桑塔納2000前麥弗遜獨(dú)立懸架畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、前言: 懸架是現(xiàn)代汽車(chē)上的重要總成之一,它最主要的功能是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架(或車(chē)身)之間的一切力和力矩,并緩和汽車(chē)駛過(guò)不平路面時(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(chē)的行駛平順性。因此必須在車(chē)輪與車(chē)架或車(chē)身之間提供彈性聯(lián)接,依靠彈性元件來(lái)傳遞車(chē)輪或車(chē)橋與車(chē)架或車(chē)身之間的垂向載荷,并依靠其變形來(lái)吸收能量,達(dá)到緩沖的目的。采用彈性聯(lián)接后,汽車(chē)可以看作是由懸掛質(zhì)量(即簧載質(zhì)量)、非懸掛質(zhì)量(即非簧載質(zhì)量)和彈簧 (彈性元件)組成的振動(dòng)系統(tǒng),承受來(lái)自不平路面、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元件,即減振器。此外,懸架中確保車(chē)輪與車(chē)架

2、或車(chē)身之間所有力和力矩可靠傳遞并決定車(chē)輪相對(duì)于車(chē)架或車(chē)身的位移特性的連接裝置統(tǒng)稱(chēng)為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)決定了車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和車(chē)輪定位參數(shù)的變化,以及汽車(chē)前后側(cè)傾中心及縱傾中心的位置,從而在很大程度上提高了整車(chē)的操縱穩(wěn)定性和抗縱傾能力??傊?,懸架的設(shè)計(jì)關(guān)系到汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性、行駛舒適性、輪胎壽命以及汽車(chē)布置中的運(yùn)動(dòng)干涉等諸多方面。 此次設(shè)計(jì)是對(duì)桑塔納2000前獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:麥弗遜獨(dú)立懸架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減震器、彈簧、橫向穩(wěn)定桿。 1緒論: 1.1懸架的功用 懸架是車(chē)架(或承載式車(chē)身)與車(chē)橋(或車(chē)輪)之間彈性連接裝置的總稱(chēng)。 1.傳遞它們之間

3、一切的力(反力)及其力矩(包括反力矩)。 2.緩和,抑制由于不平路面所引起的振動(dòng)和沖擊,以保證汽車(chē)良好的平順性,操縱穩(wěn)定性。 3.迅速衰減車(chē)身和車(chē)橋的振動(dòng)。 懸架系統(tǒng)的在汽車(chē)上所起到的這幾個(gè)功用是緊密相連的。要想迅速的衰減振動(dòng)、沖擊,乘坐舒服,就應(yīng)該降低懸架剛度。但這樣,又會(huì)降低整車(chē)的操縱穩(wěn)定性。必須找到一個(gè)平衡點(diǎn),即保證操縱穩(wěn)定性的優(yōu)良,又能具備較好的平順性。 懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否,直接對(duì)汽車(chē)行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。由此可見(jiàn)懸架系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車(chē)上是重要的總成之一。 1.2 懸架的組成 現(xiàn)代汽車(chē),特別是乘用車(chē)的懸架,形式,種類(lèi),會(huì)因不同的公司和設(shè)

4、計(jì)單位,而有不同形式。 但是,懸架系統(tǒng)一般由彈性元件、減振器、緩沖塊、橫向穩(wěn)定器等幾部分組成等。 它們分別起到緩沖、減振 、力的傳遞、限位和控制車(chē)輛側(cè)傾角度的作用。 彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式,現(xiàn)代轎車(chē)懸架多采用螺旋彈簧,個(gè)別高級(jí)轎車(chē)則使用空氣彈簧。螺旋彈簧只承受垂直載荷,緩和及抑制不平路面對(duì)車(chē)體的沖擊,具有占用空間小,質(zhì)量小,無(wú)需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn),但由于本身沒(méi)有摩擦而沒(méi)有減振作用。這里我們選用螺旋彈簧。 減振器是為了加速衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動(dòng),減振器有筒式減振器,阻力可調(diào)式新式減振器,充氣式減振器。它是懸架機(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)械件。 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用來(lái)

5、傳遞車(chē)輪與車(chē)身間的力和力矩,同時(shí)保持車(chē)輪按一定運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)車(chē)身跳動(dòng),通常導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由控制擺臂式桿件組成。種類(lèi)有單桿式或多連桿式的。鋼板彈簧作為彈性元件時(shí),可不另設(shè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu),它本身兼起導(dǎo)向作用。有些轎車(chē)和客車(chē)上,為防止車(chē)身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過(guò)大的橫向傾斜,在懸架系統(tǒng)中加設(shè)橫向穩(wěn)定桿,目的是提高橫向剛度,使汽車(chē)具有不足轉(zhuǎn)向特性,改善汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。 現(xiàn)代汽車(chē)懸架的發(fā)展十分快,不斷出現(xiàn),嶄新的懸架裝置。按控制形式不同分為被動(dòng)式懸架和主動(dòng)式懸架。目前多數(shù)汽車(chē)上都采用被動(dòng)懸架,也就是說(shuō)汽車(chē)姿態(tài)(狀態(tài))只能被動(dòng)地取決于路面及行駛狀況和汽車(chē)的彈性元件,導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減振器這些機(jī)械零件。 1

