安徽工程大学毕业设计（论文）
随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是1954年美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出的。它在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车的悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。装备主动悬架的汽车，在不良路面高速行驶时，车身平稳，轮胎噪音小，转向和制动时车身保持水平。
由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在半主动和主动悬架的研究方面起步晚，与国外的差距大。在西方发达国家，半主动悬架在20世纪80年代后期趋于成熟，并且在轿车上应用，取得了较好的效果。主动悬架虽然提出早，但由于控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。进入20世纪90年代，仍仅应用于排气量大的豪华汽车。未见国内汽车产品采用此技术的报道，只有北京理工大学和同济大学等少数几个研究机构对主动悬架展开研究。（图1-1）
1.1.2 悬架的发展趋势
由于汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全、智能和清洁的绿色智能悬架将是今后汽车悬架发展的趋势。
(1)被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠、成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。被动悬架性能的研究主要集中在三个方面：通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有较大的提高。
(2)半主动悬架的研究集中在两个方面：执行策略的研究；执行器的研究。通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，具有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。
(3)主动悬架研究也集中在两个方面：可靠性；执行器。由于元器件较多，降低了悬架的可靠性，所以，加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。
总体来说，主动悬架的减振效果好，性能优越，解决了“平顺性和操纵稳定性 ”的矛盾。但元件成本较高，工作时需要较多的能量，整车质量也有所增加；半主动悬架的减振性能接近主动悬架，操纵稳定性优于被动悬架。被动悬架的性能相对最差，但它的成本最低，也不需消耗能量。被动悬架在一定的时间内仍将是应用最广泛的悬架系统，通过进一步优化悬架结构和参数可以继续提升悬架性能。先进的计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障。同时，悬架的发展也给这些相关学科提出更高的理论要求，二者相辅相成，相互促进，从而实现真正的可持续发展【1】。
1.2 悬架的功用和组成
悬架是现代汽车上重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶
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刘冬冬：某型轻型卡车悬架系统设计
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，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力，从而提高了汽车的乘坐舒适性，并且延长了汽车部件的使用寿命。
现代汽车悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都由弹性元件﹑减振器和导向机构等三部分组成。此外，还辅设有缓冲块和横向稳定器。
犹豫汽车行驶的路面不可能绝对平坦，因此，路面作用于车轮上的垂直反力往往是冲击性的，特别是在坏路面上高速行驶时，这种冲击力将达到很大的数值。冲击力传到车架（或车身）上时，可能引起汽车机件的早期损坏，还将使驾驶员感到极不舒适，或使货物受到损伤。为了缓和冲击，在汽车行驶系统中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间保持弹性联系。但弹性系统在受到冲击后将产生振动，持续的振动易使乘员感到不舒适或疲劳，故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减（振幅迅速减小）。为此，在许多结构形式的汽车悬架中都设有专门的减震器。
车轮相对于车架和车身跳动时,车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车的某些行驶性能（特别是操纵稳定性）有不利的影响。因此，悬架中某些传力构件同时还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因而这些传力构件还起导向作用，故称导向机构。
在多数轿车和客车上，为了防止车身在转向行驶等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件——横向稳定器。
为限制弹簧的最大变形并防止弹簧直接撞击车架，在货车上辅设有缓冲块。在一些轿车上也设有缓冲块，以限制悬架的最大变形。
应当指出，悬架只要具备上述功能，在结构上并非一定要设置上述这些单独的装置不可。例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，它本身还能起到传递各向力和力矩以及决定车轮运动轨迹的作用，因而没有必要再另行设置导向机构。此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，其本身具有一定的减振能力，因而在对减振要求不高的车辆上，也可以不装减震器。
由实践得知，悬架对汽车的行驶平顺性、稳定性、通过性、燃油经济性等多种使用性能都有影响，因此在选择悬架参数及布置导向机构时，应注意满足这些性能的要求。在悬架设计中应满足这些性能的要求，其要点如下：
1）保证汽车有良好的行驶平顺性。为此，汽车应有较低的振动频率。
2）具有合适的衰减振动的能力。它应与悬架的弹性特性很好的匹配，保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。
3）保证汽车有良好的操纵稳定性。导向机构在车轮跳动时，应不使主销定位参数变化过大，车轮运动与导向机构运动应协调，不出现摆振现象。转向时整车应有一些不足转向特性。
4）制动或加速时，要保证车身稳定，减小车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。 5）有良好的隔音能力。
6）结构紧凑、占用空间尺寸要小。
7）可靠地传递车身与车轮间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。
1.3 悬架的分类
现代汽车悬架的发展十分快，其分类方法有很多种。主要根据汽车导向机构的不同
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悬架可分为独立悬架和非独立悬架。
