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1、第1章 绪 论1.1课题的背景和意义 目前，矿用防爆车是矿藏开采行业迫切需要的生产设备之一，国内大型矿藏井下运输车辆(包括人员运送车、货运车辆)主要为4x2防爆车辆，还有3000辆以上非防爆车辆。从2008年4月起，国家安全监督局己下文明令禁止井下使用非防爆车辆。由于井下道路状况较差，形同越野路面，矿用越野防爆车对于提高井下劳动效率，改善工人的劳动条件和减轻劳动强度显得尤为重要。我国目前尚未有此类产品，在用矿用越野车均为进口产品，因此设计该款车在替代进口，结束国外公司的垄断，研发具有自主知识产权的矿用越野车等方面具有重要的意义。国内矿用井下越野车辆基本为澳大利亚的SMV及德国的PAUS垄断，购
2、买和维护费用高昂，制约其大量推广使用，自主开发一款适合中国国情的，具有自主知识产权的矿用越野车显得迫在眉睫。本论文研究的特种防爆矿用越野车国产化程度高，无论在购买成本和使用成本等方面都将大大低于进口产品，设计针对性较强，在性能上将更加适应我国井下作业，针对井下作业车这一细分市场其前景非常看好。虽然国内学者对普通汽车悬架的设计己经进行了大量的研究工作，如多连杆独立悬架、双横臂独立悬架等。但对一些特种车辆的悬架设计研究很少，如该矿用作业越野防爆车的多连杆非独立悬架。如果把普通汽车的悬架设计经验套加在此特种汽车悬架设计的研究上，是不合适的。因此，有必要将其作为特殊对象来加以研究。该特种矿用作业车是应
3、我国某矿生产现场人员的强烈要求，为提高工作效率、减少安全事故专门开发的4x4防爆车辆。1.2国内外研究现状 在国外，汽车悬架运动学的研究起步较早，几乎是随着独立悬架的诞生就开始了，而汽车悬架弹性运动学的研究是在上世纪80年代兴起的。德耶尔森.赖姆帕尔著的汽车底盘基础对车轮定位参数做了准确的定义，着重分析了车桥运动学和弹性运动学时轴距、轮距、侧倾轴线和前轮定位参数的变化对悬架性能的影响以及对整车操纵稳定性的影响。阿达姆措莫托著的汽车行驶性能和安培正人著的汽车的运动与操纵介绍了悬架运动学对汽车行驶性能的影响，并对悬架弹性运动学对汽车操纵稳定性的影响进行了较为系统的分析。德国Wolfgang Mat
4、schinsky编写的车辆悬架从悬架的理论建模、橡胶支撑的模型出发对悬架弹性运动学特性的理论分析作了较为深入的研究。在悬架运动学分析中，将悬架简化成多连杆机构，用图解法来分析轮胎的跳动所引起的悬架变形;在悬架弹性运动学分析中，则对悬架模型作了受力分析，推导出变形与力的关系，并将橡胶衬套铰接的处理简化成三根两两垂直的弹簧。在国内，近几十年来才逐步开展对汽车悬架运动学的研究。中国工程院院士郭孔辉所著汽车操纵稳定性对悬架运动学作了最为系统的分析，并且在国内首次提出了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学。吉林大学的林逸教授等人在90年代也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元件的基本性能，着重分析了独立
5、悬架中橡胶元件对汽车操纵稳定性的和平顺性的影响，并提出了处理弹性运动学问题的一般思路和方法。吉林大学工学博士杨树凯发表博士论文橡胶衬套对悬架弹性运动与整车转向特性影响的研究，重点分析了影响悬架弹性运动的因素及本质原因(橡胶衬套变形)。在分析悬架橡胶衬套工况特点和传统衬套模型不足的基础上，基于有限元与模态综合理论建立了面向结构的橡胶衬套柔性体模型，并进行了试验研究。1.3课题研究的目的和内容矿用越野车在我国应用较广，其中悬架是矿用越野车的的主要部件，其设计的成功与否决定着车辆的行驶平顺性和操纵稳定性、舒适性等多方面的设计要求。设计出结构简单、工作可靠、造价低廉的悬架系统，能大大降低整车生产的总成
