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貨車懸架系統(tǒng)的設(shè)計

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更新時間：2018-03-25
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文獻綜述
懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架（或車身）與車軸（或車輪）彈性地連接起來。其主要任務(wù)是專遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架（或車身）的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，保證汽車行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力[1]。由于懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在不斷改進，其性能及控制技術(shù)也得到了迅速提高。雖然一百多年來汽車懸架從結(jié)構(gòu)形式到作用原理一直在不斷地演變，但從結(jié)構(gòu)功能而言，它都是由彈性元件、減振裝置和導(dǎo)向機構(gòu)三部分組成。在有些情況下，某一零部件兼起兩種或三種作用，比如鋼板彈簧兼起彈性元件和導(dǎo)向機構(gòu)的作用，麥克弗遜懸架中的減振器柱兼起減振器及部分導(dǎo)向機構(gòu)的作用，有些主動懸架中的作動器則具有彈性元件、減振器和部分導(dǎo)向機構(gòu)的功能。其作用是傳遞路面作用在車輪和車架上的支承力、牽引力、制動力和側(cè)向反力以及這些力所產(chǎn)生的力矩，并且緩沖和吸收由不平路面通過車輪傳給車架或車身的振動與沖擊，抑制車輪的不規(guī)則振動，提高車輛平順性(乘坐舒適性)和安全性(操縱穩(wěn)定性)，減少動載荷引起的零部件和貨物損壞[2]。貨車和客車的后懸架因所承受的載荷隨汽車實際行駛時載質(zhì)量的不同而差異很大，所以貨車后懸架常采用并聯(lián)主、副簧，即：雙級鋼板彈簧來實現(xiàn)變剛度。當(dāng)汽車空載或?qū)嶋H裝載質(zhì)量不大時，副簧不承受載荷，只有主簧單獨工作；當(dāng)重載或滿載情況下，車架相對車橋下移，使車架上的副簧滑板式支座與副簧接觸，主、副簧共同工作，一起承受載荷而使懸架剛度增大，保證了車身振動頻率不致因載荷增大而變化過大[3]。可以說，懸架系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車最重要的總成之一，是汽車保證操縱穩(wěn)定性、平順性和舒適性的最重要部件。所以，懸架的設(shè)計是整個汽車設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)之一。

1.汽車懸架的發(fā)展
在馬車出現(xiàn)的時候，為了乘坐更舒適，人類就開始對馬車的懸架一葉片彈簧進行孜孜不倦的探索。在1776年，馬車用的葉片彈簧取得了專利，并且一直使用到20世紀(jì)30年代，葉片彈簧才逐漸被螺旋彈簧代替。汽車誕生后，隨著對懸架研究的深入，相繼出現(xiàn)了扭桿彈簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性件。1934年世界上出現(xiàn)了第一個由螺旋彈簧組成的被動懸架。被動懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗或優(yōu)化設(shè)計的方法確定，在行駛過程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減震的效果較差。為了克服這種缺陷，采用了非線性剛度彈簧和車身高度的調(diào)節(jié)的方法，雖然有一定成效，但無法根除被動懸架的弊端。被動懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜式懸架，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。
半主動懸架的研究工作開始于1973年，由D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出。半主動懸架以改變懸架的阻尼為主，一般較少考慮改變懸架的剛度。半主動懸架產(chǎn)生力的方式與被動懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運行狀態(tài)調(diào)整，這和主動懸架極為相似。有級式半主動懸架是將阻尼分成幾級，阻尼級由駕駛員根據(jù)“路感”選擇或由傳感器信號自動選擇；無級式半主動懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進行無級調(diào)節(jié)。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)較簡單，工作時不需要消耗車輛的動力，而且可取得與主動懸架相近的性能，具有廣闊的發(fā)展空間。
隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動懸架的缺陷逐漸成為提高汽車性能的瓶頸，為此人們開發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動懸架。主動懸架的概念是1954年美國通用汽車公司在懸架設(shè)計中率先提出來的。它在被動懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，使汽車的懸架在任何路面上保持最佳的運行狀態(tài)。控制裝置通常由測量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)組成。20世紀(jì)80年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠家競相研制和開發(fā)這種懸架。奔馳、沃爾沃、洛特斯、豐田等在汽車上進行了較為成功的試驗。裝備主動懸架的汽車，在不良路面高速行駛時，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動時車身保持水平。其特點是乘坐非常舒適，但不同程度上存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、成本昂貴、可靠性問題。
由于種種原因，我國的汽車絕大部分采用被動懸架。在半主動和主動懸架的研究起步晚，與國外的差距大。在西方發(fā)達國家，半主動懸架在20世紀(jì)80年代后期趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果。主動懸架雖然提出較早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進入20世紀(jì)90年代，仍僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車[4]。
2.懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分析
車架與車輪通過汽車前后懸架進疔彈性聯(lián)接，來降低汽車高速運動對應(yīng)各種路況產(chǎn)生的緩沖與震動，前后懸架由各類型彈簧、液壓臂筒、輕質(zhì)金屬支撐桿件構(gòu)成，利用多種機械構(gòu)件來吸收和緩沖制動力、牽引力、縱向反力、垂直反力及徑向切應(yīng)力，綜上所述的力疊加產(chǎn)生的力矩，使汽車在疔駛中保持平順，在行駛途中轉(zhuǎn)向時，車輪基于車架跳動，貨車輪轂的行駛軌跡必須按照設(shè)計要求行進，所以貨車懸掛規(guī)導(dǎo)了貨車車輪以符合要求的軌跡相對于貨車車架跳動。既要符合貨車庁駛操縱的穩(wěn)定性，又要求滿足貨車駕駛員或車廂裝載貨物的安全和舒適性，這就對貨車前后懸掛的設(shè)計提出了較難達到的完美規(guī)范，貨車良好的機械操控性能會降低貨車的舒適性，而良好的舒適性使得彈簧軟，貨車制動“點頭”急加速“抬頭”和普通速度就會產(chǎn)生的過彎嚴(yán)重側(cè)傾，會嚴(yán)重影響貨車的轉(zhuǎn)向。現(xiàn)在貨車疔駛姿態(tài)被動的由貨車前后懸掛的減振器、彈性元件、導(dǎo)向機構(gòu)等機械零件被動接受行駛路面的實時路況來變化，屬于被動懸架，未來普及應(yīng)用的貨車主動懸架可以主動控制貨車疔駛中的車身姿態(tài)和控制垂直振動，智能化的根據(jù)貨車自身工況和實時路況進疔前后懸架剛度的自動調(diào)整[5]。
2.1 非獨立懸架
2.1.1非獨立式懸架簡介
非獨立懸架是相對與獨立懸架的車輪結(jié)構(gòu)。非獨立懸架的結(jié)構(gòu)特點是兩側(cè)車輪由一根整體式車架相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸架懸掛在車架或車身的下面。非獨立懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、強度高、保養(yǎng)容易、行車中前輪定位變化小的優(yōu)點，但由于其舒適性及操縱穩(wěn)定性都較差，在現(xiàn)代轎車中基本上已不再使用，多用...

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