6、.3懸架的分類(lèi):汽車(chē)的懸架從大的方面來(lái)看,可以分為兩類(lèi):非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架系統(tǒng)。 1.3.1獨(dú)立懸架 圖2 獨(dú)立懸架 獨(dú)立懸架是兩側(cè)車(chē)輪分別獨(dú)立地與車(chē)架(或車(chē)身)彈性地連接,當(dāng)一側(cè)車(chē)輪受沖擊,其運(yùn)動(dòng)不直接影響到另一側(cè)車(chē)輪,獨(dú)立懸架所采用的車(chē)橋是斷開(kāi)式的。這樣使得發(fā)動(dòng)機(jī)可放低安裝,有利于降低汽車(chē)重心,并使結(jié)構(gòu)緊湊。獨(dú)立懸架允許前輪有大的跳動(dòng)空間,有利于轉(zhuǎn)向,便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時(shí)獨(dú)立懸架非簧載質(zhì)量小,可提高汽車(chē)車(chē)輪的附著性。如圖2所示。 獨(dú)立懸架的類(lèi)型及特點(diǎn): 圖3 獨(dú)立懸架的車(chē)軸分成兩段(如圖3),每只車(chē)輪用螺旋彈簧獨(dú)立地,彈性地連接安裝在車(chē)架(或車(chē)身)下

7、面,當(dāng)一側(cè)車(chē)輪受沖擊,其運(yùn)動(dòng)不直接影響到另一側(cè)車(chē)輪,獨(dú)立懸架所采用的車(chē)橋是斷開(kāi)式的。 現(xiàn)在,前懸架基本上都采用獨(dú)立懸架系統(tǒng),最常見(jiàn)的有雙橫臂式和滑柱擺臂式(又稱(chēng)麥弗遜式)。 ⒈雙橫臂式 。 圖4 雙橫臂式獨(dú)立前懸架 工作原理:由上短下長(zhǎng)兩根橫臂連接車(chē)輪與車(chē)身,通過(guò)選擇比例合適的長(zhǎng)度,可使車(chē)輪和主銷(xiāo)的角度及輪距變化不大 這種獨(dú)立懸架被廣泛應(yīng)用在轎車(chē)前輪上。雙橫臂的臂有做成A字形或V字形,V形臂的上下2個(gè)V形擺臂以一定的距離,分別安裝在車(chē)輪上,另一端安裝在車(chē)架上。 優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但經(jīng)久耐用,同時(shí)減振器的負(fù)荷小,壽命長(zhǎng)。可以承載較大負(fù)荷,多用于輕型﹑小型貨車(chē)的前橋。

8、缺點(diǎn):因?yàn)橛袃蓚€(gè)擺臂,所以占用的空間比較大。所以,乘用車(chē)的前懸架一般不用此種結(jié)構(gòu)形式。 ⒉麥弗遜式(滑柱連桿式) 圖5 麥弗遜式獨(dú)立前懸架 工作原理:這種懸架目前在轎車(chē)中采用很多。這種懸架將減振器作為引導(dǎo)車(chē)輪跳動(dòng)的滑柱,螺旋彈簧與其裝于一體。 這種懸架將雙橫臂上臂去掉并以橡膠做支承,允許滑柱上端作少許角位移。內(nèi)側(cè)空間大,有利于發(fā)動(dòng)機(jī)布置,并降低車(chē)子的重心。 車(chē)輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí),主銷(xiāo)軸線的角度會(huì)有變化,這是因?yàn)闇p振器下端支點(diǎn)隨橫擺臂擺動(dòng)。以上問(wèn)題可通過(guò)調(diào)整桿系設(shè)計(jì)布置合理得到解決。   典型的結(jié)構(gòu)如圖6和7。 圖6 麥弗遜

9、懸架結(jié)構(gòu) 1-減振器外筒;2-活塞桿;3-彈簧支座;4-橫向穩(wěn)定桿支架;5-橫向穩(wěn)定桿拉桿; 6-副車(chē)架;7-橫向穩(wěn)定桿;8-發(fā)動(dòng)機(jī)支座;9-彈簧上支座;10-隔離座;11-輔助彈簧; 12-防塵罩;13-U形夾;14-軸承;15-定位螺栓 圖7 麥弗遜懸架的另一種結(jié)構(gòu)圖 1-橫向擺臂;2-球形支承;3-減振器外筒;4-彈簧;5-上支承軸承;6-反跳緩沖彈簧 麥弗遜獨(dú)立懸架的特點(diǎn): 優(yōu)點(diǎn):技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)緊湊,響應(yīng)速度快,占用空間少,便于裝車(chē)及整車(chē)布局,多用于中低檔乘用車(chē)的前橋。 缺點(diǎn):由于結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單,剛度小,穩(wěn)定性較差,轉(zhuǎn)彎側(cè)傾明顯,必須加裝橫向穩(wěn)定

