钢板弹簧悬架的匹配设计.doc
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1、目录1 引言11.1研究现状和发展趋势:11.2 汽车构造32 汽车悬架的作用、组成和分类 1.2.1汽车悬架的作用31.2.2汽车悬架的组成31.2.3汽车悬架的分类42.2.2减振器42.2.3 导向机构42.3 悬架的分类52.3.1 非独立悬架52.3.2 独立悬架52.4 钢板弹簧72.4.1 钢板弹簧的基本结构和作用原理72.4.2弹性元件种类及其特点93 110微型汽车后钢板弹簧悬架系统104 后悬挂系统钢板弹簧设计114.1 钢板弹簧主要参数的确定114.2 钢板弹簧叶片断面尺寸的选择164.3 钢板弹簧各片长度的确定174.4 钢板弹簧刚度的验算194.4.1 弹簧刚度计算1
2、94.5 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高和曲率半径计算204.5.1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高204.5.2 钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径214.6 钢板弹簧各片预应力的确定214.6.1 簧预应力确定224.7钢板弹簧各叶片在自由状态下的曲率半径和弧高的计算224.8 钢板弹簧总成弧高的核算244.8.1 簧总成弧高核算254.9钢板弹簧各片的应力验算265 结论28参考文献29致谢301引言1.1研究现状和发展趋势 随着人类技术的不断发展,人们对交通出行的要求也越来越高,自从工业革命以来,瓦特在1766年制作发明出了第一台蒸汽机,使人类社会进入了“蒸汽时代”。并且开始打响了工业革
3、命的第一枪。 1769年,蒸汽机被瓦特和博尔顿开发研究并且使用。由蒸汽机开始,机械工业得到愤俗的发展,并为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。 1895年,二冲程煤气内燃机在法国的勒努瓦的努力下发明了出来,它是利用煤气和空气混合气在电火花的点燃爆燃的方式产生燃烧制作出巨大的能量,这就是二冲程煤气内燃机。 1861年,四冲程工作循环方式由法国的德罗夏提出,它的工作方式是进气、压缩、做功、排气。并且被法国有关部门授予了专利。 世界上第一台柴油机诞生于1897年,由德国人鲁道夫迪萨尔发明。在此之前,人们一直用汽油作为汽车的燃料,用柴油作为汽车燃料一直是大家想做的事,这项伟大的发明,足以改变整个世界,到现
4、在为止,柴油机一直作为大功率的汽车的燃料使用着。 汽车的悬架也经过了从1766年的叶片弹簧到20世纪30年代的螺旋弹簧的发展历史,随着汽车的发明,扭杆弹簧、橡胶弹簧、气体弹簧、钢板弹簧的弹簧也接连不断的被发明和发展开来。 独立悬架在二十世纪三四十年代发明并开始大规模的应用。其中主要的独立悬架有:麦弗逊花柱式独立悬架、横臂式独立悬架、多连杆式悬架、纵臂式独立悬架。 现代汽车悬架的发展趋势:被动悬架智能可控悬架。由于被动悬架不能满足对形式路面、汽车的工况和载荷情况做到很好的监控,所以,智能可控或半主动悬架是最近几年来汽车工厂对悬架的发展方向。1.2汽车的构造 现代汽车经过不断的发展,现在的组成还有
5、构造已经十分的成熟,相对于小型商用车和大型的乘用车、货运车上,一般来说汽车由发动机、底盘、车身和电气设备这四种部分组成,而且这些只是最基础的部分,还有其他很多细小的部分在这里就不一一说明了。 就发动机而言,发动机是整个汽车组成部分的灵魂,没有发动机,汽车就像是一堆死物,和那些永远只能站在一个地方的树木一样。发动机主要由二大主要的机构和五个大的系统构成;一般来说,二大机构指的是曲柄连杆机构和凸轮配气机构。而五大系统指的是:供给系统,冷却系统,润滑系统,点火系统,启动系统。 汽车底盘承载着整个汽车的重量,一般来说重量都是肯定要超过四五百斤的,所以对于汽车底盘的承载能力和结构上要拥有一定的能力去达到
6、这些要求。不同的底盘可以应用于不环境,汽车的行驶也依靠于汽车底盘的能力。汽车底盘一般由四大系统构成,其中包括传动系统,行驶系统,转向系统和制动系统。汽车的底盘的发展一直在进步着,在很多恶劣的环境下需要研究不同的底盘来适应,它的发展影响着人们对于未知世界的探险具有重大意义。 传动系统:顾名思义我们就知道它是传递动力的作用,它主要是将发动机的产生的动力传达给其他各种部位。传动系统的主要构成部分包括了有离合器、变速器、传动轴、差速器等的部分。 行驶系统:行驶系统就是将汽车启动起来的系统,它是将发动机产生的动力作用到汽车上。使汽车各部件联动在一起,然后使汽车正常的行驶起来。它的其他功能还有能缓和汽车在
