懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁
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懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第3頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、第四章汽車懸架設(shè)計(jì)懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng)(車架或承載式車身)Z間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動(dòng)以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的總稱。懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架(或車身)Z間的一切力和力矩,并緩和汽車駛過不平路而時(shí)所產(chǎn)生的沖擊,衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng),以保證汽車的行駛平順性。為此必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯(lián)接,依靠彈性元件來傳遞車輪或車橋與車架或車身之間的垂向載荷,并依靠其變形來吸收能覺,達(dá)到緩沖的目的。采用彈性聯(lián)接后,汽車可以看作是由懸掛質(zhì)起(即簧載質(zhì)屋)、非懸掛質(zhì)最(即非簧載質(zhì)吊J和彈簧(彈性元件)組成的振動(dòng)系統(tǒng),承受來自不平路面、

2、空氣動(dòng)力及傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)。為了迅速衰減不必要的振動(dòng),懸架中還必須包括阻尼尤件,即減振器。此外,懸架中確保車輪與車架或車身Z間所有力和力矩可靠傳遞并決定車輪相對(duì)車架或車身的位移特性的連接裝置統(tǒng)稱為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)決定了車輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和車輪定位參數(shù)的變化,以及汽車前后側(cè)傾中心及縱傾中心的位置,從而在很人程度上影響了整車的操縱穩(wěn)定性和抗縱傾能力。在有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿。盡管一百多年來汽車懸架從結(jié)構(gòu)型式到作用原理一直在不斷地演進(jìn),但從結(jié)構(gòu)功能而言,它都是由彈性元件、減振裝置和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。在有些情況卜,某一零部件兼起兩種或三種作用,比如鋼板彈簧兼起彈性元件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作

3、用,麥克弗遜懸架(McPhersonsti-utsuspension,或稱滑柱擺臂式獨(dú)立懸架)中的減振器柱兼起減振器及部分導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用,有些主動(dòng)懸架中的作動(dòng)器則具有彈性元件、減振器和部分導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的功能。根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),汽車懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩人類。非獨(dú)立懸架的鮮明特色是左、右車輪之間由一剛性梁或非斷開式車橋聯(lián)接,當(dāng)單邊車輪緞過凸起時(shí),會(huì)直接影響另一側(cè)車輪。獨(dú)立懸架中沒有這樣的剛性梁,左右車輪各自“獨(dú)立”地與車架或車身相連或構(gòu)成斷開式車橋,按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可細(xì)分為橫臂式、縱臂式、斜臂式等等,各種懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將在以卜章節(jié)中進(jìn)一步討論。除上述非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架外,還有一種近似半

4、獨(dú)立懸架,它與近似半剛性的非斷開式后支持橋相匹配。當(dāng)左右車輪跳動(dòng)幅度不一致時(shí),后支持橋中呈V形斷而并與左右縱臂固結(jié)在一起的橫梁受扭,由丁其具有一定的扭轉(zhuǎn)彈性,故此種懸架既不同非獨(dú)立懸架,也與獨(dú)立懸架有別。該彈性橫梁還兼起橫向穩(wěn)定桿的作用。按照彈性元件的種類,汽車懸架又可以分為鋼板彈簧懸架、螺旋彈簧懸架、扭桿彈簧懸架、空氣懸架以及油氣懸架等。按照作用原理,可以分為被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架和介二者之間的半主動(dòng)懸架。如前所述,汽車懸架和懸掛質(zhì)最、非懸掛質(zhì)鼠構(gòu)成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng),該振動(dòng)系統(tǒng)的特性很人程度上決定了汽車的行緞平順性,并進(jìn)一步影響到汽車的行駛車速、燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。該振動(dòng)系統(tǒng)也決定了汽車承載系

5、和行駛系許多零部件的動(dòng)載,并進(jìn)而影響到這些零件的使用壽命。此外,懸架對(duì)整車操縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設(shè)計(jì)懸架時(shí)必須考慮以卜兒個(gè)方面的要求:通過合理設(shè)計(jì)懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性,貝有較低的振動(dòng)頻率、較小的振動(dòng)加速度值和合適的減振性能,并能避免在懸架的壓縮伸張行程極限點(diǎn)發(fā)生硬沖擊,同時(shí)還要保證輪胎具有足夠的接地能力:(2丿合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu),以確保車輪與車架或車身Z間所有力和力矩的可靠傳遞,保證車輪跳動(dòng)時(shí)車輪定位參數(shù)的變化不會(huì)過人,并且能滿足汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性要求:(3丿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào),避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉,否則可能引起轉(zhuǎn)向

6、輪擺振:(4丿側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng),汽車轉(zhuǎn)向時(shí)貝有抗側(cè)傾能力,汽車制動(dòng)和加速時(shí)能保持車身的穩(wěn)定,避免發(fā)生汽車在制動(dòng)和加速時(shí)的車身縱傾(即所謂“點(diǎn)頭”和“后仰”);(5丿懸架構(gòu)件的質(zhì)起要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)駅要盡最小;(6丿便布置,在轎車設(shè)計(jì)中特別要考慮給發(fā)動(dòng)機(jī)及行李箱留出足夠的空間;所有零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命;(8丿制造成本低;(9)便J:維修、保養(yǎng)。懸架設(shè)計(jì)可以人致分為結(jié)構(gòu)型式及主要參數(shù)選擇和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段,有時(shí)還要反復(fù)交叉進(jìn)行。由懸架的參數(shù)影響到許多整車特性,并且涉及其他總成的布置,因而一般耍與總布置共同協(xié)商確定。4.1前后懸架系統(tǒng)的主要參數(shù)的確定及對(duì)整車性能的彩響4

7、.1.1懸架靜撓度懸架靜撓度是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛度c之比,即fc=F、v1c。汽車前、后懸架與其簧上質(zhì)最組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率,是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)么一。因現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)w近似等是汽車前、后軸上方車身兩點(diǎn)的振動(dòng)不存在聯(lián)系。因此,汽車前、后部分的車身的固有頻率q和$(亦稱偏頻)可用卜式表示(4-1)式中,5、6為前.后懸架的剛度(N/cm);m2為前.后懸架的簧上質(zhì)杲(kg)。當(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時(shí),前、后懸架的靜撓度可用卜式表示gg式中,g為重力加速度(g=981cm/52)o將九、幾代人式(61)得到5廠“1廂弘=/(42)仏分析上式可知:

8、懸架的靜撓度人直接影響車身振動(dòng)的偏頻11。因此,欲保證汽車有良好的行駛平順性,必須正確選取懸架的靜撓度。在選取前、后懸架的靜撓度值九和/宀時(shí),應(yīng)當(dāng)使之接近,并希望后懸架的靜撓度/c比前懸架的靜撓度小些,這有利防止車身產(chǎn)生較人的縱向角振動(dòng)。理論分析證明:若汽車以較高車速駛過單個(gè)路障,耳J1時(shí)小,故推薦取幾=(080.9)/rlo考慮到貨車前.后軸荷的差別和駕駛員的乘坐舒適性,取前懸架的靜撓度值大J:后懸架的靜撓度值,推薦2=(060.8)fclO為了改善微型轎車后排乘客的乘坐舒適性,有時(shí)取后懸架的偏頻低于前懸架的偏頻。用途不同的汽車,對(duì)平順性要求不一樣。以運(yùn)送人為主的轎車刈平順性的要求最高,人客