6、本，推动汽车经济的发展。所以本题设计一款结构优良的矿用越野车悬架系统具有一定的实际意义。本课题主要研究内容包括:(l)悬架系统的总体方案设计，它包括对悬架系统结构形式设计和系统各零部件的总体布置设计。(2)悬架系统的弹簧元件性能设计和导向机构布置设计，根据整车总体布置方案对平顺性提出的要求确定悬架系统弹性元件的刚度;根据行驶路面的状况来确定悬架系统的动挠度;根据整车行驶的姿态和要求来确定弹性元件的自由长度等;根据悬架导向机构设计要求确定导向机构布置参数;根据悬架总体布置方案来确定悬架导向机构在汽车纵向平面、横向平面以及水平面内布置方案。第2章 悬架结构形式的设计及主要参数的确定2.1悬架的概论
7、悬架的形式根据其是用于可转向的前桥，还是后桥，是用于驱动桥，还是非驱动桥而有所不同。按照导向机构的形式不同，悬架基本上可以分为非独立悬架和独立悬架两大类。属于后者的有双横臂式悬架、麦弗逊式悬架、纵臂式悬架以及斜置单臂式悬架等。在所有非独立悬架中，车桥在整个弹簧行程范围内运动，为此必须提供车桥上方的空间。对于后桥来说，这就要减小行李箱空间，并使备胎布置困难;而对于前桥来说，车桥要布置在发动机下方，为了获得足够的弹簧压缩行程，即不可避免地要抬高发动机或者是把它后移。由于这个原因，非独立悬架用于前桥常常是在载货汽车以及全轮驱动的多用途轿车中汽车悬架包括弹性元件，减振器和传力装置等三部分，这三部分分别
8、起缓冲，减振和力的传递作用。从轿车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但由于本身没有摩擦而没有减振作用。减振器指液力减振器，是为了加速衰减车身的振动，它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。传力装置是指车架的上下摆臂等叉形刚架、转向节等元件，用来传递纵向力，侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。2.2独立悬架和非独立悬架的特点双横臂独立悬架的特点是在汽车的每一侧均有两根横臂，横臂外端通过球铰与转向节轴连接。两横臂可使车轮的上下跳动符合所需的运动学特性，并由横臂传力给车身。但是侧向力会产生
9、一个附加力矩，使得曲线行驶时汽车车身的侧倾度增大，这是一个缺点。摆臂需用支座支承，这些支座会在载荷下变形，并影响悬架刚度；由于支座中的橡胶件的扭转使得刚度增大，或是由于部件之间的相互滑动增大了摩擦。因此，要尽可能的减小曲线行驶时车身的侧倾。通过采用较硬的弹簧，附加横向稳定杆或是增大侧倾中心的高度可以达到这一目的。不等臂双横臂上臂比下臂短。当汽车车轮上下运动时，上臂比下臂运动弧度小。这将使轮胎上部轻微地内外移动，而底部影响很小。这种结构有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性，如图2.1所示。 图2.1 双横臂式独立悬架示意图非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根刚性整体式车桥相连，车轮
10、连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架的下面。其主要优点是:(l)结构简单，制造容易，维修方便，工作可靠;(2)车轮同向跳动时，轮距、前束和外倾角没有变化，从而使得轮胎磨损小和具有良好的转向安全性;(3)弯道行驶时车身侧倾后也没有车轮外倾角变化(忽略车轴的弹性变形)，即可保持轮胎传递侧向力的能力不变;(4)侧向力产生的力矩通过一根可布置在合适高度的横臂来承受，并由此影响侧向力引起的不足转向或过多转向性能。其主要缺点是:(1)纵向板簧式非独立悬架由于其纵向长度的限制，使之刚度较大，影响平顺性;簧下质量大;(2)在不平路面上行驶时，左、右车轮相互影响，并使车轴(桥)和车身侧斜;(3)当两侧车轮不同步跳
