【正文】 圖 43 變截面鋼板彈簧 (3) 兩級變剛度復(fù)式鋼板彈簧，如下圖所示，這種彈簧主要用于大中型載貨汽車后懸架。此車屬于微卡系列，該車的圖片如 下 。0k 1k w0 21 通過對本章內(nèi)容得學(xué)習(xí)和研究，知道影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的幾個因素，知道在設(shè)計鋼板彈簧懸架時，應(yīng)該著重考慮這些因素，通過對這些因素的分析和研究，了解這些因素是如何影響汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，從而在設(shè)計時綜合各個方面的知識，設(shè)計出使汽車同時具有適當(dāng)?shù)男旭偲巾樞院筒倏v穩(wěn)定性的鋼板彈簧懸架。 架型式、導(dǎo)向桿系的布置以及懸架參數(shù)的選擇等對汽車性能的影響，并不是孤立的，而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián) 系。 汽車前軸及后軸左、右車輪載荷變動量決定于：前、后懸架的側(cè)傾角剛度、懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量、質(zhì)心位置以及前、后懸架側(cè)傾中心位置等一系列參數(shù)的數(shù)值。進(jìn)一步分析可知，左、右車輪垂直載荷差別越大，平均側(cè)偏剛度越小。顯然0k 39。02kFY (317) 圖 39 左右車輪垂直載荷再分配時側(cè)偏剛度 由上圖 39可知，平均側(cè)偏剛度 39。0k = 21 rkk? ， 20 39。內(nèi)側(cè)車輪減少Δ W，外側(cè)車輪增加Δ W，兩個車輪的側(cè)偏剛度隨之變?yōu)?1k 、 rk 。如下圖 38 所示： 圖 38 垂直載荷對輪胎側(cè)偏特性的影響 垂直載荷增大后，側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大；但垂直載荷過大時，輪胎與地面接觸區(qū)的壓力變得極不均勻，使輪胎側(cè)偏剛度反而有所減小。有的汽車甚至?xí)牟蛔戕D(zhuǎn)向變?yōu)檫^多轉(zhuǎn)向。但曲線行駛時，由于側(cè)傾力矩的作用，作用在前、后軸左、右車輪上的垂直反力，將是靜止?fàn)顟B(tài)下的垂直反力及由側(cè)傾引起的垂直反力變動量之和。例如，單橫臂獨立 懸架的側(cè)傾角剛度為 ?K =21 sk 2)( nBm (313) 應(yīng)該指出，上面的計算只適用于小傾角，而且在分析中沒有考慮導(dǎo)向桿系中鉸接點處彈性村套的影響。 18 圖 37 等效彈簧 參照上圖 37，當(dāng)車廂發(fā)生小側(cè)傾角 d r? 時，等效彈簧的變形量為 ? 2B dr? ,故車廂受到的彈性恢復(fù)力偶矩為 dT=dr? 懸架側(cè)傾角剛度為 ?K = 21 1k 2B (312) 式中 1k 一側(cè)懸架的線剛度； B— 為輪距。車身上一側(cè)受到的彈性恢復(fù)力，相當(dāng)于一個上端固定于車身，下端固定于輪胎接地點且垂直于地面，具有懸架線剛度的螺旋彈簧施加于車身的彈性力。 若能求出車身作垂直位移 Δ tS 時地面作用于輪胎的反作用力 Δ ZF ，就可以求出懸架的線剛度。所以，懸架的線剛度就等于兩個彈簧線剛度之和。 (1) 懸架的線剛度 [17] ~[18] 懸架的線剛度指的是車輪保持在地面上 ,車身作垂直運動時，單位車身位移時，懸架系統(tǒng)給車身的總彈性恢復(fù)力。 2 懸架的側(cè)傾角剛度 懸架的側(cè)傾角剛度是指側(cè)傾時 (車輪保持在地面上 )，單位車身轉(zhuǎn)角時，懸架系統(tǒng)給車身總的彈性恢復(fù)力偶矩。側(cè)傾中心位置高，它到車身質(zhì)心的距離縮短，可使側(cè)向力臂及側(cè)傾力矩小些，車身的側(cè)傾角也會減小。該軸線通過車身在前、后軸處橫斷面上的瞬時轉(zhuǎn)動中心，這兩個瞬時中心稱為側(cè)傾中心。在離心力的作用下，使轉(zhuǎn)彎半徑變大的特性稱為不足轉(zhuǎn)向，反之，稱為過度轉(zhuǎn)向。影響操縱穩(wěn)定性的主要參數(shù)是車輪偏離角、前輪定位角、導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向桿系的運動協(xié)調(diào)性。