CN103171395A

CN103171395A - 一种消除卡滞现象的三轮汽车悬架

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Publication number: CN103171395A
Application number: CN2013100926903A
Authority: CN
Inventors: 丁占鳌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: CN103171395B

Abstract

一种消除卡滞现象的三轮汽车悬架，可用于双叉管型和多叉管型悬架。本发明的技术方案是：①将主上叉管与上联板的连接采用角度微调的“球面—锥孔”结构，主叉管下叉头与主下叉管的连接采用角度微调的“球台—圆孔”结构，以解决悬架叉管不平行引起的卡滞现象；②副叉管与上、下联板的连接均采用“滚动球铰”结构，使之可适应主副叉管之间的微小角度偏差，而当主叉管的变形较大时，副叉管又会协助主叉管提供一定的抗弯刚度；③采用“悬架弹簧移位”方案，即将弹簧从轮轴向前移动适当距离，以减少由于重力在上下叉管间引起的摩擦力。采用上述诸措施之后，可使悬架叉管间的摩擦力成倍下降，有效解决悬架叉管不平行及叉管后倾引起的卡滞现象。

Description

一种消除卡滞现象的三轮汽车悬架

技术领域

本发明涉及一种三轮汽车悬架，特别涉及双叉管和多叉管型悬架的结构设计，属于三轮汽车技术领域。

背景技术

目前市售三轮汽车多采用叉管型悬架，有双叉管，四叉管，六叉管等悬架结构。其中使用最普遍的是双叉管型：即左右各一支叉管骑跨于轮轴之上，每支叉管又由上、下二支叉管套装组合而成。二支上叉管上端加工为锥柱。插入上联板的锥孔内，由叉管螺母锁紧，形成一个“П”字形上叉管组件。二支下叉管下端焊有与下联板一体的下叉头，下联板横向钻有；轮轴孔，通过轮轴螺母将下叉头固定在车轮的轮毂上，形成一个倒置的“П”字形下叉管组件。最后将上叉管组件插入下叉管组件内，形成悬架。为使悬架上下伸缩灵活，要求：①组件内各叉管要平行。②上下叉管之间的间距相等。间距可通过选择轮毂垫片予以调整，而各叉管间的平行度则全靠加工工艺来保证。限于当前工艺水平及加工成本，很难避免上、下叉管组件叉管间出现内外八字。一旦上下组件装好后，二叉管间的内外八字很难矫正，只能强力插入。故在上下叉管间必然产生装配应力，从而产生摩擦力，影响悬架的减振效果。例如采用二支内外径为Φ43×38,长为40的上叉管，组装为上叉管组件后，二上叉管下端点若出现1mm的内外八字（这是目前工艺水平下常出现的偏差），即使下叉管组件的二支叉管完全平行，上下叉管在联板处的间距也相等，若将上叉管组件强行插入下叉管组件，则计算表明上下叉管间要产生50-60kg的摩擦力，即欲使上下叉管相对运动，必须外加干扰力大于50-60kg，否则该悬架将处于卡滞状态。不能起缓冲和减振作用。若下叉管组件叉管间也存在内外八字或在联板处与上叉管组件之间的间距不等，则上下叉管之间的摩擦力还要翻番。

若悬架采用多叉管，其卡滞问题要比二叉管严重得多。以四叉管悬架为例：上叉管组件是由四支上叉管固定于上联板，下叉管组件是由四支下叉管固定在下联板，上、下叉管的自由端点各形成两个四边形，各四边形的端点存在6个间距（四个边距，二个对角距），为使上下叉管组件顺利插入，要求：①各叉管相互平行，②上下叉管组对应的6个间距要相等。受当前工艺水平及加工成本所限，上述要求无法满足，这促使我们寻求一种新的叉管与联板的连接结构，以消除二叉管及多叉管悬架的装配应力。

