悬架设计

货车前悬架设计

1 程序说明

本程序是货车前悬架设计计算程序。本文中，悬架的设计包括钢板弹簧的设计和减震器的设计。设计时，首先根据已知参数和目标参数初步选定其余的参数，再根据约束条件优化选择参数，然后进行强度校核，如不符合强度要求，再重新选择设计参数。

本程序主要分为以下几个部分： 1.1 钢板弹簧的设计

已知参数：前桥负荷G=22600N ，前桥簧下部分负荷Gu=3400N ，悬架的静挠度fc=96mm ，动挠度50mm ，轴距Wb=4060mm ，u 形螺栓中心距s=100mm 。

目标参数：弹簧刚度c=102N/mm 。. 1.1.1钢板弹簧尺寸参数的确定

满载弧高常取a f =10~20mm ，这里取a f =10mm 。对于货车前悬架来说，钢板弹簧主片长度L=（0.26-0.35）轴距，这里L=0.3Wb 。而钢板弹簧其余各片长度是基于实际钢板各片展开图接近梯形梁的形状原则得出。叶片的端部结构采用矩形端部结构。

对于对称钢板弹簧，修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩

()()3

048J L ks c E σ??=-??

，

钢板弹簧总截面系数])[4/()(F W w 0w ks L σ-=，所以钢板弹簧的平均厚度: 00/2h W J p =。有了p h 以后，再选钢板弹簧的片宽b ，片宽与片厚的比

值b/p h 在6~10范围内选取，这里取10。矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩J0用下式计算，

30/12J nbh =，根据此式，钢板弹簧片厚h 。

1.1.2 钢板弹簧的刚度验算

采用共同曲率法对钢板弹簧的刚度进行验算，其公式为：)](/[

6c 113

1+=+-=∑k k n

k k Y Y a E α，其中111++-=k k l l a ，∑==k

i i J 1

k /1Y ，∑+=+=11

1k /1Y k i i J 。若得到的刚度与已知参数相差较大，

则重新选择设计参数。

1.1.3钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算

钢板弹簧总成在自由状态下的弧高()0c a H f f f =++?，钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径0208/R H L =。矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定：

)/()2(1/[R 000i i i Eh R R σ+=。

1.1.4 钢板弹簧的强度验算

紧急制动时，前钢板弹簧后半段出现的最大应力为])/[()]([021121

1max W l l c l l m G ++'=?σ。不平路面上钢板弹簧的最大应力为])/[()k (021121max W l l l l G +=σ，其中动载荷系数

c d c f f f k /)(+=。

钢板弹簧卷耳的验算：卷耳处所受应力σ是由弯曲应力和(压)应力合成的应力，

()[]1211//3bh F bh h D F x x ++=σ，对钢板弹簧销要验算钢板弹簧受静载荷时钢板弹簧销受

到的挤压应力bd F s z /=σ。

1.2 减震器的设计

首先确定相对阻尼系数ψ取0.3。 1.2.1减振器阻尼系数的确定

减振器阻尼系数2δψ=

具体计算。222/cos σα=。 1.2.2 最大卸荷力的确定

为了减少传给车身的冲击力，当减振器活塞振动速度达一定值时，减振器应打开卸荷阀，此时活塞速度称为卸荷速度cos /x v A a n ωα=

若伸张行程时的阻尼系数为s δ，则最大卸荷力为：k A s /F 0ωδ= 1.2.3筒式减振器主要尺寸参数的确定

筒式减振器工作缸直径D 可由最大卸荷力0F 和缸内允许压力[p]来近似求得：

)1]([/()4(20λπ-=p F D 。式中，[p]——缸内最大允许压力，取3-4Mpa 。计算出D 后，

根据标准将缸径圆整为20、30、40、50、65 mm.

2 程序

clc;clear

disp ********汽车悬架设计******** disp ********汽车钢板弹簧设计******** disp '*一 前钢板弹簧的已知参数'

disp '前桥负荷：G=22600N 、前簧下部分荷重：Gu=3400N 、单个钢板弹簧载荷：Fw=9600N 、静挠度：fc=94mm' disp '动挠度：fd=50mm 、轴距:Wb=4060mm 、u 形螺栓中心距:s=100mm 、弹簧刚度:c=102N/mm' G=22600; %前桥负荷 Gu=3400; %簧下部分荷重 Fw=(G-Gu)/2; %单个钢板弹簧载荷 fd=50; %动挠度

s=100; %u 形螺栓中心距 c=102; %弹簧刚度 Wb=4060; %轴距 fc=Fw/c; %静挠度

disp '*二 钢板弹簧主要参数的确定'

