【汽车设计-过学迅】第6章行驶系统设计

6.1行驶系统概述与行驶系统载荷6.2车架设计6.3悬架设计习题第6章行驶系统设计[主要内容]本章首先对汽车行驶系统的功用、结构形式、设计要求进行概述,介绍行驶系统载荷特点,然后介绍车架的结构形式和设计计算方法,最后讲述悬架的设计方法,主要介绍弹性元件、导向机构和减振器的设计计算。本章要求:1.了解行驶系统的特点与行驶系统载荷的确定；2.掌握车架设计；3.掌握悬架设计。第6章行驶系统设计6.1行驶系统概述与行驶系统载荷6.1.1概述汽车行驶系统的基本功用是接受传动系统传来的发动机转矩并产生驱动力，支撑整车质量，承受和传递路面作用于车轮上的各种力和力矩，缓冲减振，保证汽车行驶的平顺性，与转向系统协调配合工作，控制汽车的行驶方向，以保证汽车操纵稳定性。摆臂平衡悬架6.1.2汽车行驶系统的载荷(１)确定的疲劳载荷:它是一种按一定规律变化的，可用确定的时间函数式来描述的载荷，其最简单的形式就是以最大载荷作幅值、具有零均值的等幅正弦载荷。(２)随机的疲劳载荷:它是一种不规则的、不能用确定的时间函数式来描述的载荷，但它遵循一定的数学统计规律。汽车行驶系统零件的工作载荷大都是随机疲劳载荷，简称随机载荷，对它只能进行统计的描述。6.2车架设计6.2.1车架的功用及设计要求车架是汽车的装配基体和承载基体，其功用是支撑连接汽车的各总成或零部件，将它组成一完整的汽车。同时，车架还承受来自车内外的各种载荷。车架主要为商用货车、中型及以下的商用客车、中高级和高级乘用轿车所采用。6.2.2车架的结构形式１.车架结构类型１)框式车架(１)边梁式车架(２)周边式车架(３)Ｘ型车架２)脊梁式车架３)综合式车架车架结构类型２.车架的结构设计１)纵梁的形式纵梁截面形状２)横梁的形式车架横梁将左右纵梁连在一起，构成一个完整的车架，并保证车架有足够的扭转刚度，横梁还起着支撑某些总成的作用。横梁截面有开口和闭口之分。３)车架纵、横梁的连接４)车架宽度横梁的截面形状及与纵梁的连接纵、横梁的铆钉连接方式6.2.3车架的受载分析１.静载荷２.对称的垂直动载荷３.斜对称的动载荷４.其他载荷6.2.4车架的设计和计算１.弯曲强度计算的基本假设２.纵梁的弯矩计算(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)(6-5)(6-6)(6-7)(6-8)３.纵梁截面特性计算对于槽形截面，截面系数Ｗ为:对于工字形截面。截面系数Ｗ为:对于管形截面，截面系数Ｗ为:(6-11)(6-10)(6-9)常见车架截面形状尺寸４.弯曲应力计算纵梁断面的最大弯曲应力σ为:弯曲应力不应大于材料的许用应力：对于槽形截面纵梁来说，其临界弯曲应力为:(6-14)(6-13)(6-12)(6-15)5.临界弯曲应力σc的计算６.车架的刚度校核１)车架纵梁抗弯刚度校核。梁的挠度最大值按下式计算:根据使用要求和经验,当车架纵梁中间受Ｆ=1000N集中载荷作用时,纵梁的最大挠度不得超过0.085cm,即:２)车架的扭转刚度(6-17)(6-16)车架的扭转刚度通常是指汽车前、后桥之间那一段车架的扭转刚度。6.3悬架设计6.3.1悬架的功用及设计要求其功用是:传递车轮和车架(或车身)之间的一切力或力矩，并缓和由路面不平传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的振动，保证汽车行驶平顺。