工程师论文-板簧运动规律及设计应用

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1、2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂姓姓 名：名： 卢佳卢佳 论论 文文 题题 目：目：板簧运动规律及设计工作中的应用板簧运动规律及设计工作中的应用现专业技术资格：现专业技术资格： 助理工程师助理工程师 申报评定资格：申报评定资格： 工程师工程师 单单 位及部位及部 门：门： 一汽解放青岛汽车厂研发部一汽解放青岛汽车厂研发部 现专业及岗位：现专业及岗位： 行走系设计行走系设计 产品设计师产品设计师 联联 系系 方方 式：式： 直线经理阅读论文后的评语（主要从创新能力、学术观点和实用价值等方面做出评语）：该文阐述的板簧运动规律及应用，在设计中极该文阐述的板簧运动规律及应用，在设计中极具实用价

2、值，是卡车底盘设计中不可缺少的理论工具实用价值，是卡车底盘设计中不可缺少的理论工具。作者通过理论学习，结合实际经验，应用到了具。作者通过理论学习，结合实际经验，应用到了汽车的操纵稳定性、悬架系统的结构设计工作中，汽车的操纵稳定性、悬架系统的结构设计工作中，为研究后倾角、转向和悬挂的干涉等问题提供了基为研究后倾角、转向和悬挂的干涉等问题提供了基础。础。 签字：签字：年年 月月 日日2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂年年 月月 日日板簧运动规律及设计工作中的应用卢卢 佳佳（一汽解放青岛汽车厂研发部行走室）个人简介：卢佳，2005 年毕业于吉林大学车辆工程专业，现任一汽解放青岛汽车厂研发部 产

3、品设计师，主要负责 J5M 系列车型悬挂和转向系统设计工作。本文中所讨论的板簧运动，是基于板簧变形后仍是理想的圆弧形，且假设板簧上表 面的弧长是不变的。该假设的验证，在参考文献变截面少片簧的变形规律不符合此假设， 因此不适用。1.自由状态下的中心点轨迹以上卷耳为例来推导。图 1 中的板簧曲线代表板簧第一片的中心线图 1 如图所示，以板簧前端卷耳中心为坐标原点建立坐标系 X-Z，以两卷耳中心连线作 为 X轴。参数说明如下： L：板簧作用长度的一半 R：板簧曲率半径 r:：板簧卷耳内径 ：板簧张角,：板簧中点坐标 0X 0Z,：后端卷耳中心坐标 2X 2Z由上图中的几何关系可得：式 1sin)(

4、0rRX2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂式 2cos)cos1 ( 0rRZ式 3LR 将式 3 代入式 1 和式 2 可得式 4sin)( 0rLX式 5cos)cos1 ( 0rLZ由于板簧曲率 R 较大，因此张角一般较小，可取其二阶近似21cos2这种近似在0.65 弧度时误差小 1%，作者工作中遇到的板簧一般小于 0.3因此可得 222 0rrLZ由于较小，因此可以忽略，因此可得：22r式 6LrZ)(2 0联立式 4 和式 6，则可得到中心板簧中心点的轨迹方程：)(2sin()( 0 0LrZrLX以上推导过程是以上卷耳板簧为例来推导的，对于平卷耳，r 取 0 代入即可。2.

5、车辆坐标系下的中心点轨迹以上讨论实际是板簧弧高与卷耳中心距的关系，以及自由状态下板簧中心点的轨迹方 程。如果想将此轨迹应用到拉杆与板簧运动的干涉校核中，还是不够，还需要研究在装配 到整车状态下的规律。 1）板簧上表面中心点轨迹2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂图 2如图所示，仍以板簧前支架销中心为原点，X 轴与整车 X 轴平行建立 X-Z 坐标系。为了表述方便，X-Z坐标系仍然保留（所有在此坐标系下的坐标值，均有“”加以标记） 。,：板簧第一片上表面中点坐标0X0Z,：吊环支架销中心坐标1X1Z,：后端卷耳中心坐标2X2ZS：板簧前支架和吊环支架销的直线距离 K：吊环长度由余弦定理可以求

6、得角)2( 222 22SXKXSarc显然，当板簧支架确定后，角就是一个确定值，由此就可以求得坐标系 X-Z 和 X-Z原点相同，X-Z 是在 X-Z基础上将坐标系逆时针旋转后得到， 所以有式 7sincosZXX式 8sincosXZZ将式 4、式 5 分别代入上两式，可以得到 X-Y 坐标系下的板簧上表面中点坐标式 9sincos)cos1 (cossin)(0rLrLX式 10sinsin)(coscos)cos1 (0rLrLZ以上两式就是以为参变量的（,）参数方程。0X0Z为了方便工程中的实际使用，将式 6 与上两式联立，这样就可以求得任意板簧弧高下2011 年工程师职称评审论文青

7、岛汽车厂的板簧中心点坐标。 下图示 J5M6X2 牵引车匹配少片簧时，板簧中心点轨迹曲线轮心运动-200-150-100-50050725730735740745750755760少片1桥 少片2桥3.设计工作中的应用1）吊环后摆角按照式 7、式 8，可由（,）可以求出（,） 。 2X 2Z2X2Z参看图 1，吊环后摆角)tan(1212 ZZXXa下图示 J5M6X2 牵引车匹配少片簧时，吊环摆角随板簧弧高的变化曲线-10-505101520253050-42-34-26-18-10-261422303846546270788694102110118126134142150少片1桥 少片二桥