9、車次之,載貨車更次Z。對(duì)普通級(jí)以卜轎車滿載的情況,前懸架偏頻要求在1.001.45Hz,后懸架則要求在1.171.58Hz。原則上轎車的級(jí)別越高,懸架的偏頻越小。對(duì)高級(jí)轎車滿載的情況,前懸架偏頻要求在0.80-1.15Hz,后懸架則要求在0.981.30Hz。貨車滿載時(shí),前懸架偏頻要求在1.502.10Hz,而后懸架則要求在1.702.17Hzo選定偏頻以后,再利用式(6-2)即可計(jì)算出懸架的靜撓度。4.1.2懸架的動(dòng)撓度九懸架的動(dòng)撓度九是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最人變形(通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1/2或2/3川寸,車輪中心相刈車架(或車身)的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠

10、人的動(dòng)撓度,以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)轎車,力取79cm;對(duì)大客車,fd取58cm;對(duì)貨車,fd取69cm。4.1.3懸架彈性特性懸架受到的垂直外力F與由此所引起的車輪中心相對(duì)J:車身位移廠(即懸架的變形)的關(guān)系曲線稱為懸架的彈性特性。其切線的斜率是懸架的剛度。懸架的彈性特性有線性彈性特性和非線性彈性特性兩種。當(dāng)懸架變形廠與所受垂直外力F之間呈固定比例變化時(shí),彈性特性為一直線,稱為線性彈性特性,此時(shí)懸架剛度為常數(shù)。當(dāng)懸架變形f與所受垂直外力FZ間不呈固定比例變化時(shí),彈性特性如圖4-1所示。此時(shí),懸架剛度是變化的,其特點(diǎn)是在滿載位置(圖中點(diǎn)8)附近,剛度小且曲線變化平緩,因而平順性

11、良好:距滿載較遠(yuǎn)的兩端,曲線變陡,剛度增人。這樣可在有限的動(dòng)撓度力范囤內(nèi),得到比線性懸架更多的動(dòng)容最。懸架的動(dòng)容最系指懸架從靜載荷的位置起,變形到結(jié)構(gòu)允許的最人變形為止消耗的功。懸架的動(dòng)容最越大,對(duì)緩沖塊擊穿的可能性越小??蛰d與滿載時(shí)簧上質(zhì)磧變化人的貨車和客車,為了減少振動(dòng)頻率和車身高度的變化,應(yīng)當(dāng)選用剛度可變的非線性懸架。轎車簧上質(zhì)炭在使用中雖然變化不人,但為了減少車軸對(duì)車架的撞擊,減少轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的側(cè)傾與制動(dòng)時(shí)的前俯角和加速時(shí)的后仰角,也應(yīng)當(dāng)采用剛度可變的非線性懸架。鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的彈性特性可視為線性的,而帶有副簧的鋼板彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧等,均為剛度可變的非線性彈性特性懸架。4.1

12、.4后懸架主、副簧剛度的分配貨車后懸架多采用有主、副簧結(jié)構(gòu)的鋼板彈簧。其懸架彈性特性曲線如圖6-10所示。圖4-1懸架彈性特性曲線1一緩沖塊復(fù)原點(diǎn)2復(fù)原行程緩沖塊脫離支架3-主彈簧彈性特性曲線4-復(fù)原行程5壓縮行程6緩沖塊壓縮期懸架彈性特性曲線7緩沖塊壓縮時(shí)開始接觸彈性支架8額定載荷載荷小時(shí)副簧不工作,載荷達(dá)到一定值(圖4一2中的耳丿時(shí),副簧與托架接觸,開始與主簧共同工作。乞=(2%-2)(%+3)(44)如何確定副簧開始參加工作的載荷耳和主、副簧z間的剛度分配,受懸架的彈性特性和主、副簧上載荷分配的影響。原則上要求車身從空載到滿載時(shí)的振動(dòng)頻率變化要小,以保證汽車有良好的平順性,還要求副簧參加

13、丁作前、后的懸架振動(dòng)頻率變化不人。這兩項(xiàng)要求不能同時(shí)滿足。具體確定方法有兩種:第一種方法是使副簧開始起作用時(shí)的懸架撓度等汽車空載時(shí)懸架的撓度人,I何使劇簧開始起作用前一瞬間的撓度fK等滿載時(shí)懸架的撓度于是,可求得Fk=JFF、,。式中,化和仟丫分別為空載與滿載時(shí)的懸架載荷。副簧、主簧的剛度比為式中,C“為副簧剛度;圖4一2貨車主、副簧為鋼板彈簧結(jié)構(gòu)的彈性特性用此方法確定的主、副簧剛度比值,能保證在空、滿載使用范圍內(nèi)懸架振動(dòng)頻率變化不大,但副簧接觸托架前、后的振動(dòng)頻率變化比較人。第二種方法是使副簧開始起作用時(shí)的載荷等于空載與滿載時(shí)懸架載荷的平均值,即Fk=05(化+Fw),并使F。和你間的平均載

14、荷對(duì)應(yīng)的頻率與Fk和間平均載荷対應(yīng)的頻率相等,此時(shí)副簧與主簧的剛度比為用此法確定的主、副簧剛度比值,能保證副簧起作用前、后懸架振動(dòng)頻率變化不人。對(duì)于經(jīng)常處于半載運(yùn)輸狀態(tài)的車輛,采用此法較為合適。4.1.5懸架側(cè)傾角剛度及其在前、后軸的分配懸架側(cè)傾角剛度系指簧上質(zhì)最產(chǎn)生單位側(cè)傾角時(shí)懸架給車身的彈性恢復(fù)力矩。它対簧上質(zhì)最的側(cè)傾角有影響o側(cè)傾角過人或過小都不好。乘坐側(cè)傾角剛度過小而側(cè)傾角過人的汽車,乘員缺乏舒適感和安全感。側(cè)傾剛度過人而側(cè)傾角過小的汽車又缺乏汽車發(fā)生側(cè)翻的感覺,同時(shí)使輪胎側(cè)偏角增人,如果發(fā)生在后輪會(huì)使汽車增加了過多轉(zhuǎn)向的可能。要求在側(cè)向慣性力等于0.4倍車重時(shí),轎車車身側(cè)傾角在2.5

15、。4。,貨車車身側(cè)傾角不超過6。7。此外,還要求汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),在0.4g的側(cè)向加速度作用卜,前、后輪側(cè)偏角Z差百-爲(wèi)應(yīng)當(dāng)在13。范鬧內(nèi)。而前、后懸架側(cè)傾角剛度的分配會(huì)影響前、后輪的側(cè)偏角人小,從而影響轉(zhuǎn)向特性,所以設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮懸架側(cè)傾角剛度在前、后軸上的分配。為滿足汽車稍有不足轉(zhuǎn)向特性的要求,應(yīng)使汽車前軸的輪胎側(cè)偏角略人后軸的輪胎側(cè)偏角。為此,應(yīng)該使前懸架具有的側(cè)傾角剛度要略人后懸架的側(cè)傾角剛度。對(duì)轎車,前、后懸架側(cè)傾角剛度比值一般為1.42.6。4.2鋼板彈簧設(shè)計(jì)421鋼板彈簧的布置方案鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。后者因?yàn)橐獋鬟f縱向力,必須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置,使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)帚加

16、人,所以只在少數(shù)輕、微型車上應(yīng)用??v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,故在汽車上得到廣泛應(yīng)用??v置鋼板彈簧又有對(duì)稱式與不対稱式之分。鋼板彈簧中部在車軸(橋)上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心Z間的距離若相等,則為対稱式鋼板彈簧;若不相等,則稱為不對(duì)稱式鋼板彈簧。多數(shù)情況I、汽車采用對(duì)稱式鋼板彈簧。由整車布置上的原因,或者鋼板彈簧在汽車上的安裝位置不動(dòng),又要改變軸距或者通過變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的時(shí),采用不對(duì)稱式鋼板彈簧。4.2.2鋼板彈簧主要參數(shù)的確定在進(jìn)行鋼板彈簧計(jì)算Z前,應(yīng)當(dāng)知道卜列初始條件:滿載靜止時(shí)汽車前、后軸(橋丿負(fù)荷$、G?和簧卜部分荷重、G“2,并據(jù)此計(jì)算出單個(gè)鋼

