大学毕业论文-—ca1091轻型货车的前后悬架系统设计设计说明书

CA1091轻型货车的前后悬架系统设计

摘要

随着汽车工业的发展，人们对汽车的乘坐舒适性和安全性的要求逐渐提高，因此对汽车的悬架系统和减振器也提出了更高的要求。本次设计题目是CA1091轻型货车的前后悬架系统设计。

所设计悬架系统的前悬架采用钢板弹簧非独立式悬架。后悬是由主副簧组成，也是钢板弹簧非独立式悬架，然后对主要性能参数进行确定。在前悬的设计中首先设计了钢板弹簧，包括弹簧断面形状的选择，主要参数的确定，材料和许用应力的校核，和方案布置的设计；还有减振器的选择。在后悬架系统设计中主要对主副钢板弹簧进行了设计。

最后采用MATLAB软件对悬架系统的平顺性进行了编程分析，目的是判断所设计的悬架平顺是否满足要求。结论是没有不舒适性。因而对提高汽车的动力性、经济性和操纵稳定性是有利的。

关键词：悬架设计；钢板弹簧；平顺性；货车

Abstract

With the development of the Automobile industry, people have been promoting the requirement for the safety and ride comfort quality of the vehicle. As a result, there is a higher demand on the suspension and the shock absorber system of the vehicle. The title of this thesis is the design of front and rear suspension systems of CA1046 truck.

The front suspension system is the leaf spring, dependent suspension. The rear suspension system consists of the main spring and the helper spring and it is also the leaf spring, dependent suspension. In the procedure of the design we made certain the structural style of the suspension system in the first, then we made certain the main parameters. In the design of the front suspension we designed the leaf spring firstly, including the selection of section shape of leaf spring, made certain the main parameters, material and allowable stress and the design of scheme , moreover the design of shock absorber. In the design of rear suspension we carried out the design of the main spring and the helper spring.

In the final design stage, the MATLAB software is used to analyze the ride comfort of the suspension system by programming. The aim is whether suspension ride quality meets to the performance requirement. The results indicate that there is no uncomfortableness for the car on road. Therefore, it is helpful for the dynamical, economical and handling performances of the vehicle.

Key words: Suspension Design; Leaf spring; Ride Performance; Truck

目录

第1章绪论 (1)

第2章悬架系统的结构与分析 (3)

2.1 悬架的功能和组成 (3)

2.2 汽车悬架的分类 (3)

2.3 悬架的设计要求 (4)

2.4 悬架主要参数 (4)

2.4.1 悬架的静挠度fc (4)

2.4.2 悬架的动挠度f d (5)

2.4.3 悬架弹性特性 (5)

2.4.4 后悬架主、副簧刚度的分配 (6)

2.4.5 悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配 (6)

第3章前后悬架系统的设计 (7)

3.1前悬架系统设计 (7)

3.1.1钢板弹簧的设计 (7)

3.1.2.减振器的选用 (12)

3.2后悬架系统设计 (13)

3.2.1悬架主要参数的确定 ................................... 错误！未定义书签。

3.2.2弹性元件的设计 ........................................... 错误！未定义书签。

3.2.3钢板弹簧强度验算 (24)

3.2.4钢板弹簧主片的强度核算 (25)

3.2.4钢板弹簧弹簧销的强度核算 (25)

第4章平顺性分析和编程 (26)

4.1平顺性的定义 (26)

4.2平顺性的研究 (26)

4.3平顺性的研究分析 (27)

第5章结论 (33)

参考文献 (34)

致谢 (35)

附录Ⅰ：外文资料 (36)

附录Ⅱ：中文翻译 (42)

附录Ⅲ：程序 (42)

第一章绪论

悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，汽车车架（或车身）若直接安装于车桥（或车轮）上，由于道路不平，地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。它的作用是弹性地连接车桥和车架（或车身），缓和行驶中车辆受到的冲击力。保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架（或车身）上，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。

悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。一般悬架由弹性元件、导向机构、减振器和横向稳定杆组成。弹性元件用来承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。弹性元件种类包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减振器用来衰减由于弹性系统引起的振，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。导向机构用来传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。

现在悬架发展十分快，不断出现崭新的悬架装置。按控制形式不同分为从动式悬架和主动式悬架。现代汽车中的悬架有两种，一种是从动悬架，另一种是主动悬架。从动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器（减振筒）、导向机构等组成，它的功能是减弱路面传给车身的冲击力，衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为从动悬架。而主动悬架的控制环节中安装了能够产生抽动的装置，采用一种以力抑力的方式来抑制路面对车身的冲击力及车身的倾斜力。由于这种悬架能够自行产生作用力，因此称为主动悬架。

现代汽车对平顺性和操纵稳定性和舒适性的要求越来越高，已成为衡量汽车性能好坏的标准。

悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的总成之一。

汽车的固有频率是衡量汽车平顺性的重要参数，它由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量（簧载质量）所决定。人体所习惯的垂直振动频率约为1～1.6Hz。车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围，才能满足舒适性要求。在悬架垂直载荷一定时，悬架刚度越小，固有频率就越低，但悬架刚度越小，载荷一定时悬架垂直变形就越大。这样若无有足够大的限位行程，就会使撞击限位块的概率增加。若固有频率选取过低，很可能会出现制动点头角，转弯侧货角，空载和满载车身高度变化过大。一般货车固有频率是1.5～2Hz，旅行客车1.2～1.8Hz，高级轿车1～1.3Hz。另外，当悬架刚度一定时，簧载质量越大，悬架垂直变形也愈大，而固有频率越低。空车时的固有频率要比满载时的高。簧载质量变化范围大，固有频率变化范围也大。为了使空载和满载固有频率保持一定或很小变化，需要把悬架刚度做成可变或可调的。影响汽车平顺性的另一个悬架指标是簧载质量。簧载质量分为簧上质量与簧下质量两部分，由弹性元件承载的部分质量，如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧上质量。车轮、非独立悬架的车轴等属于簧下质量，也叫非簧载质量M。如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低，而车轮振动频率升高，这对减少共振，改善汽车的平顺性是有利的。非簧载质量对平顺性的影响，常用非簧载质量和簧载质量之比m/M进行评价。

影响汽车平顺性的另一重要指标是阻尼比，此值取大，能使振动迅速衰减，但会把路面较大的冲击传递到车身，值取小，振动衰减慢，受冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒服。为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比设计得比伸张小。

悬架的侧倾角刚度及前后匹配是影响汽车操纵稳定性的重要参数。当汽车受侧向力作用发生车身侧倾，若侧倾角过大，乘客会感到不安全，不舒适，如侧倾角过小，车身受到横向冲击较大，乘客也会感到不适，司机路感不好。所以，整车侧倾角刚度应满足：当车身受到0.4g侧向加速度时，其侧倾角在2.5～4°范围内，汽车有一定不足转向特性，前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度。一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在1.4～2.6范围内，如前后悬架本身不能满足上述要求，可在前后悬架中加装横向稳定杆，提高汽车操纵稳定性。

2.1悬架的功能和组成

悬架系统功能很多，主要有以下几点：

(1)对不平路面所造成的汽车行驶中的各种颤动和摇摆还有振动等，与

轮胎一起，予以吸收和减缓，从而保证乘客和货物的安全，并提高驾驶

稳定性。

(2)将路面与车轮之间的摩擦所产生的驱动力和制动力传输到底盘和车身。

(3)支承车桥上的车身，并使车身与车轮之间保持适当的几何关系。

典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。

2.2汽车悬架的分类

为适应不同车型和不同类型车桥的需要，悬架有分为独立悬架和非独立

悬架。

非独立悬架特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，当一侧车轮受冲击

力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采

用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。

目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架

由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。

其主要特点是：

（1）组成悬架的构件少，结构简单，便于维修，经济性好。

（2）坚固耐用，适合重载。

（3）转弯时车身倾斜度小。

（4）车轮定位几乎不因其上下运动而改变，所以轮胎磨损较少。

（5）侧倾中心位置较高，有利于减小转向时车身的侧倾角。

独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。

所以本次设计中CA1091中型货车选用的是非独立悬架。

2.3悬架的设计要求

悬架与汽车的多种使用性能有关，在悬架的设计中应该满足这些性能的要求：（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。

