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　　關(guān)鍵詞：車橋;懸架;板簧;滿載弧高;動(dòng)載下跳動(dòng)極限弧高;動(dòng)載上跳動(dòng)極限弧高;動(dòng)撓度;靜撓度;參數(shù)可調(diào)。

　　The design and application of Pro/Engineer based on the parallel leaf spring suspension arrangement

　　Cai Zhi Rui，Wang Zhen， Liu Su，Liu Yu

　　(Yangtse Motor Group Co.,Ltd, Wuhan 430040)

　　Abstract: Describes the use of Pro / engineer software to establish bus leaf spring suspension arrangement method and motion state analysis function, through axles, wheels and the leaf spring arc height and length of main structure parameters to confirm suspension system of each motion component assembly position, the steel plate spring kinematic interference checking, and the vehicle configuration interaction between the deployment of association.

　　Key words: axle;suspension bridge;leaf spring ;full arc height;the dynamic load limit camber; the dynamic load on the ultimate beating camber;dynamic deflection;static deflection; adjustable parameters

　　在客車底盤(pán)總體方案預(yù)布置設(shè)計(jì)中，常包含這幾個(gè)方面：懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及車架和附件等布置設(shè)計(jì);懸架布置是其中非常重要的一環(huán)，其與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等相關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)件匹配是否理，將直接影響車輛總體參數(shù)及車輛使用性能[1~3]。板簧式懸架[4]是板簧一端鉸鏈固定，另一端通過(guò)吊耳擺動(dòng)。因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在客車、貨車上得到廣泛的采用;板簧式懸架中各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng), 在總布置中需要確認(rèn)及校核懸架系統(tǒng)滿載、上下跳動(dòng)極限、空載等狀態(tài)、確認(rèn)緩沖塊位置、減振器位置及伸縮行程校核、轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)向校核、轉(zhuǎn)向拉桿校核、吊耳擺動(dòng)角度校核等相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位置及參數(shù)。若在傳統(tǒng)二維圖紙上進(jìn)行布置和參數(shù)調(diào)整和修改會(huì)相當(dāng)繁瑣，只要任何一處沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的修改就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，現(xiàn)借助Pro/E參數(shù)化平臺(tái)，能夠方便迅速且準(zhǔn)確地完成客車板簧式懸架布置設(shè)計(jì)及應(yīng)用，嘗試做到各參數(shù)間能夠在總體方案布置中可調(diào)，同時(shí)又能相互關(guān)聯(lián)，從而降低設(shè)計(jì)工作量、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、增加了總體布置的靈活性、通用性、實(shí)用性。

　　1 客車縱置板簧式懸架參數(shù)的選擇確認(rèn)

　　板簧式懸架設(shè)計(jì)可以大致分為選型設(shè)計(jì)(基本規(guī)格及參數(shù)計(jì)算確認(rèn))和詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段[5]：依據(jù)車輛總體性能參數(shù)的要求，確定懸架的布置方案及主要零部件的選型，計(jì)算出相匹配的板簧懸架系統(tǒng)的參數(shù)，再深入的進(jìn)行具體懸架的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等，建立起虛擬三維數(shù)字懸架模型。

　　1.1 客車縱置板簧式懸架模塊基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu)組成元素：

　　板簧式懸架主要由鋼板彈簧(彈性軟件)、固定架(座耳)、減震器三部分組成，此外還包括如橫向穩(wěn)定桿、緩沖塊等零部件，板簧通常安裝方式是一端鉸鏈固定，另一端通過(guò)吊耳旋轉(zhuǎn)擺動(dòng),懸架中部用兩個(gè)U形螺栓將鋼板彈簧固定在車橋上如圖1a所示：板簧的弧高是隨車輛的載荷和路況變化而變化，但板簧的卷耳直徑、板簧的展平長(zhǎng)度、板簧固定端的位置均是不變的[6]。典型的板簧懸架及轉(zhuǎn)向前橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　(a) 縱置板簧式懸架組成元素

