毕业论文范文1.陈彬

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学生姓名： 陈彬 学 号： 1260720122131 系 别： 车辆工程系 专 业： 汽车制造与装配技术 毕业论文题目：悬架的类型与作用

指导教师： 赵玉霞 专业技术职务：

毕业论文任务书

毕业论文任务书内容

摘要

悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统(车架或承载式车身)之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总称。

悬架由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成。悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操作稳定性，使汽车获得高速行驶能力。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量(即簧载质量)、非悬挂质量(即非簧载质量)和弹簧 (弹性元件)组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。 舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。并且随着研究的进一步深入，发现悬架的性能还影响着整车的很多性能，包括行驶平顺性，行驶车速，燃油经济性，操纵性能等。随着人们的观念转变，汽车是作为一种载人的工具，人们不仅重视它的舒适性，而且越来越重视它的操控性，并享受它带来的乐趣。 本设计的主要难题：就是在保证轿车的舒适性的同时也确保操控性的优化，在设计悬架的过程中会遇到舒适性与操控性之间要求的矛盾。如何处理两者的矛盾也就成了本课题的难点。在设计的时候保证舒适性不降低的情况下，提高操控性。 关键字：悬架；舒适性；操控性；螺旋弹簧

目 录

摘要………………………………………………………………………………………1

1 绪论 …………………………………………………………………………………1 1.1 引言 ……………………………………………………………………………1 1.2 与本文有关的研究现状与发展趋势 …………………………………………2 1.2.1 钢板弹簧的可靠性研究现状与发展趋势 …………………………………2 1.2.2 有限元研究现状与发展趋势 ………………………………………………4 1.3 本文设计研究的意义与主要设计内容 ………………………………………4 1.3.1 本文设计研究的意义 ………………………………………………………4 1.3.2 本文设计的主要内容与技术路线 …………………………………………5 2 有限元法在汽车钢板弹簧设计中的应用分析……………………………………5 2.1 有限元法相关原理介绍 ………………………………………………………5 2.1.1 力学模型 ……………………………………………………………………5 2.1.2 最小余度原理 ………………………………………………………………6 2.1.3 钢板弹簧广义变分原理 ……………………………………………………7 2.1.4 障碍问题的数值解法………………………………………………………8 2.2 汽车钢板弹簧的有限元计算设计……………………………………………8 2.2.1 建立钢板弹簧设计模型………………………………………………………8 2.2.2 通过调试完成的ANSYS有限元软件设计悬架钢板弹簧…………………11 3 基于有限元法的汽车钢板弹簧的可靠性分析 …………………………………11 3.1 可靠性分析基础 ……………………………………………………………11 3.2 基于有限元法设计的汽车钢板弹簧的可靠性分 ……………………………12 4 结论与展望 …………………………………………………………………………14 参考文献…………………………………………………………………………………14

汽车钢板弹簧悬架设计

（1）、钢板弹簧种类

汽车钢板弹簧除了起弹性元件作用之外，还兼起导向作用，而多片弹簧片间磨擦还起系统阻尼作用。由于钢板弹簧结构简单，使用维修、保养方便，长期以来钢板弹簧在汽车上得到广泛应用。目前汽车使用的钢板弹簧常见的有以下几种。

①通多片钢板弹簧，如图1-a所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大型客车上，弹簧弹性特性如图2-a所不，呈线性特性。

载荷

变形

载荷

变形

载荷

图1 图2

变形

②少片变截面钢板弹簧，如图1-b所不，为减少弹簧质量，弹簧厚度沿长度方向制成等厚，其弹性特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性图2-a。这种弹簧主要用于轻型货车及大、中型载货汽车前悬架。

③两级变刚度复式钢板弹簧，如图1-c所示，这种弹簧主要用于大、中型载货汽车后悬架。弹性特性如图2-b所示，为两级变刚度特性，开始时仅主簧起作用，当载荷增加到某值时副簧与主簧共同起作用，弹性特性由两条直线组成。

④渐变刚度钢板弹簧，如图1-d所示，这种弹簧多用于轻型载货汽车与厢式客车后悬架。副簧放在主簧之下，副簧随汽车载荷变化逐渐起作用，弹簧特性呈非线性特性，如图2-c所示。

