某乘用車懸架設(shè)計(jì)與分析.pdf

書書書201211 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目 ( ; 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 ( 51205051) ; 沈陽市科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目 ( 稿日期 : 2012 10 08作者簡介 : 唐傳茵 ( 1979) ， 女 ， 博士 ， 講師 ， 研究方向?yàn)檐囕v動力學(xué)及控制 。乘用車懸架設(shè)計(jì)與分析唐傳茵1，馬巖2，周淑文1，賈云亭1(1. 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽 110189; 2. 沈陽儀表科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110043)摘要 : 以某乘用車懸架為對象 ， 進(jìn)行懸架系統(tǒng)前懸架 、壓縮彈簧 、前減震器 、橫向穩(wěn)定桿 、后懸架 、空氣彈簧 、后減震器 、扭轉(zhuǎn)橫梁設(shè)計(jì) ， 并且建立了麥弗遜前懸架三維模型 、扭力梁后懸架總成 ， 同時進(jìn)行了橫向穩(wěn)定桿的有限元分析 。關(guān)鍵詞 : 懸架 ; 乘用車 ; 空氣彈簧 ; 有限元1. 10189， . 10043， of of of of of of of of of of 言懸架是現(xiàn)代汽車上重要總成之一 ， 它把車架 ( 或車身 ) 與車軸 ( 或車輪 ) 彈性地連接起來 。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 ) 之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷 、緩和沖擊 、衰減振動以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的總稱 。麥弗遜前懸架與扭力梁后懸架設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算 1 3， 主要對懸架的彈簧 ( 包含空氣彈簧 ) 和減震器以及橫向穩(wěn)定桿等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和校核 。應(yīng)用 件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模 ， 用分析模塊對懸架部分零件進(jìn)行有限元分析 。1 前懸架設(shè)計(jì)前懸架選擇麥弗遜式獨(dú)立懸架 。麥弗遜懸掛通常由兩個基本部分組成 : 支柱式減震器和 A 字型托臂 。1. 1 壓縮彈簧的設(shè)計(jì)螺旋壓縮彈簧選用油淬回火硅錳彈簧鋼 ， 初取 D = 120柱螺旋彈簧直徑 d， 計(jì)算得到 14 穩(wěn)定性 b =. 55. 3， 滿足要求 4 6。疲勞強(qiáng)度 : 1=8 3 467 120 21. 360143= 159. 7159. 7 3 6863 467=169. 8 0+0. 75812=1. 68. 3， 符合設(shè)計(jì)要求 。在彈簧兩端固定的情況下 ， 彈簧的一階自振頻率為 :f =1. 78 105 3. 2 d 為彈簧直徑 ;D 為彈簧中徑 ;n 為彈簧有效圈數(shù) 。彈簧自振頻率與懸架及人體敏感區(qū)差別較大 ， 符合要求 。校核臺架試驗(yàn)的壽命 :. 74( 2 1)1. 48 2 1= 0. 03. 808K( )13其中 : 給點(diǎn)條件下的循環(huán)次數(shù) 4. 9 1013;可見彈簧的臺架循環(huán)次數(shù)滿足預(yù)期 。1. 2 減震器的設(shè)計(jì)螺旋彈簧懸架相對阻尼系數(shù) =0. 23 0. 