　　(b) 轉(zhuǎn)向前橋的結(jié)構(gòu)圖

　　圖1 縱置板簧式懸架及轉(zhuǎn)向前橋的結(jié)構(gòu)圖

　　1.2 客車前后懸架系統(tǒng)的主要性能參數(shù)的確定

　　在進(jìn)行鋼板彈簧計(jì)算之前，當(dāng)知道下列初始條件：汽車的軸距,滿載靜止時(shí)汽車前、后軸(橋)負(fù)荷M1、 M2，選擇出合適的車橋并計(jì)算出簧下部分重量Mu1、Mu2，并據(jù)此計(jì)算出單個(gè)鋼板彈簧的滿載負(fù)荷Fw1=( M1- Mu1)/2：和Fw2=( M2- Mu2)/2，同時(shí)根據(jù)車輛設(shè)計(jì)的離地高度，以及懸架系統(tǒng)各主要零件的尺寸確定出懸架的靜撓度f(wàn)c、動(dòng)撓度f(wàn)d、板簧的振動(dòng)頻率、剛度、總體的尺寸要求等[6-7]。為了使彈簧總成在車上能很好夾緊，當(dāng)彈簧各片較厚時(shí)，常常是將彈簧各片作成雙曲率形式如圖2所示，由于中間平直段部分不產(chǎn)生弧高，因此計(jì)算彈簧各片弧高時(shí)，彈簧作用長(zhǎng)度應(yīng)減掉壓平部分長(zhǎng)度。板簧的最終斷面寬度和厚度則由供方根據(jù)性能參數(shù)的要求計(jì)算而來(lái)，本文不進(jìn)行深入展開(kāi)闡述，而主要討論如何在Pro/E中進(jìn)行板簧懸架布置，確定板簧的滿載彈簧弧高、板簧的弧長(zhǎng)(鋼板彈簧長(zhǎng)度L)、簧中心距等基本結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，再根據(jù)車輛總布置進(jìn)一步確認(rèn)其它關(guān)聯(lián)構(gòu)件參數(shù)。

　　圖2 鋼板彈簧的雙曲率簧片參數(shù)

　　懸架靜撓度f(wàn)c是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷與此時(shí)懸架剛度c之比，汽車車身前后部分的固有頻率(亦稱偏頻)n1、n2可用下式表達(dá)：

　　式中:c1、c2分別為前后懸架的剛度;m1、m2分別為前后懸架的簧上質(zhì)量。板簧懸架的前后懸架靜撓度f(wàn)c與簧載質(zhì)量和懸架剛度的關(guān)系式為：

　　fc1=m1g/c1 fc2=m2g/c2

　　式中：g為重力加速度，所以，我們可以得到車輛前后懸架靜撓度和固有頻率的關(guān)系式：

　　為防止車身產(chǎn)生過(guò)大的縱向角振動(dòng)，選取前懸架靜撓度時(shí)，希望后懸架靜撓度值fc2小于前懸架靜撓度值fc1;從加速性考慮，若fc2大，則車身振動(dòng)大，希望兩值最好接近，但不相等(防止共振)。

　　一般推薦：fc2=(0.7～0.9) fc1

　　懸架的動(dòng)撓度f(wàn) d 是指從滿載靜平衡位置開(kāi)始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形時(shí)(通常指緩沖塊壓縮1/3)，車輪中心相對(duì)車架(或車身)的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。汽車動(dòng)撓度值與車輛使用情況和靜撓度值有關(guān)：

　　一般推薦：

　　城市公交車輛a=2～2.5,公路用車輛a=2.5～3.5，越野車a=2～2.5

　　在做懸架設(shè)計(jì)時(shí)，我們首先根據(jù)車輛的用途和平順性要求確定前后懸架的偏頻，再根據(jù)公式計(jì)算前后懸架的靜撓度和動(dòng)撓度。參見(jiàn)表1。

　　表1 汽車懸架系統(tǒng)的主要控制參數(shù)

　　車型偏頻n/Hz靜撓度f(wàn)c/mm動(dòng)撓度f(wàn)d/mm

　　貨車1.5～2.250～11060～90

　　乘用車0.9～1.6100～30070～90

　　大客車1.3～1.870～15050～80

　　越野車1.4～2.060～13070～130

　　1.3 鋼板彈簧主要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

　　板簧主要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)是板簧弧長(zhǎng)、弧高尺寸及二卷耳間中心距[8]，其中弧高，卷耳間中心距是隨著車輛載荷大小而變化，根據(jù)載荷及板簧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將弧高分為滿載弧高、動(dòng)載上跳動(dòng)極限弧高、動(dòng)載下跳動(dòng)極限弧高。某一車型板簧弧高與板簧變形量及靜撓度、動(dòng)撓度關(guān)系如圖3所示。

　　圖3 板簧弧高、載荷、動(dòng)靜撓度關(guān)系

　　鋼板彈簧長(zhǎng)度L的確定：鋼板彈簧長(zhǎng)度L是指彈簧展開(kāi)伸直后兩卷耳中心之間的距離。在總布置可能的條件下，鋼板彈簧盡可能取長(zhǎng)些。鋼板彈簧長(zhǎng)度L增加能顯著降低彈簧應(yīng)力，提高使用壽命;降低彈簧剛度，改善汽車平順性;若垂直剛度c給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度，同時(shí)減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形;通常在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長(zhǎng)度：轎車：L=(0.40～0.55)軸距;客貨車前懸架：L= (0.26～0.35)軸距，后懸架：L= (0.35～0.45)軸距。

