载货汽车的悬架系统结构的设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

载货汽车的悬架系统结构的设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

线的斜率是悬架的刚度。 悬架 的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。 当悬架变形厂与所受垂直外力 F 之间呈固定比例变化时，弹性特性为一直线，称为线性弹性特性，此时悬架刚度为常数。 当悬架变形 f 与所受垂直外力 F 之间不呈固定比例变化时，弹性特性如图 3—1 所示。 此时，悬架刚度是变化的，其特点是在满载位置 (图中点 8)附近，刚度小且曲线变化平缓，因而平顺性良好；距满载较远的两端，曲线变陡，刚度增大。 这样可在有限的动挠度 df 范围内，得到比线性悬架更多的动容量。 悬 架的动容量系指悬架从静载 12 荷的位置起，变形到结构允许的最大变形为止消耗的功。 悬架的动容量越大，对缓冲块击穿的可能性越小。 空载与满载时簧上质量变化大的货车和客车，为了减少振动频率和车身高度的变化，应当选用刚度可变的非线性悬架。 轿车簧上质量在使用中虽然变化不大，但为了减少车轴对车架的撞击，减少转弯行驶时的侧倾与制动时的前俯角和加速时的后仰角，也应当采用刚度可变的非线性悬架。 钢板弹簧非独立悬架的弹性特性可视为线性的，而带有副簧的钢板弹簧、空气弹簧、油气弹簧等，均为刚度可变的非线性弹性特性悬架 ]6[。 图 3— 1 悬架弹性特性曲线 1— 缓冲块复原点 2— 复原行程缓冲块脱离支架 3— 主弹簧弹性特性曲线 4— 复原行程 5— 压缩行程 6— 缓冲块压缩期悬架弹性特性曲线 7— 缓冲块压缩时开始接触弹性支架 8— 额定载荷 13 4 弹性元件的设计 空气悬架多应用于大型客车和无轨电车上，在高级轿车、长途运输重型载货汽车和挂车上有所应用。 其弹性元件是由夹有帘线的橡胶囊或模和充入其内腔的压缩空气所组成的。 这种悬架除弹性元件、减振器和导向机构外，一般 还装有车身高度调节装置。 由于空气弹簧可以设计的比较柔软，因而空气悬架可以得到较低的固有频率，同时空气弹簧的变刚特性使得这一频率在较大的载荷变化范围内保持不变，从而提高了汽车的平顺性。 空气悬架的另一个优点在于通过调节车身高度使得大客车的地板高度和载货汽车的货箱高度哦随载荷的变化基本保持不变。 此外，空气悬架还具有空气弹簧寿命长、质量小以及噪音低等一些优点。 按照结构特点，空气弹簧可以分为囊式和膜式两大类，囊式空气弹簧结构相当简单，制造方便，但刚度较高，因而常用于大型客车、无轨电车和载货汽车，并且常配有辅助气室 以降低弹簧刚度，膜式空气弹簧刚度小，适应于用作轿车悬架，但同等空气压力和尺寸下其承载能力小，并且动刚度会增大 ]7[。 以橡胶囊为主要元件的囊式空气弹簧，在用来承受内压张力的钢质腰环分割下来，气囊被分为不同节数，并据此分为单曲、双曲和多曲气囊三种，囊式空气弹簧结构比较简单，制造容易，因此成本低；又因为工作时橡胶膜的曲率变化小，所以使用寿命长。 本次设计选取双曲空气弹簧。 图 4— 1 双曲气囊空气弹簧 1— 上盖 2— 橡胶膜 3— 腰环 4— 底座 空气弹簧力学性能 空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩空气。 容积比、气体压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的力学性能。 空气弹簧刚度计算 空气弹簧是利用橡胶气囊内压缩空气的反作用力作为弹性恢复力的弹性元件。 刚度是空气弹簧的重要性能参数，用如下理论公式空气 弹簧垂直刚度 C计算： VAPPnLAPC eiOei 2)(  (41) 14 iP — 橡胶气囊内压缩气体工作压力 ； OP — 标准大气压 ，取 ； eA — 空气弹簧有效承压面积 ； L— 空气弹簧有效行程 ； LAe — 气弹簧有效承压面积变化比 ； V空气弹簧内的空气体积 ； n为多变指数，取决于空气弹簧形变速度。 空气弹簧缓慢振动时， 弹簧内气体状态变化视为等温变化， n=1；空气弹簧剧烈振动时，弹簧内气体状态变化视为绝热过程，n=1． 