10、器,加強(qiáng)剛度。 1.3.2非獨(dú)立懸架 非獨(dú)立懸架如圖8所示。其特點(diǎn)是兩側(cè)車(chē)輪安裝于一整體式車(chē)橋上,當(dāng)一側(cè)車(chē)輪受沖擊力時(shí)會(huì)直接影響到另一側(cè)車(chē)輪上,當(dāng)車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí)定位參數(shù)變化小。若采用鋼板彈簧作彈性元件,它可兼起導(dǎo)向作用,使結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,降低成本。目前廣泛應(yīng)用于貨車(chē)和大客車(chē)上,有些轎車(chē)后懸架也有采用的。非獨(dú)立懸架由于非簧載質(zhì)量比較大,高速行駛時(shí)懸架受到?jīng)_擊載荷比較大,平順性較差。 圖8 1.4懸架的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 汽車(chē)懸架的發(fā)展十分迅速,不斷出現(xiàn)嶄新的懸架裝置。正常情況按控制形式不同分為被動(dòng)式懸架和主動(dòng)式懸架。目前多數(shù)汽車(chē)上都采用被動(dòng)懸架,20世紀(jì)80年代以來(lái)主動(dòng)懸架開(kāi)始在一部分汽

11、車(chē)上應(yīng)用,并且目前還在進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)中。主動(dòng)懸架可以能主動(dòng)地控制垂直振動(dòng)及其車(chē)身姿態(tài),根據(jù)路面和行駛工況自動(dòng)調(diào)整懸架剛度和阻尼。 隨著當(dāng)前世界汽車(chē)工業(yè)朝著高速、高性能、舒適、安全可靠的方向發(fā)展,空氣懸架彈簧是當(dāng)今汽車(chē)發(fā)展的一大趨勢(shì),特別是在大型客車(chē)和載重汽車(chē)上尤為突出。其實(shí),早在20世紀(jì)50年代,空氣懸架彈簧就開(kāi)始應(yīng)用在載重車(chē)、小轎車(chē)、大客車(chē)及鐵道車(chē)輛上。到60年代,德國(guó)、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的大部分公共汽車(chē)上裝有了主動(dòng)式空氣彈簧懸架。 國(guó)內(nèi)早在20世紀(jì)60年代就設(shè)計(jì)生產(chǎn)了空氣彈簧懸架,但由于工業(yè)技術(shù)條件有限,當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的產(chǎn)品使用效果不甚理想,以后在很長(zhǎng)一段時(shí)期,產(chǎn)品沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展,因此

12、,國(guó)外生產(chǎn)空氣懸架彈簧的廠家憑借著資金與技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng),為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)豪華客車(chē)的廠家配套成熟的主動(dòng)式空氣彈簧懸架產(chǎn)品。 同時(shí)我國(guó)公路條件的改善為汽車(chē)懸架創(chuàng)造了基本的使用條件,并產(chǎn)生了很大的促進(jìn)作用。高速公路的迅速發(fā)展、運(yùn)輸量的增加以及對(duì)高性能客車(chē)的需求,都對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、平順性、安全性提出了更高的要求。此外,重型汽車(chē)對(duì)路面破壞機(jī)制的研究及認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深,政府對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)的重視,限制超載逐步在國(guó)內(nèi)各地受到重視,這些因素都將促使新型懸架在重型車(chē)市場(chǎng)的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大。 隨著國(guó)內(nèi)客車(chē)產(chǎn)品檔次的逐步升級(jí),空氣懸架彈簧逐步被市場(chǎng)接受。目前,在國(guó)內(nèi)有多家客車(chē)廠生產(chǎn)的豪華大客車(chē)裝有空氣懸架,如

13、安凱、金龍客車(chē)、桂林大宇、合肥現(xiàn)代、杭州客車(chē)等,。 由于主動(dòng)式空氣懸架彈簧價(jià)格較貴,為降低成本,有的企業(yè)部分車(chē)型前橋使用鋼板彈簧,后橋使用空氣懸架彈簧。由此可知懸架正充分關(guān)注這方面的變化,提高綜合開(kāi)發(fā)能力,以適應(yīng)市場(chǎng)的需求和變化,新型懸架的誕生迫在眉睫。 2懸架分析設(shè)計(jì) 2.1懸架結(jié)構(gòu)方案分析 2.1.1 獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)形式的選擇 為適應(yīng)不同車(chē)型和不同類(lèi)型車(chē)橋的需要,懸架有不同的結(jié)構(gòu)型式,主要有獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架。獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架各自的特點(diǎn)在上一章中已經(jīng)作了介紹,本章不再累述,轎車(chē)對(duì)乘坐舒適性要求較高,故選擇獨(dú)立懸架。 2.1.2 懸架具體結(jié)構(gòu)形式的選擇 麥弗

14、遜式獨(dú)立懸架是獨(dú)立懸架中的一種,是一種減振器作滑動(dòng)支柱并與下控制臂鉸接組成的一種懸架形式,與其它懸架系統(tǒng)相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能好、布置緊湊,占用空間少。因此對(duì)布置空間要求高的發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)動(dòng)轎車(chē)的前懸架幾乎全部采用了麥弗遜式懸架。 此次設(shè)計(jì)的懸架為發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的桑塔納2000車(chē)型,故選擇麥弗遜式獨(dú)立懸架形式。 2.2彈性元件 彈性元件是懸架的最主要部件,因?yàn)閼壹茏罡镜淖饔檬菧p緩地面不平度對(duì)車(chē)身造成的沖擊,即將短暫的大加速度沖擊化解為相對(duì)緩慢的小加速度沖擊。使人不會(huì)造成傷害及不舒服的感覺(jué);對(duì)貨物可減少其被破壞的可能性。 彈性元件主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧等常用類(lèi)型

