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摘要:在现代车辆的设计中，悬架系统是汽车行驶系统中最重要的部件之一，更是需要应对各种复杂路面的全地形车中的核心组成部分。优良的整车性能，需要驶系统配备性能优良的悬架系统。
关键词:悬架系统;全地形车;汽车;设计
汽车悬架是所有传力连接装置的总称，它能保证车轮与车身之间的弹性连接，并能传递载荷、减轻冲击、衰减振动等，其主要功能是减轻路面不平造成的冲击力，保证货物的完整性和乘客的舒适性，迅速衰减弹性系统引起的车辆振动，使车辆在行驶过程中保持稳定的姿态，提高操纵稳定性，将垂直反力、纵向反力和横向反力及其力矩传递到车架上，保证乘坐的安全性车辆的舒适性。全地形车主要行驶在情况恶劣的各种路面上，所以它的通过性和舒适性成为全地形车设计的关键所在。悬架是保证汽车的操纵稳定性、舒适性、平顺性和通过性等性能的关键部件，同时悬架的设计直接影响着轮胎的使用，设计时要重点关注减少轮胎的磨损和提高悬架系统和转向系统零部件的使用寿命，因此对悬架的设计就是对全地形车行驶系统设计的核心工作之一。要设计出适合ATV的悬架就需要考虑两方面问题:需要考虑整个悬架系统的两个方面:第一个方面，是单个悬架参数的参数问题;二是前后悬架数据要满足匹配关系，在制动和加速时，车身应具有防“抬头”和防“低头”的效果。综上所述，针对全地形车行驶系统和其独立悬架的研究，对改善车辆行驶平顺性、操纵稳定性、舒适性和通过性都有着十分重要的意义。在设计中，首先计算悬架的总体参数，如悬架的刚度和挠度等，可以根据悬架和结构的总体参数计算出相关部件的应力和刚度等参数悬架参数。以下是悬架设计参数:
一、质量参数
(一)汽车的装备质量。汽车的装备质量就是汽车经装备后再完备状态下的自身重量，即指汽车再加满燃料润滑油，工作油液及发动机冷却液和装备(随车工具及备胎等)齐全后但未载人、货时的质量。汽车的装备质量可以从表1中得出:m0=587kg。
(二)汽车的总质量。汽车的总质量是指已装备完好、装备齐全并按规定载满客、货时的汽车质量。除包括汽车的装备质量以及装载量外，轿车还要计入驾驶人人员和乘客的质量，mn=m0+65n+an。根据规定:人员重量按照每人65kg计算，行李质量按照每人5～10kg计算，所以汽车总质量为:mn=m0+65n+an=587+65×2+5×2=727kg
(三)汽车的悬挂质量。一般而言，对于轿车的非驱动桥，其非悬挂质量均在50～90kg之间，采用独立悬架是均为下限，采用非独立悬架时候均为下限，采用非独立悬架时候均为上限，采用复合纵臂式后支持桥悬架时均为中间值，对于轿车驱动桥，采用独立悬架的非悬挂质量为60～100kg，而非独立悬架由于带有主减速器、差速器和缸体桥壳，非悬挂质量可达120～140kg。对于全地形车而言，发动机前置驱动，所以对于全地形车，前悬挂的非悬挂质量一般为70kg，后悬挂的非悬挂质量为60kg。所以汽车的簧上质量:满载时候汽车簧上质量:m1=mn－70－60=597kg空载时候汽车簧上质量:m2=m0－70－60=457kg前后悬架的分别簧上质量近视等于前后轴的载荷，设计悬架的时候设计载荷根据前后轴载荷确定。
二、悬架总体参数计算
(1)悬架的静挠度。悬架静挠度fc是指汽车满载静止时悬架的载荷FW与此时悬架刚度c之比即fc=Fw/c。由弹簧和弹簧质量组成的振动系统的固有频率是影响车辆平顺性的主要参数之一。车身的固有频率n。可以表示为:n1=c1/m槡12π。其中c1—前悬架刚度，N/mm;m1—悬架簧上质量，kg;n1—前悬架偏频，Hz;悬架的静挠度:fc=m1gc1所以，悬架的静挠度fc1和悬架刚度n1之间有如下关系:fc1=25n2。全地形车的发动机排量越大，悬架的偏频应越小，满载情况下前悬架偏频在0．80～1．15Hz之间取，后悬架要求在0．98～1．30Hz。n1=1．15Hz代入数值得:fc1=189mm。81科技创新科技风2020年11月(2)悬架的动态挠度。悬架的动态挠度fd是指当悬架被压缩到结构允许的最大变形(通常缓冲块被压缩到其自由高度的1/2或1/3)时，车轮中心相对于车架(或车身)的垂直位移。乘用车fd取7～9cm，货车fd取6～9cm，客车fd取5～8cm。从越野车的通过性越野性能出发，选此悬架的动挠度fd=90mm。(3)悬架的刚度计算。悬架刚度:c=Fwfc=597189=3．159N/mm(4)悬架的弹性特性。垂向外力引起的车轮中心位移(即悬架的变形)与悬架的弹性特性之间的关系曲线称为悬架的切线刚度。
三、螺旋弹簧参数计算
