摘 要

汽车悬架系统隶属于汽车底盘，作为行驶系统的重要组成部分，它弹性地连接了车轴与车架的一系列装置的总成，其功用是传递作用于车轮和车身之间的力与力矩。悬架系统一般是由减震器、弹性元件和导向机构等部件构成。汽车的操纵稳定性和行驶平顺性与悬架系统的构造有着密不可分的关系。如此看来，在进行整车设计的时候，悬架系统的设计也是非常关键的一个步骤，直接影响到最终整车的性能。

本文主要研究重型车的选择和对该车型进行悬架系统设计以及相关的有限元分析。在了解了汽车悬架系统设计的一些基础知识之后，首先确定了一款重型车作为研究对象，并根据该款车型的主要参数来确定悬架系统类型。在选定了悬架类型之后再详细计算其后设计中所需要用到的主要参数，主要包括了钢板弹簧与减振器的重要结构参数。在确定了设计过程中所需要的参数之后就可以通过CATIA来构造出悬架系统的三维图，并由此导出相关的二维图，同时借助AutoCAD完成绘制零部件图和悬架总成装配图。最后通过ADAMS建立振动仿真模型，分析悬架系统刚度和阻尼与汽车行驶平顺性的关系。

关键词：重型车；悬架系统；钢板弹簧；减振器；有限元分析

Abstract

The automobile suspension system belongs to the chassis of an automobile. As an important component of the driving system, it is an assembly of a series of devices that elastically connect the axle and the frame. Its function is to transmit forces and moments acting between the wheels and the body. Suspension system is generally composed of shock absorbers, elastic components and guides and other components. The stability and ride comfort of a car are inextricably linked to the structure of the suspension system. From this point of view, the design of the suspension system is a very critical step in the design of the entire vehicle, which directly affects the performance of the final vehicle.

This article focuses on the selection of heavy-duty vehicles and suspension system design and related finite element analysis of the vehicle. After understanding some basic knowledge of the vehicle suspension system design, first determine a heavy vehicle as the research object, and determine the type of suspension system according to the main parameters of the vehicle model. After selecting the suspension type, the main parameters needed in the subsequent design are calculated in detail, which mainly include the important structural parameters of the leaf spring and the shock absorber. After determining the parameters required in the design process, the three-dimensional map of the suspension system can be constructed by CATIA, and the related two-dimensional maps can be derived therefrom. At the same time, AutoCAD can complete the drawing of component parts and suspension assembly drawings . Finally, a vibration simulation model was established through ADAMS to analyze the relationship between the stiffness and damping of the suspension system and the ride comfort of the vehicle.

Key words: heavy-duty vehicle; suspension system; leaf spring; shock absorber; finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究内容 2

第2章 悬架系统结构选型和设计要求 3

2.1悬架系统的功能和组成 3

2.2悬架系统的结构形式 3

2.3悬架系统的设计要求 4

第3章 悬架系统主要参数的确定 6

3.1已知基本参数 6

3.2选择悬架的静挠度f_c 7

3.3选择悬架的动挠度f_d 8

3.4分配后悬架主簧和副簧的刚度 8

第4章计算设计悬架系统的主要零部件 10

4.1计算设计钢板弹簧 10

4.1.1选择满载弧高f_a 10

4.1.2选择钢板弹簧长度L 10

4.1.3确定钢板弹簧的片数及断面尺寸 10

4.1.4确定的钢板弹簧各片长度 13

4.1.5计算自由状态下钢板弹簧总成弧高H₀及各片曲率半径R₀ 16

4.1.6钢板弹簧总成弧高的验算 20

4.1.7验算钢板弹簧强度 20

4.2减振器的设计计算 22

4.2.1相对阻尼系数ψ的选择 23

4.2.2计算减振器的阻尼系数δ 23

4.2.3计算最大卸荷力F₀ 24

4.2.4确定工作缸的直径D 25

4.3 三维模型的建立 25

第5章 悬架系统的仿真分析 27

第6章 结论 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1课题研究意义

随着我国国民经济实力的不断增长，汽车在成为家家户户日常的一种生活用品的同时，人们对于汽车使用过程中的行驶安全性和乘坐舒适性的要求也不断提高。汽车悬架的设计直接影响了车辆的行驶平顺性和操作稳定性。而行驶平顺性和操作稳定性存在一种天然的矛盾，要保证较好的行驶平顺性，迅速衰减振动冲击使得乘坐舒服，必然会导致操作稳定性的降低。可见，为了同时保证行驶平顺性和操作稳定性，需要在设计悬架系统时找到一个平衡点，进行最适合的设计。