其设计要求有：(１)保证汽车有良好的行驶平顺性。(２)有合适的减振性能。(３)保证汽车有良好的操纵稳定性。(４)有适当的抗侧倾能力。(５)能可靠地传递车轮与车身间的一切力和力矩。(６)有良好的隔声能力。(７)结构紧凑、占用空间尺寸要小。6.3.2悬架的结构型式分析１.弹性元件２.悬架的类型１)非独立悬架２)独立悬架(１)双横臂式独立悬架(２)单横臂独立悬架(３)纵臂式独立悬架(４)单斜臂式独立悬架(５)麦弗逊式独立悬架３.独立悬架的评价(１)侧倾中心高度(２)车轮定位参数的变化(３)悬架侧倾角刚度(４)横向刚度４.前、后悬架方案的选择前、后悬架均采用非独立悬架、前悬采用独立悬架、后悬采用非独立悬架、前悬与后悬均采用独立悬架。6.3.3悬架性能参数的选取１.悬架的偏频和静挠度汽车前、后悬架偏频ｎ1、ｎ2可用下式表示:(6-18)对于刚度为常数的悬架，前、后悬架的静挠度可表示为:(6-19)(6-20)２.悬架的动挠度悬架的动挠度ｆd是指从满载静平衡位置开始,悬架由于冲击而压缩到结构允许的最大变形(通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3)时,车轮中心相对车架(或车身)的垂直位移。３.悬架的工作行程悬架的静挠度与动挠度取值受到汽车总体布置允许的工作行程限制。４.悬架的弹性特性悬架的弹性特性是指悬架在垂直方向上所受的载荷Ｆ与变形ｆ之间的关系曲线。可变的悬架弹性曲线５.商用货车后悬架主、副簧的刚度分配(１)从空载到满载范围内，频率的变化尽量小。副簧、主簧的刚度比λ为:(２)副簧接触托架前、后的频率突变不应过大。根据刚度分配，按规定选择了主、副簧的尺寸、片数后，还应进行应力校核:(6-23)(6-22)(6-21)钢板弹簧为主、副簧的非独立悬架弹性曲线６.悬架的刚度１)悬架的线刚度悬架的线刚度Ｃ和偏频ｎ关系为:悬架的侧倾角刚度为:(6-26)(6-25)(6-24)双横臂独立悬架的垂直刚度和侧倾角刚度２)侧倾角刚度悬架的侧倾角刚度:6.3.4弹性元件的计算１.钢板弹簧１)钢板弹簧主要尺寸参数的确定(１)钢板弹簧的断面尺寸钢板弹簧所需的总惯性矩:总截面系数：钢板弹簧的平均厚度：最大动行程时的最大应力为:(6-27)(6-29)(6-30)(6-31b)(6-31a)(6-28)(２)钢板弹簧各片长度选择钢板弹簧各片长度时,应该使应力在片间和沿片长的分布尽可能接近等应力,已达到各片寿命接近的要求。确定各片长度的方法有计算法和展开作图法,计算法的前提条件是,保证沿钢板弹簧的长度每一叶片有最优的应力分布,且各片的应力幅值有合理的比例。展开作图法则是基于等应力钢板弹簧各片展开图接近梯形梁形状的原理来作图的。确定多片钢板弹簧各片长度的展开作图法(３)钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径弧高为:(6-32)Ｕ形螺栓夹紧时的总自由曲率半径为:(6-33)２)钢板弹簧的验算(１)刚度验算(２)各片在自由状态下的曲率半径和弧高由疲劳曲线来确定各片的预应力(6-34)(6-35)(6-36)(３)钢板弹簧组装后总成弧高钢板弹簧组装后的稳定平衡状态是各片势能总和最小。