G1=G/2; %作用在前轮上的垂直静负载 disp '钢板弹簧满载弧高 fa(mm)'

fa=15 %满载弧高，10-20mm 之间 disp '钢板弹簧主片长度 L(mm)'

L=Wb*0.3 %钢板弹簧主片长度,货车前悬架系数0.26-0.35 disp '与主片等长的重叠片数 n1'

n1=1 %与主片等长的重叠片数 disp '钢板弹簧总片数 n0' n0=10 %估计的总片数

delta=1.5/(1.024*(1+0.5*n1/n0));%挠度增大系数 disp '刚性夹紧时的无效长度系数 k'

k=0.5 %刚性夹紧时的无效长度系数

E=2.1*10^5; %弹性模量/Mpa

J0=(L-k*s)^3*c*delta/(48*E); %总惯性矩

sigma_w=400; %许用弯曲应力，前弹簧350-450Mpa之间

W0=Fw*(L-k*s)/(4*sigma_w); %总截面系数

hp=2*J0/W0; %平均片厚

disp '钢板弹簧各片的宽度 b(mm)'

b=10*hp %片宽,片宽/片厚=6-10

disp '钢板弹簧各片的厚度 h(mm)'

h=(12*J0/(n0*b))^(1/3) %各片片厚

disp '*三钢板弹簧各片长度的确定'

H=n0*h^3; %各片厚度的立方值的和

tan=H/((L-s)/2);%正切值

ll1=L/2-0.5*k*s;%有效长度

l(1)=L;

for i=2:n0;

l(i)=((H-(i-1)*h^3)/tan+s/2)*2; %各片的长度

a(i)=ll1-l(i)/2;

end

disp '钢板弹簧各片的长度 l(mm)'

l

disp '*四钢板弹簧的刚度验算'

for i=1:n0;

j(i)=b*h^3/12;

y(i)=1/sum(j);

end

alpha=0.9; %经验修正系数，0.9-0.94之间

for j=1:n0-1;

d(j)=(a(j+1)^3)*(y(j)-y(j+1));

end

disp '钢板弹簧的验算刚度 c1(Mpa)'

c1=6*alpha*E/(sum(d)+ll1^3*y(n0))%刚度验算

disp '钢板弹簧设计要求的刚度 c(Mpa)'

c

if abs(c-c1)/c<0.15

disp '钢板弹簧刚度验算通过'

else

disp '钢板弹簧刚度验算通过'

end

disp '*五钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算' f1=s*(3*L-s)*(fa+fc)/(2*L^2);%弧高变化

disp '钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 H0(mm)'

H0=fc+fa+f1 %钢板弹簧总成在自由状态下的弧高

disp '钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径 R0(mm)'

R0=L^2/(8*H0) %钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径

sigma0(1)=-80; %第一片弹簧预应力

sigma0(2)=-80; %第二片弹簧预应力

for i=3:n0;

sigma0(i)=20; %第三片到第n0片的弹簧预应力

end

disp '各片弹簧预应力 sigma0（Mpa）'

sigma0 %各片弹簧预应力

for i=1:n0;

R(i)=R0/(1+(2*sigma0(i)*R0)/(E*h));

end

disp '各片弹簧的曲率半径 R(mm)'

R %各片曲率半径

for i=1:n0;

H(i)=l(i)^2/(8*R(i));%各片弧高

end

disp '各片弹簧的弧高 H(mm)'

H

disp '*六钢板弹簧总成弧高的核算'

for i=1:n0;

p(i)=l(i)/R(i);

end

R01=sum(l)/sum(p);%由最小势能原理求出的等厚叶片弹簧的曲率半径

disp '核算的钢板弹簧总成弧高 H01(mm)'

H01=L^2/(8*R01) %核算的钢板弹簧总成弧高

disp '自由状态下钢板弹簧总成弧高 H0(mm)'

H0=fc+fa+f1 %自由状态下钢板弹簧总成弧高

if abs(H01-H0)/H01<=0.1

disp '钢板弹簧总成弧高通过核算'

else

disp '钢板弹簧总成弧高未通过核算'

end

disp '*六钢板弹簧的强度验算'

disp '**1 紧急制动时，前钢板弹簧的强度验算'

c1=310; %弹簧固定点到路面的距离/mm

m1=1.4; %制动时前轴负荷转移系数

fai=0.8; %路面附着系数

l1=ll1; %钢板弹簧前端长度

l2=l1; %钢板弹簧后端长度，等长。

disp '紧急制动时钢板弹簧的最大应力 sigma_banhuang（Mpa)'

sigma_banhuang=(G1*m1*l2*(l1+fai*c1))/((l1+l2)*W0) %紧急制动时钢板弹簧的最大应力

disp '钢板弹簧的许用应力[σ]=1000Mpa'