17、板彈簧的載荷:Fwl=G-GJ/2和FW2=(G2-Gu2)/2,懸架的靜撓度fc和動(dòng)撓度fd,汽車的軸距等。1.滿載弧高滿載弧高九是指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上,汽車滿載時(shí)鋼板彈簧主片上表面與兩端(不包括卷耳孔半徑丿連線間的最人高度差(圖4-3)o用來保證汽車具有給定的高度。當(dāng)fa=Q時(shí),鋼板彈簧在對(duì)稱位置上工作。為了在車架高度已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值,常取/“=1020mm。2鋼板彈簧長(zhǎng)度L的確定鋼板彈簧長(zhǎng)度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心Z間的距離。增加鋼板彈簧長(zhǎng)度L能顯著降低彈簧應(yīng)力,提高使用壽命;降低彈簧剛度,改善汽車平順性;在垂直剛度c給定的條件卜,又能明顯増加鋼板彈簧的縱向角剛度。鋼

18、板彈簧的縱向角剛度系指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時(shí),作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值。增人鋼板彈簧縱向角剛度的同時(shí),能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形:選用長(zhǎng)些的鋼板彈簧,會(huì)在汽車上布置時(shí)產(chǎn)生困難。原則上在總布置可能的條件卜,應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些。推薦在卜列范I科內(nèi)選用鋼板彈簧的長(zhǎng)度:轎車:L=(0.400.55)軸距;貨車前懸架:L=(0.260.35)軸距,后懸架:L=(0.35-0.45)軸距。圖4-3鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高3.鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定(J鋼板斷面寬度b的確定有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強(qiáng)度等,可按等截而簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式計(jì)算,但需引入撓度增人系數(shù)/加以修正。因此,可根據(jù)修正

19、后的簡(jiǎn)支梁公式計(jì)算鋼板彈簧所盂要的總慣性矩人。対對(duì)稱鋼板彈簧JQ=(厶-ks)3cS/4SE(45)式中,s為U形螺栓中心距(mm丿;是為考慮U形螺栓夾緊彈簧后的無效長(zhǎng)度系數(shù)(如剛性夾緊,取R=0.5,撓性夾緊,取k=0);c為鋼板彈簧垂直剛度(N/mm丿,c=Fw/fc;5為撓度增人系數(shù)(先確定與主片等長(zhǎng)的重疊片數(shù)厲,再估計(jì)一個(gè)總片數(shù)“,求得T=nJnQ,然后用1.5/1.04(1+0.5/7)初定);E為材料的彈性模量。鋼板彈簧總截面系數(shù)用卜式計(jì)算WFw(L-ks)/4aw(46)式中厲為許用彎曲應(yīng)力。對(duì)J;55SiMnVB或60Sl2Mu等材料,表而經(jīng)噴丸處理后,推薦(Tw在卜列范閑內(nèi)選

20、恥前彈簧和平衡懸架彈簧為350450N/mm1;后主簧為450550N/mm2;后副簧為22025ON/mm1。將式(46)代人I、式計(jì)算鋼板彈簧平均厚度心Jo_(L-ks)awPWo-6Eft(5有了心以后,再選鋼板彈簧的片寬bo增人片寬,能增加卷耳強(qiáng)度,但當(dāng)車身受側(cè)向力作用傾斜時(shí),彈簧的扭曲應(yīng)力增人。前懸架用寬的彈簧片,會(huì)影響轉(zhuǎn)向輪的最人轉(zhuǎn)角。片寬選取過窄,又得增加片數(shù),從而增加片間的摩擦和彈簧的總厚。推薦片寬與片厚的比值bh卩在610范圍內(nèi)選取。(2丿鋼板彈簧片厚h的選擇矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩丿。用卜式計(jì)算Jo=nbh3/12(58)式中,n為鋼板彈簧片數(shù)。由式(4-8)可知,改

21、變片數(shù)n、片寬b和片厚h三者之一,都影響到總慣性矩人的變化:再結(jié)合式(4-5丿可知,總慣性矩丿。的改變又會(huì)影響到鋼板彈簧垂直剛度c的變化,也就是影響汽車的平順性變化。其中,片厚丸的變化對(duì)鋼板彈簧總慣性矩了。影響最人。增加片厚九,可以減少片數(shù)5鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不同兩種情況,希望盡可能采用前者。但因?yàn)橹髌ぷ鳁l件惡劣,為了加強(qiáng)主片及卷耳,也常將主片加厚,其余各片厚度稍薄。此時(shí),要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過三組。為使各片壽命接近又要求最厚片與最薄片厚度Z比應(yīng)小于1.5。最后,鋼板斷而尺寸b和h應(yīng)符合國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。b圖4-4葉片斷面形狀a)矩形斷面b)T形斷面c)單面有拋物線邊緣斷面

22、d丿單面有雙槽的斷而(3丿鋼板斷而形狀矩形斷面鋼板彈簧的中性軸,在鋼板斷面的刈稱位置上(圖4-4a)o工作時(shí)一而受拉應(yīng)力,另一面受壓應(yīng)力作用,而且上、卜表面的名義拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的絕對(duì)值相等。因材料抗拉性能低J:抗壓性能,所以在受拉應(yīng)力作用的一而首先產(chǎn)生疲勞斷犁。除矩形斷而以外的其它斷面形狀的葉片(圖4-4b、c、d),其中性軸均上移,使受拉應(yīng)力作用的一面的拉應(yīng)力絕對(duì)值減小,而受壓應(yīng)力作用的一面的壓應(yīng)力絕対值増人,從而改善了應(yīng)力在斷而上的分布狀況,提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度和節(jié)約近10%的材料。(4丿鋼板彈簧片數(shù)n片數(shù)n少些有利制造和裝配,并可以降低片間的干摩擦,改善汽車行駛平順性。但片數(shù)少了將使

23、鋼板彈簧與等強(qiáng)度梁的差別增人,材料利用率變壞。多片鋼板彈簧一般片數(shù)在614片之間選取,重型貨車可達(dá)20片。用變截面少片簧時(shí),片數(shù)在14片之間選取。4.2.3鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的確定片厚不變寬度連續(xù)變化的單片鋼板彈簧是等強(qiáng)度梁,形狀為菱形(兩個(gè)三角形)。將由兩個(gè)三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干片,然后按照長(zhǎng)度人小不同依次排列、疊放到一起,就形成接近實(shí)用價(jià)值的鋼板彈簧。實(shí)際上的鋼板彈簧不可能是三角形,因?yàn)闉榱藢摪鍙椈芍胁抗潭ǖ杰囕S(橋丿上和使兩卷耳處能可靠地傳遞力,必須使它們有一定的寬度,因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼板彈簧(圖4一5丿替代三角形鋼板彈簧才有真正的實(shí)用意義。這種鋼板彈簧

24、各片具有相同的寬度,但長(zhǎng)度不同。鋼板彈簧各片長(zhǎng)度就是某實(shí)際鋼板各片展開圖接近梯形梁的形狀這一原則來作圖的。首先假設(shè)各片厚度不同,則具體進(jìn)行步驟如下:先將各片厚度代的立方值按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在久,圖上(圖4一6),再沿橫坐標(biāo)量出主片長(zhǎng)度的一半L/2和U形螺栓中心距的一半s/2,得到A、E兩點(diǎn),連接A、B即得到三角形的鋼板彈簧展開圖。AE線與各葉片上側(cè)邊的交點(diǎn)即為各片長(zhǎng)度。如果存在與主片等長(zhǎng)的重疊片,就從月點(diǎn)到最后一個(gè)重疊片的上側(cè)邊端點(diǎn)連一直線,此直線與各片上側(cè)邊的交點(diǎn)即為各片長(zhǎng)度。各片實(shí)際長(zhǎng)度尺寸需經(jīng)圓整后確定。圖4一5雙梯形鋼板彈簧圖4一6確定鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的作圖法424鋼板彈簧剛度驗(yàn)