若片厚相等，则:(6-38)(6-37)总成弧高为:(４)钢板弹簧强度验算①紧急制动时，前钢板弹簧承受最大载荷，它的后半段有最大应力为:②驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，它的前半段出现最大应力为:③汽车通过不平路面时，弹簧中部应力最大，为:④钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度校核(6-40)(6-39)(6-41)(6-42)２.扭杆弹簧悬架刚度Ｃ为:扭杆受力及断面形状(１)对于管形断面(亦适用于圆形断面γ=0)为:(２)对于片形扭杆为:当扭杆为管形或圆形时(6-46)(6-47)(6-45)(6-44)(6-43)３.螺旋弹簧螺旋弹簧在其轴向负荷Ｆ作用下的静挠度fcs为:弹簧刚度为:弹簧钢丝表面的扭转应力为:(6-50)(6-48)(6-49)(6-51)(6-52)(6-53)４.空气弹簧空气弹簧的刚度为载荷Ｆ对其垂直位移的导数,即:静平衡时的刚度为:静平衡时的振动频率为:(6-56)(6-55)(6-54)空气弹簧空气弹簧受力简图6.3.5独立悬架导向机构的设计１.设计要求１)对前轮独立悬架导向机构的要求(１)悬架上载荷变化时,轮距变化不超过±4.0mm,以防轮胎早期磨损。(２)悬架上载荷变化时，前轮定位参数有合理的变化特性，车轮不产生很大的纵向加速度。(３)汽车转弯行驶时，车身侧倾角尽可能小。(４)制动和加速时，车身有抗前俯和抗后仰作用。２)对后轮独立悬架导向机构的要求(１)悬架上载荷变化时，轮距无显著变化。(２)汽车转弯行驶时，车身侧倾角尽可能小。２.前轮定位角的变化和导向机构尺寸的选择前轮定位参数随车轮上下跳动的变化特性常指从满载位置到车轮跳动±40mm的范围内的特性。在导向机构和前轮定位角的关系中，首先应考虑前轮外倾角和主销后倾角的特性。前轮外倾角与车轮跳动位置的关系３.上、下臂在横向平面内的倾角及其倾斜方向的确定上、下臂布置不同，侧倾中心位置也不同，可根据对侧倾中心的高度要求来确定其布置方案。侧倾中心越高，离车身质心越近，侧倾力矩越小，但车轮的横向位置增大。上、下横臂在横向平面内的布置方案４.上、下摆臂轴线倾角的选择１)上、下摆臂轴线在纵向平面内的布置２)上、下横臂摆动轴线在水平面内的布置上、下横臂在纵向平面布置方案上下横臂在水平面的布置方案6.3.6减振器的设计１.减振器主要性能参数的选择减振器中阻力与速度之间的关系可用下式表示:(6-57)若悬架系统的刚度为Ｃ，簧载质量为ms,则评价振动衰减程度的相对阻尼系数(阻尼比)ψ为:(6-58)减振器特性１)相对阻尼系数ψ的选择相对阻尼系数ψ取得大，能使振动迅速衰减，但会把较大的不平路面的冲击传给车身。ψ选得小，振动衰减慢，不利于行驶平顺性。２)减振器阻尼系数δ的确定减振器阻力系数折算３)最大卸荷力Ｆ0的确定(6-60)(6-59)(6-61)２.主要尺寸参数筒式减振器工作缸直径：(6-62)习题１.车架的设计要求是什么？车架上承受的载荷大致可分为几类？２.一辆轻型货车采用独立前悬架，另一辆采用纵置钢板弹簧非独立前悬架，它们的尺寸、质量参数基本相同，哪种车的车架应该具有比较大的扭转刚度？为什么？３.设计悬架和设计独立悬架导向机构时，各应满足哪些基本要求？４.悬架有哪些具体类型？各有何特点？如何根据车型选择合适的悬架结构型式？５.独立悬架分为哪几种型式？它们各自有何优缺点？６.影响选取钢板弹簧长度、片厚度、片宽度以及片数的因素有哪些？７.什么是轴转向效应？为何后悬架采用钢板弹簧结构时，要求钢板弹簧的前铰接点比后铰接点要低些？