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1、10吨载重汽车悬架系统设计河 北 工 业 大 学毕业设计说明书(论文) 作 者： 张长龙 学 号： 110302 学 院： 机械学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 10吨载重汽车悬架系统设计 指导者： 刘芳 副教授 评阅者： 2015 年 6 月 8 日10吨载重汽车悬架系统设计毕业设计（论文）中文摘要题目：10吨载重汽车悬架系统设计摘要：本次设计的题目是10吨载重平头货车的悬架设计。悬架是车架与车桥之间一切传力连接装置的总称。悬架是保证汽车平顺性的重要部件之一。悬架作为汽车必不可少的一部分，其在保证汽车正常行驶中、保证车内乘员的舒适性、以及在改变汽车的轻量化中都占有着必不可少的一部分。本
2、次设计以参考EQ1092货车的一些基本参数进行设计悬架，所以本次的悬架主要采用钢板弹簧。根据钢板弹簧的一些特殊性，在选型上，前悬架采用钢板弹簧与减振器并联装配，后悬架采用主副钢板弹簧的方式来设计本次的题目。通过参照一些参数进行钢板弹簧的参数设计，以及减振器的从选型和一些主要参数的计算。通过设计画出二维图而且对一部分进行了三维的转换，从而进一步对其进行受力分析及校核。关键词：弹性元件、钢板弹簧、减振器、建模、Ansys分析310吨载重汽车悬架系统设计毕业设计(论文）外文摘要Title：Design of 10 tons truck suspension systemAbstract：The to
3、pic of this design is 10 tons load flat truck suspension design.All force between suspension frame and axle is the floorboard of the connected device. Suspension is one of the important parts of comfortability. Suspension as part of the car is necessary, in the normal driving of car, ensures the veh
4、icle occupant comfort and lightweight change the car has been the indispensable part of.This design with reference to design some basic parameters of EQ1092 truck suspension, so the main USES the steel plate spring suspension. According to some particularity of leaf spring, the type selection, the f
5、ront suspension using steel plate spring and shock absorber parallel assembly, rear suspension with the method of main leaf spring and to design the topic. By reference to some of the parameters to design the parameters of the leaf spring and shock absorber from the selection and calculation of some
6、 main parameters.Through the design to draw 2 d figure and on the part of the 3 d transformation.we can make great progress on the stress analysis and checking.Keywords: elastic element, leaf spring, shock absorber, the modeling and analysis of Ansys河北工业大学2015届本科毕业设计(论文) 目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外发展概况
