是指車架的上下擺臂等叉形剛架、轉(zhuǎn)向節(jié)等元件，用來(lái)傳遞縱向力，側(cè)向力及力矩，并保證車輪相對(duì)于車架 (或車身 )有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架的特點(diǎn) 雙橫臂獨(dú)立懸架的特點(diǎn)是在汽車的每一側(cè)均有兩根橫臂 ，橫臂外端通過(guò)球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)軸連接。兩橫臂可使車輪的上下跳動(dòng)符合所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并由橫臂傳力給車身。但是側(cè)向力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加力矩，使得曲線行駛時(shí)汽車車身的側(cè)傾度增大，這是一個(gè)缺點(diǎn)。擺臂需用支座支承，這些支座會(huì)在載荷下變形，并影響懸架剛度；由于支座中的橡膠件的扭轉(zhuǎn)使得剛度增大，或是由于部件之間的相互滑動(dòng)增大了摩擦。因此，要盡可能的減小曲線行駛時(shí)車身的側(cè)傾。通過(guò)采用較硬的彈簧，附加橫向穩(wěn)定桿或是 4 增大側(cè)傾中心的高度可以達(dá)到這一目的。 不等臂雙橫臂上臂比下臂短。當(dāng)汽車車輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，上臂比下臂運(yùn)動(dòng)弧度小。這將使輪胎 上部輕微地內(nèi)外移動(dòng)，而底部影響很小。這種結(jié)構(gòu)有利于減少輪胎磨損，提高汽車行駛平順性和方向穩(wěn)定性 ，如圖 所示。 圖 雙橫臂式獨(dú)立懸架示意圖 非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)車輪由一根剛性整體式車橋相連，車輪連同車橋一起通過(guò)彈性懸架懸掛在車架的下面。 其主要優(yōu)點(diǎn)是 :(l)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，維修方便，工作可靠 。(2)車輪同向跳動(dòng)時(shí)，輪距、前束和外傾角沒(méi)有變化，從而使得輪胎磨損小和具有良好的轉(zhuǎn)向安全性 。(3)彎道行駛時(shí)車身側(cè)傾后也沒(méi)有車輪外傾角變化 (忽略車軸的彈性變形 )，即可保持輪胎傳遞側(cè)向力的能力不變 。(4)側(cè)向力產(chǎn)生的力矩通過(guò)一根可布置在合適高度的橫臂來(lái)承受，并由此影響側(cè)向力引起的不足轉(zhuǎn)向或過(guò)多轉(zhuǎn)向性能。 其主要缺點(diǎn)是 :(1)縱向板簧式非獨(dú)立懸架由于其縱向長(zhǎng)度的限制，使之剛度較大，影響平順性 ?；上沦|(zhì)量大 。(2)在不平路面上行駛時(shí)，左、右車輪相互影響，并使車軸 (橋 )和車身側(cè)斜 。(3)當(dāng)兩側(cè)車輪不同步跳動(dòng)時(shí)，車輪會(huì)左、右搖擺，影響汽車操縱穩(wěn)定性 。(4)前輪跳動(dòng)時(shí)，懸架容易與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉 。(5)當(dāng)汽車直線行駛在凹凸不平的路段上時(shí)，由于左右兩側(cè)車輪反向跳動(dòng)，或者一側(cè)車輪跳動(dòng)時(shí)，會(huì) 產(chǎn)生軸轉(zhuǎn)向特性，影響操縱穩(wěn)定性。 前后懸架方案的選擇 本設(shè)計(jì)參考車型為 SMV礦用越野車的技術(shù)參數(shù)，參數(shù)如下 表 SMV礦用越野車參數(shù) 總長(zhǎng) x 總寬 x 總高 (mm) 5500x1800x2100 軸距 (mm) 3300 整車整備質(zhì)量 (kg) 4700 滿載質(zhì)量 (kg) 7800 空載前橋軸荷 (kg) 2320 滿載前橋軸荷 (kg) 2380 5 空載后橋軸荷 (kg) 2380 滿載后拼軸荷 (kg) 5420 車輪外傾 (176。 ) 1 主銷內(nèi)傾 (176。 ) 8 前 輪距 (mm) 1575 后輪距 (mm) 1575 最高車速 (km／ h) ≤ 50 滿載質(zhì)心高 (mm) 1000 圖 SMV外形圖 由于礦井下的路面環(huán)境惡劣，為了提高駕駛員的舒適性，前懸架采用上下不等長(zhǎng)的雙橫臂獨(dú)立懸架。 如圖 所示 。后懸架的軸載荷比較大，采用鋼板彈簧的非獨(dú)立懸架。 6 圖 雙橫臂獨(dú)立懸架 懸架主要參數(shù)的確定 懸架靜撓度 fc 是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷 Fw 與此時(shí)懸架剛度 k 之比，即 fc=Fw／ k 汽車前、后懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一。