微型電動(dòng)汽車后懸架設(shè)計(jì)

沈易晨　王傳杏　李健

摘 要：在當(dāng)今社會(huì)，汽車已經(jīng)發(fā)展成人們?nèi)粘Ｉ钪械拇焦ぞ?，更快更舒適成為了今后汽車的研究方向，因此懸架系統(tǒng)成為了人們首要的研究目標(biāo)。本設(shè)計(jì)以兩座電動(dòng)汽車后懸架為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)兩種類型的懸架的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，選取最適合兩座電動(dòng)汽車后懸架的懸架類型，采用非獨(dú)立懸架以達(dá)到制造簡(jiǎn)便、方便維修且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的目的。對(duì)后懸架的彈性元件和減震器進(jìn)行計(jì)算，確定其彈性元件和減震器等零部件的具體數(shù)值并進(jìn)行校核，確保計(jì)算所得的數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，并運(yùn)用CATIA建模。

關(guān)鍵詞：汽車懸架 微型電動(dòng)汽車 建模 工程圖

Design of Rear Suspension of Mini Electric Vehicle

Shen Yichen，Wang Chuanxing，Li Jian

Abstract：In today's society， automobiles have developed into people's daily transportation tools. Faster and more comfortable vehicles have become the research direction of automobiles in the future. Therefore， suspension systems have become people's primary research goals. This design takes the two-seater electric vehicle rear suspension as the research object. By comparing the advantages and disadvantages of the two types of suspension， the suspension type that is most suitable for the two-seater electric vehicle rear suspension is selected， and the non-independent suspension is used to achieve the purpose of simple manufacture， convenient maintenance and simple structure. The article calculates the elastic elements and shock absorbers of the rear suspension， determines and checks the specific values of the elastic elements and shock absorbers and other parts， to ensure that the calculated data meet the design requirements and makes use of CATIA modeling.

Key words：car suspension， micro electric vehicle， modeling， engineering drawing

1 引言

在當(dāng)今社會(huì)，汽車已經(jīng)成為了人們出行的重要交通工具，懸架是汽車的重要總成之一，主要作用是傳遞力、導(dǎo)向和減震，因此懸架系統(tǒng)成為了人們首要的研究目標(biāo)。

懸架是汽車上的重要組成部分。它由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器組成。汽車在行駛過(guò)程中，懸架可以通過(guò)減緩由于顛簸而引起的沖擊力，懸架還可以迅速衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動(dòng)，傳遞來(lái)自各個(gè)方向的力及其轉(zhuǎn)矩，并起導(dǎo)向作用。

2 懸架系統(tǒng)的選擇

兩座電動(dòng)汽車后懸架設(shè)計(jì)首先要滿足其車身整體布局設(shè)計(jì)，其次還要具有制造簡(jiǎn)便、方便維修的特點(diǎn)[1]。根據(jù)兩座電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)要求，兩座電動(dòng)汽車需要有良好的導(dǎo)向作用，其結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，使其制造成本降低，具有良好的承載能力，也要方便維修，最終選擇整體橋式非獨(dú)立懸架。

3 電動(dòng)汽車后懸架計(jì)算

電動(dòng)汽車后懸架的基本參數(shù)如表1所示。

3.1 懸架動(dòng)靜撓度的確定

由于設(shè)計(jì)的汽車懸架為電動(dòng)汽車懸架，汽車選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源。為了使汽車平順性變好，汽車的偏頻就要變小，而一般的轎車滿載偏頻要求在0.98～1.30Hz之間，人體正常步行的時(shí)候偏頻是0.98-1.30Hz之間[2]。因此選取后懸架偏頻n=1.0Hz，經(jīng)計(jì)算得到后懸架剛度C為42657N/mm。代入數(shù)據(jù)，后懸架靜撓度為：

懸架的動(dòng)撓度是指懸架從滿載靜平衡位置開(kāi)始?jí)嚎s到結(jié)構(gòu)容許的最大變形時(shí)，車輪中心相對(duì)車架的垂直位移。通常轎車的動(dòng)撓度的選擇范圍在6～9cm。最后確定懸架動(dòng)撓度f(wàn)a=8cm。

3.2 彈性元件的確定

本次設(shè)計(jì)選擇的彈性元件是鋼板彈簧，鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修，制造時(shí)成本也大大降低。同時(shí)鋼板彈簧的特性使得它只能在非獨(dú)立懸架上使用，并且會(huì)導(dǎo)致乘坐舒適性降低[3]。

滿載弧高是指鋼板彈簧裝到車軸上，汽車滿載時(shí)鋼板彈簧主片上表面與兩端連線間的最大高度差，用來(lái)保證汽車具有給定的高度。為了降低鋼板彈簧使用過(guò)程中發(fā)生變形時(shí)對(duì)車架動(dòng)撓度的影響常取10mm。