35研究與開發(fā)01211064減震器阻尼系數(shù) =2 376 21. 360 0. 3 4 855最大卸荷力 408 ， 選 取 = 0. 3， D =4 P( 1 2)= 35. 3 根據(jù)國標(biāo) 照 ，直徑選取 40 油筒直徑的確定 7: 選取 1. 4D = 56 壁厚取2 . 3 橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)給出橫向穩(wěn)定桿簡化模型如圖 1 所示 。圖 1 橫向穩(wěn)定桿簡化模型圖中 a、b、c、2為橫向穩(wěn)定桿尺寸參數(shù) ?？紤]到汽車行駛舒適性和駕駛員的路感要求 ， 給出橫向穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)剛度 : 000 N L = 1 114 b = 45 a = 12080 40 d 取 25 于橫向穩(wěn)定桿主要承受扭矩作用 ， 一般校核扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力 ; 假設(shè)汽車受 0. 4g 側(cè)向加速度時大部分的抗側(cè)傾力矩由橫向穩(wěn)定桿提供 : =16T50 =800 橫向穩(wěn)定桿直徑 ， 橫向穩(wěn)定桿采用與彈簧相同的材料制造 ， 許用應(yīng)力取 800 . 4 校核懸架整體側(cè)傾角剛度當(dāng)汽車側(cè)傾角達(dá)到 3時 ， 懸架橫向穩(wěn)定桿和懸架可以產(chǎn)生的抗側(cè)傾力為 :F = 617 N; 5 00062360=1 480 N， F = 4 097 N， 對應(yīng)的抗側(cè)傾力矩為 4. 6 懸架受到側(cè)向加速度 0. 4g 時 ， 對應(yīng)的側(cè)向力矩為 2. 6小于懸架能提供的側(cè)傾角剛度 4. 6 懸架的整體設(shè)計(jì)側(cè)傾角剛度是符合要求的 。2 后懸架設(shè)計(jì)選取縱臂扭轉(zhuǎn)梁式半獨(dú)立懸架 ， 由焊在扭轉(zhuǎn)梁上的兩根縱向臂組成 ， 當(dāng)一側(cè)車輪向上跳動 ， 另一側(cè)向下跳動 ， 該扭轉(zhuǎn)梁兼起橫向穩(wěn)定桿的作用 。扭轉(zhuǎn)梁式懸架的缺點(diǎn)是 : 在側(cè)向力的作用下易發(fā)生有利于過多轉(zhuǎn)向的懸架變形 ， 需要采取專門的措施予以糾正 ; 橫梁及其與縱臂的連接結(jié)構(gòu)對懸架性能影響大 ，其設(shè)計(jì)比較復(fù)雜 ， 一般需要利用有限元分析方法進(jìn)行性能強(qiáng)度剛度分析 ， 從而使懸架的性能符合受到強(qiáng)度的限制 。2. 1 空氣彈簧設(shè)計(jì)空氣彈簧是在柔性密閉空間容器中充入壓縮空氣 ， 利用空氣的可壓縮性實(shí)現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧 。用于車輛懸架裝置中可以明顯提高運(yùn)行舒適性 。選用囊式空氣懸架 ?？諝鈴椈稍?551 最大允許直徑 d 51 =249 1) 空氣彈簧的初選表 1 彈簧系列及參數(shù)系列號 設(shè)計(jì)載荷范圍 /N 沖程 /54 1 412 330 221140 1 399 300 241136 2 023 218 214初步選定 1氣彈簧 。由彈簧的動態(tài)特性表 ， 求彈簧在滿載下的固有頻率 : 根 據(jù) 差 值 結(jié) 果 :1 361 907907 392=1. 32 1. 331. 3 . 35 滿足設(shè)計(jì)要求 : 1. 1 1. 6 2) 彈簧滿載固有頻率的計(jì)算彈簧在滿載下的剛度 :1 361 907907 392=101 681 69 30469 304 = 32 577; 滿 足 設(shè) 計(jì)要求 。2. 