微型轿车悬架系统设计（计算部分）(2)

在设计时首先对悬架总体参数进行计算，如悬架的刚度、悬架的挠度等，这样，在下文对零部件的计算时，就可以以悬架的总体参数为依据，根据悬架的结构参数求出相关零部件的受力、刚度等参数。 1.悬架的刚度

根据设计要求给定的设计状态下的轴荷及簧下质量，可求得前悬架单侧的簧上质量ms,

ms

?m1?m1'2?710?732?318.5(kg) （2.1）

于是，前悬架的刚度C为

C??2?n1??ms2??2?3.1415956?1.31??318.5?21578.027?N/m??21.6?N/mm2?

2.悬架的静挠度

悬架的静挠度fc1和悬架刚度之间有如下关系：

fc1?5?????n? ?1?2代入数值得：fc1?14.598?cm?，取fc1?146mm

3.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。要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对轿车，fd取70~90mm；对大客车，fd取50~80mm；对货车，fd取60~90mm。

为了防止汽车在坏路面上行使驶时悬架经常碰撞到缓冲块，悬架必须有足够大的动挠度。 从结构和使用要求上来考虑选此悬架的动挠度fd=80mm。

2.2 螺旋弹簧的设计计算 2.2.1螺旋弹簧材料的选择

螺旋弹簧作为弹性元件的一种，具有结构紧凑、制造方便及高的比能容量等特点，在轻型以下汽车的悬架中运用普遍[6]。根据夏利汽车工作时螺旋弹簧的受力特点和寿命要求（可参考下文的计算分析），选择60Si2MnA为簧丝的材料，以提高弹簧在交变载荷下的疲劳寿命。 2.2.2弹簧的受力及变形

根据悬架系统的装配图(1号图纸)，对其进行结构分析、计算可以得出平衡位置处弹簧所受压缩力P与车轮载荷N的关系式：

P?Ay?Nvcos?cos(???0??)''?318.5?cos20?9.81cos(20?12?30)'0'?3.19?10(N) （2.3）

3式中，?为车轮外倾角，?0为减振器内倾角，?为主销轴线与减振器的夹角式中角度如图2.3所示。 1.弹簧所受的最大力

取动荷系数k=1.7，则弹簧所受的最大力Pdmax为：

Pdmax?k?p?1.7?3.19?10?5.42?10(N) （2.4）

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图2.3 弹簧安装角度示意图

2.车轮到弹簧的力及位移传递比车轮与路面接触点和零件连接点间的传递比既表明行程不同也表明作用在该二处的力的大小不同。弹簧的刚度Ks与悬架的线刚度K可由传递比建立

联系[6]： 利用位移传递比i便可计算出螺旋弹簧的刚度K Ks= （2.5） xxsN'fii

Ks?Fw/fF?Nv,hiyix/f （2.5）

'其中分数N代表悬架的线刚度。从而，得到如下关系式：

Ks= K ixi fhv/,'xy

当球头支承B由减振器向车轮移动t值时，根据文献[7]，悬架的行程传递比及力的传递比为

（其中的参数说明详见图2.4）：

ix?1/cos?(0??) （2.6）

ix?cos(?0??)?R0?dtg?0?tcos(?0??)?(c?o)sin(?0??)(c?o)ctg(???0??)?t （2.7）

图2.4 悬架受力和位移比分析

代入数值可得到i＝1.002 i＝1.146。所以，位移传递比ii为1.148 xxyy

3.弹簧在最大压缩力作用下的变形量由夏利轿车前悬给定的偏频f＝1.31Hz，可得到了汽车悬架的线刚度：

Kx?4??f?M222?3.14?1.31?0.7?8.92(n/mm) （2.8）

222于是可得出弹簧的刚度Ks：

Ks?Kxixiy?21(N/mm) （2.9）

进而可得到弹簧在最大压缩力Pdmax作用下的变形量F：

F?Pdmax/Ks?5420/21?258(mm) （2.10）

所以，弹簧所受最大弹簧力和相应的最大变形为：

Pdmax?5420F?258mm

2.2.3弹簧几何参数的计算

根据已求得的弹簧所受的最大力和相应的变形进行弹簧的设计。

1. 弹簧的材料许用应力根据其工作条件已经选择簧丝材料60Si2MnA。材料的性能参数如

表2.2所示

表2.2 60Si2MnA 性能参数

许用切应力 许用剪应力??? ??? 48Kg/mm 100Kg/mm 8000Kg/mm 20000MP 45?50HRC 222 剪切模量G 弹性模量E 强度范围

2. 选择弹簧旋绕比： 旋绕比（弹簧指数）影响着弹簧的加工工艺，当旋绕比过小时将给

弹簧的制造带来困难。一般的选择范围是C=4~8,这里初选旋绕比C=8。 3. 计算钢丝直径d

曲率系数K?4C?14C?4?0.615C?1.18 （2.11）

d?1.519KPC????10.4mm选d?10.5mm

4. 弹簧中径D2选择

D2?C?d?8?10.5?84mm选D2?90mm5. 弹簧圈数n选择

n?GdKs8D324?78.5?10?(10.5?108?0.09?21?1039?3)43?4.9 （2.12）

选n=6圈

两端均选0.75圈支承圈，则弹簧总圈数为：

n1=n+n2=6+1.5=7.5圈

6 .弹簧的工作极限变形

Fj?1.12F?1.12?0.258?0.289m （2.13）

工作极限载荷：

Pj?PFjF?6.07?10N3 （2.14）

7、弹簧的几何尺寸

节距t自由高度H0

t?d?F/N???10.5?2588?0.14?10.5?44.2mm

H0?nt?1.5d?8?44.2?1.5?10.5?369.3mm选螺旋角?：外径D：

进而需将原有弹簧座的尺寸作相应的改变（实际尺寸根据弹簧的外径尺寸而定）。

内径D1： D1=D2-d=90-10.5=89.5mm

2.2.4计算结果的处理

上述对螺旋弹簧的计算的结果如下表2.3所示

H0?370mm??arctgtnD2?arctg44.2??90?8.89o

D?D2?d?90?10.5?100.5mm表2.3 螺旋弹簧的参数

自由高度H0 弹簧圈数n 螺旋角? 内径D1 外径D 节距t

在AUTOCAD软件环境下绘制螺旋弹簧的工程图（如图2.5）所示。为了改善弹簧在安装后的受力状况，螺旋弹簧的两端需作端平处理，在装配时此处的配合精度选为七级精度，又因为弹簧的外径为100.5mm，根据文献[18]，粗糙度值选为3.2。

370mm 7.5圈 8.89度 89.5mm 100.5mm 44.2mm

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