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　　關鍵詞：車橋;懸架;板簧;滿載弧高;動載下跳動極限弧高;動載上跳動極限弧高;動撓度;靜撓度;參數可調。

　　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

　　在客車底盤總體方案預布置設計中，常包含這幾個方面：懸架系統、轉向系統、驅動系統、制動系統、冷卻系統及車架和附件等布置設計;懸架布置是其中非常重要的一環，其與轉向系統，動力驅動系統等相關聯運動件匹配是否理，將直接影響車輛總體參數及車輛使用性能[1~3]。板簧式懸架[4]是板簧一端鉸鏈固定，另一端通過吊耳擺動。因結構簡單、價格低廉，在客車、貨車上得到廣泛的采用;板簧式懸架中各參數間的關聯性很強, 在總布置中需要確認及校核懸架系統滿載、上下跳動極限、空載等狀態、確認緩沖塊位置、減振器位置及伸縮行程校核、轉向車輪轉向校核、轉向拉桿校核、吊耳擺動角度校核等相關聯的運動構件位置及參數。若在傳統二維圖紙上進行布置和參數調整和修改會相當繁瑣，只要任何一處沒有進行相應的修改就會出現問題，現借助Pro/E參數化平臺，能夠方便迅速且準確地完成客車板簧式懸架布置設計及應用，嘗試做到各參數間能夠在總體方案布置中可調，同時又能相互關聯，從而降低設計工作量、縮短開發周期、降低成本、增加了總體布置的靈活性、通用性、實用性。

　　1 客車縱置板簧式懸架參數的選擇確認

　　板簧式懸架設計可以大致分為選型設計(基本規格及參數計算確認)和詳細結構設計兩個階段[5]：依據車輛總體性能參數的要求，確定懸架的布置方案及主要零部件的選型，計算出相匹配的板簧懸架系統的參數，再深入的進行具體懸架的細節設計等，建立起虛擬三維數字懸架模型。

　　1.1 客車縱置板簧式懸架模塊基礎單元結構組成元素：

　　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，另一端通過吊耳旋轉擺動,懸架中部用兩個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、板簧的展平長度、板簧固定端的位置均是不變的[6]。典型的板簧懸架及轉向前橋的結構如圖1所示。

　　(a) 縱置板簧式懸架組成元素

　　(b) 轉向前橋的結構圖

　　圖1 縱置板簧式懸架及轉向前橋的結構圖

　　1.2 客車前后懸架系統的主要性能參數的確定

　　在進行鋼板彈簧計算之前，當知道下列初始條件：汽車的軸距,滿載靜止時汽車前、后軸(橋)負荷M1、 M2，選擇出合適的車橋并計算出簧下部分重量Mu1、Mu2，并據此計算出單個鋼板彈簧的滿載負荷Fw1=( M1- Mu1)/2：和Fw2=( M2- Mu2)/2，同時根據車輛設計的離地高度，以及懸架系統各主要零件的尺寸確定出懸架的靜撓度fc、動撓度fd、板簧的振動頻率、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，當彈簧各片較厚時，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生弧高，因此計算彈簧各片弧高時，彈簧作用長度應減掉壓平部分長度。板簧的最終斷面寬度和厚度則由供方根據性能參數的要求計算而來，本文不進行深入展開闡述，而主要討論如何在Pro/E中進行板簧懸架布置，確定板簧的滿載彈簧弧高、板簧的弧長(鋼板彈簧長度L)、簧中心距等基本結構特征參數，再根據車輛總布置進一步確認其它關聯構件參數。

　　圖2 鋼板彈簧的雙曲率簧片參數

　　懸架靜撓度fc是指汽車滿載靜止時懸架上的載荷與此時懸架剛度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：

　　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量。板簧懸架的前后懸架靜撓度fc與簧載質量和懸架剛度的關系式為：

　　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系式：

　　為防止車身產生過大的縱向角振動，選取前懸架靜撓度時，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

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

　　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

　　在做懸架設計時，我們首先根據車輛的用途和平順性要求確定前后懸架的偏頻，再根據公式計算前后懸架的靜撓度和動撓度。參見表1。

　　表1 汽車懸架系統的主要控制參數

　　車型偏頻n/Hz靜撓度fc/mm動撓度fd/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 鋼板彈簧主要結構特征參數

　　板簧主要結構特征參數是板簧弧長、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，根據載荷及板簧運動狀態將弧高分為滿載弧高、動載上跳動極限弧高、動載下跳動極限弧高。某一車型板簧弧高與板簧變形量及靜撓度、動撓度關系如圖3所示。

　　圖3 板簧弧高、載荷、動靜撓度關系

　　鋼板彈簧長度L的確定：鋼板彈簧長度L是指彈簧展開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些。鋼板彈簧長度L增加能顯著降低彈簧應力，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，同時減少車輪扭轉力矩所引起的彈簧變形;通常在下列范圍內選用鋼板彈簧的長度：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能得到足夠的動撓度值fd，應根據整車和懸架性能要求給出適當值，有的車輛為得到良好的操縱穩定性，滿載弧高取負值，一般取fa=10～30mm。

　　滿載上跳動極限弧高fa1：是指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上，當鋼板彈簧上平面碰到緩沖塊，并將緩沖塊壓縮1/3處時，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。