　　滿載弧高fa： 滿載弧高是指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上，汽車滿載時(shí)鋼板彈簧主片上表面中間處與兩端連線間(不包括卷耳)的最大高度差值。為了在車架高度已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值fd，應(yīng)根據(jù)整車和懸架性能要求給出適當(dāng)值，有的車輛為得到良好的操縱穩(wěn)定性，滿載弧高取負(fù)值，一般取fa=10～30mm。

　　滿載上跳動(dòng)極限弧高fa1：是指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上，當(dāng)鋼板彈簧上平面碰到緩沖塊，并將緩沖塊壓縮1/3處時(shí)，鋼板彈簧主片上表面中間處與兩端連線間的最大高度差值。

　　滿載下跳動(dòng)極限弧高fa2：指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上，當(dāng)懸架懸空時(shí)，板簧在簧下質(zhì)量作用下，板簧下移運(yùn)動(dòng)，板簧主片上表面中間處與兩端連線間的最大高度差值，并可用來(lái)校核減振器的伸張行程。

　　2 縱置板簧式懸架基礎(chǔ)單元三維模塊布置設(shè)計(jì)步驟

　　在客車板簧式懸架三維模塊建立前，需在車輛總裝配三維模式環(huán)境下，按照Pro/E的Top-down Design( 自頂向下設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)模式[9-11]，建立起整車總布置骨架模型(Wg6100xxx.skel)，在總布置骨架模型中建立起前、后懸架的基本可調(diào)式的參數(shù)：如軸距(確定后橋位置)、滿載車輪大小(離地高度)、轉(zhuǎn)向橋四輪定位參數(shù)及板簧中心距、主銷中心距、落差及板簧座上平面位置尺寸、轉(zhuǎn)向拉桿鉸鏈處上平面位置等;后橋板簧中心距、板簧座上平面尺寸及傳動(dòng)軸聯(lián)結(jié)法欄端面位置;發(fā)動(dòng)機(jī)安裝縱向傾角等。具體三維總布置中參數(shù)構(gòu)建步驟如下：

　　1.首先在Pro/E操作環(huán)境中，打開(kāi)整車總布置骨架模型，參照如圖4(a)所示的車橋(以前轉(zhuǎn)向橋?yàn)槔?，將四輪定位參數(shù)(主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角、及前束)，車橋上安裝關(guān)聯(lián)構(gòu)件處相聯(lián)的特征位置(如板簧中心距、主銷中心距、落差及板簧座上平面、轉(zhuǎn)向拉桿鉸鏈上平面)構(gòu)建出具體的三維總布置骨架模型如圖(4b)所示。因車橋結(jié)構(gòu)元素相同，上述參數(shù)的數(shù)值因不同的車型要求選擇可以不同，因此在具體的車型總布置中可根據(jù)不同的車橋參數(shù)可實(shí)施具體的調(diào)整。

　　(a)轉(zhuǎn)向橋主要參數(shù)構(gòu)件位置

　　(b) 轉(zhuǎn)向橋主要參數(shù)三維布置

　　圖4 轉(zhuǎn)向橋主要特征參數(shù)

　　2.在Y-0平面,依據(jù)輪胎中心軸線和前橋主銷后傾角(后橋則是發(fā)動(dòng)機(jī)安裝縱向傾角)，確認(rèn)垂直于車橋板簧座中心位置設(shè)為板簧中心軸線：再設(shè)置板簧中間平直線段，平行于車橋板簧座上平面，其距離則是第一根主簧上平面與車橋板簧座上平面落差高度，再在平直線段二側(cè)建立起等曲率的雙曲線，保證板簧總展開(kāi)長(zhǎng)度不變下，建立起由弧高控制板簧中心距關(guān)系方程，軟件將自動(dòng)計(jì)算并確定出板簧卷耳中心A、B二點(diǎn)位置，從而構(gòu)建出鋼板彈簧第一片結(jié)構(gòu)特征線，其構(gòu)建圖形及建立的關(guān)系式如圖5所示。因總布置方案是以滿載狀態(tài)進(jìn)行的懸架布置，因此A點(diǎn)即為板簧卷耳前固定架(座耳)固定銷孔中心，B點(diǎn)即為板簧卷耳后吊耳下聯(lián)結(jié)點(diǎn)銷孔中心。

