摘 要

悬架系统是汽车上的重要部件之一，决定和影响着车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性。本文针对重型载货汽车悬架系统进行选型与设计，着重介绍了悬架系统设计的步骤与流程。首先是熟悉悬架系统方面的知识，并根据参考车型进行悬架系统的结构选型，然后运用车辆悬架设计方面的知识分别对前、后钢板弹簧和减振器的主要结构尺寸进行设计计算与强度校核，接着通过CATIA绘制前、后板簧悬架系统三维模型并导出零件图、装配图，并运用AutoCAD对导出的零件图、装配图进行进一步处理，最后运用MATLAB/Simulink建立相应的振动仿真模型，探讨板簧悬架系统刚度和减振器阻尼系数的变化对汽车行驶平顺性的影响。

关键词：钢板弹簧式悬架；悬架系统刚度；减振器；阻尼系数

Abstract

The suspension system is one of the important components in the car, which determines and affects the ride comfort, handling stability and ride comfort of the vehicle. This paper focuses on the selection and design of the heavy-duty truck suspension system, and focuses on the steps and processes of the suspension system design. The first is to familiarize with the knowledge of the suspension system, and to select the structure of the suspension system according to the reference model, and then use the knowledge of vehicle suspension design to design and calculate the main structural dimensions of the front and rear leaf springs and dampers. After checking with the strength, the 3D model of the front and rear leaf spring suspension system is drawn by CATIA and the parts and assembly drawings are exported. The exported parts and assembly drawings are further processed by AutoCAD. Finally, MATLAB/Simulink is used to establish the corresponding The vibration simulation model is used to investigate the influence of the stiffness of the leaf spring suspension system and the damping coefficient of the damper on the ride comfort of the vehicle.

Key words: leaf spring suspension; suspension system stiffness; shock absorber; damping coeffici

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 悬架系统结构分析与设计要求 3

2.1悬架系统的功用和组成 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 5

3.1已知设计参数 5

3.2悬架的静挠度f_c 6

3.3悬架的动挠度f_d 7

3.4后悬架主、副弹簧刚度分配 7

第4章 前、后悬架系统的设计 9

4.1钢板弹簧的设计计算 9

4.1.1钢板弹簧长度L的选择 9

4.1.2钢板弹簧片数的确定 9

4.1.3满载弧高f_a的选择 9

4.1.4钢板断面尺寸的确定 10

4.1.5钢板弹簧各片长度L_i的确定 12

4.1.6钢板弹簧的刚度验算 15

4.1.7钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 17

4.1.8钢板弹簧总成弧高的核算 21

4.1.9钢板弹簧强度的验算 22

4.2减振器的设计 24

4.2.2减振器阻尼系数δ的确定 24

4.2.3最大卸荷力F₀的确定 25

4.2.4工作缸直径D的确定 25

4.3三维模型的建立 26

第5章 悬架系统的建模与仿真 27

5.1建立悬架振动仿真模型 27

5.1.1悬架动力简化模型 27

5.1.2建立路面干扰输入模型 28

5.1.3建立悬架Simulink仿真模型 28

5.2悬架系统的仿真分析 29

5.2.1改变悬架刚度值 29

5.2.2改变悬架阻尼值 31

第6章 结论 33

参考文献 34

致谢 35

附录 36

第1章 绪论

1.1课题研究意义

当今，随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，汽车基本上已经成为了人们可以轻易获得的代步工具。而评价一辆汽车的重要指标就有汽车行驶平顺性、乘坐舒适性。拥有良好舒适性的汽车能够给人们带来最直观的良好感受。而悬架作为汽车上减轻外部冲击载荷的重要部件，其设计就与汽车的振动特性之间有着直接的联系。因此，一辆汽车能否拥有良好的乘坐舒适性、行驶平顺性取决于其悬架系统的设计是否科学、合理。

本次毕业设计选取的题目为重型载货汽车悬架设计，目的在于同时通过此次毕业设计，自己选取一款重型商用车的参数，对其悬架系统进行设计、绘图并建模仿真，撰写设计说明书，让我最直观的体验了悬架系统设计的步骤与流程，同事还锻炼了自己的开发和设计能力，提高自己综合运用所学知识、技能去分析、解决实际问题的能力。

1.2国内外研究现状

悬架中的弹性元件起到承受和传递垂直载荷、缓和不平路面引起的冲击载荷的作用，减振器用来加快振动的衰减。随着社会的发展，对绿色产业、节能减排日益迫切，导致重卡悬架系统在要求具有良好减振效果的同时，还在不断要求降低悬架的自身质量。

当今商用货车悬架的主体还是钢板弹簧式悬架，正是因为该悬架系统不仅具有良好的缓冲减振功能，还具有简单可靠、维修方便、成本低廉等优点。为了满足社会的要求，跟上时代的步伐，钢板弹簧悬架也分别从设计方法、结构形式、加工工艺以及材料性能等方面的不断更新、发展，使得未来的钢板弹簧能够更好地满足整车性能、轻量化设计要求。除此之外，还有一些其它的弹簧，例如空气弹簧。空气弹簧相比于板簧拥有非常可观的减重效果，有利于减少燃油消耗。

到目前为止，欧美的公路运输车几乎全部更换了空气悬架，尽管我国重卡企业也进行了多年空气悬架的研究开发工作，但由于制造技术水平有限导致制造成本偏高，并且自主开发的空气悬架可靠性差，使得空气悬架在我国无法得到大规模的推广。为了满足绿色社会的发展以及高速物流发展的需求，我国重卡悬架系统将会从传统的多片等截面板簧向少片变截面板簧转变，进而再向空气悬架转变。

