孫祥和，于士軍

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253000）

重載汽車懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫祥和，于士軍

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253000）

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車在整個(gè)社會(huì)中擔(dān)任著越來越重要的角色，可以說衣食住行都有汽車的身影。汽車懸架對(duì)于汽車在行駛過程中的平順性起到了至關(guān)重要的作用。文章則主要通過對(duì)重載汽車懸架的懸架偏頗以及鋼板彈簧的厚度寬度等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

懸架；優(yōu)化；鋼板彈簧；設(shè)計(jì)

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-63-03

引言

重載汽車在城市的建設(shè)與發(fā)展物流的運(yùn)輸中扮演著重要的角色，但是大多數(shù)重載汽車普遍存在著超載的現(xiàn)象，我們這次優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于保證汽車在行駛過程中的平順性的前提下提高懸架的承載性。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，合理化參數(shù)的選擇對(duì)汽車綜合性能以及長遠(yuǎn)發(fā)展越來越重要，本文通過對(duì)汽車懸架各部位參數(shù)的選擇以及優(yōu)化進(jìn)行了選擇。

1、懸架的結(jié)構(gòu)組成及分類

1.1 懸架的結(jié)構(gòu)組成

懸架基本由彈性元件（彈簧）、阻尼元件（減震器）以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三大部分組成，個(gè)別懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿。其中彈性元件多種多樣有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧等。我們選用重載汽車最常用的鋼板彈簧進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 懸架的分類

懸架根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架。現(xiàn)在大多數(shù)重載汽車后橋安裝的都是非獨(dú)立懸架，與獨(dú)立懸架相比非獨(dú)立懸架能夠承載更大的質(zhì)量，因此本文中優(yōu)化設(shè)計(jì)的也是非獨(dú)立懸架。

1.3 懸架的優(yōu)缺點(diǎn)

非獨(dú)立懸架的主要優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上簡單，在工作過程中能夠承載較大的質(zhì)量，后期懸架的維修保養(yǎng)較為方便，相對(duì)的非獨(dú)立懸架簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其行駛過程中的平順性得到減弱，進(jìn)而影響了汽車的操縱穩(wěn)定性。

獨(dú)立懸架的優(yōu)點(diǎn)在于其復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的占用空間小，降低了整車的質(zhì)心高度，提高了行駛穩(wěn)定性，大大消除了前輪擺振現(xiàn)象。但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)增加了制造成本使其維修難度也大大增加。

2、懸架主要參數(shù)的選擇

2.1 懸架偏頗

大多數(shù)汽車的懸掛質(zhì)量分配系數(shù)ε為0.8至1.2，因此可近似認(rèn)為ε=1。當(dāng)ε=1時(shí)，汽車前、后懸架偏頗n1、n2可用下式表示：

式中，C1、C2為前、后懸架的剛度（N/mm）；m1、m2為前、后懸架的簧上質(zhì)量（kg）。

2.2 懸架動(dòng)、靜撓度

2.2.1 懸架的靜撓度

懸架的靜撓度fc是指汽車滿載靜止時(shí)，懸架上的載荷F與此時(shí)懸架剛度C之比，即fc=F/C。

懸架的前、后靜撓度可用下式表示：

式中，g為重力加速度（g=9810mm/s2)。在這里我們對(duì)重汽汽車前后的動(dòng)撓度之間的當(dāng)量關(guān)系取fc2=0.7fc1。

2.2.2 懸架的動(dòng)撓度

懸架的動(dòng)撓度fc是指從滿載平衡位置開始，懸架由于沖擊而壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形時(shí)，車輪中心相對(duì)車架的垂直位移。因?yàn)槲覀冊O(shè)計(jì)的是重載汽車的懸架因此動(dòng)撓度可以取得大一些，在這里我們?nèi)d=85mm。