7、11.3 研究意义31.4 论文构成及研究内容32 悬架的结构与分析42.1 悬挂系统组成和分类42.2 悬挂系统的结构形式42.2 悬架系统设计要求52.3 悬架主要参数的确定63 弹性元件的设计83.1 钢板弹簧的布置方案83.2 钢板弹簧的支撑端的形式选择83.3 钢板弹簧夹的结构选择93.4 钢板弹簧的设计计算104 减振器的设计164.1 减振器的简介与选型164.2减振器的设计要求174.3减振器的安装位置184.4减振器的计算185 强度校核225.1三维软件简介225.2钢板弹簧的建模225.3 Ansys分析275.4后悬钢板弹簧的强度验算34总结36致谢37参考文献38河北
8、工业大学2015届本科毕业设计(论文)1 绪论1.1 课题背景在这物流快速发展的21世纪，环境问题越来越严峻，为了适应这一切，作为人类的代步工具-汽车，也就受到了巨大的关注。而且随着社会的发展人类对于汽车的要求也越来越高，对待不同的汽车其要求也不同。汽车分为商用车和乘用车两类。随着物流的发展，人类对于与汽车的要求不仅仅是载人在载货上要求也越来越高。这也就促进了商用车的快速发展。而货车作为商用车的一员，由于其发动机一般采用的是柴油机，且运载货物较重，对环境污染较重，而且对路面的破坏程度也较大，为了更好保护环境以及保证资源的长时间使用，为此世界各国都开始了对商用车的研究，其中货车是最为备受关注的。
9、 悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称，其作用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架上，以保证汽车的正常行驶2。悬架作为汽车的重要组成部分之一，它即能保证汽车的平顺性又能进一步减轻汽车质量，保证汽车的利用率。为了更好地满足人们的要求，再根据汽车的发展状况以及现阶段国内的发展状况，本次课题尽量以轻质量且符合大众要求为目的进行本次的悬架设计。1.2 国内外发展概况 国内汽车悬架弹簧的生产企业很多，可以说是遍布全国各地，但真正具有规模的专业生产企业才仅只占到一半以下。我国的产品质量生产水平与国外先进的生产水平还有很大的差距。为了提高我国生产水
10、平，我们还需要处理各种各样的问题。例如：生产规模小集中度低散乱差。而且真正形成大规模、大批量生产的企业仍停留在简单生产工艺的水平上，产品成本较高难以参与国际市场竞争8。国内能够生产高档次汽车钢板弹簧的企业也仅仅只有四家，而在这四家中也仅有三家可以生产商用车悬架。而在重卡领域，每个主机厂都采用自己信得过的钢板弹簧配套厂家，很少在采用别的钢板弹簧，这也就影响了我国在重型卡车钢板弹簧悬架的发展。而作为钢板弹簧的进一步发展对象空气悬架，现已运用在部分商用车中，而其发展最终的目的将逐渐取代扁钢弹簧，使扁钢弹簧逐渐远离市场。空气弹簧在发达国家已有了很长一段发展历史，在国外的许多工业发达国家生产的商用车已经
11、装有空气弹簧悬架，但我国仍处于起步阶段，空气弹簧只应用在部分商用车上，虽然在这些车上已使用空气弹簧但是还很难被市场所接受，其主要原因是因为我国国情的原因，超载现象严重，空汽悬架超载能力低且价格贵而利润微薄，很难被商户所接受也就导致了空气悬架很难在国内快速发展。但在实验中发现空气悬架系统相对于钢板弹簧悬架系统而言：其成本高但其寿命长，维修工作少，运营成本低。空气悬架虽然有很多的优点，但因其初始成本较高，且国内技术不成熟，一直在购买国外产品。无法大面积采用空气弹簧。故而在国内一直采用钢板悬架。在一个就是在国外和国内经常谈到橡胶悬架，在这轻量化的高度要求下，橡胶悬架在国外也已经得到试用和推广。由于国