(1)螺旋弹簧有多种类型，按形状可分为普通圆柱螺旋弹簧和变径螺旋弹簧，按螺旋线方向可分为左旋弹簧和右旋弹簧。圆柱螺旋弹簧具有结构简单、制造方便、应用广泛等优点。其特征线为直线，可用作压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧。当载荷较大且径向尺寸有限时，可将两个不同直径的压缩弹簧组合成一个组合弹簧。(2)螺旋弹簧的计算:原始条件:满载时汽车簧上质量597kg，则弹簧所受的压力F=m1·g4·cos12°=1495．33N;弹簧所受到的最大的力:动荷系数k取2．5，则弹簧所受的最大压力:Fmax=k·F=3738．3N;空载时汽车簧上质量457kg，最小工作载荷:Fmin=m2·g4·cos12°=1144．66N;工作行程h:h=113mm，弹簧外径不大于71mm，两端固定支承。弹簧在变载荷、常温下工作，对工作的可靠性要求高，载荷作用次数大于106，按I类弹簧来考虑。故选用碳素弹簧钢丝C级，热处理:采用油淬火回火，表面硬度达到45～50HRC。设计过程及布置如下:计算弹簧钢丝直径d及确定弹簧中径D。若选取弹簧钢丝直径为10mm，则D=D2－d=71－10=61mm，选取弹簧中径D=60mm，则旋绕比C=D/d=60/10=6。曲度系数K≈4C－14C－4+0．615C=4×6－14×6－4+0．6156=1．25，根据初选的弹簧直径d=10，查机械设计手册，可知τp[]=565MPa，有d?1．6FmaxKC[τ]槡=1．63738．3×1．25×6565槡=11．27mm与估值接近，取弹簧丝直径为10mm。计算弹簧圈数n。由工作条件说明，得弹簧刚度为kF=ΔFh=3738．3－1144．66113=22．86根据手册，取G=79000MPa，则弹簧圈数为:n=Gd48D3kF=79000×1048×603×22．86=20．03圈，取有效圈数n=20。取支承圈n2=2，则总圈数n1=n+n2=20+2=22。弹簧刚度的校核:k=Gd48nD3=79000×1048×20×603=22．86N/mm与所需刚度基本符合。计算弹簧变形量:最小变形量λmin=Fmin/k=1144．66/22．86=50．07mm;最大变形量λmax=Fmax/k=3738．3/22．86=163．53mm;实际行程h0=λmax－λmin=163．53－50．07=113．46mm。几何尺寸:节距p=(0．28～0．5)D=16．8～30mm，p=20mm。当支承圈n2=2时，有:H0=p×n+1．5d=20×20+1．5×10=415mm。取弹簧自由高度为450mm。螺旋角取右旋:α=arctanpπD=arctan203．14×60=6．06°展开长度:L=πDn1cosα=3．14×60×22cos6．06°=4168．09mm计算试验载荷及其变形量:查得弹簧的试验切应力的最大值为726MPa，按I类载荷弹簧考虑，取试验切应力τs=1．2τp=1．2×565=678MPa＜726MPa，故未超过最大值:Fs=πd3τs8D=3．14×103×6788×60=4435．25N;试验载荷下的变形量λs=Fs/k=4435．25/22．86=194．02mm。校核弹簧特性:Fmin/Fs=1144．66/4435．25=0．26;Fmax/Fs=3738．3/4435．25=0．84满足工作变形量在20%～80%之间的要求。(3)螺旋弹簧稳定性和强度验算。弹簧稳定性验算:对于高径比较大的压缩弹簧，当轴向载荷达到一定值时，会产生横向弯曲，失去稳定性。高径比b=H0/D应满足:两端固定b!5．3，当高径比大于上述数值时，要按照下式进行验算Fc=CBkH0＞Fmax，Fc—弹簧的临界载荷，N;CB—不稳定系数，CB=0．28k—弹簧刚度，N/mm;Fmax—最大工作载荷，N。Fc=0．28×22．86×420=2688．34N＜Fmax。因不满足公式，而且设计结构受限制，不能改变参数b值，故设置导杆，弹簧与减振器组合在一起使用，来保证弹簧的特性，导杆与弹簧的间隙取得:l=5mm。强度校核计算:重要弹簧在循环载荷作用下进行疲劳强度校核计算;在循环载荷次数较少或循环载荷变化幅度较小时进行静强度校核计算。当两者不易区分时，应同时进行两种强度的验算。疲劳强度、安全系数按下式进行:S=τ0+0．75τminτmax?Smin，其中τ0—弹簧循环载荷下的剪切强度，MPa;τmax—最大工作载荷状态下所产生的最大切应力，MPa;τmin—最小工作载荷所产生的最小切应力，MPa;Smin—最小安全系数，Smin=1．1～1．3。τ0=0．45σb=0．45×1320=594MPa
四、结语
全地形车的行驶系统是汽车上一个重要的部分，与整车的操作性和稳定性有着密切关系。针对现阶段全地形车所存在的问题，为了让全地形车能够在各种路况下正常行驶。在双横臂独立悬架方面，改进了转向节处的结构形式，提高了转向时悬架处的强度。采用V字型结构和实心形式，对横臂强度进行了加强。并且对悬架中关键零部件进行了设计计算和校核，以及导向机构进行了分析，在理论上该车满足在沼泽地等特殊路况下的正常行驶。
参考文献:
［1］张英富，崔凤．汽车底盘悬架结构设计要点分析［J］．汽车世界，2019，000(007):46．
［2］张明旭，王亚南．悬架系统性能研究方法［A］．第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集［C］．2012．
作者:马瑞 单位:深圳市龙岗职业技术学校