8、从图中可以看出，对于上卷耳的板簧，吊环后摆角的最大值，并非出现在板簧压平状 态，而是略微反弓的时候，两者相差接近 1 度。 2）主销后倾角2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂图 3如图 3 所示，图中 X-Z，X-Z的定义同前。过板簧中点做轴的垂线，与地面交与X点，与、轴分别交与点 E、F。过点 O，分别做地面和的垂线 OD、OC。OXXX：前倾角 ：主销后倾角由于，可知AODACOCOD由于，可知OCEBFE COE 所以主销后倾角为式 11 下图是 J5M6X2 牵引车匹配少片簧时，板簧与车架夹角随板簧弧高的变化板簧与车架夹角00.511.522.550-42-34-26-18-10-

9、261422303846546270788694102110118126134142150少片1桥 少片二桥6X2 车型，由于主辅簧结构的影响，空载和满载的整车前倾角变化较大，以我厂牵引 车为例，空载比满载大 1 度左右。为了使主销后倾角更为合理，由式 11 可知，应随着 弧高的增加而增加。而 6X4 车型，空载和满载状态下的前倾角基本相当，因此在设计该类 车型时，应使变化尽量小。因此目前设计的 J5M6X4 少片牵引车比 6X2 少片簧牵引车板 簧支架销的距离稍长，这样后倾角变化较小。2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂3）在 CAD 中绘出轮心轨迹 导出板簧中心点的参数方程后，同样可以

10、经过坐标平移，来得到轮心的规矩曲线。可 以在 EXCEL 中以板簧弧高为输入变量，求出轮心点的 X 和 Y 值。然后在 EXCEL 中使用 函数“A1&”,” &B1” ，A1、B1 分别为 X 和 Y 值的单元格，就可以得到（X，Y）格式的坐 标数据。 复制坐标数据，打开 CAD，输入命令“pline”,然后粘贴，就可以绘出轨迹线。 4）悬架与转向的干涉、减震器行程校核 悬架与转向纵拉杆的干涉，可以按照汽车设计上介绍的方法校核，但是这种方法不够 精确，是二维的校核，且不好量化。有了板簧中心的运动轨迹后，就可以方便的校核悬架 的干涉量。设转向节上臂球头中心 A 在 X-Y-Z坐标系下的坐标为)

11、,( AAAZYX由式 7、式 8 坐标变换，可以得到点在 X-Y-Z 坐标系下的坐标),( 3 3 3ZYX),(AAAZYX设汽车在直线行驶位置时转向垂臂球头中心 B 在 X-Y-Z 坐标系下的坐标为。 （Y、Y 平面与整车 Y 轴垂直，且通过板簧中心螺栓轴线）),(BBBZYX那么点 A、B 间的距离222)()()(BABABAZZYYXXD设纵拉杆两球头中心长度为 L，运动干涉量为，那么 LD 如果将 A、B 两点设定为减震器的上下连接点的坐标，那么就可以得到任意弧高时， 减震器拉伸和压缩行程的余量。 下图为我厂拉煤王车型调整前板簧的三种方案，纵拉杆与悬挂干涉量的对比。-10-8-6

12、-4-20246-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150加强簧 原簧加50垫 原簧下图是拉煤王的减震器余量随板簧弧高的变化曲线2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂减震器余量（拉杆计算时无视此图）（图线在0线以上则距离在减震器范围内）-50050100150200250300-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110120130140150弧高（含卷耳半径）实际长度-理论距离伸张余量 压缩余量下图是拉煤王减震器

13、在三个平面上投影的的角度随弧高变化曲线在各平面的投影角度02468101214-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110120130140150弧高（含卷耳半径）角度X平面投影角度 Y平面投影角度 Z平面投影角度控制减震器在整个板簧行程中的角度变化，有助于减少橡胶衬套早期损坏的可能性。4在 PRO/E 中建立板簧的曲线方程为了便于在 PRO/E 中绘制板簧，需要推导出板簧的轨迹方程。在 PRO/E 中，利用 “基准曲线功能” ，可以将 X，Y，Z 的关于 t 的参数方程转化为二维或者三维曲线， 其中 t 是从 0 逐渐到 1 的一个参数。

14、 1）主簧 如果图 1 中的坐标系原点是在圆心处，则很容易可以得到板簧曲线的参数方程： trRX2sin)(trRY2cos)(以此参数方程为基础，将其进行坐标变换，即可得到坐标原点位于前支架销处的参数 方程： 02sin)(XtrRX)(2cos)( 0YRtrRY2011 年工程师职称评审论文青岛汽车厂将式 1、式 2 代入以上两式，即可得到主簧的参数方程。在此不再详细列出。 2）副簧和平衡悬挂如图所示建立坐标系。参数含义如下：D：副簧作用长度 H：副簧弧高 R：板簧曲率半径 L：副簧主片伸直长度的一半 ：板簧张角 显然有222)(RRYX且（是圆上一点，因此可得到),2HDHHDR4222由式 3 可以得到2224 HDHL 将（X，Y）描述成以 t 为参数的方程： tRX2sinRtRY2cos有了以上的参数方程，就可以构建主簧、副簧、平衡悬挂的骨架模型，方便的实现 弧高变化，便于结构分析。