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

　　2 縱置板簧式懸架基礎單元三維模塊布置設計步驟

　　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境下，按照Pro/E的Top-down Design( 自頂向下設計)設計模式[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、后懸架的基本可調式的參數：如軸距(確定后橋位置)、滿載車輪大小(離地高度)、轉向橋四輪定位參數及板簧中心距、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軸聯結法欄端面位置;發動機安裝縱向傾角等。具體三維總布置中參數構建步驟如下：

　　1.首先在Pro/E操作環境中，打開整車總布置骨架模型，參照如圖4(a)所示的車橋(以前轉向橋為例)，將四輪定位參數(主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角、及前束)，車橋上安裝關聯構件處相聯的特征位置(如板簧中心距、主銷中心距、落差及板簧座上平面、轉向拉桿鉸鏈上平面)構建出具體的三維總布置骨架模型如圖(4b)所示。因車橋結構元素相同，上述參數的數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不同的車橋參數可實施具體的調整。

　　(a)轉向橋主要參數構件位置

　　(b) 轉向橋主要參數三維布置

　　圖4 轉向橋主要特征參數

　　2.在Y-0平面,依據輪胎中心軸線和前橋主銷后傾角(后橋則是發動機安裝縱向傾角)，確認垂直于車橋板簧座中心位置設為板簧中心軸線：再設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，再在平直線段二側建立起等曲率的雙曲線，保證板簧總展開長度不變下，建立起由弧高控制板簧中心距關系方程，軟件將自動計算并確定出板簧卷耳中心A、B二點位置，從而構建出鋼板彈簧第一片結構特征線，其構建圖形及建立的關系式如圖5所示。因總布置方案是以滿載狀態進行的懸架布置，因此A點即為板簧卷耳前固定架(座耳)固定銷孔中心，B點即為板簧卷耳后吊耳下聯結點銷孔中心。

　　圖5 鋼板彈簧滿載(靜撓度)的參數關系

　　3.確定鋼板后固定座中心點C位置，上述步驟2繪制的鋼板彈簧第一片結構特征曲線，以后板簧卷耳中心B為端點，給出吊耳的長度即為后板簧吊耳擺動半徑，角度按照滿載吊耳狀態確定，初始設定一個值(可調)，則另一端點C即為后固定架(座耳)與吊耳進行鉸鏈聯結的中心點位置，并以C點為圓心，以BC長(吊耳長)為半徑畫弧，從而確認了鋼板彈簧后吊耳前后擺動的運動軌跡線如圖6所示。

　　圖6 鋼板彈簧的后吊耳位置確定

　　4.上下跳動極限位置校核，依據已確認的鋼板彈簧座耳A、C點及吊耳前后擺動圓弧，按照上述步驟2的建模方法及關系式建立起板簧動載上跳動極限弧線、下跳動極限弧線如圖7所示。此二條弧線定出懸架上下跳動量，動載上跳動極限曲線中間點(本處是緩沖塊壓縮了1/3處)確認出緩沖塊位置，從而確認校核緩沖快位置和伸縮量。減振器上聯結點同車架聯結，其下聯結點與車轎聯結，并同車橋一樣隨板簧上下一起同步跳動，因此可根據板簧上下二條弧線定的跳動量來確認及校核減振器伸縮行程是否合適，驗證板簧滿載狀態、上下跳動極限狀態時對應的板簧吊耳角度布置取值是否合理。吊耳擺角盡量避免負值的前提下，擺角越小越好，空載時擺角10-15°為宜，滿載時擺角14-30°為宜。如果角度不理想，修改上述步驟3中滿載時的吊耳擺角或者吊耳長度;同樣的方法在后懸架布置中，后懸架與后橋傳動軸聯結端面與板簧一起隨車載荷上下一起跳動，因此也能確認及校核傳動軸伸縮范圍及萬向節的夾角是否合適。

　　圖7 鋼板彈簧動載上下極限曲線及吊耳擺角校核

　　5.轉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聯構件處相聯的特征位置，現以轉向節軸線作為旋轉軸，依據車橋內外轉角及拉桿鉸鏈上平面位置進行左右旋轉，從而找出了其對應輪胎、轉向拉桿鉸鏈上平面的極限處位置，從而對車輪，轉向直拉桿進行運動校核并檢驗是否有干涉等如圖8所示。至此車輛三維懸架布置設計完成，各參數關系均已確認并通過Top-down design 將具體的參數值發布給部件設計人員進行具體的結構設計。

　　圖8 轉向車輪轉向及直拉桿布置校核

　　3 結束語

　　在客車底盤總體方案布置設計中，其中懸架布置在車輛總體方案中因相關聯的構件太多，各構件參數布置是否合理將影響車輛總體參數及車輛使用性能。以前是采用傳統二維圖紙上進行布置操作起來很不方便宜，現通過建立起客車板簧式懸架布置三維模塊，提取車橋共同的結構特征參數及板簧弧長與弧高各卷耳中心距的關系式，構建三維參數化模型，現只要選擇了具體的車橋及板簧的參數，總體布置人員只要經過簡單的三維模型上修改調整，調匹各運動件間的參數，很快的完成一輛新車的總體三維布置，并通過發布幾何將總體信息傳遞發布給懸架部件設計人員，讓懸架設計人員進行具體的部件設計。

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