通過減震器來吸收路面?zhèn)鞯杰嚿系恼駝幽芰?，使汽車振動得到衰減。由頻率公式得到減少非簧載質(zhì)量，進(jìn)而增大了簧載質(zhì)量，同樣有降低汽車固有頻率的效果，從而也有使頻率接近人體習(xí)慣的運動頻率。使其頻率接近 人體所習(xí)慣的步行時的身體上、下運動的頻率。因此，在汽車設(shè)計中，為提高汽車行駛平順性，采用非簧 載質(zhì)量較小的獨立是架更為有利 。 非簧載質(zhì)量對汽車行駛平順性的影響 由懸架支承的部件、總成等稱為簧載質(zhì)量 (或懸掛質(zhì)量 )，不是由懸架支承的部分稱為非簧載質(zhì)量 (或非懸掛質(zhì)量 )。 15 圖 35 ,aZ 、 dF 和 (Za bZ )與阻尼比的關(guān)系 圖中曲線走向表示，只是彈簧行程 (Za bZ )曲線是隨阻尼比單調(diào)變化，阻尼比愈 大，所要求的彈簧行程愈小，相反，對于車身加速度和車輪動載而言，可找到一個最佳阻尼比值。 隨阻尼比 ? 增大，在低頻共振區(qū)幅頻特性｜ ,2z /,q ｜ 峰值下降 ， 車身加 速度均方根值 ，提高平順性。 為了衰減車身 由路面反饋來 的自由振動和抑制車身、車輪 、車架等 的共振，以減小車身的垂直振動 所引起的 加速度和車輪 垂直方向振動 的振幅 (減小車輪對地面壓力的變化，防止車輪 過于 跳離地面 )，懸架系統(tǒng)中應(yīng)具有適當(dāng)?shù)淖枘?。下圖是減振器阻尼對車身振動衰減的曲線示圖 圖 33 減震器阻尼對振動的衰減作用 a―振動完全沒有衰減的曲線，車身按懸架的固有振動頻率不斷振動； b―有衰減的情況，車身振動的振幅逐漸減小。 非線性的懸架撣性特性可以采用適當(dāng)?shù)膽壹芙Y(jié)構(gòu) (導(dǎo)向機(jī)構(gòu) )或彈性元件(如加輔助彈簧、調(diào)節(jié)彈簧、空氣彈簧等 )來實現(xiàn)。然而，這種較為理想的彈性特性的懸架是難于實現(xiàn)的。這時，在曲線上任意點 M，必須滿足 P／ MC =f= cf =常數(shù) (35) 式中 P— 特性曲線上任意點 M 的載荷 ； MC — 任意點 M 的懸架剛度 ； f— 求剛度 MC 時的次切矩 (不是懸架從原點的變形 )，也 有人 稱 f 為懸架的折算靜撓度 ； cf — 在靜載荷 cp 時，為 汽車獲 得較為 良好平順性所要求的懸架靜撓度。 圖 32 彈性特性曲線 a—— 線性彈性彈性 b—— 非線性彈性特性 13 b、非線性彈性特性 非線性彈性特性的懸架，即懸架的剛度可隨載荷的改變而變化，也稱變剛度懸架。一般鋼板彈簧懸架即屬此類。 a、線性彈性特性 線性彈性特性，即懸架變形與所受載荷成比例地變化。各種車型車身固有頻率 0n 的實用范圍為：貨車 ～ 2Hz；旅行客車 ～ ；高級轎車 1～ 。但在懸架設(shè)計時，0n 值不能選得太低，這主要是 0n 值降低，懸架的動撓度 df 就增大，在布置上若不能保證足夠大小的限位行程，就會使限位塊撞擊的概率增加。 從圖 31 可知，車身固有頻率 0n 低于 3Hz 就可 以保證人體最敏感的 4～8Hz 處于減震區(qū)。因此為保證所運貨物完整無損，振動加速度的極限值不應(yīng)超過 ～ 。 由試驗得知，為了保持汽車具有良好的平順性，車身振動的固有頻率應(yīng)接近人體所習(xí)慣的步行時的身體上、下運動的頻率 1～ (60～ 85次 /min)，振動的加速度的 極限允許值為 ～ 。是指汽車滿載靜止時懸架上的載荷 FW 與此時的懸架剛度 c之比。從下圖可以看出，當(dāng)車身固有頻率越低曲線越低，車身加速度均方根值越小。為使人體承受的振動不超過規(guī)定的界限值，主要靠懸架來降低車身振動加速度均方根值。 目前主要參照國際標(biāo)準(zhǔn) ISO2631 來評價汽車平順性，它把乘員承受的疲勞 降低工效界限表示為振動加速度均方根值隨頻率變化的函數(shù)。為此從不同角度去分析汽車各種性能的影響 。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總成的布置，因而一般要與總布置共同協(xié)商確定。采用彈性聯(lián)接后，汽車可以看作是由懸掛質(zhì)量 (即簧載質(zhì)量 )、非懸掛質(zhì)量 (即非簧載質(zhì)量 )和彈簧 (彈性元件 )組成的振動系統(tǒng)，承受來自不平路面、空氣動力及傳動系、發(fā)動機(jī)的激勵。 