15、。除了板彈簧自身有減振作用外,配備其它種類(lèi)彈性元件的懸架必須配備減振元件,使已經(jīng)發(fā)生振動(dòng)的汽車(chē)盡快靜止。鋼板彈簧是汽車(chē)最早使用的彈性元件,由于存在諸多設(shè)計(jì)不足之處,現(xiàn)逐步被其它種類(lèi)彈性元件所取代,本文選擇螺旋彈簧。 2.3減振元件 減振元件主要起減振作用。為加速車(chē)架和車(chē)身振動(dòng)的衰減,以改善汽車(chē)的行駛平順性,在大多數(shù)汽車(chē)的懸架系統(tǒng)內(nèi)都裝有減振器。減振器和彈性元件是并聯(lián)安裝的,如圖8所示。 汽車(chē)懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力減振器。液力減振器的作用原理是當(dāng)車(chē)架與車(chē)橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),而減振器中的活塞在缸筒內(nèi)也作往復(fù)運(yùn)動(dòng),則減振器殼體內(nèi)的油液便反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔。此時(shí),孔壁

16、與油液間的摩擦及液體分子內(nèi)摩擦便形成對(duì)振動(dòng)的阻尼力,使車(chē)身和車(chē)架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能,而被油液和減振器殼體所吸收,然后散到大氣中。本文選擇雙筒式液力減振器。 圖8 含減振器的懸架簡(jiǎn)圖 1.車(chē)身2.減震器3.彈性原件4.車(chē)橋 2.4傳力構(gòu)件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 車(chē)輪相對(duì)于車(chē)架和車(chē)身跳動(dòng)時(shí),車(chē)輪(特別是轉(zhuǎn)向輪)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)符合一定的要求,否則對(duì)汽車(chē)某些行駛性能(特別是操縱穩(wěn)定性)有不利的影響。因此,懸架中某些傳力構(gòu)件同時(shí)還承擔(dān)著使車(chē)輪按一定軌跡相對(duì)于車(chē)架和車(chē)身跳動(dòng)的任務(wù),因而這些傳力構(gòu)件還起導(dǎo)向作用,故稱(chēng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 對(duì)前輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的要求 (1)懸架上載荷變化時(shí),保證輪距變化不超過(guò)+4.0mm

17、,輪距變化大會(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(chē)輪不應(yīng)產(chǎn)生縱向加速度; (3) 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),應(yīng)使車(chē)身側(cè)傾角小。在0.4g側(cè)向加速度作用下,車(chē)身側(cè)傾角≤6-7度。并使車(chē)輪與車(chē)身的傾斜同向,以增強(qiáng)不足轉(zhuǎn)向效應(yīng)。 (4) 制動(dòng)時(shí),應(yīng)使車(chē)身有抗前俯作用;加速時(shí),有抗后仰作用。 (5) 具有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命,可靠地傳遞除垂直力以外的各種力和力矩。 2.5橫向穩(wěn)定器 在多數(shù)的轎車(chē)和客車(chē)上,為防止車(chē)身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過(guò)大的橫向傾斜,在懸架中還設(shè)有輔助彈性元件——橫向穩(wěn)定器。 橫向穩(wěn)定器實(shí)際是一根近似U型的桿件,兩個(gè)端頭與車(chē)輪剛性連接,用

18、來(lái)防止車(chē)身產(chǎn)生過(guò)大側(cè)傾。其原理是當(dāng)一側(cè)車(chē)輪相對(duì)車(chē)身位移比另外一側(cè)位移大時(shí),穩(wěn)定桿承受扭矩,由其自身剛性限制這種傾斜,特別是前輪,可有效防止因一側(cè)車(chē)輪遇障礙物時(shí),限制該側(cè)車(chē)輪跳動(dòng)幅度。 3 懸架主要參數(shù)的確定 懸架設(shè)計(jì)可以大致分為結(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。由于懸架的參數(shù)影響到許多整車(chē)特性,并且涉及其他總成的布置,因而一般要與總布置共同配合確定。此次設(shè)計(jì)是對(duì)桑塔納2000前獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)。 桑塔納2000參數(shù):   長(zhǎng)/寬/高(mm) 4680/1700/1423   發(fā)動(dòng)機(jī)型式 74千瓦4缸2氣門(mén)電子控制多點(diǎn)噴射汽油機(jī)(AYJ)   變速器

19、型式 自動(dòng)變速箱/手動(dòng)變速箱 排量(毫升) 1781   最大功率(KW) 72/5200   最大扭矩(N.m) 155/3500   油耗(L/100km) 6.2   軸距(mm) 2656   前輪距(mm)1414   后輪距(mm)1422   滿(mǎn)載質(zhì)量(kg)1540   空車(chē)質(zhì)量(kg)1120   滿(mǎn)載前軸允許負(fù)荷<810kg 滿(mǎn)載后軸允許負(fù)荷<810kg 3.1懸架的空間幾何參數(shù) 在確定零件尺寸之前,需要先確定懸架的空間幾何參數(shù)。麥弗遜式懸架的受力圖如圖3-1: 根據(jù)車(chē)輪尺寸,確定G點(diǎn)離地高度為158.3mm,根據(jù)車(chē)身高度