12、内的橡胶悬架技术上不纯熟，所以国内重型卡车上的橡胶悬架都是由国外引进的。橡胶悬架以橡胶弹簧作为弹性元件。根据橡胶的变刚度的优势，可以加强悬架的承载能力。从而使其比钢板弹簧悬架在承载性、安全性和可靠性等方面更具有优势，尤其是在恶劣环境中。虽然橡胶悬架系统相对于钢板弹簧的优势很多，但由于国内载重汽车超重现象无法得到彻底的遏制，从而在橡胶悬架的发展也受到了一定的影响。在这国内技术上不纯熟一直在购买国外的成品。其次，在国内市场上有很少的车辆在使用，从而对于这种悬架在市场上对推广受到一定的阻力。再者，橡胶悬架布置复杂难于修理，且修理费用昂贵，综上所述，橡胶悬架在国内实行还有很长一段时间。所以钢板弹簧在国
13、内的研究仍然占有很大的比重，而作为悬架的进一步发展趋势中的橡胶弹簧悬架以及空气弹簧悬架也必须重视起来。1.3 研究意义通过查阅资料发现钢板弹簧悬架在我国仍然存在着很大的市场，且发展前景也较大，虽然空气悬架的发展是悬架发展的必然趋势，但是对于现在的中国，钢板弹簧悬架的应用还是非常的广泛的。因此，在提高载重汽车的轻量化、平顺性、操纵稳定性及延长路面使用率的众多要求下，悬架作为汽车的重要组成部分之一，其起着重大作用。为此，在和实际生产相结合的同时，通过对悬架系统重要零部件的设计、计算和校核、对各个参数优化分析以及汽车动力学性能的分析。从而达到初始介绍悬架设计的全过程的目的。从而对载重汽车的进一步优化
14、和设计提供帮助，也为载重汽车的实际生产提供进一步指导，为商用车的进一步发展提供帮助6。也希望通过此次设计加强自己对悬架认识，也提高自己对软件的应用熟练程度，为自己进一步学习打下基础。1.4 论文构成及研究内容本次设计为初次设计，内容主要包含了以下几部分：一，悬架系统的选型和布置形式；二，悬架的主要参数选择；三，钢板弹簧的设计，包含了钢板弹簧的弧高、长度、宽度等一些主要参数；四，减振器的设计，包含了减振器的基本构型、以及内部一些基本尺寸；五，钢板弹簧的初步建模；六，钢板弹簧的应力分析；最后对本次设计的总结。最后以附加二维图由Autuo CAD画成，其包含了悬架系统的总装图、前悬架总成图和后悬架总
15、成图。2 悬架的结构与分析2.1 悬挂系统组成和分类悬挂系统装置即我们常说的悬架，悬架一般有三部分组成：导向机构、减振器、弹性元件。由于工作环境的不同以及材料的不同，所以在一些悬架的组成中增添了一些辅助性弹性元件如横向稳定器。但由于钢板弹簧的一些特殊性，例如：钢板弹簧在汽车上纵向安置时，而且其一端与车架做固定铰链连接时，钢板弹簧就可以担负起传递所有各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的任务2。从而避免了增加导向机构，使系统变的简单；但钢板弹簧片数较多时，由于钢板弹簧本身就是弹性元件而且具有一定的减振能力，所以在一般对减振要求不高的车辆上，我们会不装减振器以降低成本。悬架系统一般分为两大类即：非独立
16、悬架和独立悬架。但有时也会将其分为三类：主动悬架，半主动悬架、非主动悬架。由于非独立悬架结构简单切结合现阶段我国以及国外对悬架的研究，故在本次设计中采用非独立悬架。2.2 悬挂系统的结构形式在结构的选型上，主要根据以下两点来选型：一，在弹性元件上的选择，由于空气弹簧和橡胶弹簧适用范围小；且价格贵不符合中国现阶段国情。为了满足广大用车一族的高利益低成本的原则，所以选择钢板弹簧。二，由于初次设计，没有任何的经验，所以在设计时我参照了EQ1092货车的前后悬架设计进行设计。前悬架采用钢板弹簧与减振器组合的形式，钢板弹簧中部用两个U型螺栓固定在前桥上。弹簧两端的卷耳孔中压入衬套。前端卷耳用钢板弹簧销与
17、前支架相连，形成固定铰链支点，与车架连起来；后端卷耳则通过钢板弹簧吊耳销与用铰链挂在后支架上可以自由摆动的吊耳相连，与车架连起来后悬架则采用主副弹簧并联的形式进行设计。副弹簧装在主弹簧的上方。主副钢板弹簧中部用盖板与U型螺栓固定在后桥壳的钢板座上。在前后悬架的设计上，其支撑端上采用一端固定一端摆动的形式进行设计的，这样保证了钢板弹簧在受载发生变形时有利于改变两端中心线之间的距离。由于钢板弹簧的中心部分受到的弯矩较大，为了更好的保证钢板弹簧的使用寿命，也为了更好的利用材料，所以在设计上采用钢板弹簧逐次递减的形式进行安装。这样的安装也间接的减小了主片的承受载荷保证了各片受力的均匀性。2.2 悬架系