25、算在此之前,有關(guān)撓度增人系數(shù)/、總慣性矩丿、片長(zhǎng)和葉片端部形狀等的確定都不夠準(zhǔn)確,所以有必耍驗(yàn)算剛度。用共同曲率法計(jì)算剛度的前提是,假定同一截而上各片曲率變化值相同,各片所承受的彎矩正比J:其慣性矩,同時(shí)該截面上各片的彎矩和等外力所引起的彎矩。剛度驗(yàn)算公式為6aETOC o 1-5 h zC=(49)f心(H其中,務(wù)=(/】一厶+);Yk=7T-:-h=TfT-6EASJ,f=l1=1式中,為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),Q=0.900.94:E為材料彈性模量;厶、/葉為主片和第(R+1)片的一半長(zhǎng)度。式(6-9)中主片的一半厶,如果用中心螺栓到卷耳中心間的距離代入,求得的剛度值為鋼板彈簧總成自由剛度J;如果

26、用有效長(zhǎng)度,即=仏-0.5怎)彳弋入式(69),求得的剛度值是鋼板彈簧總成的夾緊剛度C2o4.2.5鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)卜的弧高及曲率半徑計(jì)算(1丿鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)I、的弧高H。鋼板彈簧各片裝配后,在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前,其主片上表而與兩端(不包括卷耳孔半徑丿連線間的最人高度差(圖4-3),稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)卜的弧高H。,用卜式計(jì)算日。=(+/“+AD(410)式中,為靜撓度:九為滿載弧高;4/為鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后引起的弧高變化,W/+);$為U形螺栓中礙L為鋼板彈簧主片長(zhǎng)度。鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)卜的曲率半徑/?。=Z/8H。(2丿鋼板彈簧各片自由狀態(tài)卜曲率半徑的

27、確定因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)I、和裝配后的曲率半徑不同(圖4-7),裝配后各片產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,其值確定了自由狀態(tài)卜的曲率半徑尺各片自由狀態(tài)卜做成不同曲率半徑的目的是:使各片厚度相同的鋼板彈簧裝配后能很好地貼緊,減少主片工作應(yīng)力,使各片壽命接近。圖4一7鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑矩形斷而鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由卜式確定REh1+(2%鳳)式中,&為第片彈簧自由狀態(tài)卜的曲率半徑(may;他為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)卜的曲率半徑(mm);先為各片彈簧的預(yù)應(yīng)力tN/mm1);正為材料彈性模量(N/mm2),取E=2.1x10N/$:札為第1片的彈簧厚度(mm丿。在已知鋼板彈簧總成自由狀態(tài)卜曲率半徑

28、/?。和各片彈簧預(yù)加應(yīng)力的條件卜,可以用式(4-11丿計(jì)算出各片彈簧自由狀態(tài)卜的曲率半徑&。選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí),要求做到:裝配前各片彈簧片間間隙相差不人,且裝配后各片能很好貼和:為保證主片及與其相鄰的長(zhǎng)片有足夠的使用壽命,應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長(zhǎng)片的應(yīng)力。為此,選取各片預(yù)應(yīng)力時(shí),可分為卜列兩種情況:對(duì)于片厚相同的鋼板彈簧,各片預(yù)應(yīng)力值不宜選取過人;刈丁片厚不和同的鋼板彈簧,厚片預(yù)應(yīng)力可取人些。推薦主片在根部的工作應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力疊加后的合成應(yīng)力在300350N/mm2內(nèi)選取。14片長(zhǎng)片疊加負(fù)的預(yù)應(yīng)力,短片疊加正的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力從長(zhǎng)片到短片由負(fù)值逐漸遞增至正值。在確定各片預(yù)應(yīng)力時(shí),理論上應(yīng)滿足

29、各片彈簧在根部處預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩MZ代數(shù)和等于零,即nIX(4-12)/=!或工(4-13)/=!如果第1片的片長(zhǎng)為厶,則第L片彈簧的弧高為H產(chǎn)CJ8R,(4-14)4.2.6鋼板彈簧總成弧高的核算由J:鋼板彈簧葉片在自由狀態(tài)卜的曲率半徑&是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力后用式(4一計(jì)算,受其影響,裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用式Rq=L3/SHq計(jì)算的結(jié)果會(huì)不同。因此,需要核算鋼板彈簧總成的弧高。根據(jù)最小勢(shì)能原理,鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢(shì)能總和最小狀態(tài),由此可求得等厚葉片彈簧的心為nn0工厶1=1(415)式中,厶為鋼板彈簧第L片長(zhǎng)度。鋼板彈簧總成弧高為HuZ?/8/?0(416)用式(416)與用

30、式(4一10)計(jì)算的結(jié)果應(yīng)相近。如相差較多,可經(jīng)重新選用各片預(yù)應(yīng)力再行核算。4.2.7鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算(1丿緊急制動(dòng)時(shí),前鋼板彈簧承受的載荷最人,在它的后半段出現(xiàn)的最人應(yīng)力用下式計(jì)算G加仁(A+g“%=:112V1(4-17)a+M式中,G為作用在前輪上的垂直靜負(fù)荷;耳為制動(dòng)時(shí)前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù),轎車:“=121.4,貨車:加=1.41.6;人、厶為鋼板彈簧前、后段長(zhǎng)度:0為道路附著系數(shù),取0.8;W。為鋼板彈簧總截面系數(shù):c為彈簧固定點(diǎn)到路面的距離(圖4一8)。(2)汽車驅(qū)動(dòng)時(shí),后鋼板彈簧承受的載荷最人,在它的前半段出現(xiàn)最人應(yīng)力用卜式計(jì)算max(4-18)Gjnja+gG2ni2(pa+/jw

31、+叭式中,G2為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷;m;為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù),轎車:=1.25、1.30,貨車:加2=1.11.2;0為道路附著系數(shù);b為鋼板彈簧片寬;人為鋼板彈簧主片厚度。此外,還應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算汽車通過不平路面時(shí)鋼板彈簧的強(qiáng)度。許用應(yīng)力CT取為1000N/mm1o(3丿鋼板彈簧卷耳和彈簧銷的強(qiáng)度核算鋼板彈簧主片卷耳受力如圖4一9所示。卷耳處所受應(yīng)力7是由彎曲應(yīng)力和拉(壓)應(yīng)力合成的應(yīng)力/|12”rr1fs2卜X匚廠1rF.=GmFb(419)圖4一8汽車制動(dòng)時(shí)鋼板彈簧的受力圖3化Q+九兒化blf地式中,耳為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力;D為卷耳內(nèi)徑;b為鋼板彈簧寬度;代為主片厚度。許

32、用應(yīng)力CT取為350N/mm2。対鋼板彈簧銷要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷時(shí)鋼板彈簧銷受到的擠壓應(yīng)力6=鼻。其中,bd代為滿載靜止時(shí)鋼板彈簧端部的載荷;b為卷耳處葉片寬;d為鋼板彈簧銷直徑。用30鋼或40鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時(shí),彈簧銷許用擠壓應(yīng)力9z】取為34N/加滬;用20鋼或20Cr鋼經(jīng)滲碳處理或用45鋼經(jīng)高頻淬火后,其許用應(yīng)力jW79N/mm2。鋼板彈簧多數(shù)情況卜采用55SlMdVB鋼或60S12MU鋼制造。常采用表而噴丸處理工藝和減少表面脫碳層深度的措施來提高鋼板彈簧的壽命。表面噴丸處理有一般噴丸和應(yīng)力噴丸兩種,后者可使鋼板彈簧表面的殘余應(yīng)力比前者大很多。4.2.8少片彈簧少片彈簧在輕型車和轎