2.3 后懸架主、副彈簧剛度的選擇

重載汽車一般處于滿載情況因此我們?yōu)榱吮ＷC汽車在空載或者滿載使用范圍內(nèi)懸架振動(dòng)頻率變化不大采用如下方法。

副簧開始起作用時(shí)的懸架撓度fa等于汽車空載時(shí)懸架的撓度f0，而使副簧開始起作用前一瞬間的撓度fk等于滿載時(shí)懸架的撓度fc。于是，可求得：

式中，F(xiàn)0和Fw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，Ca為副簧剛度；Cm為主簧剛度。

2.4 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)

鋼板彈簧分為縱置式和橫置式，這里我們選取汽車上普遍采用的縱置式鋼板彈簧。

圖1 雙梯形鋼板彈簧

2.4.1 鋼板彈簧的斷面尺寸

對(duì)于對(duì)稱鋼板彈簧：

式中，s為U行螺栓中心距（mm）；k為考慮U行螺栓夾緊彈簧后的無效長度系數(shù)。C為鋼板彈簧垂直剛度（N/ mm）；δ為撓度增大系數(shù)；為材料的彈性模量（MPa)。

總截面系數(shù)W0

式中，[σe]為許用彎曲用力。

鋼板彈簧平均厚度hp

通過hp選定片寬b。b/hp在6到10之間，我們?nèi)?

2.4.2 片長度的確定

對(duì)于懸架鋼板來說各片厚度不變，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，然后按照長度大小不同，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。

圖2 鋼板彈簧各片長度做法圖

2.4.3 鋼板彈簧總成自由狀態(tài)弧高

鋼板彈簧總成裝配后的自由弧高為：

式中，△為鋼板彈簧在預(yù)壓縮時(shí)產(chǎn)生的塑性變形。

2.4.4 U行螺栓夾緊時(shí)的曲率半徑

U行螺栓夾緊時(shí)的總自由曲率半徑為：

式中，Ls為彈簧無效長度，Ls=ks。

3、懸架的優(yōu)化

1）懸架中減震器的存在可以有效的減輕汽車行駛過程中的振動(dòng)，一個(gè)合適的減震器可以有效的改善汽車行駛過程中的行駛平順性。在本次懸架設(shè)計(jì)中我們采用高效饋能減震器，高效饋能減震器的使用可以明顯的降低懸架的動(dòng)撓度，減小了發(fā)電機(jī)的體積并且可以實(shí)現(xiàn)能量的高效率回收利用。

圖3 高效饋能減震器結(jié)構(gòu)簡圖

2）我們?nèi)壹芷Hn1值為1.90 HZ，n2值為2.00 HZ。

3）鋼板彈簧的厚度為20mm，寬度為160mm。

4）前彈簧和平衡懸架彈簧400N/mm2；后主彈簧500N/ mm2，后副彈簧230N/ mm2。

4、結(jié)論

本文對(duì)懸架的偏頗，以及鋼板彈簧進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，懸架偏頗的增大雖然損壞了汽車行駛的平順性但在一定程度上增強(qiáng)了汽車的承載性。而鋼板彈簧厚度以及寬度的增加也進(jìn)一步提高了汽車的最大載重質(zhì)量，這樣可以在一定程度上緩解汽車超載對(duì)懸架帶來的損壞。懸架偏頗以及鋼板彈簧寬度及厚度的的加大是在汽車行駛平順性能的減弱的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

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The Optimization Design of the Automotive Suspension of the Overloading Car

Sun Xianghe, Yu Shijun
( Department of Automobile Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253000 )

With the rapid development of automobile industry, automobiles play a more and more important role in the whole society. It can be found in basic necessities of our life. The automotive suspension plays a key role for the comfort in the process of driving. This essay mainly optimizes some designs, which including the partial frequency of suspension in the heavy automobile and the thickness and the width of the leaf spring.

suspension; leaf spring; optimization design

U462.1

A

1671-7988(2017)02-63-03

孫祥和，就讀于德州學(xué)院汽車工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.021