18、统设计要求悬架作为汽车的主要部分之一，为了能更好的保证汽车的平顺性，以及驾驶员的舒适性，在设计时还还要保证其与方向盘的操纵机构不能产生干涉，所以在设计时提出了以下几项要求：1、 保证汽车有良好的行驶平顺性；2、 具有合适的衰减振动能力；3、 保证汽车具有良好的操纵稳定性4、 汽车制动或加速时，需要保证车身的稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适1。5、 有良好的隔声能力；6、 结构紧凑、占用空间尺寸要小；7、 为了可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，必须在满足零部件质量要小的同时要保证有足够的强度和寿命1。由于后悬架采用主副弹簧的结构形式，所以在设计时，为了更好的保证在主簧工作转换到主
19、副簧同时工作的情况下，汽车的平顺性以及货物的完整性，对于副簧的设计提出如下要求：1、为了保证汽车的平顺性，在汽车由空载到满载的情况下，必须保证车身的振动频率变化范围较小。2、 在副簧工作前、后应保证悬架的振动频率变化较小。但由于两者在现实生活中，很难同时达到。又由于本次设计的货车基本处于满载运行，所以在本次设计中要求副簧达到第一条要求。2.3 悬架主要参数的确定1）悬架静挠度fc当汽车满载静止时，悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度之比被称为悬架静挠度1。 (2-1)（n指汽车部分车身的固有频率也称偏频）由公式可知：悬架的静挠度会直接影响车身振动的偏频。因此，想要保证汽车具有良好的行驶平顺性，就必须
20、正确地选取悬架的静挠度。经查阅资料：发现货车满载时,前悬架偏频要求在1.502.10HZ,后悬架偏频要求在1.702.17HZ。所以计算的前悬架fc1=(5/1.9)2=69mm后悬架fc2=（5/2)2=62mm2）悬架动挠度fd 由于缓冲块受到压缩时，会影响车轮中心相对与车架的垂直位移。因此，当汽车行驶在坏路面上时，为了防止经常与缓冲块碰撞，导致汽车平顺性降低，根据前辈设计经验以及查阅资料可知。在汽车的动挠度设计上有一定的范围。而一般要求货车的动挠度fd取69cm本次设计选取的悬架静挠度为fd=62mm。3)其他的一些注意事项悬架的弹性特性（悬架所受垂直力与悬架变形的比例关系）、后悬架的主
21、副弹簧刚度分配、悬架侧倾角刚度以及悬架侧倾角刚度在前、后轴的分配问题。这些问题都是在悬架设计中必须要考虑的问题。其对悬架和汽车的搭配是否合理、汽车行驶是否平顺等等问题都有至关重要的影响。但由于其主要为设计过程中需考虑的问题而在设计中很少需要计算。因此，在本次设计中只略微提及并未作重要讲解，如果想要了解更多关于这些参数与悬架之间的关系，请参照汽车设计中悬架设计一节。403 弹性元件的设计3.1 钢板弹簧的布置方案 钢板弹簧的布置方式可以分为两种：一，纵置；二，横置。横置的特点：由于无法传递纵向力，必须设置附加导向装置，从而加大了汽车质量。使结构变得复杂。纵置的特点：可以传递各种力和力矩且结构简单
22、，所以在设计时可以不用添加导向机构。减少了汽车的复杂性。根据悬架中钢板弹簧中部在车轴上的固定中心与两卷耳的相对位置，又将纵置分为对称布置和非对称布置。 根据使用情况的不同，布置的方式也不同，一般只有由于整车布置上的原因，或者钢板弹簧在汽车上的安装位置不动的情况下，且有想改变轴距已达到分配轴荷的目的时才会采用非对称布置。其他情况均采用对称性布置。 故在此设计中采用的最常见的情况即钢板弹簧纵置对称式布置的方案进行设计。3.2 钢板弹簧的支撑端的形式选择由于钢板弹簧的固定方式不同，其支承端的形式也不同，大致上可以分为两部分：卷耳和滑板式。 滑板式多用于两级式主副簧悬架中副簧的支承和平衡悬架中板簧的支