33、車上得到越來越多的應(yīng)用。其特點(diǎn)是葉片由等長(zhǎng)、等寬、變截面的13片葉片組成(圖4一10)。利用變厚斷面來保持等強(qiáng)度特性,并比多片彈簧減少20%40%的質(zhì)屋。片間放有減摩作用的塑料墊片,或做成只在端部接觸以減少片間摩擦。圖4-19所示單片變截面彈簧的端部CD段和中間夾緊部分AB段是厚度為九和仏的等截面形,EC段為變厚截面。BC段厚度可按拋物線形或線性變化。圖4一10單片彈簧和少片彈簧a)單片彈簧b)少片彈簧慣性矩(產(chǎn))亍,單片剛度為(420)6EJ疋廠1+(護(hù)3式中,E為材料的彈性模量;歹為修正系數(shù),取0.92;/,/,如圖4一11所示;丿2=士,其中b為鋼板寬;k亠扣。6FI彈簧在拋物線區(qū)段內(nèi)各

34、點(diǎn)應(yīng)力相等,其值為圖411單片變截面彈簧的一半(2)按線性變化此時(shí)厚度九隨長(zhǎng)度的變化規(guī)律為hx=Ax+B,式中,h_hhl-hlA=產(chǎn)??;B=;產(chǎn)1單片鋼板彈簧剛度仍用式(4-20)計(jì)算,但式中系數(shù)R、322+4(1-0)(”)J&丿(I)-1式中,a=ljl0=hjh/=a!p.當(dāng)Ah(20-1)或2入t時(shí),彈簧最人應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在x=處,此處-Ahx=Ax+B=2B,其應(yīng)力值=3FJ7BAB。當(dāng)AWh(20-l)時(shí),最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在B點(diǎn),其值bg=3FJ2bh;8nun,以保證足夠的抗剪強(qiáng)度并防止A薄而淬裂。取1220mm。4.3扭桿懸架設(shè)計(jì)作為懸架彈性尤件的一種一扭桿彈簧的兩端分別與車架(車

35、身丿和導(dǎo)向臂連接。工作時(shí)扭桿彈簧受扭轉(zhuǎn)力矩作用。扭桿彈簧在汽車上可以縱置、橫置或介上述兩者Z間。因扭桿彈簧單位質(zhì)量?jī)?chǔ)能鼠比鋼板彈簧人許多,所以扭桿彈簧懸架質(zhì)鼠小(簧卜質(zhì)最得以減少),目前在輕型客車、貨車上得到比較廣泛的應(yīng)用。除此Z外,扭桿彈簧還有工作可靠、保養(yǎng)維修容易等優(yōu)點(diǎn)。扭桿彈簧可以按照斷面形狀或彈性元件數(shù)最的不同來分類。按照斷面形狀不同,扭桿彈簧分為圓形、管形、片形等幾種。按照彈性元件數(shù)量不同,扭桿可分為單桿式(圖4-12a.b)或組合式兩種。組合式扭桿又有并聯(lián)(圖4-12c、d丿和串聯(lián)(圖4-12e)兩種。端部做成花鍵的圓形斷而扭桿,因工藝性良好和裝配容易而得到廣泛應(yīng)用,與管形扭桿比較

36、材料利用不夠合理是它的缺點(diǎn)。管形斷面扭桿有制造工藝比較復(fù)雜的缺點(diǎn),但它也有材料利用合理和能夠用來制作組合式扭桿的優(yōu)點(diǎn)。片形斷而扭桿在一片斷了以后仍能工作,所以工作可靠性好,除此之外還有工藝性良好、彈性好、扭角大等優(yōu)點(diǎn)。片形斷面扭桿的材料利用不夠合理。組合式扭桿能縮短彈性元件的長(zhǎng)度,有利在汽車上布置。采用圓斷而組合式扭桿時(shí),可以用2、4或6根組合形成的組合式扭桿。)圖4-12扭桿斷面形狀及端部結(jié)構(gòu)a)圓形斷而扭桿,端部為花鍵b丿圓形斷而扭桿,端部為六角形c丿片形組合式扭桿d)圓形組合式扭桿e)串聯(lián)組合式扭桿卜而以汽車上常用的圓形斷面扭桿為例,介紹扭桿彈簧的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。設(shè)計(jì)前應(yīng)當(dāng)根據(jù)對(duì)汽車平順性的要

37、求,先行選定懸架的剛度c。設(shè)計(jì)扭桿彈簧需要確定的主要尺寸有扭桿直徑d和扭桿長(zhǎng)度L(圖4-13八圖4一13扭桿彈簧與臂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)最人扭矩計(jì)算扭桿直徑d(4-21)式中,為扭桿承受的最人扭矩;&為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,可取允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力代人計(jì)算。扭桿的有效長(zhǎng)度L用卜式計(jì)算(4-22)式中,G為切變模量,設(shè)計(jì)時(shí)取G=7.7xlO4NPa;“為扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度。分析式(6-22)可知:扭桿直徑d和有效長(zhǎng)度L對(duì)扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度q有影響。增加扭桿直徑d會(huì)使扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度-增人,因懸架剛度與扭桿扭轉(zhuǎn)剛度成正比,所以汽車平順性變壞:而扭桿直徑d又必須滿足式(6-21)的強(qiáng)度要求,不能隨意減小。增加扭桿有效長(zhǎng)度L能減小扭

38、桿的扭轉(zhuǎn)剛度C”,使汽車平順性獲得改善,但過長(zhǎng)的扭桿在汽車上布置有困難,此時(shí)宜采用組合式扭桿。常采用45ClNMoA、400、42CirMo、50CRV等彈簧鋼制造扭桿。為了提高疲勞強(qiáng)度,扭桿需耍經(jīng)過預(yù)扭和噴丸處理。經(jīng)過預(yù)扭和噴丸處理的扭桿許用切應(yīng)力計(jì)可在800900NPa范圍內(nèi)選取,轎車可取上限,貨車宜取卜限。扭桿彈簧可分為端部、桿部和過渡段三部分。圓形扭桿使用有花鍵的端部占多數(shù),這種結(jié)構(gòu)在端部直徑較小時(shí)也能保證足夠的強(qiáng)度。為使端部和桿部壽命一樣,推薦端部直徑D=(1.21.3/1,其中d為扭桿直徑;花鍵長(zhǎng)ffi/=0.4D,端部花鍵一般采用漸開線花鍵。從端部直徑到桿部直徑Z間的一段稱為過渡

39、段。為了使這段應(yīng)力集中降到最小,過渡段的尺寸應(yīng)該是逐漸變化的。比較常用的方法是采用一個(gè)30。夾角的錐體,把端部和桿部連接起來(圖4-14a),過渡段長(zhǎng)L,=(P-J)/2tanl5,過渡圓角r=1.5Jo過渡段可以分為靠近直徑為D的花鍵端部的非有效部分和靠近直徑為d的桿部的有效部分,即這一部分可以看作是扭桿工作長(zhǎng)度的一部分,稱為有效長(zhǎng)度對(duì)于如圖4-14a所示結(jié)構(gòu),有效長(zhǎng)度厶,可用卜式計(jì)算(423)圖4一14扭桿端部、桿部與過渡段卩錐度過渡段b丿圓弧過渡段燉J:如圖4-14b所示結(jié)構(gòu),有效長(zhǎng)度Le可用卜式計(jì)算(ciy3(dS8+10483丿Le=D3-d丿arctanf-(424)過渡段圓弧半徑

