轻卡悬架系统性能设计计算方法

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10.16638/ki.1671-7988.2020.16.019
轻卡悬架系统性能设计计算方法
马 亮
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）
摘 要：文章通过对轻型卡车悬架系统设计方法的研究，讲述了悬架系统性能计算方法。

并结合性能需求，对钢板弹簧的计算选择过程进行说明，对实际操作具有指导意义。

关键词：悬架系统；性能计算；轻型卡车；钢板弹簧
中图分类号：U469.21 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020)16-55-05
Calculation Method Of Light Truck Suspension System Performance Design
Ma Liang
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )
Abstract: This paper describes the calculation method of suspension system performance through the research on the design method of light truck suspension system. Combined with the performance requirements, the calculation and selection process of leaf spring is explained, which has guiding significance for practical operation. Keywords: Suspension System; Performance calculation; light truck; Leaf spring CLC NO.: U469.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)16-55-05
前言
轻型卡车悬架系统是车架与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架冲击力，并减少震动，以保证汽车能平顺地行驶。

轻型卡车悬架系统设计过程中悬架系统性能需要准确计算，这样才能保证实际产品满足使用要求。

1 轻型卡车悬架系统性能计算
1.1 概述
典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。

弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，国内
轻型卡车以钢板弹簧为主。

一般轻卡为两轴汽车，分为前悬
架、后悬架两套系统。

1.2 悬架设计条件分析整理
1.2.1 总布置输入条件
悬架系统的性能参数确定必须先确定整车质量，悬架布置、部件的尺寸确定，需要有总布置尺寸，所以在悬架设计前需要收集整车质量参数，整车使用条件和超载率，悬架布置的尺寸参数如图1，具体数据如表1。

图1 整车输入参数示意图
1.2.2 整车受力分析
建立模型，分别计算悬架各方向的受力情况。

作者简介：马亮，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，从事轻型卡车总布置设计研究。

汽车实用技术
56表1 输入参数
表2 不同受力情况下板簧负荷倍数
图2 竖直受力简图
前后簧上质量计算公式：
F1=n*（Wf-Gf）/2 （1）F2=n*（Wr-Gr）/2 （2）
图3 整车受力简图
图4 横向受力简图
横向负荷：
Ｒf0=Ｗf/2+ｎ*Ｗ*ｈ/（t f+a/b*t r）（3）Ｒr0=Ｗr/2+ｎ*Ｗ*ｈ/（t f+a/b*t r）（4）Ｒf=Ｗf/2+（μ*Ｗ*ｈ）/L*1/2 （5）
Ｒr=Ｗr/2+（μ*Ｗ*ｈ）/L*1/2 （6）Ff3=n×Rf0/2 （7）Fr3=n×Rr0/2 （8）
图5 纵向受力简图
Ff4=μ*Rf （9）Fr4=μ*Rr （10）通过计算得出的竖直、横向、纵向方向的极限与疲劳载荷，对板簧、板簧支架进行强度校核，对于较复杂的支架，一般采用有限元分析。

1.3 悬架性能计算
1.3.1 偏频的计算方法
（1）偏频的计算公式
偏频又称固有振动数，它是车辆自身的振动特性。

（11）
n，偏频（Hz）
K，弹性元件的刚度（N/mm）
W，单边簧载质量（kg）
注意：
1）车辆的载荷有满载和空载之分，故用上面公式考察车辆的平顺性时候，应分别考察满载时的偏频和空载时的偏频。

2）板簧的刚度有动刚度与静刚度之分，考察悬架的偏频时应分别考察静刚度时和动刚度时的偏频。

3）考察悬架的偏频时，车辆在良好的路面上行驶考察其动刚度时的偏频；车辆在恶劣的路面条件下，考察其静刚度时的偏频。

（2）板簧动刚度的计算
图6 钢板弹簧叶片组合
图7 板簧的振幅与叶片间摩擦力图
如图6所示，钢板弹簧是由板簧叶片叠加组合在一起的，
马亮：轻卡悬架系统性能设计计算方法
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在车辆的行驶过程中，由于叶片间的相互滑动摩擦，板簧的刚度会发生变化，此时的刚度就称为“动刚度”，而车辆在静止状态板簧的刚度就是所谓的“静刚度”。