20、確定C大致高度為700mm,O點(diǎn)距車(chē)輪中心平面110mm,減震器安裝角度14。 3.2懸架的彈性特性和工作行程 3.2.1懸架頻率的選擇 對(duì)于大多數(shù)汽車(chē)而言,其懸掛質(zhì)量分配系數(shù)ε=0.8~1.2,因而可以近似地認(rèn)為ε=1,即前后橋上方車(chē)身部分的集中質(zhì)量的垂直振動(dòng)是相互獨(dú)立的,并用偏頻,表示各自的自由振動(dòng)頻率,偏頻越小,則汽車(chē)的平順性越好。一般對(duì)于鋼制彈簧的轎車(chē),約為1~1.3Hz(60~80次/min),約為1.17~1.5Hz(70~90次/min),非常接近人體步行時(shí)的自然頻率。 取n=1.2HZ 3.2.2 懸架的工作行程 懸架的工作行程由靜撓度與動(dòng)撓度之和組成。 由

21、n 3-1 式中 —————懸架靜撓度 得懸架靜撓度: 3-2 則懸架動(dòng)撓度:=(0.5—0.7) 取=0.5=0.5173.6=86.8mm 為了得到良好的平順性,因當(dāng)采用較軟的懸架以降低偏頻,但軟的懸架在一定載荷下其變形量也大,對(duì)于一般轎車(chē)而言,懸架總工作行程(靜擾度與動(dòng)擾度之和)應(yīng)當(dāng)不小于160mm。 而=173.6+86.8=260.4mm>160mm 符合要求 3.2.3懸

22、架剛度計(jì)算 已知:已知整車(chē)裝備質(zhì)量:m =1120kg,取簧上質(zhì)量為1060kg;取簧下質(zhì)量為60kg,則由軸荷分配圖知: 空載前軸單輪軸荷取60%: =318kg 滿(mǎn)載前軸單輪軸荷取50%:(滿(mǎn)載時(shí)車(chē)上5名成員,60kg/名)。 懸架剛度: = 4懸架主要零件設(shè)計(jì) 4.1 螺旋彈簧的設(shè)計(jì) 4.1.1螺旋彈簧的剛度 由于存在懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的關(guān)系,懸架剛度C與彈簧剛度是不相等的,其區(qū)別在于懸架剛度C是指車(chē)輪處單位撓度所需的力;而彈簧剛度僅指彈簧本身單位撓度所需的力。 例如麥弗遜獨(dú)立懸架的懸架剛度C的計(jì)算方法:如下圖所示。 選定下擺臂長(zhǎng):EH=390.41mm;

23、半輪距:B=740mm ;減震器布置角度:β=14,高度561.76mm 可知懸架剛度與彈簧剛度的關(guān)系如下: 由圖可知:C=(uCosδ/PCosβ)Cs (4-1) 式中 C——懸架剛度,Cs ——彈簧剛度 已知u=1995.95mm p=2103.02mm δ=4β=14 得:20.08 N/mm 4.1.2 計(jì)算彈簧鋼絲直徑d 根據(jù)下面的公式可以計(jì)算: 式中 i——彈簧有效工作圈數(shù),先取8 G——彈簧材料的剪切彈性模量,取Mpa ——彈簧中徑,取110mm 代入計(jì)算得:d=11.98mm 4.1

24、.3 確定鋼絲直徑d=12mm,彈簧外徑D=122mm,彈簧有效工作圈數(shù)n=8; 4.1.4 彈簧校核 (1)彈簧剛度校核 彈簧剛度的計(jì)算公式為: 代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得彈簧剛度為: N/mm 所以彈簧選擇符合剛度要求。 (2)彈簧表面剪切應(yīng)力校核 彈簧在壓縮時(shí)其工作方式與扭桿類(lèi)似,都是靠材料的剪切變形吸收能量,彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力為: 式中 C——彈簧指數(shù)(旋繞比), ——曲度系數(shù),為考慮簧圈曲率對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù), P——彈簧軸向載荷 已知=110mm,d=12mm,可以算出彈簧指數(shù)C和曲度系數(shù): =1

25、10/2=9.16 P=N 則彈簧表面的剪切應(yīng)力:Mpa [τ]=0.63[σ]=0.631000Mpa,因?yàn)棣?[τ],所以彈簧滿(mǎn)足要求。 4.1.5 小結(jié) 綜上可以最終選定彈簧的參數(shù)為:彈簧鋼絲直徑d=12mm,彈簧外徑D=122mm,彈簧有效工作圈數(shù)n=8。 4.2 減振器結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇 減振器的功能是吸收懸架垂直振動(dòng)的能量,并轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉,使振動(dòng)迅速衰減。汽車(chē)懸架系統(tǒng)中廣泛采用液力式減震器。其作用原理是,當(dāng)車(chē)架與車(chē)橋作往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),減震器中的活塞在缸筒內(nèi)業(yè)作往復(fù)運(yùn)動(dòng),于是減震器殼體內(nèi)的油液反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)另一些狹小的孔隙流入另一個(gè)內(nèi)腔。