非独立悬架的结构特点是特点是两侧车轮安装于一个整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮，当车轮上下跳动时定位参数变化小。以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，其主要优点是：结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠。缺点是：由于整车布置上的限制，钢板弹簧不可能有足够的长度（特别是前悬架），使之刚度较大，所以汽车平顺性较差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴（桥）和车身倾斜（图1-2）；当两侧车轮不同步跳动时，车轮会左、右摇摆，使前轮容易产生摆振；前轮跳动时，悬架易于转向传动机构产生运动干涉；当汽车直线行驶在凸凹不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动或只有一侧车轮跳动时，不仅车轮外倾角有变化，还会产生不利的轴转向特性；汽车转弯行驶时，离心力也会产生不利的轴转向特性；车轴（桥）上方要求有与弹簧行程相适应的空间。因此这种悬架广泛应用于总质量较大的货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架常见的形式有：纵置板簧式非独立悬架；螺旋弹簧非独立悬架；空气弹簧非独立悬架；汽油弹簧非独立悬架等。
独立悬架的结构特点是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。其主要优点是：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；由于采用段开式车轴，所以能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着力（图1-3）；其缺点是:结构复杂，成本较高，维修困难。这种悬架主要用于乘用车和部分质量不大的商用车上。
独立悬架中多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧作为弹性元件，钢板弹簧和其他形式的弹簧用得较少。独立悬架的结构类型很多，主要可按车轮运动形式分为以下四类：车轮在汽车横向平面内摆动的悬架（横臂式独立悬架）；车轮在汽车纵向平面内摆动的悬架（纵臂式独立悬架）；车轮沿主销移动的悬架，其中包括：烛式悬架和麦弗逊式悬架；车轮在汽车的斜向平面内摆动摆动的悬架（单臂式独立悬架）。
图1-2 非独立悬架 图1-3 独立悬架
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第2章 悬架的结构设计及作动器的设计
2.1 悬架的机构类型设计
在本设计某轻型卡车悬架的设计中，我选用的车型为江淮好运轻卡60马力4×2载货车（HFC1030K5T）车型，相关数据如下：
整车整备质量：1950kg 额定载重：1140kg 最大总质量：3220kg 后桥载荷：1930kg
轴距：2600mm 前轮距：1300mm 后轮距：1240mm
在此采用采用主动悬架的形式；由于质量不是很大，在轻型卡车的前悬架中可以采用双横臂独立悬架，后悬架采用钢板弹簧非独立悬架。
2.2 悬架弹性元件及阻尼元件的设计计算
双横臂式独立悬架分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大，造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性，保证汽车具有良好的行驶稳定性。
不等双横臂的臂有做成A字形或V字形，V形臂的上下2个V形摆臂以一定的距离，分别安装在车轮上，另一端安装在车架上。不等臂双横臂上臂比下臂短，当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性。
图2-1 双横臂悬架 图2-2 钢板弹簧悬架
钢板弹簧在汽车上可以纵置或横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂，质量加大，所以只有极少数汽车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故在汽车上得到广泛的应用。纵置钢板弹簧有对称和不对称之分。一般选用对称式钢板弹簧，本车采用纵置对称式钢板弹簧。目前国内货车所用的钢板弹簧材料多数用60Si2Mn钢或55SiMnVB钢这些材料有较高的弹性极限、屈强比及疲劳强度，而且价格便宜。60Si2Mn弹簧钢适用于厚度在12mm 以下的钢板弹簧，对于较厚的钢板弹簧可采用淬透性较好的55SiMnVB弹簧钢。
本车型选用的板簧单片厚度小于12mm，材料为60Si2Mn。为了提高钢板弹簧疲劳寿命， 采用表面喷丸处理工艺和减少表面脱碳层深度的措施【2】.
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2.2.1 悬架基本参数的确定
一、 悬架的固有频率
悬架固有频率的选取主要依据ISO2631《人体承受全身振动的评价指南》，目前固有频率的取值与人体步行时身体上下运动的频率相近。货车在满载时，前悬架固有频率要求n1在1.5～2.1Hz，而后悬架则要求n2在1.7～2.17Hz，我们初取n1=1.8Hz， n2=2.0Hz。
二、悬架的静挠度fc
悬架静挠度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。
汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量分配系数?近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动是不存在联系。因此，汽车前、后部分车身的固有频率n1、n2（亦称偏频）可用下式表示
n1?c1m1?2??；n2?c2m2?2?? (2-1)
式中，c1、c2为前、后悬架的刚度(N/cm)；m1、m2为前、后悬架的簧上质量(kg)。由于此款轻型卡车的最大总质量为3220kg，后桥载荷为1930kg，所以我们可以算出前桥的载荷为(3220kg-1930kg=)1290kg；在前悬架我们采用的是双横臂悬架；后悬架采用的是钢板弹簧悬架，所以我们估计前悬架的簧下质量为90kg；后悬架的簧下质量为130kg，则前悬架的簧上质量为m1=(1290kg-90kg)/2=600kg；后悬架的簧上质量为
m2=(1930kg-130kg)/2=900kg。
当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静挠度可用下式表示
fc1?m1gc1 ；fc2?m2gc2 (2-2)
式中，g为重力加速度，g=981cm/s2。
将fc1、fc2代入式(2-1)中得到
n1?5fc1；n2?5fc2 (2-3)
把n1＝1.8Hz、n2=2.0Hz代入式（2-2）中得fc1=7.72cm、fc2=6.25cm。符合货车静挠度的变化范围fc?5~11cm。
降低悬架系统的振动频率和增大悬架的静挠度可以提高汽车行驶的平顺性，但需要说明的是，增大悬架的静挠度会带来一些新的矛盾，主要有以下几点：
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