有时为了减小摩擦，会在叶片间加一橡胶块。

该橡胶块就是图7所标示的“减噪器”（SILENCER ）。

图7为车辆行驶时板簧的振幅与叶片间的摩擦力图。

在图中，Kd 为动刚度，Ks 为静刚度。

δ为板簧的振幅，2F 为当振幅为±δ时其叶片间的摩擦力。

2F 的计算方法如下面公式：
（12）
2F ，叶片间的摩擦力（N ） K s ，板簧的静刚度（N/mm ）
根据刚度的定义，板簧的动刚度可用以下的公式得出：
（13）
K d ，板簧的动刚度（N/mm ） δ，板簧的振幅 1.3.2 车辆的侧倾刚度
（1）侧倾（ROLL ）刚度的计算公式
车辆的侧倾刚度为弹簧的侧倾刚度与稳定杆的侧倾刚度之和。

图8 车辆侧倾各变量示意图
（14）
K ROLL ，车辆的侧倾刚度（N •mm/rad ） K ，弹性元件刚度（N/mm ） D spr ，簧间距（mm ） K stab ，稳定杆刚度（N/mm ） D stab ，稳定杆长度（mm ）
当车辆无稳定杆时，其侧倾刚度可简化为：
（15）
侧倾刚度比：
（16）
W ，单边簧载质量（kg ）
当整车侧倾刚度不足时，可以考虑增加稳定杆以增加整车的侧倾刚度。

（2）稳定杆的刚度研讨
（17）
（18）
（19）
（20）
（21）
（22）
E ，弹性模量（E=21000 Kgf/mm2） G ，剪切模量（G=7700 Kgf/mm2） d ，稳定杆直径（mm ） K stab ，稳定杆刚度（N/mm ） 1.3.3 减振器的阻尼特性 （1）减振器的功用及衰减特性
车辆的行驶过程中，减振器主要功用是通过其阻尼衰减车辆的振动。

车辆的行驶状态不同，减振器的活塞速度与减振器振幅的大小有很大的不同。

图9 减震器阻尼力示意图
减振器的活塞速度与阻尼力存在如图9所示的曲线关系，在考察车辆的操纵稳定性时，我们希望减振器活塞速度小的行驶状态（参考图9）其阻尼力也能很大。

而在考察车辆的平顺性时，我们希望阻尼力小，从而改善车辆振动的衰减。

这就是“二律背反”关系。

值得注意的是，车辆的平顺性与减振器的压缩行程关系更为密切，因此在减振器的设计时，应考虑降低减振器的压缩行程阻尼力与活塞速度的比值（如图13）。

（2）减振器的阻尼比计算
减振器的阻尼比：衰减系数与临界阻尼系数的比值。

计算公式如下：
ζz =C z /C c （23）
汽车实用技术
58ζz，减振器拉伸阶段的阻尼比
C z，减振器拉伸阶段的衰减系数C c，临界阻尼系数
2 钢板弹簧设计计算与选择
计算初始条件：满载静止时，前桥负荷G1，后桥负荷G2，簧下质量GU1，GU2。

这样计算得到单边簧上载荷：
G W1=（G1-G U1）/2；（24）
G W1为前簧上载荷：
G W2=（G2-G U2）/2；（25）
G W2为后簧上载荷
2.1 主要性能参数选择
初选钢板弹簧刚度
根据偏频计算值，确定合适的板簧刚度值。

（26）
n：车辆满载时板簧固有频率；
c：板簧刚度（Kg/mm）；
G w：满载时簧上载荷（kg)；
板簧宽度b
结合车桥宽度，考虑产品的通用性以及系列化，轻型卡车板簧宽度一般取为76、90。