（2）具有合适的衰减振动能力。

（3）保证汽车具有良好的操纵稳定性。

（4）汽车制动或加速时能保证车身稳定，减少车身纵倾，即点头或后仰；转弯时车身侧倾角要合适。

（5）结构紧凑、占用空间小。

（6）可靠的传递车身与车轮之间的各种力和力矩。在满足零部件质量小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

2.4悬架主要参数

根据悬架在整车中的作用和整车的性能要求，悬架首先应保证有良好的行驶平顺性，这是确定悬架主要性能参数的重要依据。

汽车的前、后悬架与簧载质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性主要参数之一。悬架固有频率选取的主要依据是“ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》”，固有频率取值与人步行时身体上下运动的频率接近。此外，

前后悬架的固有频率接近可以避免产生较大的车身角振动，n

1

2

的汽车高速通过

单个路障时引起的车身角振动小于n

1>n

2

的汽车。故本次设计选取的汽车前后部分

的车身固有频率n

1、n

2

分别为n

1

=1.76HZ,n

2

=1.97HZ

2.4.1悬架的静挠度fc

悬架的静挠度f

c 是指满载静止时悬架上的载荷F

w

与此时悬架刚度c之比，即

f c =F

w

/c。

因现代汽车的质量分配系数ε近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前、后部分车身的固有频率n 1和n 2可用下式表示

n 1=)2/(/11πm c ；n 2=)2/(/22πm c （3-1） 式中，c1、c2为前、后悬架的刚度（N/cm ）；m 1、m 2为前、后悬架的簧上质量（kg ）。

悬架的弹性特性为线性变化时，前、后悬架的静挠度可用下式表示

f c1=m 1g/c 1；f c2=m 2g/c 2

式中，g 为重力加速度,g=981cm/s 2 。将f c1、f c2代入式（3-1）得到

n 1=5/1c f ； n 2=5/2c f （3-2） 所以 f c1=(5/n 1)2=(5/1.76)2=80mm f c2=(5/n 2)2=(5/1.97)2=64mm

2.4.2悬架的动挠度 f d

悬架的动挠度f d 是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允的最大变形

时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。所以，对于货车，f d 取值与f c 相同。

2.4.3悬架弹性特性

悬架受到的垂直外力F 与由此所引起的车轮中心相对于车身位移f （即悬架的变形）的关系曲线，称为悬架的弹性特性。

悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。当悬架变形f 与所受垂直外力F 之间成固定的比例变化时，弹性特性为一直线，称为线性弹性特性，此时悬架刚度为常数。钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的。（如图2-1）

图2-1 悬架弹性特性曲线

2.4.4后悬架主、副簧刚度的分配

CA1091载货汽车后悬架采用主、副簧结构的钢板弹簧。其悬架的弹性特性曲线

图2-2 主、副簧为钢板弹簧结构的弹性特性曲线

如图2-2所示。载荷小时副簧不工作，载荷达到一定值时副簧与托架接触，开始与主簧共同工作。

2.4.5悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配

悬架侧倾角刚度系指簧上质量产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。它对簧上质量的侧倾角有影响。侧倾角过大或过小都不好。CA1091货车车身侧倾角选为6o。

此外，还要求汽车转弯行驶时，在0.4g的侧向加速度作用下，前、后轮侧偏角之差δ1-δ2应当在1o～3o范围内。而前、后悬架侧倾角刚度的分配会影响前、后轮的侧偏角大小，从而影响转向特性，设计还要考虑悬架侧倾角刚度在前、后轴上的分配。所以前、后悬架侧倾角刚度的比值为2.4。

