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貨車懸架系統的設計

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更新時間：2018-03-25
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文獻綜述
懸架是現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；緩和路面傳給車架（或車身）的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統的振動，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，保證汽車的操縱穩定性，使汽車獲得高速行駛能力[1]。由于懸架系統的結構在不斷改進，其性能及控制技術也得到了迅速提高。雖然一百多年來汽車懸架從結構形式到作用原理一直在不斷地演變，但從結構功能而言，它都是由彈性元件、減振裝置和導向機構三部分組成。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向機構的作用，麥克弗遜懸架中的減振器柱兼起減振器及部分導向機構的作用，有些主動懸架中的作動器則具有彈性元件、減振器和部分導向機構的功能。其作用是傳遞路面作用在車輪和車架上的支承力、牽引力、制動力和側向反力以及這些力所產生的力矩，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，抑制車輪的不規則振動，提高車輛平順性(乘坐舒適性)和安全性(操縱穩定性)，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量的不同而差異很大，所以貨車后懸架常采用并聯主、副簧，即：雙級鋼板彈簧來實現變剛度。當汽車空載或實際裝載質量不大時，副簧不承受載荷，只有主簧單獨工作；當重載或滿載情況下，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，懸架系統是現代汽車最重要的總成之一，是汽車保證操縱穩定性、平順性和舒適性的最重要部件。所以，懸架的設計是整個汽車設計最重要的環節之一。

1.汽車懸架的發展
在馬車出現的時候，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年世界上出現了第一個由螺旋彈簧組成的被動懸架。被動懸架的參數根據經驗或優化設計的方法確定，在行駛過程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應各種復雜路況，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節的方法，雖然有一定成效，但無法根除被動懸架的弊端。被動懸架主要應用于中低檔轎車上，現代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩定桿的麥弗遜式懸架，后懸架的選擇較多，主要有復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。半主動懸架產生力的方式與被動懸架相似，但其阻尼或剛度系數可根據運行狀態調整，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“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汽車行駛的路面條件和行駛狀態，對懸架的阻尼在幾毫秒內由最小到最大進行無級調節。由于半主動懸架結構較簡單，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，具有廣闊的發展空間。
隨著道路交通的不斷發展，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，為此人們開發了能兼顧舒適和操縱穩定的主動懸架。主動懸架的概念是1954年美國通用汽車公司在懸架設計中率先提出來的。它在被動懸架的基礎上，增加可調節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。控制裝置通常由測量系統、反饋控制系統、能源系統組成。20世紀80年代，世界各大著名的汽車公司和生產廠家競相研制和開發這種懸架。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，輪胎的噪音小，轉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構復雜、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。在西方發達國家，半主動懸架在20世紀80年代后期趨于成熟，福特公司和日產公司首先在轎車上應用，取得了較好的效果。主動懸架雖然提出較早，但由于控制復雜，并且牽涉到許多學科，一直很難有大的突破。進入20世紀90年代，仍僅應用于排氣量大的豪華汽車[4]。
2.懸架系統的結構與分析
車架與車輪通過汽車前后懸架進疔彈性聯接，來降低汽車高速運動對應各種路況產生的緩沖與震動，前后懸架由各類型彈簧、液壓臂筒、輕質金屬支撐桿件構成，利用多種機械構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力，綜上所述的力疊加產生的力矩，使汽車在疔駛中保持平順，在行駛途中轉向時，車輪基于車架跳動，貨車輪轂的行駛軌跡必須按照設計要求行進，所以貨車懸掛規導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計提出了較難達到的完美規范，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”和普通速度就會產生的過彎嚴重側傾，會嚴重影響貨車的轉向。現在貨車疔駛姿態被動的由貨車前后懸掛的減振器、彈性元件、導向機構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，未來普及應用的貨車主動懸架可以主動控制貨車疔駛中的車身姿態和控制垂直振動，智能化的根據貨車自身工況和實時路況進疔前后懸架剛度的自動調整[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構。非獨立懸架的結構特點是兩側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。非獨立懸架具有結構簡單、成本低、強度高、保養容易、行車中前輪定位變化小的優點，但由于其舒適性及操縱穩定性都較差，在現代轎車中基本上已不再使用，多用...

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