多片钢板弹簧

钢板弹簧计算实质上是在已知弹簧负荷情况下，根据汽车对悬架性能（频率）要求，确定弹簧刚度，求出弹簧长度、片宽、片厚、片数。并要求弹簧尺寸规格满足弹簧的强度要求。

3.1钢板弹簧设计的已知参数 1)弹簧负荷

通常新车设计时，根据整车布置给定的空、满载轴载质量减去估算的非簧载质量，得到在每副弹簧上的承载质量。一般将前、后轴，车轮，制动鼓及转向节、传动轴、转向纵拉杆等总成视为非簧载质量。如果钢板弹簧布置在车桥上方，弹簧3/4的质量为非簧载质量，下置弹簧，1/4弹簧质量为非簧载质量。 2)弹簧伸直长度

根据不同车型要求，由总布置给出弹簧伸直长度的控制尺寸。在布置可能的情况下，尽量增加弹簧长度，这主要是考虑以下几个方面原因。

①由于弹簧刚度与弹簧长度的三次方成反比，因此从改善汽车平顺性角度看，希望弹簧长度长些好。

②在弹簧刚度相同情况下，长的弹簧在车轮上下跳动时，弹簧两卷耳孔距离变化相对较小，对前悬架来说，主销后倾角变化小，有利于汽车行驶稳定性。 ③增加弹簧长度可以降低弹簧工作应力和应力幅，从而提高弹簧使用寿命。 ④增加弹簧长度可以选用簧片厚的弹簧，从而减少弹簧片数，并且簧片厚的弹簧对提高主片卷耳强度有利。 3)悬架静挠度

汽车簧载质量与其质量组成的振动系统固有频率是评价汽车行驶平顺性的重要参数。悬架设计时根据汽车平顺性要求，应给出汽车空、满载时前、后悬架频率范围。如果知道频率，就可以求出悬架静挠度值 c。选取悬架静挠度值时，希望后悬架静挠度值 c2小于前悬架静挠度值 c1，并且两值最好接近，一般推荐：

c2 (0.7~0.9) c1 （3.1） 为防止汽车在不平路面行驶时经常撞击缓冲块，悬架设计时必须给出足够的动挠度值 d。悬架动挠度值与汽车使用情况和静挠度值 c 有关，一般推荐：

d c （3.2）

城市公用车辆 2~2.5 ，公路用车辆 2.5~3.5，越野车辆 ＞3.5。 4)弹簧满载弧高

由于车身高度、悬架动行程及钢板弹簧导向特性等都与汽车满载弧高有关，因此弹簧满载弧高值 0应根据整车和悬架性能要求给出适当值，一般取 0 10~30mm。有的车辆为得到良好的操纵稳定性，满载弧高取负值。

3.2钢板弹簧刚度和应力

关于钢板弹簧刚度和应力计算，基于不同的假设计算方法而异。在弹簧计算中有两种典型的而又截然相反的假设，即共同曲率法和集中载荷法。实际钢板弹簧往往不完全符合这两种假设中的任一种，因此有些学者提出折衷方法，同时兼用上述的两种假设，这种计算分析方法有一定的实用性。这里仅对多年来一直采用的上述两种假设计算方法进行讨论。 3.1.1 共同曲率法

共同曲率法是假设钢板弹簧在任何负荷下，弹簧各片彼此沿整个长度无间隙接触，在同一截面上各簧片具有共同的曲率半径。如果将多片弹簧各片展开，将展成一个平面，组成一个新的单片弹簧（图3.1、图3.2）。这个变宽度的单片弹簧力学特性和用共同曲率法假定的多片钢板弹簧是一样的，这样就可以用单片弹簧计算方法来计算多片钢板弹簧。

单片弹簧计算按其几何形状不同可以有两种计算方法。一种是梯形单片弹簧（图3.1），另一种是按多片弹簧各片长度展开成的阶梯形单片弹簧（图3.5）。 3.2.1.1梯形单片弹簧

计算梯形单片弹簧变形和应力，可以利用材料力学求小挠度梁方法计算。

1) 梯形单片弹簧变形

图3.1

图 3.1 所示的梯形单片弹簧可以看成是一个由几个相同的片宽 b和厚度 h的簧片组成，如果弹簧伸直长度为2l ，弹簧中部作用的负荷为 2p，计算弹簧变形时，可以近似的认为用整个长度 2l计算出的值与长度是l端部作用负荷是 p的板簧变形是相同的，这样，整个的梯形单片弹簧的计算可以用一端固定，另一端受力的梯形悬臂梁来代替。