又由于三轮汽车叉管存在约20°的后倾角，前轮轮轴上所受的地面反力P将出现横向力：P_x=Psinα。此力将在承受侧向力的主叉管的衬套上产生正压力，从而产生摩擦力F。设某三轮汽车前轮负荷为P=1000kg，可算出该悬架由于重力而产生的摩擦力大约为F=150kg，且不管是二叉管或是多叉管，只要有重力存在，该摩擦力就存在，故这也是引起悬架卡滞问题的另一重要因素。为减少该摩擦力，将承载弹簧从轮轴向前移一个适当的距离e，使其满足：L₂tanα<e<L₁tanα

式中L₁、L₂为主叉管上下衬套到轮轴21的距离。此法在双叉管型悬架上十分有效。一般可使悬架摩擦力减少2/3。但是在四叉管及多叉管悬架中几乎没有效果。原因不出在此方案上，而出在多叉管过定位引起的装配应力过大，而把弹簧前移的效果全抵消了！故若能改进多叉管悬架中的叉管与联板的连接结构，再与弹簧移位方案相结合即能生产出减振性能更好的多叉管悬架。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除卡滞现象的三轮汽车悬架，以消除二叉管或多叉管悬架的装配应力，有效降低悬架叉管间的摩擦力，从而缓解或消除三轮汽车悬架卡滞现象。

本发明的技术方案如下：

一种消除卡滞现象的三轮汽车悬架，含有主叉管、副叉管、上联板、下联板、承载弹簧、阻尼筒和轮轴，所述的主叉管包括主上叉管和主下叉管，所述的副叉管包括副上叉管和副下叉管，其特征在于：所述主上叉管与上联板的连接采用角度微调的“球面—锥孔”结构（10），即主上叉管上端的粗管柱与细管柱的过渡面采用球面；球面直径R与粗管柱直径相同；上联板的锥孔大直径与球面直径相同，允许叉管轴线绕球心作微小摆动；主叉管下叉头与主下叉管的连接采用角度微调的“球台—圆孔”结构，球面凸台与下叉管内孔采用过盈的配合，过盈应力σ应满足：σ_s<σ<σ_b，其中：σ_s流动应力，σ_b断裂应力；

在上、下联板上分别焊有圆板，副叉管与上、下联板的连接均采用“滚动球铰”结构，即将副上叉管上端面和副下叉管的下端面均设计为球面，该球面在圆板的平面上滚动；球面半径R满足：R=r/sinθ，其中r为副叉管上端盖和副叉管下端盖的柱面半径，θ为副叉管的允许摆角；球面中心有孔，由置于上下圆板1中心的销柱限位，销柱与孔的径向间隙为ΔX，端盖内表面与销柱上的挡圈之间的轴向间隙为ΔZ，ΔX、ΔZ应满足：ΔX=R(θ-sinθ)，ΔZ=R(1-cosθ)，式中R为端盖球面半径，θ为副叉管允许摆角。

本发明的又一技术特征还在于：承载弹簧的轴线从轮轴处向前平移,距离e满足：L₂tanα<e<L₁tanα,式中α为叉管后倾角，L₁、L₂分别为主叉管上下衬套到轮轴的距离；

若承载弹簧为两支，则平移距离e即为移后弹簧轴线到轮轴的距离；

若支承弹簧为四支，则平移距离e为当量移距，它是四支弹簧的合力作用线到轮轴的距离，则

式中k₁、k₂为轮轴前后弹簧的刚度，a、b为前后弹簧到轮轴的垂直距离。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①将主上叉管与上联板的连接采用角度微调的“球面—锥孔”结构，主叉管下叉头与主下叉管的连接采用角度微调的“球台—圆孔”结构，以解决悬架叉管不平行引起的卡滞现象；②副叉管与上、下联板的连接均采用“滚动球铰”结构，使之可适应主副叉管之间的微小角度偏差，而当主叉管的变形较大时，副叉管又会协助主叉管提供一定的抗弯刚度；③采用“悬架弹簧移位”方案，即将弹簧从轮轴向前移动适当距离，以减少由于重力在上下叉管间引起的摩擦力。采用上述诸措施之后，可使悬架叉管间的摩擦力成倍下降，有效解决悬架叉管不平行及叉管后倾引起的卡滞现象。

