重型汽车钢板弹簧平衡悬架的仿真分析

学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
1绪
1.1 平衡悬架概述
论
悬架系统[1]是车架（或承载式车身）和车桥（或车轮）之间弹性连接并传递力和力 矩的装置的总称。其主要功能[2,3]有： （1） 把路面作用于车轮的垂直反力（支承力） 、纵向反力（驱动力和制动力） 、侧 向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或车身）上。 （2） 与轮胎一起， 吸收和缓冲行驶过程中由于路面不平而造成的各种振动和冲击， 保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，从而保证乘客乘坐舒适性和安全性。 （3） 是车身与车轮之间保持有适当的动态几何关系，及车轮在路面不平和载荷变 化时，具有理想的运动特性。 悬架主要由三部分组成[4,5,6]：弹性元件、减震器和导向机构。在有些悬架中还有缓 冲块和横向稳定杆。弹性元件起缓和冲击和振动的作用；减震器起衰减振动的作用；导 向机构用来确保车架（或车身）和车轮之间各种力和力矩的可靠传递，并确保车轮按照 一定轨迹相对于车架和车身跳动。 近年来随着公路等级的提高，对载重汽车的运输效率提出了更高的要求，争取更大 的载重量。人们曾经采取的办法有[7]：一是通过减轻汽车各总成的质量和增加载货容积 来提高载重量；二是选用承载能力更强的总成来提高载重量。但是在现有的材料技术和 工艺手段条件下，采用上述两种方法对载重量的提高非常有限。载重汽车装载货物后， 一般有 2/3 左右的负荷由后轴来承担，但现行法规和实际条件限制轴荷不能超过允许范 围，为了不使后轴承受过大的载荷，减少后轮的接地压力，现在各大汽车生产厂都采用 增加车轴和轮胎数量的方法来提高载重量。 因此， 现代重型汽车的车轴一般都超过两根， 通常为三轴的多轴汽车。多轴汽车行驶在不平坦的路面上时，它应该和两轴汽车一样保 证各车轮和地面都有良好的接触，如图 1.1 所示。如果三轴汽车的中、后轴也像前车轴 一样，各车轴都采用单独的悬架，如图 1.2 所示，则很可能发生车轮悬空的现象。即使 不悬空，各个车轮所分配到得垂直载荷也会有很大差别，将会造成车轮的垂直负荷有的 很小、有的很大的情况。如果是转向轮垂直负荷变小甚至为零时，将会引起车轮失去附 着而大大降低汽车的操作稳定性；如果是驱动轮垂直负荷变小甚至为零时，将不能产生 足够的驱动力而大大降低汽车的牵引性能； 由于轴荷分配不均会导致负荷过大的车轴还
Keywords:
Leaf spring
Balanced suspension
Guiding mechanism
Multi-body dynamic model
Six-post testrig
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
华中科技大学 硕士学位论文 重型汽车钢板弹簧平衡悬架的仿真分析 姓名：付李 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：唐新蓬 20090521
摘
要
钢板弹簧平衡悬架是现代重型汽车普遍采用的一种悬架型式。 它在满足提高重型汽 车运输效率这一要求的同时，也要保证汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性。导向机构作 为平衡悬架不可或缺的组成部分，承担着可靠传递车架（或车身）和车轮之间各种力和 力矩的重任。因此，导向机构设计方法的科学性和布置的合理性，对平衡悬架甚至整车 的性能都有着至关重要的作用。本文的研究就是以此为基础而展开的。 论文对平衡悬架方面的基本知识做了简要介绍， 了解了钢板弹簧平衡悬架的结构形 式。阐述了平衡悬架的主要研究内容，并分析了国内外悬架运动学的研究概况。 通过对多体系统动力学软件 ADAMS 进行比较详细的介绍，指出在 ADAMS/Car 模块中建模的要点。 以 6 × 4 驱动形式的 TL3400 自卸车为参考，在 ADAMS/Car 中建立了整车虚拟样机 模型。对后钢板弹簧平衡悬架、车架和轮胎模型的建立进行了详细的叙述，并介绍了前 悬架等其他总成模型的建立。 本文对仿真平台——六激振头试验台的建立做出了重点讲 解，阐述了如何通过建立私人站点来启动和运行 ADAMS/Car 的仿真方法，并装配出整 车仿真模型。 对整车进行了四种工况 （垂直运动、 侧倾运动、 纵倾运动和扭转运动） 的仿真分析， 绘出导向机构的受力曲线，分析总结出导向机构的受力状况，并提出了导向机构的设计 要点。 本文的研究方法和结论，对于多轴重型汽车的建模、设计和分析，具有一定的指导 意义。 关键词：钢板弹簧 平衡悬架 导向机构 多体动力学建模
图 1.3 a
图 1.4 b
图 1.5 c
图 1.6 d
2
现在重型汽车上运用比较广泛的是如图 1.4 所示的钢板弹簧平衡悬架结构[1]。
1、3-上推力杆 6、9-下推力杆
2-平衡悬架心轴 7-毂架
4-中轴
5-下推力杆球头座 10-后轴
8-钢板弹簧
图 1.4
三轴汽车中、后桥平衡悬架结构图