7、不平路面时产生的抖动,使汽车处于平稳舒适的大环境下。它的主要零部件包括:前车轮,后车轮,前面的悬架,后面的悬架,底盘,车门,车窗等的部件。 转向系统:我们都知道汽车的转向可以通过汽车方向盘的转动来达到效果,方向盘的转动方向就是转向系统的主要构成部位,其他的主要部件包括带有力量的转向器和联动装置,而且还有汽车上安装着有转向助力装置。 制动系统:通过名字我们也知道制动的意思就是让汽车动和让汽车停止的系统,而且是在驾驶人员没有踩刹车的情况下,或者车子停在上坡或者下坡的地方时,能够稳稳地停住。一般在汽车上的体现是手刹,也就是我们常说的拉手刹,这样就能够使汽车稳稳地停住在没有任何刹车的情况下。它的主要部
8、件包括了前轮制动器,后轮制动器,掌控整车的装置。 汽车车身的构造主要包括:车门,车窗,车身外面和里面的装置饰件,冷气,暖气,座椅,车箱,车身附件等部件组成。汽车车身被底盘支撑着,这上面的空间是给人们活动的主要方面。它应用于驾驶员,旅客,货箱等的其他主要汽车专业配件上的应用。 电气设备包括电源组、发动机启动系统和点火系统、汽车照明和信号装置、仪表、导航系统、电视、音响等电子设备、微机处理、中央计算机及各种人工智能的操作装置等2。2 汽车悬架系统的作用、组成与分类 2.1汽车悬架系统的作用 悬架是现代汽车上的重要总成之一,它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来:其主要任务是传递作用在车轮
9、和车架(或车身)之间的一切力和力矩;缓和路面传给车架(或车身)的冲击载荷,衰减由此引起的承载系统的振动,保证汽车的行驶平顺性;保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性,保证汽车的操作稳定性,使汽车获得高速行驶能力1。 2.2 汽车悬架系统的组成 汽车悬架系统指的是车身、车架和车轮之间的一个连接结构系统。它由多种多样的部件构成。其中主要的是:弹性元件、减振器、导向机构等部件。其余的部件如横向稳定器和缓冲块也是很重要的部分。2.2.1弹性元件 弹性元件是悬架中能够有效阻止轮胎与不平缓路面产生的抖动冲击和承受来自汽车本身重量的元件。弹性元件的主要材料分为金属和非金属两大类。 用于金属材料的弹性
10、元件主要有:钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等。而用于非金属材料的弹性元件只要有:气体弹簧、橡胶弹簧等。 弹性元件的应用主要在于它结构形式比较一目了然,制作起来比较简单,而且造价低,且制作的方式比较多。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52.2.2 导向机构 导向机构是悬架中根据车身或车架在运动中的抖动规律来使车轮规律的抖动,然后在各个机构中传递来自车身或车身外的各种力。导向机构是决定车轮与车身之间的相对运动关系的决定元件。它是由控制臂和推力杆组成。它的位置是在汽车大
11、体机构的汽车主轴之间。2.2.3减振器 减振器顾名思义就是减少汽车在行驶时振动的频率,使驾驶人员和乘客得到一个舒适的乘车环境。 减振器有不同的分类如:双向作用筒式、充气式和阻尼可调式三种。 减振器在汽车里面十分的重要,驾驶人员时刻要注意检查自己的汽车上的减振器的使用寿命,一般每十万公里检查一次减振器。减振器总共有四根在一辆车上。所以减振器一次最好要更换两根,如没有更换好,则会导致汽车不平衡,受力不均,出现减振器问题。2.3 汽车悬架系统的分类 近年来汽车悬架系统有着飞速的发展,不同种类的汽车悬架层出不跌,其中最为主要且出名的两类悬架是独立悬架和非独立悬架。2.3.1独立悬架 独立悬架:随着高速
12、公路网的发展,促使汽车速度不断提高,使得非独立悬架已不能满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等方面提出的要求。因此,在汽车悬架系统中采用独立悬架已备受关注,尤其是在轿车的前悬架中一无例外地采用了独立悬架7。 独立悬架的主要结构特点是两边的车轮各自都有一根悬架与车身弹性连接,也就是每个车轮上都有一个悬架来控制,这样就可以避免要是有一根悬架断裂,但是其他的悬架不会被破坏,使汽车在出现一定问题时,不会产生很大的事故。具有一定的安全性。 独立悬架的优点是:簧下质量小;悬架占用的空间小;弹性元件只承受垂直力,所以应该能够使用硬度弱的弹簧,让汽车震动频率变小,增进了车辆的行驶舒适性;因为使用断裂式车轴,因此可以
13、减少发动机所处地方的高度,让车辆的整体高度降低;也增进了汽车行驶舒适性;由于独立悬架两边车轮各自行进相互不受影响,故能够降低车身的倾斜度和抖动。而且在不平的路上也可以行进的更加方便;独立悬架的缺点是制作复杂,制作成本高,而且维修起来复杂,主要用于乘用车和质量不高的商用车上面1。 独立悬架的主要形式有: 2.3.2非独立悬架 非独立悬架:它是由两边车轮在同一根整体轴上连接在一起的,然后悬架和车架或车身连接。 作为这方面的主要代表,用钢板弹簧作为弹性元件同时还能是导向机构的非独立悬架是很好的代表。 非独立悬架的优点是:因为只要用到一根整体轴,所以在结构组成方面还是比较容易的,同时也因为这个特性,想
