麥弗遜式懸架的設計與校核

0麥弗遜前懸架與扭矩梁后懸架的設計和校核懸掛是現代車輛的重要組成部分之一，它連接到車架（或車身）和車輛軸（或車架）之間的彈性。懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統(車架或承載式車身)之間具有彈性聯系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調節汽車行駛中的車身位置等有關裝置的總稱。麥弗遜前懸架與扭力梁后懸架設計計算和校核計算,主要對懸架的彈簧(包含空氣彈簧)和減震器以及橫向穩定桿等進行設計計算和校核。應用CATIA軟件對機構進行建模,用分析模塊對懸架部分零件進行有限元分析。1前懸掛結構前懸架選擇麥弗遜式獨立懸架。麥弗遜懸掛通常由兩個基本部分組成:支柱式減震器和A字型托臂。1.1彈簧自振頻率及ke螺旋壓縮彈簧選用油淬回火硅錳彈簧鋼,初取D=120mm。圓柱螺旋彈簧直徑d,計算得到14mm,穩定性,滿足要求。在彈簧兩端固定的情況下,彈簧的一階自振頻率為:其中:d為彈簧直徑;D為彈簧中徑;n為彈簧有效圈數。彈簧自振頻率與懸架及人體敏感區差別較大,符合要求。校核臺架試驗的壽命:其中:nc為在臺架試驗中,給點條件下的循環次數4.9×1013;Ke為壽命系數。可見彈簧的臺架循環次數滿足預期。1.2器連連塔器連通器連連機缸徑比l螺旋彈簧懸架相對阻尼系數減震器阻尼系數最大卸荷力減震器連桿工作缸徑比L,選取λ=0.3,,根據國標JB1459-1985對照,直徑選取40mm。貯油筒直徑的確定:選取Dc=1.4D=56mm,壁厚取2mm。1.3橫向穩定桿設計剛度計算給出橫向穩定桿簡化模型如圖1所示。圖中a、b、c、L1、L2為橫向穩定桿尺寸參數。考慮到汽車行駛舒適性和駕駛員的路感要求,給出橫向穩定桿設計剛度:橫向穩定桿設計參數:L=1114mm;b=45mm;a=120mm;l2=180mm;l1=240mm;d取25mm。由于橫向穩定桿主要承受扭矩作用,一般校核扭轉剪切應力;假設汽車受0.4g側向加速度時大部分的抗側傾力矩由橫向穩定桿提供:d為橫向穩定桿直徑,橫向穩定桿采用與彈簧相同的材料制造,許用應力取800MPa。1.4抗側力的計算當汽車側傾角達到3°時,懸架橫向穩定桿和懸架可以產生的抗側傾力為:F=F1+F2;F1=2617N;F1為懸架的抗側傾力。當懸架受到側向加速度0.4g時,對應的側向力矩為2.6MPa,小于懸架能提供的側傾角剛度4.6MPa,懸架的整體設計側傾角剛度是符合要求的。2扭轉梁式選取縱臂扭轉梁式半獨立懸架,由焊在扭轉梁上的兩根縱向臂組成,當一側車輪向上跳動,另一側向下跳動,該扭轉梁兼起橫向穩定桿的作用。扭轉梁式懸架的缺點是:在側向力的作用下易發生有利于過多轉向的懸架變形,需要采取專門的措施予以糾正;橫梁及其與縱臂的連接結構對懸架性能影響大,其設計比較復雜,一般需要利用有限元分析方法進行性能強度剛度分析,從而使懸架的性能符合受到強度的限制。2.1空氣彈簧的使用空氣彈簧是在柔性密閉空間容器中充入壓縮空氣,利用空氣的可壓縮性實現彈性作用的一種非金屬彈簧。用于車輛懸架裝置中可以明顯提高運行舒適性。選用囊式空氣懸架。空氣彈簧在551kPa的最大允許直徑ODmax=d-51=249mm。(1)空氣彈簧的初選初步選定1R8009空氣彈簧。由彈簧的動態特性表,求彈簧在滿載下的固有頻率:根據差值結果:得fs=1.35Hz;滿足設計要求:1.1~1.6Hz。(2)彈簧滿載固有頻率的計算彈簧在滿載下的剛度:2.2卸荷及最大卸荷力(1)減震器阻尼系數(2)減震器最大卸荷力的確定為減少傳到車身的沖擊力,當減震器活塞振動速度達到一定值時,減震器的卸荷閥便被打開,減震器不再提供阻尼力,以限制減震器所提供的最大阻尼力,此時活塞速度成為卸荷速度,即:,A為車身振幅,取±40mm;vx為卸荷速度,取0.15到0.3m/s;因此只能取0.3m/s;ω為懸架系統的固有頻率。已知阻尼系數ξ=9123,則最大卸荷力為:F0=ξ·vx=2737N。(3)減震器工作缸徑的確定:貯油筒直徑的確定:一般的Dc取1.35到1.5D,本設計選取Dc=1.4D=91mm,壁厚取2mm。2.3側傾角剛度的計算在設計中,為了增強汽車的不足轉向,提高車輛的操控穩定性,一般要求前懸架的側傾角剛度大于后懸架,同時也應滿足在0.4g加速度下側傾不超過7°的最低條件。對于扭轉梁式后懸架,其側傾角剛度計算公式為:式中:C1為空氣彈簧滿載時側傾角剛度;C2為扭轉橫梁的側傾角剛度。式中:CS為空氣彈簧滿載時剛度,取32577。q是彈簧中心離懸架側傾中心的垂直投影距離410mm。k為將橫梁位置的側傾角剛度換算到車輪中心位置側傾角剛度的換算系數,本設計簡化計算,取值為1。G為材料剪切彈性模量,選取和螺旋彈簧一樣的材料60Si2MnA,其值為79000;J為扭轉常數,其值取決于截面的形狀;L為扭轉橫梁長度,給出設計尺寸1122mm。扭轉橫梁截面高度取60mm;截面展直后的長度l=21mm。3米塞斯的材料對橫向穩定桿的受力分析,選取工況為橫向穩定桿的設計載荷,當汽車側傾角達到4°時,懸架橫向穩定桿產生的抗側傾力為1480N,穩定桿的材料與彈簧相同。材料定義:鋼;彈性模量E=200GPa;泊松比0.3;穩定桿兩端受Z向力,固定點只保留一個繞桿旋轉的自由度。米塞斯應力圖如圖4所示。由米塞斯應力圖可以看到,穩定桿的危險斷面主要集中在被固定的兩端,受力部位的應力反而較小。4橫向穩定桿有限元分析以某乘用車懸架為對象,進行懸架系統的前懸架、壓縮彈簧、前減震器、橫向穩定桿、后懸架、空氣彈簧、后減震器、扭轉橫梁設計,并且建立了麥弗遜前懸架三維模型、扭力梁后懸架總成,同時進行了橫向穩定桿的有限元分析。通過