懸架是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并衰減由此引起的振動，以保證汽車能平順行駛。 9 圖 22 減震器的 外特性 本章小結(jié) 本章通過對懸架的一般基礎(chǔ)知識的介紹，對懸架有了初步的認(rèn)識，了解其分類，功能，設(shè)計要求，熟悉懸架的彈性特。在現(xiàn)有的減振器中，復(fù)原阻力系數(shù)比壓縮阻力系數(shù)要大 2— 6 倍。 8 圖 21 懸架彈性特性曲線 彈住特性上任意點的懸架剛度 c，為 ： KKdSdTC? (21) 當(dāng)簧下質(zhì)量固定不動時，而又無減震器時，簧上質(zhì)量的自由振動偏頻 0n僅與有效靜撓度有關(guān) CTTCgn ??? 212 00 ?? (22) 減振器的特性 減振器阻力 P 與其活塞位移速度 y 之間的關(guān)系。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車特性，并且涉及其他總 成的布置，因而一般要與總布置共同協(xié)商確定。 3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運動應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運動相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運動干涉，否則可能引起轉(zhuǎn)向輪擺振； 4 側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車轉(zhuǎn)向時具有抗側(cè)傾能力，汽車制動和加速時能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動和加速時的車身縱傾 (即所謂 “點頭 ”和 “后仰 ”)； 5 懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)量要盡量小； 6 便于布置 7 所有零部件應(yīng)具有足夠的強度和使用壽命； 8 制造成本低； 9 便于維修、保養(yǎng)。此外，懸架對整車操縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。 7 懸架設(shè)計要求 如前所述，汽車懸架和 簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量構(gòu)成了一個振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)的特性很大程度上決定了汽車的行駛平順性，并進(jìn)一步影響到汽車的行駛車速、燃油經(jīng)濟(jì)性和運營經(jīng)濟(jì)性。懸架彈性運動學(xué)是闡述由于輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位等主要懸架參數(shù)的變化特性。這一部分的研究稱為懸架的運動學(xué)研究。 前一部分主要是對懸架的彈性元件和阻尼元件特性展開工作，主要是將路面、輪胎、非簧載質(zhì)量、懸架、簧載質(zhì)量作為一個整體進(jìn)行研究 與設(shè)計 ，由于它主要研究的是在路面的反作用力的激勵下，影響汽車平順性的彈性元件以及阻尼元件的力學(xué)特性 ，因此可以稱之為懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究。 懸架系統(tǒng)研究與設(shè)計的領(lǐng)域 汽車懸架系統(tǒng)的研究 與設(shè)計 主要是為了提高汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。 (2) 獨立懸架中沒有這樣的剛性梁，左右車輪各自 “獨立 ”地與車架或車身相連或構(gòu)成斷開式車橋，按結(jié)構(gòu)特點又可細(xì)分為橫臂式、縱臂式、斜臂式等等。 懸架類型 [7] 1 根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，汽車懸架可以分為非獨立懸架和獨立懸架兩大類。 為減少車軸對車架或車身的直接沖 撞，一些汽車懸架上裝有緩沖塊，起限制移動行程。 彈性元件受沖擊后會產(chǎn)生持續(xù)的振動，使乘坐不適，因此，設(shè)有減振器將振動迅速衰減，使振幅迅速減小。