懸架設(shè)計(jì)內(nèi)容

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2010-04-2118:56

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文獻(xiàn)

設(shè)計(jì)

1.汽車懸架系統(tǒng)概述汽車懸架是安裝在車橋和車輪之間用來吸收汽車在高低不平的路面上行駛所產(chǎn)生的顛簸力。因此，汽車懸架系統(tǒng)對汽車的操作穩(wěn)定性、乘坐舒適性都有很大的影響。由于懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到不斷改進(jìn)，其性能及其控制技術(shù)也得到了迅速提高。盡管一百多年來汽車懸架從結(jié)構(gòu)形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，它都是有彈性元件、減振裝置和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。在有些情況下，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和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，麥克弗遜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，有些主動懸架中的作動器則具有彈性元件、減振器和部分導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的功能。1.1懸架的分類和設(shè)計(jì)要求按照彈性元件的種類，汽車懸架可分為鋼板彈簧懸架、螺旋彈簧懸架、扭桿彈簧懸架、空氣彈簧懸架等。按照作用原理，可以分為被動懸架、主動懸架和介于兩者之間的半主動懸架。汽車懸架和懸掛質(zhì)量、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成了一個(gè)振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)的特性很大程度上決定了汽車的形勢平順性，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)營經(jīng)濟(jì)性。該振動系統(tǒng)也決定了汽車承載系和行駛系許多零件的動載，并進(jìn)而影響到這些零件的使用壽命。此外懸架對整車操作穩(wěn)定性、抗側(cè)傾能力也起著決定性的作用。因而在設(shè)計(jì)懸架時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面的要求：（1）通過合理的設(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，即具有較低的振動頻率、較小的振動加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮或伸張行程極限點(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）合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動時(shí)車輪定位參數(shù)的變化不會過大，并且能滿足汽車具有良好的操作穩(wěn)定性的要求；（3）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運(yùn)動干涉，否則可能引發(fā)轉(zhuǎn)向輪擺振；（4）側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)具有抗側(cè)傾能力，汽車制動和加速時(shí)能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動和加速時(shí)的車身縱傾（所謂的“點(diǎn)頭”和“后仰”）；（5）懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)量要盡量??；（6）便于布置，在轎車設(shè)計(jì)中特別要考慮給發(fā)動機(jī)及行李箱留出足夠的空間；（7）所有零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命；（8）制造成本低；（9）便于維修、保養(yǎng)。【1】

1.2半主動懸架和主動懸架主動懸架采用與有源或無源可控元件組成一個(gè)閉環(huán)或開環(huán)的控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛的運(yùn)動狀態(tài)和外部輸入的變化（路面激勵或駕駛員方向盤操作）作出反應(yīng)，主動地調(diào)整和產(chǎn)生所需的控制力，是懸架始終處于最佳減振狀態(tài)。主動懸架能夠很好地隔離路面振動，控制車身運(yùn)動，還可調(diào)節(jié)車身高度以提高其通過惡劣路面的能力。但主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能耗大、成本高且可靠性低，目前還難以得到廣泛地推廣和應(yīng)用。半主動懸架采用可控阻尼減振器作為執(zhí)行元件，通過系統(tǒng)內(nèi)力采用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)控制單元提出的力的要求，除了需要能量驅(qū)動電磁閥外，幾乎不再額外耗費(fèi)發(fā)動機(jī)能量，代表了性能提高和設(shè)計(jì)簡單的折衷。【2】1.2.1半主動懸架設(shè)計(jì)要解決半主動懸架的實(shí)際應(yīng)用問題，必須在半主動懸架的設(shè)計(jì)及控制的理論研究、系統(tǒng)上尋求突破?！?】設(shè)計(jì)半主動懸架的關(guān)鍵是可調(diào)阻尼減振器的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上以單片機(jī)為主控件。可調(diào)阻尼減振器有多種形式，其中節(jié)流口可調(diào)式減振器，結(jié)構(gòu)相對簡單、性能穩(wěn)定可靠、成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊?！?】1.2.2主動懸架的最優(yōu)化跟蹤控制基于兩自由度1/4汽車懸架主動控制模型，通過利用參考輸入外系統(tǒng)的狀態(tài)來構(gòu)造前饋控制作用，得到了系統(tǒng)的最優(yōu)化跟蹤控制率。該控制率由狀態(tài)反饋項(xiàng)和前饋補(bǔ)償項(xiàng)構(gòu)成，前饋增益可以通過求解矩陣方程得到。利用參考輸入外系統(tǒng)的狀態(tài)來構(gòu)造前饋控制作用，前饋增益可以通過求解矩陣方程得到，這樣加入系統(tǒng)的前饋控制作用可以對外部變化的信號進(jìn)行補(bǔ)償，減小了反饋?zhàn)饔玫呢?fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的跟蹤精度。【4】