在互联网技术发达的今天，有限元分析软件为设计可行性的验证提供了基础。通过有限元分析方法对悬架系统三维模型进行运动学仿真分析，方便地检测了汽车的行驶平顺性，再通过所得分析结果对悬架系统的三维设计进行修改。这也在一定程度上减少了实际实验所造成的大量资源损耗。

国内汽车产业起步较晚，在重型车领域也由于技术和国情的原因一直在大范围内采用钢板弹簧悬架。虽然相较于国外重型车开始逐渐采用的空气悬架和橡胶悬架，钢板弹簧悬架有着较为明显的缺点。例如簧下质量大，在汽车的轻量化推行方面有所阻碍，但随着这么多年工艺的发展，钢板弹簧悬架的研究开发较为成熟，工作可靠、维修方便，最重要的是成本低，因此在国内被广泛采用。想要跟上国外汽车的步伐，一步登天无疑是痴人说梦，这也是本文研究某重型车悬架系统设计的研究意义之一。只有将已经掌握的知识牢固基础，才能在这基础之上前进，发展汽车悬架技术。

1.2国内外研究现状

科学是人类进步的源泉。早在第一辆“奔驰”车被发明出来之前，马车作为人类一种十分重要的交通工具就已经为人类研究“悬架”开辟了先河。叶片弹簧之于马车就好比现代悬架系统之于汽车，在改善交通工具乘坐舒适性和行驶平顺性上为人类做出了很大的贡献。“悬架”的初期发展并不迅速。叶片弹簧在1776年取得专利，但直到20世纪30年代，螺旋弹簧才逐渐取代叶片弹簧，这整个过程横跨了半个世纪的时间。

1885年，世界上首辆马车三轮汽车被卡尔·本茨研制出，从此日常交通工具的市场逐渐被汽车占有。随着汽车的发展，人类对于悬架系统的研究力度也大大提高，逐渐创造性地发明了各种新型的弹性元件。

有种说法，中国汽车的发展比欧美汽车产业晚了一百多年。虽说这个时间有待商榷，但也侧面验证了中国汽车产业的发展确实比较晚，且相较于全球汽车产业的尖端水平有一定差距。这也导致了国内很多汽车相关技术都是由外国引进，悬架系统方面的体系也与国外大同小异。当今汽车上的悬架系统一般可以分为两大类：独立悬架和非独立悬架。整体式车桥对应使用的是非独立悬架，断开式车桥对应使用的是独立悬架。

目前，国内重型车的悬架系统大部分采用了非独立悬架中的钢板弹簧悬架。在三轴汽车的后悬架上常采用平衡式悬架。少数的国内重型车也采用了空气悬架以及橡胶悬架等。在国外，空气悬架则被广泛应用在重型载货汽车领域。在欧美地区，重型载货汽车使用空气悬架系统的比例已经达到80%，而城市客车和高速客车已经几乎全面布局空气悬架系统。

空气悬架以空气弹簧为弹性元件，利用空气的可压缩性来实现弹性地变化，可以提高乘坐舒适性，同时也更好地保护了运载货物。但由于国内的具体国情，重型货车的载重情况一直都处于比较恶劣的状态，和空气悬架比起来拥有更精简的结构、较为便捷的制作方法、相对低廉的制造成本和较好的承重能力的钢板弹簧悬架，更符合国内的物流行情。与此同时，随着国内悬架系统技术的发展，空气悬架凭借着其优异的乘车体验也逐步走进市场。不过对于发展中的国情来说，钢板弹簧悬架仍然在重型汽车悬架系统领域占有主导地位。