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)決定了車輪跳動時的運動軌跡和車輪定位參數(shù)的變化，以及汽車前后側(cè)傾中心及縱傾中心的位置，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩(wěn)定性和抗縱傾能力。為了迅速衰減不必要的振動，懸架中還必須包括阻尼元件，即減振器。為此必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯(lián)接，依靠彈性元件來傳遞車輪或車橋與車架或車身之間的載荷，并依靠其變形來吸收能量，達(dá)到緩沖的目的。 懸架基本概念 懸架概念 保證車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng) (車架或承載式車身 )之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的總稱 。 3 最后以長安星卡 SC1022D7 車型為例設(shè)計后懸架 —— 鋼板彈簧懸架，結(jié)構(gòu)設(shè)計和強 度設(shè) 計，并對其結(jié)構(gòu)強度分析。 1 鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計 介紹鋼板彈簧的設(shè)計方法，確定鋼板彈簧的主要參數(shù)的過程和結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程 。我國的汽車產(chǎn)業(yè)要加速、持續(xù)和健康的發(fā)展，并成為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，必須堅持產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，選擇面向自主發(fā)展具有中國特色的 產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式，推動汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級、技術(shù)的進(jìn)步、以及民族品牌的崛起。 自主開發(fā)是中國汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的保障。國內(nèi)能夠生產(chǎn)高檔次汽車鋼板懸架彈簧的企業(yè)只有 4 家：一汽集團(tuán)遼陽汽車彈簧廠、東風(fēng)汽車懸架彈簧有限公司、重慶紅巖汽車彈簧廠、山東汽 車彈簧廠，他們都具有生產(chǎn)多種疊片簧、漸變剛度彈簧、少片變截面鋼板彈簧和雙曲率半徑及平直段的汽車鋼板彈簧的能力。大部分企業(yè)規(guī)模較小，生產(chǎn)集中度低，散亂差問題較嚴(yán)重。 3 論文研究的背景及意義 國內(nèi)汽車懸架彈簧生產(chǎn)企業(yè) 160 余家，遍布全國各地，具有規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè) (生產(chǎn)規(guī)模在 萬噸以上 )約 80 余家。國內(nèi)能夠生產(chǎn)高檔次汽車鋼板懸架彈簧的企業(yè)只有 4 家：一汽集團(tuán)遼陽汽車彈簧廠、東風(fēng)汽車懸架彈簧有限公司、重慶紅巖汽車彈簧廠、山東汽車彈簧廠，他們都具有生產(chǎn)多種疊片簧、漸變剛度彈簧、少片變截面鋼板彈簧和雙曲率半徑及平直段的汽車鋼板彈簧的能力。大部分企業(yè)規(guī)模較小，生產(chǎn)集中度低，散亂差問題較嚴(yán)重。 國內(nèi)汽車懸架彈簧生產(chǎn)企業(yè) 160 余家，遍布全國各地，具有規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè) (生產(chǎn)規(guī)模在 萬噸以上 )約 80 余家。目前國內(nèi) 95%以上的重卡懸架系統(tǒng)是以鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨立懸架，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修方便，工藝成熟，工作可靠。目前適用于中大型 的貨卡車上 。有些懸架中的鋼板彈簧兩端不做成卷耳，