26、此時(shí),孔與油液見(jiàn)的摩擦力及液體分子內(nèi)摩擦便行程對(duì)振動(dòng)的阻尼力,使車(chē)身和車(chē)架的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能,被油液所吸收,然后散到大氣中。 減振器大體上可以分為兩大類(lèi),即摩擦式減振器和液力減振器。故名思義,摩擦式減振器利用兩個(gè)緊壓在一起的盤(pán)片之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力提供阻尼。由于庫(kù)侖摩擦力隨相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的提高而減小,并且很易受油、水等的影響,無(wú)法滿(mǎn)足平順性的要求,因此雖然具有質(zhì)量小、造價(jià)低、易調(diào)整等優(yōu)點(diǎn),但現(xiàn)代汽車(chē)上已不再采用這類(lèi)減振器。液力減振器首次出現(xiàn)于1901年,其兩種主要的結(jié)構(gòu)型式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減減振器振器相比,搖臂式減振器的活塞行程要短得多,因此其工作油壓可高達(dá)75-30MPa,

27、而筒式只有2.5-5MPa。筒式減振器的質(zhì)量?jī)H為擺臂式的約1/2,并且制造方便,工作壽命長(zhǎng),因而現(xiàn)代汽車(chē)幾乎都采用筒式減振器。筒式減振器最常用的三種結(jié)構(gòu)型式包括:雙筒式、單筒充氣式和雙筒充氣式。 雙筒式液力減振器 雙筒式液力減振器雙筒式液力減振器的工作原理如圖9所示。其中A為工作腔,C為補(bǔ)償腔,兩腔之間通過(guò)閥系連通,當(dāng)汽車(chē)車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí),帶動(dòng)活塞1在工作腔A中上下移動(dòng),迫使減振器液流過(guò)相應(yīng)閥體上的阻尼孔,將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?。?chē)輪向上跳動(dòng)即懸架壓縮時(shí),活塞1向下運(yùn)動(dòng),油液通過(guò)閥Ⅱ進(jìn)入工作腔上腔,但是由于活塞桿9占據(jù)了一部分體積,必須有部分油液流經(jīng)閥Ⅳ進(jìn)入補(bǔ)償腔C;當(dāng)車(chē)輪向下跳動(dòng)即懸架伸張

28、時(shí),活塞1向上運(yùn)動(dòng),工作腔A中的壓力升高,油液經(jīng)閥Ⅰ流入下腔,提供大部分伸張阻尼力,還有一部分油液經(jīng)過(guò)活塞桿與導(dǎo)向座間的縫隙由回流孔6進(jìn)人補(bǔ)償腔,同樣由于活塞桿所占據(jù)的體積,當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí),必定有部分油液經(jīng)閥Ⅲ流入工作腔下腔。減振器工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量靠貯油缸筒3散發(fā)。減振器的工作溫度可高達(dá)120攝氏度,有時(shí)甚至可達(dá)200攝氏度。為了提供溫度升高后油液膨脹的空間,減振器的油液不能加得太滿(mǎn),但一般在補(bǔ)償腔中油液高度應(yīng)達(dá)到缸筒長(zhǎng)度的一半,以防止低溫或減振器傾斜的情況下,在極限伸張位置時(shí)空氣經(jīng)油封7進(jìn)入補(bǔ)償腔甚至經(jīng)閥Ⅲ吸入工作腔,造成油液乳化,影響減振器的工作性能。 圖9雙筒式減振器工作原理

29、圖 1-活塞;2-工作缸筒;3-貯油缸筒;4-底閥座;5-導(dǎo)向座; 6-回流孔活塞桿;7-油封;8-防塵罩;9-活塞桿 減振器的特性可用圖10所示的示功圖和阻尼力-速度曲線描述。減振器特性曲線的形狀取決于閥系的具體結(jié)構(gòu)和各閥開(kāi)啟力的選擇。一般而言,當(dāng)油液流經(jīng)某一給定的通道時(shí),其壓力損失由兩部分構(gòu)成。其一為粘性沿程阻力損失,對(duì)一般的湍流而言,其數(shù)值近似地正比于流速。其二為進(jìn)入和離開(kāi)通道時(shí)的動(dòng)能損失,其數(shù)值也與流速近似成正比,但主要受油液密度而不是粘性的影響。由于油液粘性隨溫度的變化遠(yuǎn)比密度隨溫度的變化顯著,因而在設(shè)計(jì)閥系時(shí)若能盡量利用前述的第二種壓力損失,則其特性將不易受油液粘性變化的

30、影響,也即不易受油液溫度變化的影響。不論是哪種情形,其阻力都大致與速度的平方成正比,如圖10所示。圖中曲線A所示為在某一給定的A通道下阻尼力F與液流速度v的關(guān)系,若與通道A并聯(lián)一個(gè)直徑更/大的通道B,則總的特性將如圖中曲線A+B所示。如果B為一個(gè)閥門(mén),則當(dāng)其逐漸打開(kāi)時(shí),可獲得曲線A與曲線A+B間的過(guò)渡特性。恰當(dāng)選擇A,B的孔徑和閥的逐漸開(kāi)啟量,可以獲得任何給定的特性曲線。閥打開(kāi)的過(guò)程可用三個(gè)階段來(lái)描述,第一階段為閥完全關(guān)閉,第二階段為閥部分開(kāi)啟,第三階段為閥完全打開(kāi)。通常情況下,當(dāng)減振器活塞相對(duì)于缸筒的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到0. lm/s時(shí)閥就開(kāi)始打開(kāi),完全打開(kāi)則需要運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到數(shù)米每秒。 圖10