下面用单位载荷法（莫尔定理）计算板簧在负荷作用点的变形 ：

l0

MPM1

dx （3.3） EIx

式中： Mp：距端点x处的力矩，MP P x M1：单位力距端点x处的力矩，M1 x Ix：梯形单片弹簧距端点x处的惯性矩

bxh3xIx I0[(1 ) ] （3.4）

12l

bx：梯形单片弹簧距端点x处的宽度 I0：梯形单片弹簧在根部的惯性矩

nbh3

I0

12

：钢板弹簧形状系数 1

n' n

b：梯形单片弹簧各片宽度

h：梯形单片弹簧各片厚度

l：梯形单片弹簧主片伸直长度之半，l L/2 n：总片数 n'：等长的主片数

E：材料拉伸弹性模数，取E 2.1 104kgf/mm2

（3.3）式积分后，经整理：

Pl3

k1 （3.5）

3EI0 k1

式中：

k1：挠度增大系数。

梯形单片簧的变形可以看成厚度是h，宽度是nb的矩形板簧变形乘以挠度增大系数k1。

需要说明一点的是，上面计算公式只适用于等厚多片弹簧，对于各片厚度或惯性矩不等的多片弹簧，应按等效惯性矩方法来确定各片的展开宽度，再按上式计算。

图3.2是钢板弹簧形状系数 与挠度增大系数k1 关系曲线。

如果钢板弹簧形状系数 1时，由（3.6）式，挠度增大系数k1 1.5，此时弹簧变形由（3.5）式得：

3311

[ ( 1)2ln(1 )] （3.6） 2

Pl3

2EI0

mm （3.7）

该式为三角形等截面梁在力P作用下的变形表达式（图3.3）。

图3.3 三角形钢板弹簧

当 0时，挠度增大系数k1值为：

首先把（3.6）式中ln(1 )一项展开成 的幂级数，求 0时的极限。 lim3 0 [32 1 (1 1)( 22 32

3)] 1

当 0时，k1 1，由（3.5）式，弹簧变形

Pl3

3EImm 0

该式是矩形板簧在力P作用下的变形表达式（图3.4）。

图3.4 矩形钢板弹簧

梯形单片板簧的形状系数0＜ ＜1。

为计算方便，有的文献推荐用下式计算挠度增大系数。 k2

1.4423

(1 n' 2n

)

表3.1是用（3.6）式和（3.9）式计算出的板簧挠度增大系数k1，k2。

3.8）3.9）

（

（

表3.1

2)梯形单片弹簧刚度 弹簧刚度K： K

2P

48EI048EI0

或 kgf/mm (3.10) K L3k2L3k1

由于弹簧变形 和负荷P之间是线性关系（图5.1直线1），故弹簧刚度是一常数。 3)钢板弹簧应力

梯形单片弹簧在根部（或中心螺栓处）应力 ：

QL

kgf/mm2 (3.11) 4W0

_

弹簧比应力（单位变形应力） ：

_12EI0 12EI02

或 kgf/mm/mm (3.12) 22

k1LW0k2LW0_

式中： W0： 梯形单片弹簧在根部的断面系数

bh2

n W0 6

mm3

按（3.11），（3.12）式，计算出应力和比应力是平均应力和平均比应力，它不能反映各片的确实受力情况。

对于片厚不等的弹簧，用下面方法计算各片弹簧应力。

根据共同曲率假设，任意负荷时同一截面上各片曲率半径相等条件，弹簧各片所承受的弯矩应正比于其惯性矩。由力矩平衡可求出作用在各片弹簧上的力矩。 MK

QLIK

4I0

kgf mm （3.13）

式中 MK—作用在第K簧片上的力矩，kgf mm IK—第K片弹簧惯性矩，mm4 I0—弹簧各片惯性矩之和，mm4

3

bh

I0 IK Kn

K 1K 112 hK—第K片弹簧片厚，mm

第K片弹簧在根部的应力 K和比应力 K为： K

_

nn

_

MKQLIK

WK4I0WK

kgf/mm2 （3.14）

K

K

kgf/mm2/mm （3.15）

式中 WK—第K片弹簧断面系数，mm3 3.2.1.2阶梯形单片弹簧

1) 阶梯形单片弹簧变形

图3.5

阶梯形单片弹簧变形计算和梯形单片弹簧一样，不同之处是这种弹簧的断面惯性矩沿长度变化不能用一个连续函数表示，因此为了求得梁的变形，只能采用分段积分求出。

用单位载荷法求负荷P作用点处弹簧变形 （图3.6）。

P

图3.6

l1

Px2

EIdx X

(l1 l2)

