重载汽车悬架的优化设计

孙祥和，于士军

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253000）

重载汽车悬架的优化设计

孙祥和，于士军

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253000）

随着汽车行业的飞速发展，汽车在整个社会中担任着越来越重要的角色，可以说衣食住行都有汽车的身影。汽车悬架对于汽车在行驶过程中的平顺性起到了至关重要的作用。文章则主要通过对重载汽车悬架的悬架偏颇以及钢板弹簧的厚度宽度等方面进行优化设计。

悬架；优化；钢板弹簧；设计

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

引言

重载汽车在城市的建设与发展物流的运输中扮演着重要的角色，但是大多数重载汽车普遍存在着超载的现象，我们这次优化设计的目的在于保证汽车在行驶过程中的平顺性的前提下提高悬架的承载性。随着汽车行业的飞速发展，合理化参数的选择对汽车综合性能以及长远发展越来越重要，本文通过对汽车悬架各部位参数的选择以及优化进行了选择。

1、悬架的结构组成及分类

1.1 悬架的结构组成

悬架基本由弹性元件（弹簧）、阻尼元件（减震器）以及导向机构三大部分组成，个别悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。其中弹性元件多种多样有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧等。我们选用重载汽车最常用的钢板弹簧进行优化设计。

1.2 悬架的分类

悬架根据导向机构的特点分为独立悬架和非独立悬架。现在大多数重载汽车后桥安装的都是非独立悬架，与独立悬架相比非独立悬架能够承载更大的质量，因此本文中优化设计的也是非独立悬架。

1.3 悬架的优缺点

非独立悬架的主要优点在于其结构设计上简单，在工作过程中能够承载较大的质量，后期悬架的维修保养较为方便，相对的非独立悬架简单的结构设计使其行驶过程中的平顺性得到减弱，进而影响了汽车的操纵稳定性。

独立悬架的优点在于其复杂结构下的占用空间小，降低了整车的质心高度，提高了行驶稳定性，大大消除了前轮摆振现象。但是复杂的结构增加了制造成本使其维修难度也大大增加。

2、悬架主要参数的选择

2.1 悬架偏颇

大多数汽车的悬挂质量分配系数ε为0.8至1.2，因此可近似认为ε=1。当ε=1时，汽车前、后悬架偏颇n1、n2可用下式表示：

式中，C1、C2为前、后悬架的刚度（N/mm）；m1、m2为前、后悬架的簧上质量（kg）。

2.2 悬架动、静挠度

2.2.1 悬架的静挠度

悬架的静挠度fc是指汽车满载静止时，悬架上的载荷F与此时悬架刚度C之比，即fc=F/C。

悬架的前、后静挠度可用下式表示：

式中，g为重力加速度（g=9810mm/s²)。在这里我们对重汽汽车前后的动挠度之间的当量关系取fc2=0.7fc1。

2.2.2 悬架的动挠度

悬架的动挠度fc是指从满载平衡位置开始，悬架由于冲击而压缩到结构允许的最大变形时，车轮中心相对车架的垂直位移。因为我们设计的是重载汽车的悬架因此动挠度可以取得大一些，在这里我们取fd=85mm。

2.3 后悬架主、副弹簧刚度的选择

重载汽车一般处于满载情况因此我们为了保证汽车在空载或者满载使用范围内悬架振动频率变化不大采用如下方法。

副簧开始起作用时的悬架挠度fa等于汽车空载时悬架的挠度f0，而使副簧开始起作用前一瞬间的挠度fk等于满载时悬架的挠度fc。于是，可求得：

式中，F0和Fw分别为空载与满载时的悬架载荷。副簧、主簧的刚度比为：

式中，Ca为副簧刚度；Cm为主簧刚度。

2.4 钢板弹簧的设计

钢板弹簧分为纵置式和横置式，这里我们选取汽车上普遍采用的纵置式钢板弹簧。

图1 双梯形钢板弹簧

2.4.1 钢板弹簧的断面尺寸

对于对称钢板弹簧：

式中，s为U行螺栓中心距（mm）；k为考虑U行螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数。C为钢板弹簧垂直刚度（N/ mm）；δ为挠度增大系数；为材料的弹性模量（MPa)。

总截面系数W0

式中，[σe]为许用弯曲用力。

钢板弹簧平均厚度hp

通过hp选定片宽b。b/hp在6到10之间，我们取8

2.4.2 片长度的确定

对于悬架钢板来说各片厚度不变，宽度连续变化的单片钢板弹簧是等强度梁，形状为菱形（两个三角形）。将由两个三角形钢板组成的钢板弹簧分割成宽度相同的若干片，然后按照长度大小不同，依次排列、叠放到一起，就形成接近实用价值的钢板弹簧。

图2 钢板弹簧各片长度做法图

2.4.3 钢板弹簧总成自由状态弧高

钢板弹簧总成装配后的自由弧高为：

式中，△为钢板弹簧在预压缩时产生的塑性变形。

2.4.4 U行螺栓夹紧时的曲率半径

U行螺栓夹紧时的总自由曲率半径为：

式中，Ls为弹簧无效长度，Ls=ks。

3、悬架的优化

1）悬架中减震器的存在可以有效的减轻汽车行驶过程中的振动，一个合适的减震器可以有效的改善汽车行驶过程中的行驶平顺性。在本次悬架设计中我们采用高效馈能减震器，高效馈能减震器的使用可以明显的降低悬架的动挠度，减小了发电机的体积并且可以实现能量的高效率回收利用。

图3 高效馈能减震器结构简图

2）我们取悬架偏颇n1值为1.90 HZ，n2值为2.00 HZ。

3）钢板弹簧的厚度为20mm，宽度为160mm。

4）前弹簧和平衡悬架弹簧400N/mm2；后主弹簧500N/ mm2，后副弹簧230N/ mm2。

4、结论

本文对悬架的偏颇，以及钢板弹簧进行了优化设计，悬架偏颇的增大虽然损坏了汽车行驶的平顺性但在一定程度上增强了汽车的承载性。而钢板弹簧厚度以及宽度的增加也进一步提高了汽车的最大载重质量，这样可以在一定程度上缓解汽车超载对悬架带来的损坏。悬架偏颇以及钢板弹簧宽度及厚度的的加大是在汽车行驶平顺性能的减弱的基础上进行的。

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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

孙祥和，就读于德州学院汽车工程学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.021