3～ 1． 4，本次设计选取 n=。 囊式空气弹簧的有效 面积 变化率对空气弹簧的固有频率的影响较大 ，当空气弹簧在等压的条件下， 有效面积的变化率 LAe =0，本次设计选取 LAe =0。 由式 （ 4一 l） 可知，空气弹簧的有效承压 面 积及其交化率对空气弹簧刚度的影响显著。 囊式空气弹簧工作时有效承压面积交化率较大，弹簧刚度较大。 由于分担气囊形变的曲囊越多，气囊有效承 面 积变化率越小，因此曲囊增多可减小囊式空气弹簧的刚度。 在橡胶气囊正常工作气压范围内，膜式空气弹簧的有效承压积面变化率比囊式气弹簧小，即膜式空气弹簧的刚度比囊式空气簧小。 同时，膜式空气弹簧可以通过改变活塞底部形状来控制有效承压面积变化率，以获得理想弹性特性。 另外，囊式空气弹簧可以通过添加辅助气室，膜式空气弹簧可利用活塞底座空心内腔作为辅助气室来增大气体体积，从而降低弹簧刚度 ]8[。 1）前悬的空气弹簧刚度计算 前悬架有 四个气囊、四个减震器、 两个高度 控制阀、 两根 横向 推力杆 和 两根纵向推力杆 构成的 四连杆结构。 根据 GB/T1306191对汽车的空气弹簧的规定，本次选取的弹簧型号为 B7380X390的囊式空气弹簧。 设前悬架非簧载质量按 500kg 计算，前悬架每支空气弹簧的承受负载为 i GGiGG usm 1111  15 式中： G1 为前悬轴载荷为 6370kg， i为空气弹簧个数， 1sG 为前悬簧载质量， 1uG 为前悬非簧载质量。 代入 推出 1mG 为 ，每个空气弹簧受力为 gGP m11  =。 n为多变指数，此处选取为 ； iP 为 橡胶气囊内压缩气体工作压力 ，取 eAP/1 ；OP 为 标准大气压 ，取 ； eA 为 空气弹簧有效承压面积 ， 在 390mm的设计高度上 当载荷为 ， 弹簧内部压强为 ， 计算 eA = 104 2mm ， V为空气弹簧体积 V=390 010 4=10 6 mm3 ； LAe 为 有 效面积的变化率 ，当空气弹簧在等压的条件下， LAe =0。 将上述数据代入公式（ 41），经计算可得前悬空气弹簧刚度 1C =。 2）后悬的空气弹簧刚度计算 后悬架有 四个气囊、四个减震器、 两个高度控制阀、 两根 横向 推力杆 和 两根纵向推力杆 构成的 四连杆结构。 根据 GB/T 1306191对汽车的空气弹簧的规定，本次选取的弹簧型号为 B7380X390的囊式空气弹簧。 jGGjGG usm 2222  式中： 后 悬轴 载荷为 2G =12740kg， j为空气弹簧个数， 2sG 为 后 悬簧载质量， 后 悬非簧载质量 2uG =1000kg。 代入推出 2mG 为 2935kg，每个空气弹簧受力为 2P =28763N。 对于同一种空气弹簧，变指数、有效面积不变，有效面积的变化率仍然为零 ， 橡胶气囊内压缩气体工作压力 ，取 eAP/2 ，将参数代入式子（ 41）得到 后悬空气弹簧刚度2C =。 空气弹簧固有频率的计算 弹簧振动固有频率用 0n 来表示， 即 0n = dxdDAgVn g APPeeroro  121 （ 42） 16 式中 g— 重力加速度 , g=9810mm/ 2s ； D— 气囊圆截面有效直径 ； 当空气弹簧的垂直刚度己 知时，也可以用下式计算固有频率： Wgkf  212  k — 气体常数，当汽车载荷缓慢变化时，弹簧内空气状态的变化接近于等温过程，可取 k ＝ 1；当汽车在行驶过程振动时，弹簧内空气状态的变化接近于绝热过程，可取 k＝ ；实际计算时，通常取 k ＝ ～。 从式子（ 42）可以看出： 1） 频率与选择的充气压力 roP 有关， roP 越大，固有频率越低。 这种影响在压力较低时尤为明显。 当充气压力提高时，roroPP 1 接近 1时，再提高，则对降低固有频率无明显影响。 频率与折算高度 H=VAe 有关， H 越大固有频率越低。 特别是对于 LAe 较小的气囊，增加 H 对降低固有频率有明显影响。 对于 LAe 较大的气囊， H 的 影响不是很明显。 2） 频率与有效面积的变化率 LAe 有关， LAe 越大 n 越高。 LAe 越小 n 越低。 