1.3空氣彈簧懸架系統(tǒng)空氣懸架系統(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件?？諝鈴椈墒且粋€(gè)密封的容器內(nèi)充入壓縮空氣（氣壓為0.5~1.0Mpa），利用氣體的壓縮性，實(shí)現(xiàn)其彈性作用的。這種彈簧的剛度是可變的，因?yàn)樽饔迷趶椈缮陷d荷增加時(shí)，容器內(nèi)的定量氣體受壓縮，氣壓升高，則彈簧的剛度增大。反之，當(dāng)載荷減少時(shí)，彈簧內(nèi)的氣壓下降，剛度減少，故它具有理想的彈性特性?？諝鈴椈蓱壹芸梢蕴岣叱俗孢m性?！?】

1.4L6B懸架的設(shè)計(jì)L6B在前輪和后輪使用了一個(gè)不等長橫臂結(jié)構(gòu)。它實(shí)際上很簡單并且不同于其他設(shè)計(jì)只在兩個(gè)重要方面：（1）它已經(jīng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)化用來優(yōu)化L6B底架的性能；(2)它已經(jīng)被應(yīng)用在一種應(yīng)許建造者修改和調(diào)整(在有限的范圍內(nèi))性能以滿足行駛參數(shù)或特定的賽道?！?1】2.鋼板彈簧懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1鋼板彈簧種類鋼板彈簧除了其彈性元件作用之外，還兼起導(dǎo)向作用，而多片彈簧片間摩擦還起系統(tǒng)阻尼作用。目前汽車使用的鋼板彈簧常見的有以下幾種：（1）通多片港片彈簧；（2）少片變截面鋼板彈簧；（3）兩級變剛度復(fù)式鋼板彈簧；（4）漸變剛度鋼板彈簧?！?】

2.2汽車鋼板彈簧的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢鋼板彈簧端部有三種結(jié)構(gòu)型式：端部為矩形的鋼板，其制造簡單，廣泛應(yīng)用在載貨汽車上；端部為梯形的鋼板，其質(zhì)量小、節(jié)省鋼材，較多的用在載貨汽車上；端部為橢圓形的鋼板，這種結(jié)構(gòu)改善了應(yīng)力分布狀況，片端彈性好，片間摩擦小，重量也較輕，但制造工藝復(fù)雜，成本較高，一般在轎車上應(yīng)用較多?！?0】

2.3少片變截面鋼板彈簧的疲勞壽命計(jì)算分析根據(jù)少片變截面鋼板彈簧每一片在自由狀態(tài)下的幾何尺寸,利用UG軟件建立各片的三維模型并進(jìn)行裝配。在HyperMesh中采用映射法進(jìn)行單元劃分,同時(shí)考慮片間的非線性接觸,建立鋼板彈簧總成的有限元模型。根據(jù)鋼板彈簧試驗(yàn)工況,計(jì)算得到該工況下的應(yīng)力循環(huán),利用其S-N曲線,基于Miner線性累計(jì)損傷準(zhǔn)則計(jì)算其疲勞壽命。疲勞壽命的計(jì)算值與試驗(yàn)值相當(dāng)接近,驗(yàn)證了模型的建立以及計(jì)算過程的正確性?！?】