附图说明

图1是本发明提供的消除三轮汽车悬架卡滞现象的四叉管悬架结构示意图。

图2是图1的局部放大图。

图3是双叉管双弹簧移位图。

图4是四叉管四弹簧移位图。

图中：21-轮轴；1-下联板；2-主叉管下叉头；3-阻尼筒4-主下叉管；5-主叉管下衬套；6-主叉管上衬套；7-油封；8-防尘套；9-主上叉管；10-过渡球面；11-主上叉管细管柱；12-叉管螺母；13-上联板；14-定位销柱；15-圆板；16a-副叉管上端盖；16b-副叉管下端盖；17-挡圈；18-副上叉管；19-承载弹簧；20-副下叉管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式做详细的说明。本发明适用于三轮汽车双叉管型和多叉管型悬架，它含有主叉管、副叉管、上联板13、下联板1、承载弹簧19、阻尼筒3和轮轴21；所述的主叉管包括主上叉管9和主下叉管4，所述的副叉管包括副上叉管18和副下叉管20。

图1是本发明提供的消除三轮汽车悬架卡滞现象的四叉管悬架实施例的结构示意图，包括两支主叉管，两支副叉管，上联板13，下联板1，承载弹簧19和阻尼筒3等部件。本发明所述的主上叉管9与上联板13的连接由原主叉管的上叉管上段的锥柱面过渡改为球面过渡，上联板仍为锥度孔。即主上叉管9与上联板13的连接采用角度可微调的“球面—锥孔”结构10，即主上叉管上端的粗管柱与细管柱的过渡面采用球面，球面直径R与粗管柱直径相同。在上联板上设有锥孔，锥孔大直径与球面直径相同，锥孔小直径略大于细管柱直径，可允许叉管轴线绕球心作微小摆动。上叉管与上联板组装时，靠球面来微调叉管与联板的夹角(应调为90°)，形位公差满足使用要求后再以叉管螺母12紧固。此工序应在专用台架上进行。

本发明所述的主下叉管4与主叉管下叉头2的连接是将原下叉头的柱面凸台设计改为球台，球的外径略大于下叉管的内径，即主叉管下叉头2与主下叉管4的连接采用角度可微调的“球台一圆孔”结构，球面凸台与下叉管内孔采用过盈的配合，过盈应力σ应满足：σ_s<σ<σ_b，其中：σ_s流动应力，σ_b断裂应力。采用过盈压装工艺，在压入时靠球面调整下叉管轴线与轮轴的垂直度。靠合适的过盈量来保证下叉头与下叉管的连接的可靠性和密封要求，该工序也应在专用的台架上进行。

在上联板13和下联板l上分别焊有圆板15，副叉管与上、下联板的连接均采用“滚动球铰”结构，即将副上叉管的上端面和副下叉管的下端面均设计为球面，该球面在圆板15的平面上滚动；球面半径R满足：R=r／sinθ，其中厂为副叉管上端盖16a和副叉管下端盖16b的柱面半径，θ为副叉管的允许摆角；球面中心设有孔，由置于上、下联板平面上的销柱14限位，销柱与孔的径向间隙为ΔX，上、下端盖内表面与销柱上的挡圈17之间的轴向间隙为ΔZ，ΔX、ΔZ应满足：ΔX=R(θ-sinθ)，ΔZ=R(1-cosθ)，式中R为端盖球面半径，θ为副叉管允许摆角。