31、 閥的開(kāi)啟程度對(duì)減振器特性影響示意圖 圖11給出了三種典型的減振器特性曲線。第一種為斜率遞增型的,第二種為等斜率的(線性的),第三種為斜率遞減型的。其中第一種在小速度時(shí),阻尼力較小,有利于保證平坦路面上的平順性,第三種則在相當(dāng)寬的振動(dòng)速度范圍內(nèi)都可提供足夠的阻尼力,有利于提高車(chē)輪的接地能力和汽車(chē)的行駛性能。根據(jù)汽車(chē)的型式、道路條件和使用要求,可以選擇恰當(dāng)?shù)淖枘崃μ匦浴? 圖11 典型的減振器特性曲線 圖12 減振器斜置時(shí)計(jì)算傳遞比示意圖 需要注意的是,在大部分汽車(chē)上,減振器不是完全垂直安裝,如圖3.7所示為剛性橋非獨(dú)立懸架的情況。這時(shí)減振器本身的阻尼力與車(chē)輪處的阻尼力之間存在

32、差異,當(dāng)左右車(chē)輪同向等幅跳動(dòng)時(shí),阻尼力的傳遞比,由于角度 (見(jiàn)圖12)同時(shí)造成車(chē)輪處力的減小和減振器行程的減小,因此減振器的阻尼系數(shù)應(yīng)為車(chē)輪處阻尼系數(shù)的倍。當(dāng)車(chē)身側(cè)傾時(shí),相應(yīng)的傳遞比,式中B為輪距,b為減振器下固定點(diǎn)的安裝距。 單筒充氣式液力減振器 單筒充氣式減振器的工作原理如圖(13)所示。其中浮動(dòng)活塞3將油液和氣體分開(kāi)并且將缸筒內(nèi)的容積分成工作腔4和補(bǔ)償腔2兩部分。當(dāng)車(chē)輪下落即懸架伸張時(shí),活塞桿8帶動(dòng)活塞5下移,壓迫油液經(jīng)過(guò)伸張閥10從工作腔下腔流入上腔。此時(shí),補(bǔ)償腔2中的氣體推動(dòng)活塞3下移以補(bǔ)償活塞桿抽出造成的容積減小;車(chē)輪上跳時(shí),活塞5向上運(yùn)動(dòng),油液通過(guò)壓縮閥6由上腔流入下腔,同時(shí)

33、浮動(dòng)活塞向上移動(dòng)以補(bǔ)償活塞桿在油液中的體積變化。 與前述的雙筒式減振器相比,單筒充氣式減振器具有以下優(yōu)點(diǎn):①工作缸筒n直接暴露在空氣中,冷卻效果好;②在缸筒外徑相同的前提下,可采用大直徑活塞,活塞面積可增大將近一倍,從而降低工作油壓;③在充氣壓力作用下,油液不會(huì)乳化,保證了小振幅高頻振動(dòng)時(shí)的減振效果;④由于浮動(dòng)活塞將油、氣隔開(kāi),因而減振器的布置與安裝方向可以不受限制。其缺點(diǎn)在于:①為保證氣體密封,要求制造精度高;②成本高;③軸向尺寸相對(duì)較大;④由于氣體壓力的作用,活塞桿上大約承受190-250N的推出力,當(dāng)工作溫度為100℃時(shí),這一值會(huì)高達(dá)450N,因此若與雙筒式減振器換裝,則最好同時(shí)換裝不

34、同高度的彈簧。 圖13 雙筒充氣式減振器的優(yōu)點(diǎn)有:①在小振幅時(shí)閥的響應(yīng)也比較敏感;②改善了壞路上的阻尼特性;③提高了行駛平順性;④氣壓損失時(shí),仍可發(fā)揮減振功能;⑤與單筒充氣式減振器相比,占用軸向尺寸小,由于沒(méi)有浮動(dòng)活塞,摩擦也較小。因而本次設(shè)計(jì)選擇雙筒式減振器。 圖14 為雙筒充氣式減振器用于麥克弗遜懸架時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。 1-六方;2-蓋板;3-導(dǎo)向座;4-貯油缸筒;5-補(bǔ)償腔;6-活塞桿;7-彈簧托架;8-限位塊; 9-壓縮閥;10-密封環(huán);11-閥片;12-活塞緊固螺母;13-活塞桿小端;14-底閥 4.2.1減震器參數(shù)的設(shè)計(jì) (1)相對(duì)阻尼系數(shù)ψ 相對(duì)阻尼系數(shù)