当充气压力提高时，roroPP 1 接近 1时，再提高，则对降低固有频率无明显影响，故本次设计选取roroPP 1 =1； n 为多变指数，此处选取为 ； dxdD 为有效直径变化率 ， 一般囊式空气弹簧的有效 直径变化率为 ～ ，膜式空气弹簧的有效直径变化率在～ 之间。 本次设计选取 dxdD =；将上述参数代入（ 42） 中 空气弹簧固有频率0n =。 空气弹簧的刚度特性分析 当在充满气体的空气弹簧上作用外力 P 后，会引起弹簧的微小变形 df ，相应的气体容积变化量为 dV。 由于囊壁变形所做的功与外力所作的功相比可以忽略，因而外力作的功 Pdf 等于气体受压作的功 dVpp a)(  17 dVppPdf a )(  （ 4－ 3） 式中 p — 弹簧内空气的绝对压强； ap — 标准 大气压强。 定义弹簧的有效面积 dfdVAeff / （ 4－ 4） 可以得到 e ffakke ffa ApV VpAppP   00)( （ 4－ 5） 将上式对位移求导可得空气弹簧得刚度为 dfdApVVpAVVkpdfdAppAdfdpCe ffakke ffkke ffae ff 002100)( （ 4－ 6） 这表明空气弹簧的刚度由两部分构成，分别由气体体积的变化和有效面积的变化而引起。 在设计空气弹簧时，对这两个方面都要加以考虑。 在静平衡位置时，有 0pp ， 0VV ，代人式 (4－ 6)可得到静平衡位置的弹簧刚度为 dfdAppAVkpC e ffae ff )(200  （ 4－ 7） 从中可以看出，要想获得较软的刚度，应该增大 0V ，但在布置上又不允许占用过高的空间，因而常常采用增加辅助气室的办法来达到增大 0V ，减小刚度的目的。 由于空气弹簧无法承受侧向力及转矩，必须为悬架选择恰当的导向杆系。 目前常用的有以下三种方式：①用钢板弹簧作为导向元件，这种方法的优点 在于可以利用以前的零部件，便于改装，同时板簧与空气弹簧联合作用可使悬架弹性特性更接近理想，悬架的偏频在很大载荷范围内近似保持不变。 ②纵臂式，这种方式增加了设计的灵活性，可以较好地保证悬架的纵倾特性，车轮跳动时主销倾角的变化量也能满足要求。 ③ A型架式，实际上为纵臂式的变形，其侧向刚度较大，可减小车身侧向摆动的加速度，从而减小悬架中出现的附加载荷，多用于重型车的悬架。 在轿车上，一般前悬采用双横臂，后悬采用纵臂式导向机构。 空气悬架车身高度调节机构是一端固定在车架、一端固定在车身上的联动阀，当车引高度变化时，阀动 作打开相应的气路，向弹簧气室中补充或由弹簧气室放出空气，达到测节车身高度的目的。 汽车在正常行驶过程中，由于垂向振动或侧倾，车身与车桥之间总会发生相对位移。 在 18 设计车身高度调节器时，必须采取必要的措施以防止在此类情况下车身高度调节器频繁动作 ]9[。 高度控制阀 高度控制阀是空气悬架系统的重要组成部分，其作用是保证车辆在任何静载荷下与路面保持一定的高度，而且空气弹簧的优势也只有在采用了高度控制阀的情况下才能充分体现。 高度控制阀（以下称高度阀）分为机械式和电磁式， 按组成分为带延时机构和不带延时机构。 考虑到目前国内空气悬架多采用机械式高度阀，因此针对带延时机构和不带延时机构的两种机械式高度阀进行研究。 不带延迟机构的高度阀工作原理：车体荷重增加时，车体下降，空气弹簧压缩，控制杆被推向上方，凸轮转动带动活塞顶开进、排气阀，风缸中的压缩空气通过一段节流通道流入空气弹簧；车架恢复到一定高度后，控制杆会返回平衡位置，此时进气阀被关闭，压缩空气关断。 当车体荷重减少时，车体上升，空气弹簧伸长，与荷重增加时情况相反，控制杆被拉下，进、排气阀打开，空气弹簧内的空气经节流通道和活塞内的 通道排出 ]10[。 图 4— 2 不带延时机构的高度阀 示意 图 高度阀的主要特性参数有截止频率一般为 1Hz，不感带  mm，动作延迟时间为13 s，低 流量为 120 L/Min， 标准流量 为 350 L/Min， 排气气流流速为 875 L/min。 19 5 悬架导向机构的设计 悬架导向机构的概述 空气悬架的主要组成部分除了空气弹簧以外，还有导向杆件、减振器、横向稳定器、高度控制组件及缓冲限位部件等组成。 其中，导向机构发挥着非常重要的作用。 导向传力机构是空气悬架中的重要部件，要承受汽车的纵向力、侧向力及其力矩，因此要有一定的强度，布置方式要合理，避。