40、/?為(4一25)扭桿的工作長(zhǎng)度L等于桿身長(zhǎng)Lo再加上有效長(zhǎng)度厶的兩倍,即L=Lo+2Le與扭桿花鍵連接的支座上的內(nèi)花鍵長(zhǎng)度要求比扭桿上的外花鍵長(zhǎng)度長(zhǎng)些,并且設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)保證內(nèi)花鍵的兩端長(zhǎng)度都要超出扭桿花鍵長(zhǎng)度。有的扭桿端部采用直接鍛造出六角形的結(jié)構(gòu)。為了提高側(cè)邊的平直度,鍛后再進(jìn)行精壓加工。六角対邊的寬度B與扭桿直徑d之間要求保持B=(1.21.4)d的關(guān)系,以保證六角形的端部有足夠的強(qiáng)度。4.4螺旋彈簧懸架設(shè)計(jì)螺旋彈簧作為彈性元件,由其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便及有高的比能容最,因此在現(xiàn)代輕型以卜汽車的懸架中應(yīng)用相當(dāng)普遍,特別是在轎車中,由要求良好的乘坐舒適性和懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在人擺動(dòng)最卜仍具有保持車輪

41、定位角的能力,因此螺旋彈簧懸架早就取代了鋼板彈簧。螺旋彈簧在懸架布置中可在彈簧內(nèi)部安裝減振器、行程限位器或?qū)蛑菇Y(jié)構(gòu)緊湊。通過采用變節(jié)距的或用變直徑彈簧鋼幺幺繞制的或兩者同時(shí)采用的彈簧結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)變剛度特性。1.螺旋彈簧的剛度及應(yīng)力計(jì)算螺旋彈簧在其軸向載荷P作用卜的變形/為(4-26)式中2一彈簧中徑,mm:d彈簧鋼絲直徑,mm;i彈簧工作圈數(shù);G彈簧材料的剪切彈性模量,取&3xl04MPao因此彈簧剛度廠PGd4C=5f一L(4-27)斶i彈簧在壓縮時(shí)其工作方式與扭桿類似,都是靠材料的剪切變形吸收能最,彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力為8P6K嚴(yán)KMpa(4-28)nd式中C彈簧指數(shù)(旋繞比力C=D

42、JchK曲度系數(shù),為考慮簧圈曲率對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù),K=竺二1+2今。(4一4C-4C29)對(duì)J:前而討論的直的扭桿,其表面的剪應(yīng)力呈均勻分布,而螺旋彈簧鋼絲表而的剪應(yīng)力則相対復(fù)雜。在靜載狀態(tài)卜,這種截面內(nèi)的應(yīng)力分布不均勻可以忽略不計(jì),但在承受動(dòng)載時(shí),由彈簧內(nèi)側(cè)應(yīng)力水平較高并且應(yīng)力變化幅值也更人,導(dǎo)致螺旋彈簧的失效總是發(fā)生在內(nèi)側(cè)。為了在設(shè)計(jì)時(shí)考慮內(nèi)側(cè)應(yīng)力的增大,引入修正系數(shù)K。一般情況卜,彈簧鋼的許用剪應(yīng)力計(jì)與許用拉應(yīng)力cr成比例關(guān)系,通常情況卜,可以取r=0.630。2.彈簧端部形狀螺旋彈簧端部可以碾細(xì)、并緊,直角切斷或向內(nèi)彎曲,典型結(jié)構(gòu)如圖4一15所示。其中0為兩端碾細(xì),亦即在繞制彈簧Z前先

43、將鋼絲兩端碾細(xì),碾細(xì)部分長(zhǎng)度在繞后約占240,末端厚度為鋼絲直徑的1/3左右,繞成后末端幾乎貼緊和鄰一圈彈簧。必要時(shí),兩端都耍磨平。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約材料,占用垂向空間小,特別是由兩端都平整,安裝時(shí)可以任意轉(zhuǎn)動(dòng),因而設(shè)計(jì)時(shí)彈簧的圈數(shù)可以取任意值,不必限整數(shù)。其缺點(diǎn)是碾細(xì)需要專門工序和設(shè)備,增加了制造成本。(b)為直角切斷型,其中一端并緊形成與彈簧軸線垂直的平面。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在繞制簡(jiǎn)單,成本低,其缺點(diǎn)是増人了垂向尺寸和材料消耗,安裝時(shí)需要一定方向并且需與之相配套的彈簧座,若兩端都未整平,則修改設(shè)計(jì)時(shí),彈簧圈數(shù)必須按整數(shù)增減。(c)為端部向內(nèi)彎曲并形成與彈簧軸線垂直的平面,這種結(jié)構(gòu)常用J:和彈

44、簧座配合起定位作用,若兩端都內(nèi)彎,則需要專用設(shè)備。(G圖4一15螺旋彈簧的端部結(jié)構(gòu)表4-1列出了不同端部結(jié)構(gòu)時(shí)彈簧總?cè)?shù)與有效圈數(shù):以及彈簧完全并緊時(shí)的高度間的關(guān)系,其中公式中的系數(shù)1.01為考慮螺旋角的補(bǔ)償系數(shù),f為端部碾細(xì)時(shí)的末端厚度。表4一1螺旋彈簧不同端部結(jié)構(gòu)時(shí)的總?cè)?shù)川及并緊高度Hs總?cè)?shù)完全并緊時(shí)的咼度兩端碾細(xì)i+21.0k/(/7-1)+2/兩端切斷1+1.33l.Ok/(77+1)兩端內(nèi)彎f+1.501.Old(-1.25)一端碾細(xì)一端切斷i+1.67l01d”+t一端碾細(xì)一端內(nèi)彎f+1.75l.Ok/(77-1)+/一端切斷一端內(nèi)彎/+1.42.Old”3螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算螺

45、旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算分以卜幾步:(1丿根據(jù)總布置要求及懸架的具體結(jié)構(gòu)型式求出需耍的彈簧剛度設(shè)計(jì)載荷時(shí)彈的受丿J及彈簧高度H懸架在壓縮行程極限位置時(shí)彈簧高度H十(2丿初步選擇彈簧中徑D。,端部結(jié)構(gòu)型式及所用的材料。(3)參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)伸張及壓縮極限位置相對(duì)設(shè)計(jì)載荷位置的彈簧變形量久,人,并確定要想達(dá)到的壽命代(循環(huán)次數(shù))。(4丿初選鋼絲直徑d,并由相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)查出許用拉應(yīng)力a.由式(4-27)解出i,用表4一1中的相應(yīng)公式求出由R,及C,可求出彈簧在完全壓緊時(shí)的載荷代,臺(tái)架試驗(yàn)伸張、壓縮極限位置對(duì)應(yīng)的載荷R,4,以及工作壓縮極限位置的載荷E”分別為P=Pi+C=Hj+HJ(4-30)P產(chǎn)

46、PC(431)p2=p.+CJ2(4-32)pm=Pi+Cs(Hi-Hm)4-33)按彈簧指數(shù)C=D,Jd及K的表達(dá)式(見式(4-29)|gL但是懸架工作時(shí)彈簧實(shí)際對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)力,對(duì)應(yīng)懸架的極限壓縮狀態(tài)八校核是否小丁帀=0.63同,若不成立,則返回第(4)步重新選擇鋼絲直徑d;若余鼠很大,則視第(9)步壽命校核結(jié)果決定是否重新選取較小些的直徑d。(9丿校核臺(tái)架試驗(yàn)條件卜的壽命。給定試驗(yàn)條件卜的循壞次數(shù)n,可按卜式估算:式中K嚴(yán)07學(xué)7)若算出的-小預(yù)期的臺(tái)架壽命,則返回第(4丿步重新選擇d;若有較人余最,則與第(8)步的結(jié)果綜合考慮是否選擇更小的鋼絲直徑以節(jié)約材料,減小質(zhì)屋。(10丿得到合適