第3章前后悬架系统的设计

3.1前悬架系统设计

前悬架由前钢板弹簧和减振器组成。

钢板弹簧中部用两个U型螺栓固定在前桥上。弹簧两端的卷耳孔中压入衬套。前端卷耳用钢板弹簧销与前支架相连，形成固定的铰链支点，与车架连起来；后端卷耳则通过钢板弹簧吊耳销与用铰链挂在后支架上可以自由摆动的吊耳相连，与车架连起来。从而保证了弹簧变形时两卷耳中心线间的距离有改变的可能。钢板弹簧工作时，越靠近中间受到的弯曲力矩越大，为了充分利用材料并有足够的强度和弹性，钢片长度由上到下逐渐缩短。并且各片的弯度是不等的，钢片越长弯度越小，这样装配后在工作时可以减小主片所受负荷，使各片负荷均匀接近。

减振器为液力双作用筒式减振器。减振器在拉伸和压缩过程中，通过复原阀和压缩阀及其相应的节流系统产生阻尼力，从而使钢板弹簧的振动速度衰减以改善汽车的行驶平顺性。减振器通过连接销、上支架、下支架以及其橡胶衬套分别与车架和前轴连接。

3.1.1钢板弹簧的设计

1.钢板弹簧的布置方案

钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在极少数汽车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故选用在CA1091货车上。

纵置钢板弹簧又有对称与不对称式之分。钢板弹簧中部在车轴（桥）上的固定中心至钢板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式钢板弹簧；若不相等，则称为不对称式钢板弹簧。CA1091货车采用对称式钢板弹簧。

2.钢板弹簧主要参数的确定

初始条件：满载静止时汽车前、后轴（桥）负荷G

1=24500N、G

2

=69090N和簧

下部分荷重G

u1=4710N、G

u2

=9270N，悬架的静挠度f

c

和动挠度f

d

，单个钢板弹簧的

载荷：F

w1=( G

1

- G

u1

)/2=(24500-4710)/2=9895N,

F w2=(

G 2- G u2)/2=(69090-9270)/2=29910N

汽车的轴距L z =4050mm 。

（1）. 满载弧高f a

满载弧高f a 是指钢板弹簧装到车轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表

面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差。f a 用来保证汽车具有给定

的高度。考虑到使用期间钢板弹簧塑性变形的影响和为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取f a =10-20mm 。所以本次设计选取f a =18mm 。

（2）. 钢板弹簧长度L 的确定

钢板弹簧长度L 是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。货车前悬架L=（0.26-0.35）轴距，后悬架L=（0.35-0.45）轴距。

L=0.316×L z =0.316×4050=1280mm

（3）. 钢板断面尺寸及片数的确定

1）钢板断面宽度b 的确定

钢板弹簧的总惯性矩J o

J o ()E c ks L 48/])[(3δ-= （3-3）

式中，s —U 形螺栓中心距，s=110mm

k —U 形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数，k=0.5

c —钢板弹簧垂直刚度，c= F w1/ f c1=9895/80=123(N/mm)

δ—挠度增大系数, δ=1.37（先确定与主片等长的重叠片n 1 ，在估计一

个总片数n 0 ，求的η= n 1 / n 0 ,然后用δ=1.5/[1.04(1+0.5η)]初定δ）

E —材料的弹性模量，E=2.06×105MPa

J o =[（1280-0.5×110）3×123×1.37]/(48×2.06×105)=31327mm 2

钢板弹簧总截面系数W o

W o ≥[F w1(L-ks)/(4[σw ])] （3-4）

式中，[σw ]—许用弯曲应力，[σw ]=350～450MPa

W o ≥[9895×(1280-0.5×110)/(4×350)]=8658

刚板弹簧的平均厚度h p

（3-5）

=10mm

推荐片宽与厚度的比值在6-10范围内选取。取片宽与片厚的比值b/h p =7

所以b=7×h p =7×10=70mm 取b=75mm

2）钢板弹簧片厚h 的选择 矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩J o

J o =nbh 3/12

c W p Ef ks L W J h 6][)(/2200σδ-==

h 3/12nb J o ?= (3-6)