有一心轴 2 与车架刚性相连，心轴 2 的左右两端装有轴承毂架 7，毂架 7 可以绕心 轴 2 转动。倒装的纵置钢板弹簧 8 安装在毂架 7 上面，并用 U 型骑马螺栓将钢板弹簧 8 固定住。钢板弹簧 8 的两端自由的支承在中、后轴 4、10 桥的座架上。这样，钢板弹簧 8 便相当于一个等臂平衡梁，当一个轮胎抬起时，钢板弹簧 8 就可以绕心轴 2 转动，保 证另一个车轮仍能着地，且使中、后轴的垂直载荷平均分配。 由于钢板弹簧只能传递垂直力和侧向力，不能纵向力（驱动力和制动力）以及相应 的反作用力矩，因此在中、后轴上都装有导向机构（上推力杆和下推力杆） 。在图 1.4 中可以看到，在每个轴两端的座架处下方，各装有一推力杆 6、9，其一端借助球销连 同橡胶衬套与轴相铰接，另一端则铰接在心轴 2 上。另外，在两个桥的中部上方处还铰 接有推力杆 1、3，它的另一端和车架铰接，主要用来平衡驱动反转矩。导向机构的合 理布置可保证车轮上下跳动时，车桥有较小的转动和纵向的位移。
六激振头试验台
I
Abstract
Leaf spring balanced suspension is commonly used on the modern heavy trucks. It must ensure vehicle the ride comfort a handling stability of the vehicle, while meeting the requirements of improving transport efficiency. Guiding mechanism, which is an integral part of the balanced suspension, assume the important task of reliably transferring the various of forces and moments between the frame (or the body) and wheel. The scientific design method and the reasonable layout of guiding mechanism play a vital role in the balanced suspension or even the vehicle. The study was initiated as a basis for that. A brief introduction about the basic knowledge of balanced suspension was given to help understand the structure of leaf spring balanced suspension. The main research contents of balanced suspension were discussed, and the domestic and international research survey of suspension kinematics was analyzed. ADAMS, multi-body system dynamics software, was introduced in detail. The main points of modeling in ADAMS/Car were pointed out. The virtual prototype model of vehicle was build in ADAMS/Car, referring to the TL3400 dump truck with the drive form of 6 × 4. Details were described on building the model of rear leaf spring balanced suspension, frame and tire. Other model, such as front suspension was also introduced. The paper mainly explained how to establish the simulation platform——six-post test-rig, told the simulation method of building ‘acar_private’ to start and operate ADAMS/Car, and assembled the simulation model of the vehicle. A simulation analysis containing four vehicle operating conditions (heave, roll, pitch, warp) was carried out, and then force curves of guiding mechanism were drown out. Through the stressing analysis of guiding mechanism, the design essentials were proposed. The research methods and conclusions in the paper have certain significance for multi-axis heavy trucks of the modeling, design and analysis.