11、动时，车轮会左、右摇摆，影响汽车操纵稳定性;(4)前轮跳动时，悬架容易与转向传动机构产生运动干涉;(5)当汽车直线行驶在凹凸不平的路段上时，由于左右两侧车轮反向跳动，或者一侧车轮跳动时，会产生轴转向特性，影响操纵稳定性。2.3前后悬架方案的选择本设计参考车型为SMV矿用越野车的技术参数，参数如下 表2.1 SMV矿用越野车参数总长x总宽x总高(mm)5500x1800x2100轴距(mm)3300整车整备质量(kg)4700满载质量(kg)7800空载前桥轴荷(kg)2320满载前桥轴荷(kg)2380空载后桥轴荷(kg)2380满载后拼轴荷(kg)5420车轮外倾() 1主销内倾()8前轮距
12、(mm)1575后轮距(mm)1575 最高车速(kmh) 50 满载质心高(mm) 1000图2.2 SMV外形图由于矿井下的路面环境恶劣，为了提高驾驶员的舒适性，前悬架采用上下不等长的双横臂独立悬架。如图2.3所示。后悬架的轴载荷比较大，采用钢板弹簧的非独立悬架。图2.3双横臂独立悬架2.4悬架主要参数的确定 1.前后悬架的静挠度悬架静挠度fc是指汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度k之比，即 fc=Fwk汽车前、后悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。因现代汽车的质量分配系数近似等于1，于是汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。且汽车前
13、、后部分车身的固有频率(也称偏频)n1和n2可用下式表示: =; = (2.1) 用途不同的汽车，对平顺性要求亦不同。以运送人为主的乘用车，对平顺性的要求最高，客车次之，货车更次之。货车满载时，前悬架偏频要求在1.502.10Hz，而后悬架则要求在1.702.17Hz。选定偏频以后便可以计算悬架的静挠度，且希望前、后悬架的静挠度接近的同时，后悬架的静挠度比前悬架的静挠度小一些，从而有利于防止车身产生较大的纵向角振动。考虑到货车前、后轴荷的差别和驾驶员的乘坐舒适性，取前悬架的静挠度值大于后悬架的静挠度值，推荐 =(0.60.8)。根据整车总体设计要求，取前、后悬偏频 =l.75Hz， =2Hz。
14、将偏频代入上述公式，即可算得该车前悬静挠度=8.16cm，取静挠度值为82mm;后悬静挠度=6.25cln，取静挠度值为63mm。 2.前后悬架的动挠度悬架的动挠度是指从满载静止平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形时，车轮中心相对车架的垂直位移。要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块对乘用车取58cm，对货车取69cm。本设计取80mm。 3.前后悬架的弹性特性悬架受到的垂直外力F与由此引起的车轮中心相对于车身位移f（即悬架的变形）的关系曲线，称为悬架的弹性特性。其切线的斜率是悬架的刚度。本文所选螺旋弹簧为线性螺旋簧，在动挠度行程内，其弹簧刚度为线性。 4.前后悬
15、架的侧倾刚度及其在前后悬架的分配悬架侧倾角刚度是指簧上质量产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。侧倾角过大或过小都不好。一般要求，当汽车弯道行驶时，在0.4g的侧向加速度作用下，货车车身侧倾角不超过67，轿车的车身侧倾角在2.54。前、后悬架侧倾角刚度的分配会影响前、后轮的侧偏角的大小，从而影响车辆的操纵稳定性。为满足汽车稍有不足转向特性要求，汽车在曲线行驶中，一般应使前轴的轮胎侧偏角略大于后轴的轮胎侧偏角。为此，应使前悬架具有的侧倾角刚度略大于后悬架的侧倾角刚度。另外，汽车设计上常常采用较硬的弹簧，附加横向稳定杆或增大侧倾中心的高度，减小曲线行驶时车身的侧倾。因整车布置的原因，后轴轴荷较大，必须布置大刚度后悬弹簧，因此引起后悬侧倾角刚度过大，造成前后悬侧倾角刚度失配。由于悬架的侧倾角刚度同时受悬架导向机构结构参数、刚度参数和弹性元件刚度、簧距的影响，所以可以通过设计合理的导向机构来避免前、后悬架侧倾角刚度比例不合理。本文所研究的特种车后悬导向结构采用独特的交叉纵臂结构，当车身倾斜时，不提供附加侧倾刚度;前悬导向结构