14、做一个非独立悬架还是很简单的。同时我们也就知道简单的结构就说明它在出了问题之后检查修补也相当的容易,而且在汽车行驶时它的运行会十分的棒。 任何东西都会有它好的方面和不好的方面,而非独立悬架的缺点是:因为汽车整体结构上的局限性,钢板弹簧并不能拥有那么足够长的跨度,特别是对于汽车的前面悬架来说,我们都知道,一个物体越长,它承载的东西虽然会变多,但是质量也随之变大,故容易发生断裂的危险,且行驶时的舒适性能也会随之变得不那么好:特别是在乡下路不好的情况下,弹簧在左右摆动时并不能具有很好的平衡性,也就导致了车身的倾斜舒适性也就大大的降低了。我们都知道汽车不可能一直在直路上行驶,经常要遇到弯路,而这种结构
15、的悬架在转弯时,这种时候悬架的离心力就会出现问题,会产生不利于车身的轴,这种特性对于汽车的安全十分不利。这种悬架对于轴上面与弹簧之间的承受能力也要在一定的范围之内,不能产生让弹簧超出符合承受之内的质量。 非独立悬架应用的方面主要在车子质量比较大的汽车前后悬架上,同时也能应用在一些特殊的乘用车的后悬架上。3钢板弹簧的布置方案及材料选择3.1 钢板弹簧 钢板弹簧是由若干片宽度一样但是长度不一样的合金弹簧片组合而成的一根强度差不多的弹性梁组成的。 它的工作原理是在于汽车行驶在不平的路面时,在路面传递给车身的冲击载荷时,汽车就会开始上下的跳动,随着这些部位的跳动,钢板弹簧和减振器这些部分也跟着上下跳动
16、,钢板弹簧在跳动中弹簧不断的伸长自身的长度,同时与后面部位的吊耳相互合作,共同保证了悬架的稳定性;而在此时,减振器也因为上面端点的固定,下方长期处于在一种压缩的情况下,造成了阻尼的变大,也会使汽车整体的晃动减小。相反,弹簧在伸长与回复的来回往复的过程中保证了汽车的平稳,是汽车的舒适性得到大大的增强。3.2钢板弹簧的材料选择因为钢板弹簧的制作材料是钢板,根据在书上查到的资料采用60Si2MnA作为钢板弹簧的打造材料。为了得到更好的力学性能,对钢板弹簧采用高温回火。同时,我们还要对他进行热处理,处理过程是在870高温淬火、440低温回火,然后进行处理,方式是喷丸处理。4汽车后悬架系统钢板弹簧的设计
17、计算4.1 设计给定参数后轴荷后轴非簧载质量汽车轴距后悬架簧载质量每副钢板弹簧载荷6175kg945kg4100mm5230KgPc=25627N3.2 钢板弹簧主要参数的确定 要确定钢板弹簧的主要参数,首先要确定的是汽车悬架的主要参数,因为只有有了悬架的主要参数,才能去确定钢板弹簧要用到的弹簧片片数,以及各部分的选择条件。同时呢,悬架的参数选择要遵从一下几个要求:1,汽车要具有较好的驾驶平顺性。2,汽车操纵起来要平稳。3,隔音性能应较好。4,汽车无论做什么动作都应该要保证汽车的平稳。5,使振动衰减的能力。3.2.1 前后悬架静挠度和动挠度的选择表3.1 汽车悬架的偏频、静挠度和动挠度车 型满
18、载时偏频/Hz满载静挠度/满载动挠度/前悬架后悬架前悬架后悬架前悬架后悬架轿 车中、低级1.021.441.181.58122410188111014高 级0.911.120.981.29203015268111014客车1.291.8971558载货汽车1.512.041.672.23611596968越野汽车1.392.04613713前后悬架静挠度的数据对于悬架的平稳具有着很重要的地位,人们期盼前、后悬架的静挠度值还有震动频率值最好要接近一些,因为如果是这样的话,是可以使共振机会降低,而且人们会期盼后悬架的静挠度比前悬架的小一些,据数据可知,一般取。商用车后悬架的动挠度的上下波动是:69
19、cm,全部动挠度选取。 我们要研究的悬架系统,选取静挠度为。后悬架系统,选取静挠度,由公式,得满载偏频为。 3.2.2 钢板弹簧满载弧高的选择满载弧高是指在车轴上,汽车满载时钢板弹簧片最上面与两线之间的最大高度差。弧高用来确定汽车的已有高度。人们最大的期盼是它为零,钢板弹簧就在这上面工作。由于钢板弹簧工作的不稳定性,所以要由给予补偿,我们一般取。在这里取。3.2.3 钢板弹簧长度的确定系钢板弹簧伸直后两卷耳中心线间的距离。它是钢板弹簧的主要参数之一。要合理的确定弹簧长度,必须考虑多方面的因素。增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力,这不仅提高了弹簧的强度,而且随L的增长,弹簧变形时应力变化幅度减
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