if sigma_banhuang<=1000; %钢板弹簧的许用应力/Mpa

disp '钢板弹簧强度通过校核'

else

disp '钢板弹簧强度未通过校核'

end

disp '**2 不平路面上，前钢板弹簧的强度验算'

q=(fc+fd)/fc; %动载荷系数

disp '不平路面上钢板弹簧的最大应力 sigma_buping（Mpa)'

sigma_buping=(q*G1*l1*l2)/((l1+l2)*W0)

disp '不平路面上钢板弹簧的许用应力[σ]=1000Mpa'

if sigma_buping<=1000 %不平路面上钢板弹簧的许用应力/Mpa

disp '不平路面上钢板弹簧强度通过校核'

else

disp '不平路面上钢板弹簧强度未通过校核'

end

disp '**3 钢板弹簧卷耳的强度验算'

D=18; %卷耳内径

Fx=m1*G1*fai; %沿弹簧纵向作用在卷耳中心线的力

disp '卷耳所受应力 sigma_juaner(Mpa)'

sigma_juaner=(3*Fx*(D+h))/(b*h^2)+Fx/(b*h) %卷耳所受应力

disp '卷耳的许用应力[σ]=350Mpa'

if sigma_juaner<=350 %卷耳的许用应力

disp '卷耳强度通过校核'

else

disp '卷耳强度未通过校核'

end

disp '**4 钢板弹簧弹簧销的强度验算'

Fs=Fw/2; %钢板弹簧端部载荷

d=D; %弹簧销直径

disp '弹簧销的挤压应力 sigma_z(Mpa)'

sigma_z=Fs/(b*d) %弹簧销挤压应力

disp '材料是高频淬火后的45钢的弹簧销的许用应力[σ]=8Mpa'

if sigma_z<=8 %弹簧销的许用挤压应力7-9Mpa,高频淬火后的45钢 disp '弹簧销强度通过校核'

else

disp '弹簧销强度未通过校核'

end

disp ********汽车减震器设计********

ms=Fw/9.8; %悬架簧上质量

disp '*一减震器的阻尼系数δ的确定'

disp '悬架系统固有震动频率 w(rad/s)'

w=(1000*c/ms)^(1/2) %悬架系统固有震动频率

disp '相对阻尼系数 fsi'

fsi=0.3 %相对阻尼系数

fsi_y=0.1385; %压缩行程的相对阻尼系数

disp '伸张行程的相对阻尼系数'

fsi_s=0.4615 %伸张行程的相对阻尼系数

a=600; %u形螺栓夹紧后、减振器在下横臂上连接点到钢板弹簧在车身上铰接点距离/mm；

n=1000; %u形螺栓夹紧后钢板弹簧的长度

disp '减震器的阻尼系数 delta1'

delta1=2*fsi*ms*w*n^2/a^2 %减震器的阻尼系数

disp '伸张行程的减震器的阻尼系数'

delta_s=2*fsi_s*ms*w*n^2/a^2 %伸张行程的减震器的阻尼系数

disp '*二最大卸荷力F0的确定'

disp '车身振幅 A（m)'

A=40*10^(-3)

disp '卸荷速度 v(m/s)'

v=A*w*a/n

disp '最大卸荷力 F0(N)'

F0=delta_s*v

disp '*三筒式减震器工作直径D的确定 '

p=3.5; %工作缸最大允许压力，3-4Mpa

t1=0.45; %连杆直径与缸筒直径之比，双筒式减震器0.4-0.5

disp '筒式减震器工作直径D（mm) '

D=((4*F0)/(pi*p*(1-t1^2)))^0.5 %工作缸直径

disp '根据QC-T 491-1999,筒式减震器工作直径D改为 '

D=50

t2=1.4; %贮油缸直径与工作缸直径之比，1.35-1.5

disp '筒式减震器贮油缸直径Dc（mm) '

Dc=t2*D

disp '筒式减震器贮油缸壁厚b（mm) '

b=2

3 程序流程图

A

钢板弹簧总成弧高的核算

满足

否钢板弹簧强度验算

紧急制动时，前钢板弹簧的强度验算不平

路面

上，

前钢

板弹

簧的

强度

验算

钢板

弹簧

卷耳

的强

度验

算

钢板

弹簧

弹簧

销的

强度

验算

满足

结束

否

减震器

设计

相对阻尼系数的确定

减震器的阻尼系数δ的确定最大卸荷力F0的确定

◆筒式减震器工作直径的确定◆筒式减震器贮油缸直径

◆筒式减震器贮油缸壁厚

4 程序运行截图

5 GUI算例