Px2Y1(l l2

13)PxY0

E 2

l1Px2Yn(ldx 1 l2)E （ldx1 ln）E

上式经整理后得：

Pn3E a3

K （1YK YK 1）mm

K 1

式中：

aK 1 l1 lK 1

l1：阶梯形单片弹簧主片长度之半，l1 L/2； lK 1：阶梯形单片弹簧第K 1片长度之半； Ix：阶梯形单片弹簧距端点x处的惯性矩； YK：第1片至第K片弹簧惯性矩之和的倒数 Y1

K

K

1/mm4

I

i

i 1

Ii：阶梯形单片弹簧第i片惯性矩

Ibh3i4i

12

mm

hi：阶梯形单片弹簧第i片厚度，mm b：阶梯形单片弹簧各片宽度，mm

YK 1：第1片至第K 1片弹簧惯性矩之和的倒数

3.16）

（

YK 1

1

I

i 1

K 1

1/mm4

i

用上式计算时，由于ln 1 0（总片数n），故an 1 l1，而Yn 1 0。 2)阶梯形单片弹簧刚度 弹簧刚度K： K

2P

YK YK 1） aK （1

n

3

K 1

6E

kgf/mm （3.17）

式中：

—弹簧刚度修正系数，取 0.9~0.95。

利用（3.17）式计算出的弹簧刚度值，要比实际测得的刚度要大，这主要是由于计算中认为弹簧片端部承受了弯矩，这一假设与实际情况不符。由于实际弹簧的侧边轧制成圆角，弹簧断面惯性矩比理论值小，因此用（3.17）式计算弹簧刚度时，引用了一个刚度修正系数 。一般弹簧片数多时取 值下限，片数少时取上限。 3)阶梯形单片弹簧应力

阶梯形单片弹簧应力与比应力计算可按（3.11），（3.12）或（3.14），（3.15）式计算。

3.2.2集中载荷法

与共同曲率法假设相反，集中载荷法是假设各弹簧片在片端接触，因此弹簧片间力的传递仅在弹簧片端进行，这对于弹簧片之间有镶块或衬片的钢板弹簧是比较合适的。图（3.7）是按这一假设建立的钢板弹簧示意图，弹簧片一端固定，另一片通过滚柱与上一片弹簧接触。

现在讨论第K片弹簧端点S的变形。由于第lK 1片在S点变形等于第lK片弹簧在端点处变形，如果弹簧各片端部压延（表3.2），那么可以得到下面等式：

233332

XK 1lK 1lKlKXKlKXK[lK (lK lK 1)3]XK 1lKXK 1lK 1 1(lK

lK 1)( ) EIK 1263EIK 13EIK3EIK2EIK

计算第K片弹簧端点S的变形时，仅是第K片弹簧的压延或倒角与变形有关。表3.2中的弹簧片端部形状系数 的计算，是假设端部压延长度或端部切角长度等于相邻两弹簧长度差，显然当簧片端部为矩形时， 0。

表3.2 单片弹簧变形基本公式

重庆机电职业技术学院学生毕业论文

端 部 是 矩 形 簧 片 端 部 是 三 角 形 簧 片 端 部 倒 角 簧 片

3 2 Pl2 Pl2 (l1 l 2 ) A 3EI 2 EI

I

bh3 12

2 3 P l1l 2 l 2 A ( ) EI 2 6

I

bh3 12

P[l13 (l1 l 2 ) 3 ] A 3EI

3 3 1 1 [ ( 1) 2 ln(1 )] 1 2 b1 b

1 bh3 I 12

端 部 压 延 簧 片

A

P[l13 (l 1 l 2 ) 3 ] 3EI

1 1 1 [ 2 ln(1 )] 1 2 h1 h

3

1

12

上式经整理后得：

IKlK 1IK (lK lK 1)3lK 13lK0.5(3 1)XK 1 [1 ]X 0.5()(3 1)XK 1 0K3

IK 1lKIK 1lllKKK 1 （3.18）

K 2,3,4 n，而X1 P

对最后一片弹簧，令K n，而ln 1 0，此时（3.18）式写成：

0.5

InlI

(3n 1 1)Xn 1 (1 n)Xn 0 （3.19）

In 1lnIn 1

AK 0.5

（3.20）

IKl

(3K 1 1)IK 1lK

IK (lK lK 1)3

]令 BK [1 3

IK 1lKll

CK 0.5(K 1)3(3K 1)

