非独立钢板弹簧悬架设计规范-李明利培训课件

非独立悬架及钢板弹簧匹配设计一、悬架概述

1．1、悬架概念

1．2、悬架系统的主要功能

1．3、悬架系统主要零部件及其功能：

1．4、悬架类型

1．5、悬架系统研究和设计的领域

1．6、悬架设计要求

二、非独立悬架概述：

2．1、非独立悬架的优点

2．2．非独立悬架的缺点

三、悬架基础理论

3．1、汽车悬架系统载荷

3．2、汽车振动类型

3．3、悬架系统顺从性

3．4、悬架的主要特性

3．5、悬架理想弹性特性

3．6、汽车等速圆周行驶稳态响应

3．7、悬架性能评价

四、悬架与汽车性能的关系

4．1、悬架与汽车平顺性

4．2、悬架与汽车操纵稳定性

4．3、悬架和汽车纵向稳定性的关系

4．4、悬架和汽车直线行驶跑偏的关系

4．5、悬架和汽车制动跑偏的关系

五、悬架主要参数

5．1、悬架静挠度

5．2、悬架动挠度

5．3、悬架弹性特性

5．4、悬架侧倾角刚度及其在前、后轴上的分配

六、钢板弹簧非独立悬架结构形式与选择

6.1、普通多片钢板弹簧

6.2、少片变截面钢板弹簧

6.3、两级刚度复合钢板弹簧

6.4、渐变刚度钢板弹簧

七、钢板弹簧计算理论基础

7.1、普通多片簧刚度、应力计算方法：

7.2、少片变截面钢板弹簧刚度、应力计算：

7.3、主、副两级刚度复合钢板弹簧总成计算：

7.4、渐变刚度钢板弹簧总成计算：

八、钢板弹簧选型设计

8．1、确定设计的原始依据

8．2、钢板弹簧垂直振动工况的核算

8．3、钢板弹簧弹性特性的选择

8．4、钢板弹簧强度校核

8．5、稳态侧倾校核

8．6、钢板弹簧导向特性校核

8．7、钢板弹簧系列化设计

九、钢板弹簧结构设计

9．1、各片长度的确定

9．2、各片断面形状

9．3、各片端部形状

9．4、各片工作应力分布的计算

9．5、各片弧高的确定

9．6、各片在生产过程中的弧高值

9．7、卷耳

9．8、包耳

9．9、中心螺栓和螺栓孔径

9．10、弹簧销和衬套

9．11、夹箍

9．12、尺寸和公差控制

十、钢板弹簧材料、制造

10．1、钢板弹簧材料

10．2、钢板弹簧制造工艺

10．3、提高钢板弹簧使用寿命的措施十一、钢板弹簧试验验证

十二、钢板弹簧失效分析

非独立悬架及钢板弹簧设计

二、悬架概述

1．1、悬架概念

悬架是汽车上的主要总成之一，是保证车轮或车桥与汽车承载系统（车架或承载式车身）之间具有弹性联接并能传递载荷、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身姿态等有关装置的总称。

1．2、悬架系统的主要功能

1)传递作用在车轮和车架(或车身)之间的各种力和力矩；

2)缓和由路面不平所引起的振动和冲击，以保证汽车的行驶平顺性；

3)迅速衰减车架（或车身）的振动；

4)保证汽车行驶稳定性；

1．3、悬架系统主要零部件及其功能：

尽管100多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进，但从结构功能而言，它都是由弹性元件、阻尼元件（减振装置）、导向机构三大部分组成：

1)弹性元件：在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，传递车轮和车桥与车架

（或车身）之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量达到缓冲的目的，常见弹性元件有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧等；2)阻尼元件：在车轮或车桥与汽车承载系统（车架或承载式车身）之间采用弹

簧元件后，汽车可以看作是由簧载质量、非簧载质量和弹性元件组成的振动系统，采用阻尼元件可以迅速衰减振动系统的振动，常见阻尼元件有减振器、

橡胶衬套等；

3)导向机构：是悬架中确保车轮或车桥与车架或车身之间所有力和力矩可靠传

递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的联接装置的总称，它决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力；