鋼板彈簧長(zhǎng)度是指彈簧的鋼板在平直狀態(tài)下除去兩側(cè)卷耳的距離。由于鋼板彈簧易磨損，通?？梢栽黾愉摪鍙椈傻拈L(zhǎng)度來(lái)降低彈簧的應(yīng)力，增加鋼板彈簧的使用周期;同時(shí)還可以提高汽車行駛平順性。由于后懸架布置空間有限制，鋼板彈簧也不宜過(guò)長(zhǎng)。原則上，在不影響鋼板彈簧布置的情況下，鋼板彈簧可以適當(dāng)取得較長(zhǎng)。一般情況下乘用車上鋼板彈簧的長(zhǎng)度等于軸距的0.40-0.55倍，即：乘用車L=（0.40-0.55）軸距，這里選取后懸架的鋼板彈簧長(zhǎng)度為L(zhǎng)=1195.7mm。

根據(jù)截面簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算鋼板彈簧的剛度和強(qiáng)度，但是要使用撓度增大系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。因此，可根據(jù)修正后的簡(jiǎn)支梁公式得到總慣性矩J0。確定鋼板彈簧總截面系數(shù)和鋼板彈簧的平均厚度，初選鋼板彈簧的片厚h=6mm，鋼板采用相同厚度。通常車輛在6-10片之間選取[4]，由于本次設(shè)計(jì)的車型為小型車，因此本次設(shè)計(jì)選取鋼板彈簧的片數(shù)為6片。

因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)存在一片與主片等長(zhǎng)的重疊片，所以就從B點(diǎn)到最后一個(gè)重疊片的上端斷點(diǎn)連成直線，這條直線和彈簧片上端的焦點(diǎn)就是各片長(zhǎng)。計(jì)算出結(jié)果后需要將各片的實(shí)際長(zhǎng)度圓整然后確定，各長(zhǎng)度見(jiàn)表2。

鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端（不包括卷耳孔半徑）連線間的最大高度差為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H0=163mm。鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同，裝配后各片會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其值確定了各鋼板簧片自由狀態(tài)下的曲率半徑和弧高。根據(jù)最小勢(shì)能原理，鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢(shì)能總和最小狀態(tài)，鋼板彈簧的總成弧高為296mm。

汽車行駛時(shí)，鋼板彈簧除受垂直載荷外，還承受其他方向的力和力矩及沖擊載荷等的作用，因此，必須對(duì)這些受力工況的極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度，以保證彈簧能可靠的工作，經(jīng)校核鋼板彈簧所受應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

設(shè)計(jì)鋼板彈簧銷時(shí)，要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷時(shí)它受到的擠壓應(yīng)力。用20Cr鋼或20鋼經(jīng)滲碳處理或用45鋼經(jīng)高頻淬火后，許用應(yīng)力小于7-9MPa，所以鋼板彈簧銷寬在9.6～12.4之間取，初選10mm。

3.3 減振器的確定

減振器根據(jù)結(jié)構(gòu)模式可以劃分成兩種：搖臂式和筒式。筒式減振器有四大主要優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、工作可靠和能夠大批量生產(chǎn)，所以本設(shè)計(jì)選擇筒式減振器。

汽車懸架有阻尼以后，簧上質(zhì)量的振動(dòng)是周期衰減振動(dòng)，用相對(duì)阻尼系數(shù)ψ的大小來(lái)評(píng)定振動(dòng)衰減的快慢程度，選取ψ值時(shí)，在顛簸的路面上行駛時(shí)的沖擊力會(huì)由于ψ的取值過(guò)大而沒(méi)有辦法有效的衰減其沖擊力。反之則會(huì)使其衰減沖擊力的速度變慢，不利于行駛。當(dāng)ψ取0.25-0.5時(shí)，需要使該懸架的彈性元件之間的摩擦力較小甚至無(wú)限趨近于零，相反則可以使相對(duì)阻尼系數(shù)的取值相對(duì)較小。因此該懸架選取ψ=0.3，從而確定減振器阻尼系數(shù)8.7。

為減小傳到車身上的沖擊力，當(dāng)減振器活塞振動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，減振器打開(kāi)卸荷閥，此時(shí)的活塞速度稱為卸荷速度。由卸荷速度確定最大卸荷力為2.28kN。最后，根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑為29mm，減振器的工作缸直徑 有20mm、30mm、40mm等幾種，最終選擇工作缸直徑為30mm。壁厚取為2mm，材料可選20鋼，從而確定貯油筒直徑為45mm。

根據(jù)計(jì)算得到的部件尺寸，包括六片鋼板彈簧、減振器、U形螺栓和下夾板等，使用CATIA繪制懸架模型如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)對(duì)兩座電動(dòng)汽車后懸架的進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)滿足要求的后懸架系統(tǒng)。在經(jīng)過(guò)對(duì)比分析后確定兩座電動(dòng)汽車后懸架使用整體橋式非獨(dú)立懸架。在確定懸架的選型后，對(duì)懸架的主要零件的參數(shù)如鋼板彈簧、減振器、卷耳等進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后利用CATIA繪制完成汽車后懸架模型。

基金項(xiàng)目：南通理工學(xué)院科研反哺教學(xué)（校企合作教學(xué)案例開(kāi)發(fā)）項(xiàng)目（2020XQFBJX06）。

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