35、ψ的物理意義是:減震器的阻尼作用在與不同剛度C和不同簧上質(zhì)量的懸架系統(tǒng)匹配時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼效果。ψ值大,振動(dòng)能迅速衰減,同時(shí)又能將較大的路面沖擊力傳到車(chē)身;ψ值小則反之,通常情況下,將壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取小些,伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)取得大些,兩者之間保持=(0.25-0.50)的關(guān)系。 設(shè)計(jì)時(shí),先選取與的平均值ψ。相對(duì)無(wú)摩擦的彈性元件懸架,取ψ=0.25-0.35;對(duì)有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架,ψ值取的小些,為避免懸架碰撞車(chē)架,取=0.5 取ψ=0.3,則有:,計(jì)算得:=0.4,=0.2 (2)減震器阻尼系數(shù)的確定 減震器阻尼系數(shù)。因懸架系統(tǒng)固有頻率,所以理論上。實(shí)

36、際上,應(yīng)根據(jù)減震器的布置特點(diǎn)確定減震器的阻尼系數(shù)。我選擇下圖的安裝形式,則起阻尼系數(shù)為: 根據(jù)公式,可得出: 滿(mǎn)載時(shí)計(jì)算前懸剛度N/m 代入數(shù)據(jù)得:=6.3HZ,取, 按滿(mǎn)載計(jì)算有:簧上質(zhì)量kg,代入數(shù)據(jù)得減震器的阻尼系數(shù)為: (3)減震器最大卸荷力的確定 為減小傳到車(chē)身上的沖擊力,當(dāng)減震器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí),減震器打開(kāi)卸荷閥。此時(shí)的活塞速度稱(chēng)為卸荷速度,按上圖安裝形式時(shí)有: 式中,為卸荷速度,一般為0.15~0.3m/s,A為車(chē)身振幅,?。粸閼壹苷駝?dòng)固有頻率。 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得卸荷速度為: 符合在0.15~0.3m/s之間范圍要求。 根據(jù)伸張行程最

37、大卸荷力公式:可以計(jì)算最大卸荷力。式中,c是沖擊載荷系數(shù),取c=1.5;代入數(shù)據(jù)可得最大卸荷力為: (4)減震器工作缸直徑D的確定 根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑D為: 其中,——工作缸最大壓力,在3Mpa~4Mpa,取=3Mpa; ——連桿直徑與工作缸直徑比值,=0.4~0.5,取=0.4。 代入計(jì)算得工作缸直徑D為: 減震器的工作缸直徑D有20mm,30mm,40mm,45mm,50mm,65mm,等幾種。選取時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)選用,按下表選擇。 工作缸直徑D 基長(zhǎng)L 貯油直徑 吊環(huán)直徑φ 吊環(huán)直徑寬度B 活塞行程S 30 11 (

38、120) 44 (47) 29 24 230、240、250、260、270、280 40 14 (150) 54 39 32 120、130、140、150、270、280 50 17 (180) 70 (75) 47 40 120、130、140、150、160、170、180 65 210 210 62 50 120、130、140、150、160、170、180、190 所以選擇工作缸直徑D=30mm的減震器,對(duì)照上表選擇起長(zhǎng)度: 活塞行程S=240mm,基長(zhǎng)L=110mm,則: (壓縮到底的長(zhǎng)度) (拉足的長(zhǎng)度) 取貯油缸直徑=

39、44mm,壁厚取2mm。 4.3 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì) 4.3.1 橫向穩(wěn)定桿的作用 橫向穩(wěn)定桿是一根擁有一定剛度的扭桿彈簧,它和左右懸掛的下托臂或減震器滑柱相連。當(dāng)左右懸掛都處于顛簸路面時(shí),兩邊的懸掛同時(shí)上下運(yùn)動(dòng),穩(wěn)定桿不發(fā)生扭轉(zhuǎn),當(dāng)車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí),由于外側(cè)懸掛承受的力量較大,車(chē)身發(fā)生一定得側(cè)傾。此時(shí)外側(cè)懸掛收縮,內(nèi)測(cè)懸掛舒張,那么橫向穩(wěn)定桿就會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn),產(chǎn)生一定的彈力,阻止車(chē)輛側(cè)傾。從而提高車(chē)輛行駛穩(wěn)定性。 4.3.2 橫向穩(wěn)定桿參數(shù)的選擇 具體尺寸選擇如下:桿的直徑d=18mm,桿長(zhǎng)L=1000mm,c=363mm,a=68mm,b=69mm,=156mm,圓角半徑R=2

40、3mm。 結(jié)論 參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞 馬天飛 【汽車(chē)構(gòu)造 】 第5版 人民交通出版社。 [2] 王望予 【汽車(chē)設(shè)計(jì)】 第4版 機(jī)械工業(yè)出版社。 [3] 程耀東 李培玉 【機(jī)械振動(dòng)學(xué)】 浙江大學(xué)出版社 [4] 余志生 【汽車(chē)?yán)碚摗? 第5版 機(jī)械工業(yè)出版社 [5] 李鵬 【汽車(chē)概論】 人民交通出版社 [6] 姜鐵均 傅強(qiáng) 【汽車(chē)機(jī)械基礎(chǔ)】 同濟(jì)大學(xué)出版社 [7] 劉維信 【機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)】 第2版 清華大學(xué)出版社 [8] 哈工大理論力學(xué)教研室 【理論力學(xué)】 第6版 高等教育出版社 [9] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) [10] 劉惟信 【汽車(chē)設(shè)計(jì)】 清華大學(xué)出版社 [11] 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室 【機(jī)械設(shè)計(jì)】 第八版 高等教育出版社 31

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