4)此外还有缓冲块、横向稳定杆等部件；

1．4、悬架类型

悬架类型经常按导向机构、弹性元件、作用原理分类。

1)按导向机构的结构特点，分为非独立悬架、半独立悬架、独立悬架三种：

①非独立悬架：在左右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥联接，当单侧

车轮驶过凸起时，会直接影响另一侧车轮；

②半独立悬架：左右车轮由一根半刚性的非断开式后支撑桥相联接，当左

右车轮跳动幅度不一致时，后支撑桥中呈V性断面并与左右纵臂固结在一起的横梁受扭，由于其具有一定的扭转弹性，允许两侧车轮有一定范围内的相对运动，同时弹性横梁兼起横向稳定杆的作用；

③独立悬架：独立悬架中没有这样的横梁，左右车轮各自独立地与车架或

车身联接或构成断开式车桥，按结构特点又可细分为双横臂式、纵臂式、麦弗逊式等；

2)按弹簧元件种类可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空

气弹簧悬架等；

3)按作用原理可以分为主动悬架、半主动悬架、被动悬架三种；

1．5、悬架系统研究和设计的领域

汽车悬架系统的研究与设计主要是为了提高汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性。汽车悬架系统的研究与设计的领域也相应地分为两大部分：一是对汽车平顺性产生主要影响的悬架特性；另一是对汽车操纵稳定产生主要影响的悬架特性。

前一部分主要是对悬架的弹性元件和阻尼元件特性展开工作，主要是将路面、轮胎、非簧载质量、悬架、簧载质量作为一个整体进行研究与设计，由于它主要研究的是在路面的力激励下，影响汽车平顺性的弹性元件和阻尼元件的力学特性，因此可以称之为悬架系统动力学研究。悬架系统的动力学特性直接影响到车辆的动力学特性，可以说对悬架动力学的研究就是对车辆动力学的研究。

后一部分主要是对悬架的导向机构进行工作，主要是研究在车轮与车身发生相对运动时，悬架导向机构如何引导和约束车轮的运动、车轮定位及影响转向运动的一些悬架参数的运动学特性。这一部分的研究称为悬架的运动学研究。考虑了弹性衬套等连接件对悬架性能的影响，则悬架运动学即为悬架弹性运动学。悬架弹性运动学是阐述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位等主要悬架参数的变化特性。这样悬架系统的运动学研究就包括了悬架运动学和弹性运动学两个方面的内容。

1．6、悬架设计要求

综上所述，汽车悬架和悬挂质量、非悬挂质量构成了一个振动系统，该振动系统的特性很大程度上决定了汽车的行驶平顺性，并进一步影响到汽车的行驶速度、燃油经济性，该振动系统也决定了汽车承载系行驶系许多零件的动载，并进而影响到这些零件的使用寿命，此外，悬架对整车操纵稳定性、抗侧倾能力也起到决定性的作用，因而为保证悬架有良好的工作性能，在设计悬架时必须考虑一下几方面的要求：

1)保证汽车有良好的行驶平顺性。使汽车的振动频率较低，乘员承受的振动加

速度不超过国际标准界限值。

2)有合适的减振性能。应与悬架的弹性特性匹配良好，使车身和车轮在共振区

的振幅小，振动衰减快。

3)保证汽车有良好的操纵稳定性。车轮跳动时，导向机构应使车轮定位参数变

化不大，车轮与导向机构的运动协调，无摆振现象。转向时保证汽车具有不足转向特性。

4)侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时有适当的抗侧倾能力，汽车制动

和起动、加速时有良好的抗“点头”、抗“仰头”能力。

5)悬架构件的质量要小尤其起其非悬挂部分的质量要尽量小。

6)结构紧凑，占据空间小，特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间。

7)能可靠地传递车轮与车身间的一切力和力矩，零部件质轻并有足够的强度和

寿命。

8)制造成本低。

9)便于维修、保养。

二、非独立悬架概述：

非独立悬架的左右车轮装在一根整体的刚性轴或非断开式驱动桥的桥壳上，通常按弹性元件划分有纵置钢板弹簧和多连杆螺旋弹簧两种结构型式。

典型的纵置钢板弹簧非独立悬架结构如下图所示，纵置钢板弹簧兼起导向结构的作用，常用于客车、卡车、大Van、微型车的悬架。

典型的多连杆螺旋弹簧非独立悬架，其螺旋弹簧通常置于驱动桥壳上或下纵臂上，承受垂向载荷，四个上、下纵臂承受驱动力和制动力及力矩，横置的推力杆承受侧向力，常用于SUV、轻客等车型的后悬架，其典型结构如图所示。