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(diǎn)的振動(dòng)不存在聯(lián)系。且汽車前、后部 分車身的固有頻率 (也稱偏頻 )n1和 n2可用下式表示 : 1n =c15 f。 2n =25cf () 用途不同的汽車，對(duì)平順性要求亦不同。以運(yùn)送 人為主的乘用車，對(duì)平順性的要 求最高，客車次之，貨車更次之。貨車滿載時(shí)，前懸架偏頻要求在 ~，而 后懸架則要求在 ~。選定偏頻以后便可以計(jì)算懸架的靜撓度，且希望前、 后懸架的靜撓度接近的同時(shí)，后懸架的靜撓度比前懸架的靜撓度小一些，從而有利于 防止車身產(chǎn)生較大的縱向角振動(dòng)。 考慮到貨車前、后軸荷的差別和駕駛員的乘坐舒適性，取前懸架的靜撓度值大于后懸架的靜撓度值，推薦 2cf =(~) 1cf 。 根據(jù)整車總體設(shè)計(jì)要求，取前、后懸偏頻 1n =， 2n =2Hz。將偏頻代入上述公式，即可算得該車前懸靜撓度 1cf =，取靜撓度值為 82mm。后懸靜撓度 7 2cf =，取靜撓度值為 63mm。 懸架的動(dòng)撓度是指從滿載靜止平衡位置開始懸架壓縮 到結(jié)構(gòu)允許的最大變形時(shí)，車輪中心相對(duì)車架的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊對(duì)乘用車 df 取 5~8cm，對(duì)貨車 df 取 6~9cm。 本設(shè)計(jì) df 取 80mm。 懸架受到的垂直外力 F 與由此引起的車輪中心相對(duì)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。其切線的斜率是懸架的剛度。本文所選螺旋彈簧為線性螺旋簧，在 動(dòng)撓度行程內(nèi)，其彈簧剛度為線性。 懸架側(cè)傾角剛度是指簧上質(zhì)量產(chǎn)生單位側(cè)傾角時(shí)，懸架給車身的彈性恢復(fù)力矩。側(cè)傾角過(guò)大或過(guò)小都不好。一般要求，當(dāng)汽車彎道行駛時(shí)，在 的側(cè)向加速度作用下，貨車車身側(cè)傾角不超過(guò) 6゜ ~7゜ ，轎車的車身側(cè)傾角在 ゜ ~4゜ 。 前、后懸架側(cè)傾角剛度的分配會(huì)影響前、后輪的側(cè)偏角的大小，從而影響車輛的操縱穩(wěn)定性。為滿足汽車稍有不足轉(zhuǎn)向特性要求，汽車在曲線行駛中，一般應(yīng)使前軸的輪胎側(cè)偏角略大于后軸的輪胎側(cè)偏角。為此，應(yīng)使前懸架具有的側(cè)傾 角剛度略大于后懸架的側(cè)傾角剛度。 另外，汽車設(shè)計(jì)上常常采用較硬的彈簧，附加橫向穩(wěn)定桿或增大側(cè)傾中心的高度，減小曲線行駛時(shí)車身的側(cè)傾。 因整車布置的原因，后軸軸荷較大，必須布置大剛度后懸彈簧，因此引起后懸側(cè)傾角剛度過(guò)大，造成前后懸側(cè)傾角剛度失配。由于懸架的側(cè)傾角剛度同時(shí)受懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、剛度參數(shù)和彈性元件剛度、簧距的影響，所以可以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來(lái)避免前、后懸架側(cè)傾角剛度比例不合理。本文所研究的特種車后懸導(dǎo)向結(jié)構(gòu) 采用獨(dú)特的交叉縱臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)車身傾斜時(shí)，不提供附加側(cè)傾剛度 。前懸導(dǎo)向結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)具有合 適角度的斜置縱臂，當(dāng)車身傾斜時(shí)，提供較大的附加側(cè)傾剛度，實(shí)現(xiàn)前、后軸懸架側(cè)傾角剛度的合理分配。 本章小結(jié) 本章介紹了了懸架的基本結(jié)構(gòu)，介紹了獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架的特點(diǎn)，進(jìn)而根據(jù)該車的工作環(huán)境以及整車的總布置要求完成了該特種車的懸架系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，根據(jù) 8 前后軸荷的分配及其大小確定了前后懸架的結(jié)構(gòu)形式和總體布置方案。并且根據(jù)給定的參數(shù)確定了前后懸架的靜撓度和動(dòng)撓度，了解前后懸架的彈性特性，了解懸架的側(cè)傾角剛度及其再在前后懸架的分配。 第 3章 前后懸架彈性元件的設(shè)計(jì) 前 懸架彈性元件的設(shè)計(jì) 彈性元件作為懸架的重要組成部分，對(duì)懸架的各項(xiàng)性能影響很大。為了滿足汽車具有良好的行駛平順性，要求由簧上質(zhì)量與彈性元件組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)在合適范圍，并盡可能低。 前懸架螺旋彈簧的計(jì)算 由第 可知