板簧片数n
综合考虑生产制造便利性及板簧性能选择板簧片数，多片簧6-14片，少片簧1-4片。

注意板簧的片数应与汽车总布置要求以及国家公告目录一致。

板簧长度L
板簧长度与板簧寿命成正比，原则上，在总布置可能的情况下，应尽可能将板簧长度取长一些。

板簧厚度h
根据初选的板簧刚度值来确定板簧的总惯性矩J0
（27）Jo，板簧总惯性矩
L，板簧作用长度
K，到骑马螺栓夹紧后的无效长度系数，取0.5
c，板簧垂直刚度
δ，饶度增大系数，
（28）
（29）n1，与板簧主片长度相等片数；n：板簧总片数
E，材料弹性模量，取21000kg/mm2
矩形断面等厚钢板弹簧总惯性矩可用下式计算：
（30）
n，板簧片数
b，板簧宽度
根据求得的板簧总惯性矩来确定板簧的片厚，要求板簧厚度不宜超过三组，而且最厚片与最薄片厚度比值应小于
1.5。

板簧断面形状
图10 钢板弹簧断面示意图
板簧断面形状一般共分为四种：
a：标准型
b：抛物线型侧边
c：单面单槽结构
d：单面双槽结构
由于板簧疲劳破坏总是始于受拉伸的上表面，采用b、c、d结构的板簧，中性轴上移，拉伸应力减小。

根据经验，采
用后三种结构的板簧，和标准型相比，钢材节约10%—14%，
而疲劳寿命提高约30%。

我们厂所用的钢板弹簧断面以标准
型为主。

运用作图法确定钢板弹簧各叶片长度确定。

作图法是基于实际钢板弹簧各叶片的展开图接近梯形梁这一原则来作图确定各片板簧长度。

作图方法如图11所示，
各片实际长度尺寸需经圆整后确定。

图11 作图法确认钢板弹簧长度
板簧弧高
根据总布置要求车架距离地面之间的高度，来确定板簧满载时的弧高fa，并根据已知的板簧静饶度fc来确定板簧的
夹紧弧高。

（31）板簧夹紧状态弧高H=f+fa
此为钢板弹簧夹紧状态下的弧高，板簧自由状态下，弧高与夹紧相比，相差：
（32）s：骑马螺栓中心距
L：板簧作用长度
H：板簧夹紧弧高
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所以得到板簧自由状态弧高为：
（33）
钢板弹簧强度
钢板弹簧计算包括悬架钢板弹簧的静应力σ、比应力σa 和三种极限工况板簧最大应力σmax 。

钢板弹簧的静应力σ和比应力σa ：
（34）
F c ，板簧满载时上载荷（N ） L ，板簧作用长度
K ，Ｕ形螺栓夹紧弹簧后的弹簧无效长度系数，刚性夹紧取k=0.5；
S ，骑马螺栓中心距 W 0，钢板弹簧总截面系数
（35）
钢板弹簧的极限工况最大应力σmax
（36）
σ1max ：极限挠度下的板簧最大应力
（37） 制动／驱动工况时板簧最大应力
（38）
G 1，作用在前板簧上的垂直静载荷
m 1，制动时前轴负荷转移系数，载货车取1.4—1.6之间 l 1，钢板弹簧前半段长度 l 2，钢板弹簧后半段长度 W 0，钢板弹簧总截面系数 Φ，为道路附着系数，取0.8 c ，为弹簧固定点到路面的距离
汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力。

（39）
G 2，作用在后轮上的垂直静负荷
m 2，驱动时后轴负荷转移系数,货车取1.1—1.2之间 h 1，钢板弹簧土片厚度。

b ，为钢板弹簧片宽
通过不平路面时板簧最大应力σ3max
（40）
3 结论
本文通过对轻型卡车悬架系统设计方法的研究，讲述了悬架系统性能计算方法，并结合性能需求，对钢板弹簧的计
算选择过程进行说明，对实际操作具有指导意义。

参考文献
[1] 王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2011,6.
[2] 彭莫,刁增祥,党潇正.汽车悬架构件的设计计算[M]北京:机械工
业出版社,2012,10.。