2．1、非独立悬架的优点

1)结构简单，制造、维护方便，经济性好；

2)工作可靠，使用寿命长；

3)车轮跳动时，轮距、前束不变，因而轮胎磨损小；

4)转向时，车身侧倾后车轮的外倾角不变，传递侧向力的能力不降低；

5)倾侧中心位置高，有利于减小转向时车身的侧倾角。

2．2．非独立悬架的缺点

1)由于车桥和车轮一起跳动，因而需要较大的空间，影响发动机或行李箱

的布置。用于客车、货车等的前悬架时，一般需要抬高反动机或将车桥

或前轴做成下凹的形状以利于发动机的布置；用于SUV等车型的后悬架时，会导致行李箱容积减小，备胎的布置也不方便；

2)用于驱动桥时会使非悬挂质量较大，不利于汽车的行驶平顺性和轮胎的

接地性能；

3)当两侧车轮跳动高度不一致时（如左右车轮驶过的凸起高度不同），整根

车桥会倾斜，使左右车轮直接相互影响；

4)在不平路面直线行驶时，由于左右车轮跳动不一致而导致轴转向会降低

直线行驶的稳定性；

5)用于驱动桥时，驱动桥的输入转矩会引起左右车轮负荷的转移，使左右

车路附着力有差异，从而导致驱动力的差异，降低直线行驶的稳定性；

三、悬架基础理论

3．1、汽车悬架系统载荷

3．1．1、悬架系统载荷特点

悬架系统载荷在很大程度上取决于车轮与路面的相互作用力和汽车的振动。汽车行驶路面的不平程度和由此激起的汽车振动都带有随机的性质，所以，悬架系统所受的载荷一般都是不规则的随机动载荷，其大小和特性受到路面情况、使用条件、汽车及其部件的结构参数等多项因素的影响。

但是，在一些极限工况下，如制功、侧滑和越过路面单个障碍时可能产生的最大载荷，通常用于静强度计算。

3．1．2、悬架系统载荷的确定

（1）、试验测定

悬架系统随机载荷可以通过道路试验来测定。但是，应该看到，汽车使用工况十分复杂，载荷变化大，采用在全部行驶工况下实测载荷的方法，从理论上讲所得资料固然比较可靠，但试验周期长，数据处型工作繁重，耗资大，周期长。所以在设计阶段一般不用此法，而采用在典型路面进行短距离实测，然后用数理统计原理进行整理和推断，最后编制成载荷谱或载荷功率谱。

经过数据处理装置对实测载荷数据进行统计和分析，就可整理出载荷的大小或功率与其出现的频次或频率的关系。表示这种关系的图形、表格、数字等称为载荷谱或载荷功率谱。

（2）、用数学法确定悬架系统载荷

在典型路段对汽车真实载荷工况进行短距离实测，经过数理统计分析方法，虽然可以取得较全面的载荷资料。但是用这种方法来研究不同结构参数或不同使用因索对载荷或振动的影响，就需要进行多次试验，才能积累足够资料进行比较和分析。

用数学分析方法来研究载荷，可以通过建立各种影响因素(包括结构参数和使用因素等)和载荷之间的数学关系式，很快地分析出结构参数应该如何改变才能减少动载，为正确选择结构尺寸参数提供了理论依据。

根据随机过程理论和线性系统理论，系统的频率响应函数可根据系统特性计算而得，若以路面不平度功率谱作为输入，系统的输出（功率谱密度）即可获得，求出相应的载荷。

（3）极限工况下的载荷

在一些极限工况下，如制功、侧滑和越过路面单个障碍时可能产生的最大载荷，通常用于静强度计算。

目前，当进行汽车悬架系统零件强度计算时，常要核算以下三种极限工况下车轮上的动载荷值，即：

a．当路面作用到车轮上的垂直力达到最大时——指汽车驶上路面凸起障碍或落入洼坑，车轮与路面冲击时发生的载荷；

b．当车轮上纵向力达到最大时——指汽车加速或紧急制动时产生最大惯性力引起的纵向动载荷；

c．当车轮侧向力达到最大时——指汽车转弯发生侧滑时产生的最大侧向力。

3．2、汽车振动类型

汽车的振动可分为下列三类：

1)上下垂直振动或跳动：沿Z轴方向的振动（单纯的上、下振动）；

2)纵向倾斜或俯仰：绕Y轴的俯仰摆动；

3)侧倾或横向摇摆：绕X轴的旋转摆动；

汽车除上述三类振动外，还有绕Z轴圆周方向的摆动(左右摇摆)、平行于X 轴方向的纵向振动(前后振动)、和沿Y轴方向的横向振动（左右振动）。不过这几类振动同前三类振动相比要小得多。