2.4汽車鋼板彈簧快速設(shè)計(jì)中相似度的計(jì)算方法鋼板彈簧的設(shè)計(jì)通常分為3個(gè)階段：第1階段是從客戶的需求開始，綜合整車的關(guān)聯(lián)信息，初步確定關(guān)鍵的參數(shù)和結(jié)構(gòu)；第2階段是按照相關(guān)的條件、公式、法則逐步細(xì)化和提煉出具體的尺寸和參數(shù)；第3階段是通過校核、驗(yàn)證進(jìn)行反復(fù)修改，直至得出最終結(jié)果。其中，第2、3階段是板簧設(shè)計(jì)中工作量最大和最繁瑣的環(huán)節(jié)。由于第1階段就已經(jīng)決定了鋼板彈簧最終設(shè)計(jì)解的范圍，因此提出運(yùn)用相似工程的理論和方法，將在第1階段確定的重要指標(biāo)（如性能指標(biāo)、幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)屬性等）與已有產(chǎn)品實(shí)例之間建立相似元，通過計(jì)算相似度的大小來選取合適的產(chǎn)品實(shí)例作為設(shè)計(jì)結(jié)果，整個(gè)過程的數(shù)學(xué)描述如下。設(shè)第1階段能夠確定的指標(biāo)集為：Ａ＝｛ａ1，ａ2，…，ａｍ｝已有第ｉ個(gè)產(chǎn)品實(shí)例的屬性集為：ＩＮＳｉ＝｛ｂ1，ｂ2，…，ｂｍ，ｂｍ＋1，…，ｂｎ｝其中，Ａ與ＩＮＳｉ中有ｋ對相似要素，每個(gè)相似要素構(gòu)成一個(gè)相似元，記為μｉ（ａｉ，ｂｊ）［2］。每個(gè)相似元μｉ（ｉ＝1，2，…，ｋ）的相似程度可用相似元值ｓｉｍ（μｉ）表示，那么與第ｉ個(gè)產(chǎn)品實(shí)例的總相似度可用ｓｉｍｉ（μ1，μ1，…，μｋ）表示。根據(jù)相似度的計(jì)算結(jié)果即可選取符合條件的產(chǎn)品實(shí)例，這樣既可達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的，又可充分利用已有產(chǎn)品實(shí)例中各項(xiàng)數(shù)據(jù)、信息的完備性和準(zhǔn)確性來快速驗(yàn)算和校正，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)精度?！?】

2.5鋼板彈簧剛度特性的有限元分析有限元法求解板簧剛度的步驟如下：（1）按照板簧的設(shè)計(jì)尺寸構(gòu)建板簧的三維實(shí)體幾何模型。（2）采用三維實(shí)體單元對板簧各片進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,賦予材料參數(shù)。（3）用接觸單元定義板簧各片之間的接觸。（4）按照板簧的實(shí)際工作狀態(tài)對模型施加載荷與約束。（5）提交計(jì)算,得到板簧的載荷-變形曲線,對于恒剛度多片簧,對此曲線進(jìn)行線性擬合,即可得出鋼板彈簧剛度的數(shù)值。運(yùn)用有限元法求解板簧剛度時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn):一是正確合理的約束,二是葉片間摩擦的處理,即如何選取合適的摩擦系數(shù),三是選擇合適的接觸剛度?！?】

2.6鋼板彈簧的設(shè)計(jì)步驟2.6.1懸架主要參數(shù)的確定（1）懸架靜撓度；（2）懸架動撓度；（3）懸架彈性特性；（4）后懸架主、副簧剛度的分配；（5）懸架側(cè)傾角剛度及在前、后軸的分配。2.6.2鋼板彈簧的設(shè)計(jì)（1）鋼板彈簧的布置方案的確定；（2）鋼板彈簧主要參數(shù)的確定；（3）鋼板彈簧各片長度的確定；（4）鋼板彈簧的剛度驗(yàn)算；（5）鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算；（6）鋼板彈簧總成弧高的核算；（7）鋼板彈簧的強(qiáng)度驗(yàn)算。

3．板簧吊耳加工工藝其加工工藝規(guī)程為：精鑄車(以工件54外圓定位夾緊，雙V型塊定心，車一端端面)鏜(粗鏜、精鏜內(nèi)孔至)車(以內(nèi)孔定位，車另一端端面)銑(以孔定位，銑2-兩內(nèi)端面至規(guī)定尺寸)鉗(以孔及兩吊耳外形定位，鉆、擴(kuò)、鉸2-孔)鉗(鉆螺栓鎮(zhèn)緊孔)銑(銑螺栓鎮(zhèn)緊槽)?！?0】

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