47、的d以后,可以進(jìn)一步確定彈簧的自由高度H。和最小工作高度H”:Ho=Hj+Pf/Cs(436)Hn=H、+3di(4-37)式中5與彈簧指數(shù)C=0“/d有關(guān)的系數(shù)。彈簧的總?cè)?shù)可由表81中求出。(11)定性校核。又細(xì)又高的彈簧在人載荷作用卜會(huì)失穩(wěn),失穩(wěn)的臨界載荷不僅與其高度對(duì)直徑Z比A=HQ/Dm有關(guān),還與彈簧兩端的支撐方式有關(guān),對(duì)J:鋼絲截而為圓形的螺(4-38)旋彈簧,其相対變形鼠必須小r如卜臨界值:J=0.8117紂11+J1-6.89式中系數(shù)C。的取值見圖4一16,必要時(shí),可以重新選取,”,然后從第(2)步開始重新計(jì)算。(C)圖4一16不同支撐方式卜C。的取值Q)=2.0(a)Co=t

48、.OW4.5空氣懸架、油氣彈簧設(shè)計(jì)4.5.1空氣懸架的設(shè)計(jì)空氣懸架多應(yīng)用各類大型客車和無軌電車上,在高級(jí)轎車、長(zhǎng)途運(yùn)輸重型載貨汽車和掛車上也有所采用。其彈性元件是由夾有簾線的橡膠囊或膜和沖入其內(nèi)腔的壓縮空氣所組成。這種懸架除彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)外,一般還裝有車身高度調(diào)節(jié)裝置。由空氣彈簧可以設(shè)計(jì)得比較柔軟,因而空氣懸架可以得到較低得固有振動(dòng)頻率,同時(shí)空氣彈簧的變剛度特性使得這一頻率在較人的載荷變化范圍內(nèi)保持不變,從而提高了汽車的行駛平順性??諝鈶壹艿牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)在通過調(diào)節(jié)車身高度使人客車的地板高度和載貨汽車的貨箱高度隨載荷的變化基本保持不變。此外,空氣懸架還貝有空氣彈簧壽命長(zhǎng)、質(zhì)龜小以及噪聲

49、低等一些優(yōu)點(diǎn)??諝鈶壹艿牟蛔阒幵诙。航Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,與傳統(tǒng)的鋼制彈性尤件相比,需要增加壓氣機(jī)、車身高度調(diào)節(jié)器以及氣閥等零部件:價(jià)格昂貴;空氣彈簧尺寸較人,不便布置;需要專門的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)傳遞側(cè)向力、縱向力及制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)力矩。正是由這些原因,普通轎車上很少采用空氣懸架。戴姆勒一奔馳公司僅在其最高檔的600系列轎車上才裝有空氣懸架。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn),空氣彈簧可以分為囊式和膜式兩大類。囊式空氣彈簧結(jié)構(gòu)和對(duì)簡(jiǎn)單,制造方便,但剛度較高,因而常用j:人型客車、無軌電車和載貨汽車,并且常配有輔助氣室以降低彈簧剛度。膜式空氣彈簧剛度小,適合r用作轎車懸架,但同等空氣壓力和尺寸卜其承載能力小,并且動(dòng)剛度會(huì)增人。圖4-17如圖

50、4一17所示,當(dāng)在充滿氣體的空氣彈簧上作用外力P后,會(huì)引起彈簧的微小變形df,相應(yīng)的氣體容積變化最為dV。由J囊壁變形所做的功與外力所作的功相比可以忽略,因而外力作的功P妙等丁氣體受壓作的功(ppJdVPdf=(p-pa)dV(439)式中P彈簧內(nèi)空氣的絕對(duì)壓強(qiáng);pa大氣壓強(qiáng)。k氣體常數(shù),當(dāng)汽車載荷緩慢變化時(shí),彈簧內(nèi)空氣狀態(tài)的變化接近丁等溫過程,可取k=l;當(dāng)汽車在行駛過程振動(dòng)時(shí),彈簧內(nèi)空氣狀態(tài)的變化接近J:絕熱過程,可取鳥=1.4;實(shí)際計(jì)算時(shí),通常取R=1.21.4。定義彈簧的有效而積Aeff=-dV/df(4-40)可以得到(4-41)將上式對(duì)位移求導(dǎo)可得空氣彈簧得剛度為(4-42)這表明

51、空氣彈簧的剛度由兩部分構(gòu)成,分別由氣體體積的變化和有效而積的變化而引起。在設(shè)計(jì)空氣彈簧時(shí),對(duì)這兩個(gè)方而都要加以考慮。在靜平衡位置時(shí),有P=P。,V=V0,代人式(4-42)可得到靜平衡位置的彈簧剛度為C=護(hù)觴+(P_幾)牛(4_43)從中可以看出,要想獲得較軟的剛度,應(yīng)該增人V。,但在布置上又不允許占用過高的空間,因而常常采用增加輔助氣室的辦法來達(dá)到增人匕,減小剛度的目的。輔助氣室容積匕以及靜平衡位置壓力幾対空氣彈簧彈性特性的影響如圖4一17和圖4一18所示。伸報(bào)壓縮圖4一18增加輔助氣室后,可使空氣彈簧的彈性特性更接近理想彈性特性,但輔助氣室的容積一般不超過彈簧容積的3倍。由空氣彈簧無法承受

52、側(cè)向力及轉(zhuǎn)矩,必須為懸架選擇恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)向桿系。目前常用的有以卜三種方式:用鋼板彈簧作為導(dǎo)向元件,這種方法的優(yōu)點(diǎn)在J:可以利用以前的零部件,便改裝,同時(shí)板簧與空氣彈簧聯(lián)合作用可使懸架彈性特性更接近理想,懸架的偏頻在很人載荷范閑內(nèi)近似保持不變。縱臂式,這種方式增加了設(shè)計(jì)的靈活性,可以較好地保證懸架的縱傾特性,車輪跳動(dòng)時(shí)主銷傾角的變化鼠也能滿足要求。A型架式,實(shí)際上為縱臂式的變形,其側(cè)向剛度較人,可減小車身側(cè)向擺動(dòng)的加速度,從而減小懸架中出現(xiàn)的附加載荷,多用于重型車的懸架。在轎車上,一般前懸采用雙橫臂,后懸采用縱臂式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)??諝鈶壹苘嚿砀叨日{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是一端固定在車架、一端固定在車身上的聯(lián)動(dòng)閥,當(dāng)車引高

53、度變化時(shí),閥動(dòng)作打開相應(yīng)的氣路,向彈簧氣室中補(bǔ)充或由彈簧氣室放出空氣,達(dá)到測(cè)節(jié)車身高度的目的。汽車在正常行駛過程中,由垂向振動(dòng)或側(cè)傾,車身與車橋之間總會(huì)發(fā)生和對(duì)位移。在設(shè)計(jì)車身高度調(diào)節(jié)器時(shí),必須采取必要的措施以防止在此類情況I、車身高度調(diào)節(jié)器頻繁動(dòng)作。34圖4-19帶電控單元的空氣懸架系統(tǒng)示意圖1一車身高度傳感器;2空氣彈簧;3空氣壓縮機(jī);4一電控單元;5四路進(jìn)排氣閥;6車況輸入圖4一19所示為帶電子控制單元的轎車用空氣懸架系統(tǒng)示意圖。電控單尤可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的車況、駕駛員的要求和三個(gè)車身高度傳感器的測(cè)最信號(hào)分別控制四路進(jìn)氣/排氣閥的開閉,從而自如地調(diào)節(jié)車身高度、車身姿態(tài)角和懸架的剛度。452油氣