式中，n —钢板弹簧片数，n=10 h=3/12nb J o ?=37510/1231327??=7.94mm

取各片片厚等厚：h 1=h 2=h 3=h 4=h 5=h 6=h 7=h 8=h 9=h 10=8mm

3）钢板断面形状（如图3-3）

图3-3 矩形断面

3.钢板弹簧各片长度的确定

在选择各叶片长度时，应尽量使应力在片间和沿片长的分布合理，以达到各片寿命接近并节省材料、减小板簧质量的目的。

确定各叶片长度的方法有作图法和计算法。用作图法确定各片长度的方法是基于实际钢板弹簧各叶片的展开图接近梯形梁形状这一原则来作图的,先将各叶片厚度的立方值3i h 按同一比例尺沿纵坐标绘出，再沿横坐标绘出主片长度之半(即L ／2)和u 形螺拴中心距之半(即s ／2)，得A 、B 两点。连接这两点就得到三角形的钢板弹簧展开图。AB 线与各叶片上侧边的交点即决定了各片长度。当有与主片等长的重叠片时，可将B 点与最下一个重叠片的上侧端点相连。该图中实线所示的叶片长度是经过圆整后的尺寸。有的叶片端部装有卡箍，则需伸出卡箍稍许。(如图3-4)

图3-4 钢板弹簧各片长度的作图法

4.钢板弹簧的刚度验算

由于有关挠度增大系数δ、惯性矩J o 、片长和叶片端部形状等的确定不够准

确，所以要验算刚度。用共同曲率法来计算刚度。假定同一截面上各片曲率变化值相同，各片所承受的弯矩正比于其惯性矩，同时该截面上各片的弯矩和等于外力所引起的弯矩。刚度验算公式为

c=6αE/[)(1131+=+-∑k k n k k Y Y a ] (3-7)

其中 a k+1=(l 1-l k+1) Y k =∑=k i i J 1

1 Y k+1=∑+=111k i i J

式中，α—经验修正系数，α=0.9 E —材料的弹性模量，E=2.06×105MPa

l 1、l k+1—主片和第k+1片的一半长度。

结果c=17.2×104N/m

5.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算

（1）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高Ho

钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U 形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高Ho ，用下式计算

Ho=fc+fa+△f (3-8) 式中，△f —钢板弹簧总成用U 形螺栓夹紧后引起的弧高

△f=()22)(3L

f f s L s c a +- （3-9）

△f=2

1280)8018(110128031102?+???? ??-??=12 Ho=80+18+12=110mm

（2）钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径R o

R o =L 2/(8H o ) (3-10)

R o =12802/(8×110)=1862mm

6.钢板弹簧总成弧高的核算

根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此可求得等厚叶片弹簧的R o

1/Ro=∑∑==n i n

i i i i L R L 11/)/( （3-12）

结果Ro=1872mm

经检验合格。

钢板弹簧总成弧高H

H=L 2/(8R o ) (3-13)

H=L 2/(8R o )=12802/(8×1872)=109mm

7.钢板弹簧的强度验算

（1）紧急制动时，前钢板弹簧承受的载荷最大在它的后半段出现的最大应力σ

max σmax =[G 1)(11'1c l l m ?+]/[o W l l )(21+] (3-14)

式中，G1—作用在前轮上的垂直静载荷, G 1=9895N

'2

m —制动时前轴负荷转移系数, '2m =1.4 ?—道路附着系数, ?=0.8

21l l 、—钢板弹簧前、后段长度,21l l 、=640mm

Wo —钢板弹簧总截面系数, Wo=8658

c —弹簧固定点到路面的距离,c=644mm

σmax =[9895×)6448.0640(6404.1?+??]/[8658)640640(?+]

=924Mpa<1000Mpa ，合格

（2）钢板弹簧卷耳的强度核算

卷耳处所受应力σ是由弯曲应力和压（拉）应力合成的应力，即

)/()/()](3[1211bh F bh h D F x x ++=σ （3-15）

式中，Fx —沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力, Fx=?1'12

1G m =13720N