23、承。卷耳式是在货车最为常见的一种形式，也是种类比较多的一种，为了区别这些卷耳。又根据基准相对于平面的位置将其分为三类即上卷耳、平卷耳和下卷耳。而这三种卷耳各有各的特点。平卷耳可以将法向作用力直接传递给主片减少对主片的附加卷曲力矩。上卷耳和平卷耳均可以在必要时采用第二片加强卷耳。下卷耳虽然无法像上卷耳和平卷耳那样，但下卷耳可以保证在主片断裂时仍能起支撑作用，而且还可以在悬架反弹时仍与主片一起担负簧载部分的重力。由于下卷耳的特殊作用，所以其经常用于对板簧的安装位置与角度有特殊要求的情况中。但为了进一步减缓悬架所承受的水平冲击，进而采用非各向同性的橡胶支承。如图所示：为各端支撑端的结构形式。 a）
24、上卷耳 b）下卷耳 c）平卷耳 d）滑板图 3-1 卷耳的结构形式图在本次设计中采用的是上卷耳式的支撑方式。3.3 钢板弹簧夹的结构选择为了更好的保证钢板弹簧的固定，也防止钢板弹簧之间产生滑移，保证各片之间的良好接触，更好传递力，所以在钢板弹簧安装时，需要将各片连接夹紧，从而采用了钢板弹簧夹。目前应用最广泛的是可拆型弹簧夹。下图各种弹簧夹示意图。a) 、b)不可拆装式 c)可执装式 图3-2 钢板弹簧结构3.4 钢板弹簧的设计计算已知参数：满载静止时汽车的前、后桥负荷G1=23347.8N,G2=67983.3N和簧下部分质量Gu1=4847N,Gu2=9403N;汽车轴距L=3950mmFw
25、=（23347.8-4847)/2=9250.4NFw=(67983.3-9403)/2=29290.15N3.4.1 前悬架钢板弹簧的计算(1) 满载弧高fa将钢板弹簧安装到车轴（桥）上以后，当汽车满载时，钢板弹簧主片上表面与两端连线间的最大高度差被称之为满载弧高1。其作用：一，保证汽车具有给定的高度；二，保证在使用期间钢板弹簧能有足够的塑性变形；三，保证在已限定的车架高度中有足够的动挠度值。所以在选取满载弧高时有一定的范围限制。即取fa=1020mm。故取fa=20mm。(2) 钢板弹簧长度L的确定由于钢板弹簧的长度过长或过短都会对汽车的行驶状况产生一定影响。钢板弹簧长度增加：一，显著降低
26、弹簧应力,提高使用寿命；二，降低刚度，改善汽车行驶平顺性；三，在刚度一定的情况下，能增加钢板弹簧的纵向倾角刚度。而钢板弹簧的纵向倾角刚度增大，可以减少车轮扭转力矩所引起的弹性变形。然而钢板弹簧过长，会引起钢板弹簧在布置时，产生一定的困难。因此，为了既能保证钢板弹簧长度的优势，又能很好的安装布置，所以在钢板弹簧设计时就其长度做了一些要求。经查阅资料发现：货车的前悬架，L=（0.260.35）轴距；后悬架,L=(0.350.45)轴距。 故选取钢板弹簧的长度为L=39500.32=1264mm(3)钢板断面尺寸及片数的确定钢板断面宽度b的确定公式 （3-1）式子中各字母所代表的含义：s为U型螺栓中
27、心距，s=120mmk为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数，取k=0.5。c为钢板弹簧垂直刚度，c=FW/fw，所以c=134N/mm。为挠度增大系数，=1.36。E为弹性模量所以J0=31554.6mm3钢板弹簧总截面系数： （3-2）为许用弯曲应力,为55SiMnVB,表面经喷丸处理后，=350MPa450MPa,取400MPa，所以W06960.9钢板弹簧平均厚度： （3-3）所以 hp=9mm钢板弹簧片宽：叶片宽度对于钢板弹簧的使用寿命有一定的要求。叶片宽度增加，可以增强卷耳的强度；但叶片过宽，会导致车身受倾向力倾斜时，钢板弹簧扭转应力增大。如果叶片过窄，为了保证钢板弹簧的有效性，则
28、需增加片数、增加片间的摩擦或者弹簧的厚度；弹簧过窄，还会导致钢板弹簧装配布置的复杂性。所以在一般设计钢板弹簧厚度时，经常保证6b/h0.3；为了避免悬架碰撞车架。一般取=0.51。(2)减振器阻尼系数的确定减振器阻尼系数用下式计算求得： 1 （4-3） 为减小传到车身上的冲击力，当减振器活塞的振动速度达到一定值时，减振器的卸荷阀打开。将此时活塞的速度称为卸荷速度。在减振器的安装如图5所示时，一般采用下式计算减振器的阻尼系数: 1 （4-4）式中，取为0.3m/s;A为车身振幅，取40mm;为悬架振动固有频率。(3) 筒式减振器工作缸直径D的确定 为了保证减振器的正常运行，一般在设计筒式减振器时