2 減震器設(shè)計(jì)( 1) 減震器阻尼系數(shù) =2 392 33 0 35 9 132( 2) 減震器最大卸荷力的確定為減少傳到車身的沖擊力 ， 當(dāng)減震器活塞振動速度達(dá)到一定值時 ， 減震器的卸荷閥便被打開 ， 減震器不再提供阻尼力 ，以限制減震器所提供的最大阻尼力 ， 此時活塞速度成為卸荷速度 ， 即 : 0. 9 m/s， A 為車身振幅 ， 取 40 取 0. 15 到 0. 3 m/s ; 因此只能取 0. 3m/s; 為懸架系統(tǒng)的固有頻率 。201211 = 9 123， 則最大卸荷力為 : 737 N。( 3) 減震器工作缸徑的確定 :減震器工作缸徑比 =0. 3。D =4 P( 1 2)=55. 3 選取 65 油筒直徑的確定 6: 一般的 . 35 到 1. 5D， 本設(shè)計(jì)選取 . 4D =91 壁厚取 2 . 3 扭轉(zhuǎn)橫梁的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中 ， 為了增強(qiáng)汽車的不足轉(zhuǎn)向 ， 提高車輛的操控穩(wěn)定性 ， 一般要求前懸架的側(cè)傾角剛度大于后懸架 ， 同時也應(yīng)滿足在 0. 4g 加速度下側(cè)傾不超過 7的最低條件 。對于扭轉(zhuǎn)梁式后懸架 ， 其側(cè)傾角剛度計(jì)算公式為 : C1=2CS 取 32 577。q 是彈簧中心離懸架側(cè)傾中心的垂直投影距離 410 轉(zhuǎn)橫梁的側(cè)傾角剛度 5 000 26 731 =8 269。扭轉(zhuǎn)梁側(cè)傾角剛度的計(jì)算公式 :k 為將橫梁位置的側(cè)傾角剛度換算到車輪中心位置側(cè)傾角剛度的換算系數(shù) ， 本設(shè)計(jì)簡化計(jì)算 ， 取值為 1。G 為材料剪切彈性模量 ， 選取和螺旋彈簧一樣的材料60其值為 79 000;J 為扭轉(zhuǎn)常數(shù) ， 其值取決于截面的形狀 ;L 為扭轉(zhuǎn)橫梁長度 ， 給出設(shè)計(jì)尺寸 1 122 轉(zhuǎn)橫梁截面高度取 60 截面展直后的長度 l =21 麥弗遜前懸架三維模型與有限元分析對橫向穩(wěn)定桿的受力分析 ， 選取工況為橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)載荷 ， 當(dāng)汽車側(cè)傾角達(dá)到 4時 ， 懸架橫向穩(wěn)定桿產(chǎn)生的抗側(cè)傾力為 1 480 N， 穩(wěn)定桿的材料與彈簧相同 。圖 2 麥弗遜前懸架正視圖圖 3 扭力梁懸架總成材料定義 : 鋼 ; 彈性模量 E =200 泊松比 0. 3; 穩(wěn)定桿兩端受 Z 向力 ， 固定點(diǎn)只保留一個繞桿旋轉(zhuǎn)的自由度 。米塞斯應(yīng)力圖如圖 4 所示 。圖 4 橫向穩(wěn)定桿米塞斯應(yīng)力圖由米塞斯應(yīng)力圖可以看到 ， 穩(wěn)定桿的危險(xiǎn)斷面主要集中在被固定的兩端 ， 受力部位的應(yīng)力反而較小 。4 結(jié)論以某乘用車懸架為對象 ， 進(jìn)行懸架系統(tǒng)的前懸架 、壓縮彈簧 、前減震器 、橫向穩(wěn)定桿 、后懸架 、空氣彈簧 、后減震器 、扭轉(zhuǎn)橫梁設(shè)計(jì) ， 并且建立了麥弗遜前懸架三維模型 、扭力梁后懸架總成 ， 同時進(jìn)行了橫向穩(wěn)定桿的有限元分析 。通過有限元分析手段找出了部分零件存在的安全隱患 ， 避免斷裂的發(fā)生 。參考文獻(xiàn) :【1】王霄鋒 汽車底盤設(shè)計(jì) M 北京 : 清華大學(xué)出版社 ， 2010: 1 100【2】王望予 汽車設(shè)計(jì) M 3 版 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2000: 1 100【3】唐金松 簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 M 3 版 上海 : 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 ， 2