lKlK 1

当弹簧各片片端为矩形时BK：

BK (1

IK

) （3.21） IK 1

由（3.18），（3.19），（3.20），（3.21）式，得出计算各片端部负荷的方程组：

A2P B2X2 C2X3 0 A3X2 B3X3 C3X4 0

A4X3 B4X4 C4X5 0 （3.22）

AnXn 1 BnXn 0

方程组（3.22）是 (n 1)次线性方程组，计算各片端部负荷时，从最后一个方程式开始，把 Xn值用 Xn 1表示，并代入前面一个方程组，依次代入第一个方程式中，得到只有 X2和P的关系式，由此求出作用在各片端部负荷X2、X3 …Xn值。

2)弹簧刚度

由于弹簧总成在卷耳孔处变形δ等于主片在该点处变形δ1，因此如果能知道主

K

2P

1

12EPI2Pl32l3

kgf/mm 1 3X2l1l2 X22

主片是等长二片弹簧：

K

2P

1

6EPI(P xmm

2)l3

kgf/1式中 I1—主片断面惯性矩， mm4。 3） 弹簧应力

当知道各片弹簧受力情况下，就能很容易求出各片应力。 弹簧各片根部应力计算公式为：

3.24） （

Pl1 X2l2

W1

Xl X3l3

2 22

W2 Xl n nn

Wn

1

2

kgf/mm (3.25)

'

相邻两弹簧片接触点处应力 K为：

P(l1 l2)

W1

X(l l)'

2 223

W2

Xn 1(ln 1 ln)'

n 1

Wn 1

1'

2

kgf/mm (3.26)

无论采用共同曲率法还是集中载荷法，由于采用的假设与实际的多片弹簧不一样，因此计算结果都有一定误差。一般说，用共同曲率法计算出的弹簧刚度值要比用集中载荷法大，而弹簧应力除了末片之外，用共同曲率法计算的应力值与实测值比较接近。 3.2.3 U形螺栓夹紧时弹簧刚度和应力确定

钢板弹簧用U形螺栓夹紧后，部分弹簧长度将不起弹性作用，称之无效长度。这部分长度除了与 U形螺栓夹紧距有关外，还与下列因素有关。

a．弹簧底座和盖板的长度和刚度； b．弹簧与底座或盖板之间是否有软垫； c．U形螺栓夹紧力矩和U形螺栓强度。

弹簧无效长度LS一般取 LS S，弹簧有效长度Le为：

Le L LS L S （mm） （3.27）

式中 —无效长度系数，一般取 0.4~0.6；

S—U形螺栓夹紧距，mm。

按式（3.10）、（3.17）、（3.24）计算弹簧刚度时，用伸直长度L值计算出的刚度是自由刚度，用有效长度Le值计算出的刚度是夹紧刚度。自由刚度用于检测弹簧特性是否能满足设计要求，而夹紧刚度是用于计算悬架频率和新弹簧设计时选择弹簧尺寸参数。

计算弹簧夹紧刚度时，也可以采用下面简化公式计算。 (K) (

L3

)K Le

kgf/mm （3.28）

式中 K—弹簧自由刚度，kgf/mm； (K)—弹簧夹紧刚度，kgf/mm。

计算弹簧在夹紧状态时应力和比应力时，式（3.11）、（3.12）、（3.14）、（3.15）中的L值应用有效长度 Le值。 3.2.4 弹簧许用应力

对于 55SiMnA或 60Si2MnA等材料，表面经应力喷丸处理后，推荐弹簧应力值在下列范围内：

1） 弹簧满载静应力 m

前弹簧 m 3500~4500kgf/cm2 后主弹簧 m 4500~5500kgf/cm2 后副弹簧 m 2000~2500kgf/cm2 平衡悬架弹簧 m 3500~4500kgf/cm2 2） 弹簧比应力

载货汽车前、后弹簧 450~550kgf/cm2/cm 载货汽车后悬架副弹簧 750~850kgf/cm2/cm 越野车平衡悬架弹簧 650~800kgf/cm2/cm 3） 弹簧极限应力 max

钢板弹簧在极限动行程时的应力值称之极限应力，极限应力许用值为： 一般弹簧 max 9000~10000kgf/cm2 平衡悬架弹簧 max 13500kgf/cm2

弹簧许用应力与汽车使用条件、悬架结构及弹簧制造工艺有关，因此选取弹簧许

_

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