3．3、悬架系统顺从性

汽车悬架系统缓和与衰减前后方向的冲击和振动的能力称为汽车的顺从性(Compliance)，也有称作柔软性。

顺从性不好的汽车在驶过凸起、凹坑等障碍时会给悬架系统与转向系统造成较大的冲击力，发生使人不舒适的噪声和振动，有时还会造成顺从性转向，影响汽车的操纵稳定性。

3．4、悬架的主要特性

3．4．1、悬架的垂直弹性特性

汽车悬架的垂直弹性特性表示作用在悬架上的垂直载荷与在轮轴上方的变形之间的关系。

弹住特性上任意点的悬架刚度c，为：

3．4．2、减振器的特性

减振器阻力P与其活塞位移速度y之间的关系。

经常用的是双向作用的，具有非对称特性及卸荷阀的减振器。在现有的减振器中，复原阻力系数比压缩阻力系数要大2—6倍。

3．5、悬架理想弹性特性

汽车悬架的最优特性是使其在最大程度上满足使用条件，且能随着汽车工作条件的变化而变化。

车辆行驶时, 由路面不平等因素引起振动, 影响乘坐舒适性和操纵稳定性, 甚至影响行驶速度, 损坏车辆的零部件和运载的货物。同时车辆振动也是车内噪声的主要来源。车辆减振主要是通过使用车辆悬架系统来完成。传统的被动悬架的阻尼和刚度参数一般按经验设计或优化设计方法选择, 一经选定, 在车辆行驶过程中就无法进行调节, 因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂多变。悬架在新的工况下便不再是最优。

为了克服这个缺陷, 国外在50 年代就提出了主动悬架的概念,根据车辆系统的运动状态和外部输入的变化(路面激励或驾驶员方向盘操作) 作出反应,

主动地调整和产生所需的控制力, 使悬架始终处于最佳减振状态。

3．6、汽车等速圆周行驶稳态响应

汽车曲线行驶的响应系指汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。转向盘输入有两种形式：给转向盘作用一个角位移，称为角位移输入，简称角输入；给转向盘一个力矩，称为力矩输入，简称力输入。在实际

驾驶车辆时，对转向盘的这两种输入是同时加入的。外界侧向干扰主要是侧向风和路面不平产生的侧向力。

若汽车等速行驶时，转动方向盘至某一角度时，停止转动方向盘并维持此转角不变，即给汽车以转向盘角阶跃输入，一般汽车经短暂时间后便进入等速圆周行驶，这也是一种稳态，称为方向盘角阶跃输入下的稳态响应。

汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中性转向和过多转向。顾名思义，使转弯半径变大的特性是不足转向；反之为过多转向；保持转弯半径不变为中性转向。

操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性，不应具有过多转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向特性汽车在使用条件变动时，有可能转变为过多专向特性。

大量试验数据和理论表明，稳态转向特性和稳态时前、后车轮侧偏角的绝对值有关。虽然轮胎弹性侧偏角绝对值的大小只决定于整车质心位置及轮胎无外倾角、载荷无变化且无驱动力条件下的侧偏刚度，但是，实际上，汽车沿曲线行驶时，前后轴左右轮的垂直载荷要发生变化；车轮常有外倾角，由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角也随之变化；此外，车轮上还有切向力。这些都改变了轮胎的侧偏刚度和外倾侧向力，从而影响到轮胎弹性侧偏角的大小。与此同时，位于悬架上的车厢在曲线行驶时将发生侧倾，即使转向盘固定不变，由于车厢侧倾时前悬架导向杆系和转向系的运动及变形，前车轮轮辋平面也可能发生小角度转动。这种车轮轮辋平面的转动与轮胎的弹性侧偏角叠加在一起，决定了汽车的转向运动。

上述这些变化很大程度上取决于悬架、转向及传动系的结构形式及其结构

参数。

3．7、悬架性能评价

根据汽车整车性能对悬架的要求，通常用以下三个参数来评价悬架的优劣

a、车身垂向加速度(舒适性)；

b、车轮相对动载(安全性)；

c、弹簧行程(弹簧寿命)。

在设计时，这三个量应尽可能小，但在客观上存在矛盾，特别是对常规的被动悬架而言。