　　圖5 鋼板彈簧滿載(靜撓度)的參數(shù)關(guān)系

　　3.確定鋼板后固定座中心點(diǎn)C位置，上述步驟2繪制的鋼板彈簧第一片結(jié)構(gòu)特征曲線，以后板簧卷耳中心B為端點(diǎn)，給出吊耳的長(zhǎng)度即為后板簧吊耳擺動(dòng)半徑，角度按照滿載吊耳狀態(tài)確定，初始設(shè)定一個(gè)值(可調(diào))，則另一端點(diǎn)C即為后固定架(座耳)與吊耳進(jìn)行鉸鏈聯(lián)結(jié)的中心點(diǎn)位置，并以C點(diǎn)為圓心，以BC長(zhǎng)(吊耳長(zhǎng))為半徑畫(huà)弧，從而確認(rèn)了鋼板彈簧后吊耳前后擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡線如圖6所示。

　　圖6 鋼板彈簧的后吊耳位置確定

　　4.上下跳動(dòng)極限位置校核，依據(jù)已確認(rèn)的鋼板彈簧座耳A、C點(diǎn)及吊耳前后擺動(dòng)圓弧，按照上述步驟2的建模方法及關(guān)系式建立起板簧動(dòng)載上跳動(dòng)極限弧線、下跳動(dòng)極限弧線如圖7所示。此二條弧線定出懸架上下跳動(dòng)量，動(dòng)載上跳動(dòng)極限曲線中間點(diǎn)(本處是緩沖塊壓縮了1/3處)確認(rèn)出緩沖塊位置，從而確認(rèn)校核緩沖快位置和伸縮量。減振器上聯(lián)結(jié)點(diǎn)同車架聯(lián)結(jié)，其下聯(lián)結(jié)點(diǎn)與車轎聯(lián)結(jié)，并同車橋一樣隨板簧上下一起同步跳動(dòng)，因此可根據(jù)板簧上下二條弧線定的跳動(dòng)量來(lái)確認(rèn)及校核減振器伸縮行程是否合適，驗(yàn)證板簧滿載狀態(tài)、上下跳動(dòng)極限狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的板簧吊耳角度布置取值是否合理。吊耳擺角盡量避免負(fù)值的前提下，擺角越小越好，空載時(shí)擺角10-15°為宜，滿載時(shí)擺角14-30°為宜。如果角度不理想，修改上述步驟3中滿載時(shí)的吊耳擺角或者吊耳長(zhǎng)度;同樣的方法在后懸架布置中，后懸架與后橋傳動(dòng)軸聯(lián)結(jié)端面與板簧一起隨車載荷上下一起跳動(dòng)，因此也能確認(rèn)及校核傳動(dòng)軸伸縮范圍及萬(wàn)向節(jié)的夾角是否合適。

　　圖7 鋼板彈簧動(dòng)載上下極限曲線及吊耳擺角校核

　　5.轉(zhuǎn)向車輪及縱向直拉桿布置校核，在總體骨架模型中，按步驟1已建好了車橋上安裝關(guān)聯(lián)構(gòu)件處相聯(lián)的特征位置，現(xiàn)以轉(zhuǎn)向節(jié)軸線作為旋轉(zhuǎn)軸，依據(jù)車橋內(nèi)外轉(zhuǎn)角及拉桿鉸鏈上平面位置進(jìn)行左右旋轉(zhuǎn)，從而找出了其對(duì)應(yīng)輪胎、轉(zhuǎn)向拉桿鉸鏈上平面的極限處位置，從而對(duì)車輪，轉(zhuǎn)向直拉桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核并檢驗(yàn)是否有干涉等如圖8所示。至此車輛三維懸架布置設(shè)計(jì)完成，各參數(shù)關(guān)系均已確認(rèn)并通過(guò)Top-down design 將具體的參數(shù)值發(fā)布給部件設(shè)計(jì)人員進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　圖8 轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)向及直拉桿布置校核

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　在客車底盤(pán)總體方案布置設(shè)計(jì)中，其中懸架布置在車輛總體方案中因相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件太多，各構(gòu)件參數(shù)布置是否合理將影響車輛總體參數(shù)及車輛使用性能。以前是采用傳統(tǒng)二維圖紙上進(jìn)行布置操作起來(lái)很不方便宜，現(xiàn)通過(guò)建立起客車板簧式懸架布置三維模塊，提取車橋共同的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及板簧弧長(zhǎng)與弧高各卷耳中心距的關(guān)系式，構(gòu)建三維參數(shù)化模型，現(xiàn)只要選擇了具體的車橋及板簧的參數(shù)，總體布置人員只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的三維模型上修改調(diào)整，調(diào)匹各運(yùn)動(dòng)件間的參數(shù)，很快的完成一輛新車的總體三維布置，并通過(guò)發(fā)布幾何將總體信息傳遞發(fā)布給懸架部件設(shè)計(jì)人員，讓?xiě)壹茉O(shè)計(jì)人員進(jìn)行具體的部件設(shè)計(jì)。

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