1.3课题研究内容

（1）分析各类型汽车悬架的优缺点、结构特点、使用情况、基本原理等内容。并以某重型车为研究对象，选定合适的悬架类型，参考文献资料获得该车型悬架设计所需要的相关参数，包括尺寸参数和质量参数等；

（2）查阅板簧悬架的相关的设计理论，分别进行前、后板簧悬架主要参数的选择计算以及主要零部件的结构尺寸的设计计算，然后进行强度校核，尽可能保证其拥有较长的使用寿命；

（3）利用Catia软件分别绘制前、后板簧悬架系统的三维模型。将三维模型转化为二维图纸，并利用AutoCAD软件对二维图纸进一步处理。

（4）运用Matlab/simulink建立振动仿真模型，分析前板簧悬架系统刚度、减振器阻尼系数与车身加速度、车身垂直方向位移之间的关系，研究其对汽车平顺性的影响。

第2章 悬架系统结构分析与设计要求

2.1悬架系统的功用和组成

悬架系统的作用：

1. 在车轮与车身两者之间起着传递各种力和力矩的作用；
2. 缓和来自路面的冲击载荷，以保证汽车的行驶平顺性；
3. 提供良好的操纵转向稳定性，以确保舒适性。

就此次毕业设计的题目，重型载货汽车而言，悬架系统一方面关系到驾驶室中乘客的舒适性、安全性，另一方面还关系到对货物的影响，因此重型商用车悬架系统的设计与仿真显得尤为重要。

悬架系统的组成元件及其功用如下：

（1）弹性元件：传递垂直力，与轮胎共同缓和路面不平所引起的冲击载荷；

（2）减振器：衰弱车身振动，改善汽车的行驶平顺性和操纵稳定性；

（3）导向机构：按照预定引导车轮与车身之间的运动关系，并承担两者之间的力和力矩；

（4）缓冲块：缓冲车轴与车身之间的冲击；

（5）横向稳定器：减少车辆转弯时的倾斜度，提高乘坐舒适性^[5]。

就板簧悬架为例，当选择板簧作为弹性元件，并将其纵向装置在汽车上时，还可起到导向的作用，免去导向机构。此外，在一些特殊的情况下，板簧悬架还可以免去减振器。这充分说明了组成悬架系统的元件并不是固定不变的，只要能够发挥出悬架系统应有的作用即可^[1、4]。

2.2悬架系统的结构形式

根据结构形式的不同可将悬架分为独立悬架和非独立悬架两大类。其主要的区别在于车桥是否断开，两种悬架各有优劣。如图2.1所示，为这两类悬架系统的结构示意图。

1）独立悬架 2）非独立悬架

图2.1 悬架的结构形式简图^[3]

1. 独立悬架

优点：左、右车轮之间的相对运动是相互独立的，因此，转弯时有利于减少车身的倾斜和振动；结构紧凑；非簧载质量小，悬架受到并传递给车身的冲击载荷小；汽车整车质心高度较低，汽车行驶稳定性高；车身振动频率低，行驶平顺性好。缺点：结构复杂、维修不便、成本较高；汽车行驶时前轮定位和轮距常发生变化，导致有时轮胎磨损较大。因此，独立悬架多用于乘用轿车、旅行车以及小型商用车的前悬。

2）非独立悬架

优点：当纵置时，由于本身可以作为导向机构，因此结构相对简单，成本低，当车轮上下运动时，车轮定位变化小，轮胎磨损小。缺点：非簧载质量大，高速工况下不能充分保证行驶平顺性。同时，由于左、右车轮相互影响，使得车轴和车身倾斜较为明显，行驶平顺性和操纵稳定性都较差。因此，这类非独立悬架主要用于对行驶平顺性要求不是很高的商用车、城市大客车以及部分乘用车的后轮。

综上所述，这两类悬架系统各有优劣，应根据自己设计的车型选取合适的悬架系统。此次设计采用纵置钢板弹簧式非独立悬架系统作为重型载货汽车的前、后悬架系统。

2.3悬架系统的设计要求

车辆悬架系统的性能要求：

1. 具有合理的空间利用率。

（2）保证汽车无论是加速亦或是制动时都能维持车身的稳定。

（3）拥有较长的使用寿命，并且工作可靠。

（4）保证汽车具有良好的行驶平顺性。使汽车的振动频率低，成员承受的振动加速度不超过国际标准界限值。

（5）组成的各元件之间运动相互协调，保证汽车具有良好的操纵稳定性。

（6）具有合适的减振器阻尼系数。

（7）具有良好的隔音降噪能力。

第3章 悬架系统主要参数的确定

3.1已知设计参数

此次毕业设计以某重型载货汽车为参考，收集资料查得其整备质量为；最大总质量为。

查阅各类汽车的轴荷分布，如表3.1所示。

表3.1 各类汽车的轴荷匹配

由于本次设计参考的汽车为一款4×2后轮双胎的平头式商用货车，根据上述表格，最终确定前、后轴荷分别为：

满载时：前轴负荷；后轴负荷。

空载时：前轴负荷；后轴负荷；

前轴簧下部分荷重；后轴簧下部分荷重；

参考车型的其他基本参数如下：

轴距：；

前轮距：；后轮距：；

轮胎规格：。

根据上述参数计算可得：

其中表示满载时，前轴单侧钢板弹簧所受的载荷（N）；表示满载时，后轴单侧钢板弹簧所受的载荷（N）；表示空载时，后轴单侧钢板弹簧所受的载荷（N）。

3.2悬架的静挠度f_c

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