重載汽車懸架的優化設計

孫祥和，于士軍

（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253000）

重載汽車懸架的優化設計

孫祥和，于士軍

（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253000）

隨著汽車行業的飛速發展，汽車在整個社會中擔任著越來越重要的角色，可以說衣食住行都有汽車的身影。汽車懸架對于汽車在行駛過程中的平順性起到了至關重要的作用。文章則主要通過對重載汽車懸架的懸架偏頗以及鋼板彈簧的厚度寬度等方面進行優化設計。

懸架；優化；鋼板彈簧；設計

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-63-03

引言

重載汽車在城市的建設與發展物流的運輸中扮演著重要的角色，但是大多數重載汽車普遍存在著超載的現象，我們這次優化設計的目的在于保證汽車在行駛過程中的平順性的前提下提高懸架的承載性。隨著汽車行業的飛速發展，合理化參數的選擇對汽車綜合性能以及長遠發展越來越重要，本文通過對汽車懸架各部位參數的選擇以及優化進行了選擇。

1、懸架的結構組成及分類

1.1 懸架的結構組成

懸架基本由彈性元件（彈簧）、阻尼元件（減震器）以及導向機構三大部分組成，個別懸架中還有緩沖塊和橫向穩定桿。其中彈性元件多種多樣有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧等。我們選用重載汽車最常用的鋼板彈簧進行優化設計。

1.2 懸架的分類

懸架根據導向機構的特點分為獨立懸架和非獨立懸架。現在大多數重載汽車后橋安裝的都是非獨立懸架，與獨立懸架相比非獨立懸架能夠承載更大的質量，因此本文中優化設計的也是非獨立懸架。

1.3 懸架的優缺點

非獨立懸架的主要優點在于其結構設計上簡單，在工作過程中能夠承載較大的質量，后期懸架的維修保養較為方便，相對的非獨立懸架簡單的結構設計使其行駛過程中的平順性得到減弱，進而影響了汽車的操縱穩定性。

獨立懸架的優點在于其復雜結構下的占用空間小，降低了整車的質心高度，提高了行駛穩定性，大大消除了前輪擺振現象。但是復雜的結構增加了制造成本使其維修難度也大大增加。

2、懸架主要參數的選擇

2.1 懸架偏頗

大多數汽車的懸掛質量分配系數ε為0.8至1.2，因此可近似認為ε=1。當ε=1時，汽車前、后懸架偏頗n1、n2可用下式表示：

式中，C1、C2為前、后懸架的剛度（N/mm）；m1、m2為前、后懸架的簧上質量（kg）。

2.2 懸架動、靜撓度

2.2.1 懸架的靜撓度

懸架的靜撓度fc是指汽車滿載靜止時，懸架上的載荷F與此時懸架剛度C之比，即fc=F/C。

懸架的前、后靜撓度可用下式表示：

式中，g為重力加速度（g=9810mm/s2)。在這里我們對重汽汽車前后的動撓度之間的當量關系取fc2=0.7fc1。

2.2.2 懸架的動撓度

懸架的動撓度fc是指從滿載平衡位置開始，懸架由于沖擊而壓縮到結構允許的最大變形時，車輪中心相對車架的垂直位移。因為我們設計的是重載汽車的懸架因此動撓度可以取得大一些，在這里我們取fd=85mm。

2.3 后懸架主、副彈簧剛度的選擇

重載汽車一般處于滿載情況因此我們為了保證汽車在空載或者滿載使用范圍內懸架振動頻率變化不大采用如下方法。

副簧開始起作用時的懸架撓度fa等于汽車空載時懸架的撓度f0，而使副簧開始起作用前一瞬間的撓度fk等于滿載時懸架的撓度fc。于是，可求得：

式中，F0和Fw分別為空載與滿載時的懸架載荷。副簧、主簧的剛度比為：

式中，Ca為副簧剛度；Cm為主簧剛度。

2.4 鋼板彈簧的設計

鋼板彈簧分為縱置式和橫置式，這里我們選取汽車上普遍采用的縱置式鋼板彈簧。

圖1 雙梯形鋼板彈簧

2.4.1 鋼板彈簧的斷面尺寸

對于對稱鋼板彈簧：

式中，s為U行螺栓中心距（mm）；k為考慮U行螺栓夾緊彈簧后的無效長度系數。C為鋼板彈簧垂直剛度（N/ mm）；δ為撓度增大系數；為材料的彈性模量（MPa)。

總截面系數W0

式中，[σe]為許用彎曲用力。

鋼板彈簧平均厚度hp

通過hp選定片寬b。b/hp在6到10之間，我們取8

2.4.2 片長度的確定

對于懸架鋼板來說各片厚度不變，寬度連續變化的單片鋼板彈簧是等強度梁，形狀為菱形（兩個三角形）。將由兩個三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干片，然后按照長度大小不同，依次排列、疊放到一起，就形成接近實用價值的鋼板彈簧。

圖2 鋼板彈簧各片長度做法圖

2.4.3 鋼板彈簧總成自由狀態弧高

鋼板彈簧總成裝配后的自由弧高為：

式中，△為鋼板彈簧在預壓縮時產生的塑性變形。

2.4.4 U行螺栓夾緊時的曲率半徑

U行螺栓夾緊時的總自由曲率半徑為：

式中，Ls為彈簧無效長度，Ls=ks。

3、懸架的優化

1）懸架中減震器的存在可以有效的減輕汽車行駛過程中的振動，一個合適的減震器可以有效的改善汽車行駛過程中的行駛平順性。在本次懸架設計中我們采用高效饋能減震器，高效饋能減震器的使用可以明顯的降低懸架的動撓度，減小了發電機的體積并且可以實現能量的高效率回收利用。

圖3 高效饋能減震器結構簡圖

2）我們取懸架偏頗n1值為1.90 HZ，n2值為2.00 HZ。

3）鋼板彈簧的厚度為20mm，寬度為160mm。

4）前彈簧和平衡懸架彈簧400N/mm2；后主彈簧500N/ mm2，后副彈簧230N/ mm2。

4、結論

本文對懸架的偏頗，以及鋼板彈簧進行了優化設計，懸架偏頗的增大雖然損壞了汽車行駛的平順性但在一定程度上增強了汽車的承載性。而鋼板彈簧厚度以及寬度的增加也進一步提高了汽車的最大載重質量，這樣可以在一定程度上緩解汽車超載對懸架帶來的損壞。懸架偏頗以及鋼板彈簧寬度及厚度的的加大是在汽車行駛平順性能的減弱的基礎上進行的。

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The Optimization Design of the Automotive Suspension of the Overloading Car

Sun Xianghe, Yu Shijun
( Department of Automobile Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253000 )

With the rapid development of automobile industry, automobiles play a more and more important role in the whole society. It can be found in basic necessities of our life. The automotive suspension plays a key role for the comfort in the process of driving. This essay mainly optimizes some designs, which including the partial frequency of suspension in the heavy automobile and the thickness and the width of the leaf spring.

suspension; leaf spring; optimization design

U462.1

A

1671-7988(2017)02-63-03

孫祥和，就讀于德州學院汽車工程學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.021