54、彈簧的設(shè)計(jì)油氣彈簧是空氣彈簧的一種特例,其工作原理如圖4一20所示。圖4-20油氣彈簧工作原理圖1一油液;2氣體;3橡膠膜;4一活塞其中起彈性元件作用的仍是密封在工作氣室內(nèi)的惰性氣體(一般為氮?dú)猓?,但在氣體與活塞Z間引入油液作為傳力介質(zhì)。通常用彈性橡膠膜將氣體與汕液隔開,從而防止在高溫、高壓及復(fù)雜的工作條件卜氣體溶汕液,確保性能的穩(wěn)定性。由油氣彈簧采用鋼制氣室,因而與空氣彈簧相比,可以有更高的工作壓力,通常為5-7MPa,有的高達(dá)20MPaa因此在同樣的工作條件卜,汕氣彈簧具有尺寸短、質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn),便J:在車上布置,用J:重型自卸汽車上比鋼板彈簧輕50%以上。油氣彈簧的其他優(yōu)點(diǎn)還包括:傳力的油

55、液介質(zhì)同時(shí)也可起到潤(rùn)滑滑動(dòng)表面的作用;在缸筒內(nèi)安裝內(nèi)置節(jié)流閥,可以提供必要的阻尼力使油氣彈簧同時(shí)起減振作用,從而取消了單獨(dú)的減振器;依靠車身高度調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)油液的壓力,可以方便地實(shí)現(xiàn)車身高度的調(diào)節(jié);油氣彈簧具有較低的固有振動(dòng)頻率等。其缺點(diǎn)有:由工作介質(zhì)為高壓氣體和油液,因而對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的表面粗糙度、耐磨性、裝配精度以及密封壞節(jié)的設(shè)計(jì)都提出了較高的要求,以確保密封性。在使用過程中氣體會(huì)緩慢地泄漏,需要專門的充氣裝備及作業(yè)規(guī)程并及時(shí)充氣。所以油氣彈簧結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,維修保養(yǎng)較麻煩。目前油氣彈簧常用重型汽車尤其是重型自卸汽車上,也有個(gè)別轎車采用汕氣彈簧(如雪鐵龍DS-19型汽車)。油氣彈簧的典型結(jié)構(gòu)是單

56、氣室結(jié)構(gòu),除此Z外,還有雙氣室(即帶反壓氣室)和兩級(jí)氣室(或兩級(jí)壓力式)等結(jié)構(gòu)型式。由油氣彈簧的氣體密封在工作氣室內(nèi),在不同的載荷卜其質(zhì)龜維持不變,因而又稱為定質(zhì)鼠空氣彈簧。與此和比較,上一節(jié)所討論的囊式和膜式空氣彈簧在給定的工作高度卞,其工作容積不受載荷的影響,基本維持不變,因而也稱為定容積空氣彈簧。單氣室油氣彈簧的特性可用式(4-39)求得。在式(440丿中,由丁油氣彈簧的有效面積Aeff=-dV/df就是活塞面積4,當(dāng)活塞位移時(shí)其面積A保持不變,即dAeJf/df=0,因而彈簧剛度C可表述為廠kpVj.2kpoV,2(.曲、C=-Aeff=-nrA(4-44)為計(jì)算方便起見,今將氣體體積

57、y折合成活塞面積A和一高度H的乘積,即引入氣體折算高度H=V/A.則上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為C=悄科(4-45)在靜平衡位置時(shí),有小kpaAzCo=(4一46)Hn式中Ho靜平衡位置時(shí)氣體折算高度,Ho=VQ/A(4-47)由式(134八(1395)和式(1387)可得到在靜平衡位置時(shí)的振動(dòng)偏頻n(Hz丿為(4-48)式中g(shù)重力加速度,g=9810mm/52由式(4-48)可以看出,振動(dòng)的偏頻與靜平衡位置時(shí)的折算高度成反比。亦即當(dāng)彈簧所承受的載荷增加時(shí),由氣體被壓縮,其折算高度減小,振動(dòng)頻率增加;當(dāng)載荷減小時(shí),氣體的體積增加,折算高度增人,振動(dòng)頻率減小。這種振動(dòng)頻率隨載荷增加而增人的特性與一般線性彈簧

58、剛好相反。由載荷減小時(shí)汕氣彈簧的剛度減小,在伸張行程時(shí)有可能導(dǎo)致動(dòng)容最A(yù)小,經(jīng)常發(fā)生撞擊限位塊的情況。為防止這種情況發(fā)生,可以采取增人伸張行程阻尼力的辦法,也可以采用雙氣室即帶反壓氣室結(jié)構(gòu)。在該種結(jié)構(gòu)中有一個(gè)反壓工作氣室,其中有一浮動(dòng)活塞將汕液與高壓氣體分隔,汕液有回路與主氣室的油液相通。因此,帶反壓氣室油氣彈簧的剛度由主氣室與反壓氣室的參數(shù)共同決定。通過合理選擇主氣室與反壓氣室的參數(shù),可以得到恰當(dāng)?shù)膹椈蓜偠忍匦?。油氣彈簧的另一種型式為兩級(jí)氣室或兩級(jí)壓力式結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中,有兩個(gè)并聯(lián)工作的氣室,其中Z為主氣室,其工作壓力從與單氣室油氣彈簧相近,另外一個(gè)氣室稱為補(bǔ)償氣室,其中充以高壓氣體,一般

59、其壓力代約為戸的1.52.0倍。當(dāng)彈簧承受輕載時(shí),只有主氣室的氣體參與工作,當(dāng)所承受的載荷超過某一臨界載荷人時(shí),補(bǔ)償氣室開始參與工作,此時(shí),由氣體總?cè)莘e的增加,使得氣體折算高度增加,彈簧剛度卜降,振動(dòng)頻率降低,從而改善了汽車的行駛平順性。兩級(jí)氣室型油氣彈簧的作用原理與鋼板彈簧主、副簧結(jié)構(gòu)的類似,它們都是為了使汽車在空、滿載時(shí)均貝有良好的平順性,但鋼板彈簧是當(dāng)載荷增加時(shí)增人剛度,而油氣彈簧則要減小剛度。4.6獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核4.6.1設(shè)計(jì)要求1丿懸架上載荷變化時(shí),保證輪距變化不超過4.0mm,輪距變化丿、會(huì)引起輪胎早期磨損。2)懸架上載荷變化時(shí),前輪定位參數(shù)要有合理的變化特性,車輪

60、不應(yīng)產(chǎn)生縱向加速度。3丿汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),應(yīng)使車身側(cè)傾角小。在0.4g側(cè)向加速度作用卜,車身側(cè)傾角不人于6。7。,并使車輪與車身的傾斜同向,以增強(qiáng)不足轉(zhuǎn)向效應(yīng)。4丿汽車制動(dòng)時(shí),應(yīng)使車身有抗前俯作用;加速時(shí),有抗后仰作用。對(duì)后輪獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求是:1丿懸架上的載荷變化時(shí),輪距無顯著變化。2丿汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),應(yīng)使車身側(cè)傾角小,并使車輪與車身的傾斜反向,以減小過多轉(zhuǎn)向效應(yīng)。此外,導(dǎo)向機(jī)構(gòu)還應(yīng)行址夠強(qiáng)度,并可靠地傳遞除垂直力以外的各種力和力矩。目前,汽車上廣泛采用上、卜臂不等長(zhǎng)的雙橫臂式獨(dú)立懸架(主要用丁前懸架)和滑柱擺臂(麥弗遜)式獨(dú)立懸架。卜而以這兩種懸架為例,分別討論獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)的選

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