29、，其工作缸的直径会根据伸张行程的最大卸荷力F0计算求得。工作缸的直径如下所示： 1 （4-5）p为工作缸最大允许压力，取34MPa；为连杆直径和缸筒直径之比，本减振器取=0.4，在设计中，一般都将减振器的工作缸直径设计成整数，一般的工作缸直径D有以下几种：20，30，40，（45），50，65mm等几种选取。由于工工作直径已被列为标准件，所以在选取时应根据标准选用，具体数据参考QC/T4911999汽车筒式减振器 尺寸系列及技术条件。4.3.2筒式减振器其它参数的确定(1) 筒式减振器各缸直径的确定本课题设计选取D=50mm，而为了保证有足够得油，所以在设计贮油缸直径时一般将与D的关系设计成如
30、下所示：=（1.351.50）D （4-6）壁厚为2mm。所以根据上面的公式（4-1）（4-6），在由所设计选取的数值，可以计算出减振器的如下一些数值：=70mm，D=50mm，=0.3m/s，=20000Ns/m，。防尘罩的直径。(2) 工作行程、导向座长度的确定在液压缸工作行程长度设计时，一般根据执行机构实际工作的最大行程来确定，由于液压缸为标准件，所以在设计时，还参照液压缸活塞行程参数系列标准（B2348-80）。 本课题设计选取的工作行程L=150mm当活塞全部外伸时，从支承面中点到缸盖没支支承面中点的距离H称为最小导向长度。由于导向长度过小，将会导致液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）
31、增大，进而影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证活塞有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度G经常满足如下要求： （4-7） 式中： L液压缸的最大行程； D液压缸的内径。活塞宽度B一般取B=（0.61.0）D；而缸盖滑动支承面的长度，一般根据液压缸的内径D而确定。5 强度校核 为了进一步保证悬架的使用寿命，以及汽车的行驶平顺性。作为弹性元件的钢板弹簧，其强度检验在设计中是重中之重。为了能充分了解钢板弹簧在汽车行驶时所产生的最大应力，我采用了三维软件对钢板弹簧进行了建模和有限元分析。由于后悬的钢板弹簧运行较复杂，所以在本章中还采用了部分手算的方法，来进一步核查钢板弹簧的强度。注：本
32、章涉及了钢板弹簧的UG建模、ANSYS分析以及后悬架钢板弹簧的强度分析。5.1三维软件简介在现社会，电脑对于人类越来越重要。各行各业的发展几乎都离不开电脑。而在机械行业中，三维软件的发展变得尤为重要。三维软件是一项借助于电脑的辅助作图工具，其用参数形象的模拟出了所需要的实体模型、所设计模型在实际中受力情况以及力在模型中的传递情况。三维软件为现代设计提供了很大的帮助，减少了材料的浪费，也为设计技术的提高提供了很大帮助。因此，为了进一步了解钢板弹簧的受力情况，以及钢板弹簧力的传递情况，在本次设计采用三维软件先对钢板弹簧进行初步分析，检验其强度是否符合要求。由于，三维软件可以形象地表达出实体模型，所
33、以现在社会中得到了广泛的应用，从而进一步促进三维软件的发展。现在仅机械行业就包含了多种三维软件。而比较普遍使用的有：UG、CATIA、SolidWorks等等。根据课程所学和自学软件的掌握情况，在本次设计采用UG8.5进行初步的建模与装配以及ANSYS进行有限元分析。5.2钢板弹簧的建模经过了第三章和第四章的详细计算，从而为了进一步检验所设计的合理性，以及查看设计图形的基本模型。为了更加清楚的了解各个零部件间的关系，也为了下一步对所装配的实体进行下一步的有限元分析作准备。钢板弹簧作为钢板悬架的弹性元件，其在汽车的行驶中起着必不可少的作用，其间接得保证汽车行驶平顺性。因此，对于钢板弹簧的分析变得尤为重要。故，在下面的建模与分析中只针对钢板弹簧。5.2.1单片钢板弹簧的建模步骤以及注意事项1）先打开UG 8.5 新建文件模型 文件名1.prt 如图所示 图5-1 UG操作图进入文件。2）选择拉伸，弹出如下的对话框：图 5-2 UG操作图（3） 选择曲线中的草图设计。根据自己所设计的二维图形的其中