“滚动球铰”可适应主一副叉管由于制造及安装引起的微小角度偏差及在重力作用下主叉管横向的变形引起的微小角度偏差。而在车辆过沟坎或急刹车、急转弯时又希望副叉管能协助主叉管分担横向力。故将副叉管的自由摆动角θ设计为有限的：从适应主副二叉管之间形位公差的角度考虑，希望θ越大越好。当副叉管摆角小于θ时，副叉管不承受任何横向力，当然也不会产生摩擦力。而从协助主叉管增加抗弯刚度的角度考虑，夕越小越好。计算表明该悬架的副叉管的自由摆角选为θ=2°，它既可以适应组装后存在的主副叉管内外八字，也可以适应常载荷引起的主叉管横向变形，只要θ<2°，即可保证主叉管的横向变形仍在叉管材质的弹性变形范围内。

知道了允许摆角θ，即可求端盖球面半径：R=r／sinθ(见图2)；其中r为副叉管上端盖和副叉管下端盖的柱面半径，已知r=30，θ=2°，代入上式，可求得R=860mm，可知球半径是很大的。端盖可视为半径为R=860mm的一个空心球；当球滚过θ=2°，副叉管轴线也摆过2°，球面与平面的接触点也从轴心向外移动30mm，达到极限。球面的限位是通过置于上下圆板15的销柱14来实现的。为实现较精确限位，我们需求得球体各点随球摆角θ的运动轨迹方程。我们最关心的是球体外表面θ=0°时与圆板相触点M的轨迹方程。（也称外摆线方程）：

X=R(θ-sinθ)

Z=R(1-cosθ)

以θ=2°代入上式，可求得在端盖转过2°时M点的X、Z向增量：ΔX=0.006mm，ΔZ=0.52mm,可知该滚球在转过2°时，球面M点在X方向变化极小，只要销柱与孔存在极小间隙就不妨碍端盖自由滚动。“滚动球铰”正是利用此特点设计出来的，可知销柱有极好的定位效果。又知当θ=2°，M点将沿Z向上升0.52mm,可在销柱上置一挡圈，令其轴向间隙为0.52mm，即可达到端盖转角限位的目的。实际轴向间隙是指挡圈与端盖内表面N点的间隙，为求得当θ=2°时N点的轴向位移ΔZ,需列写N点的轨迹方程（略）。计算表明N点的ΔZ与M点十分接近（略小）。但N点的ΔX远大于M点。故需将端盖设计为10°锥孔。锥孔小径与销柱的直径间隙取整数0.1mm。轴向间隙取整数ΔZ=0.5mm,这样即不妨碍端盖在2°范围内自由滚动，又能有精确的限位作用。当端盖（或副叉管）转角超过2°时，销柱14将受拉。本例销柱直径设计为Φ12，销柱材质强度取6.8级，这样设计可使销柱拉伸与副叉管弯曲达到等强度，用以协助主叉管抗弯。与一般具有固定球窝的球铰相比，“滚动球铰”具有同样的“角变”功能。但较前者结构更简单，“角变”更灵活，限位更精准，以纯滚动代替滑动，球面磨损更小，使用寿命更长。这种为可伸缩式副叉管专门设计的角度可变的连接结构也可称为“悬架副叉管专用球铰”。

本发明的又一特点是引用并进一步完善了“悬架弹簧移位”技术方案。即将位于轮轴21的承载弹簧向前平移一个距离，该平移距里e应满足

L₂tanα<e<L₁tanα------(1)

式中L₁，L₂分别是主叉管上衬套6和主叉管下衬套5到轮轴21的距离。满足上式后一般可使三轮汽车由于重力引起的叉管间摩擦力减少2/3！该方案不仅适用于双叉管悬架（如图3），也可适用于四叉管悬架（如图1）及多叉管悬架。在四叉管悬架中，弹簧是由主叉管前移，套于副叉管上，可知四叉管悬架中主副叉管之间的距离a即等于移距e。而e需满足式（1）。这样对主副叉管距离a的选择附加了约束条件。

弹簧前移技术方案不仅适用于双承载弹簧悬架（如图1，图3），也适用于多承载弹簧悬架。

式中k₁、k₂为轮轴前后弹簧的刚度，a、b为前后弹簧到轮轴21的垂直距离。采用多簧的优点之一是其主副叉管距a的选择不受a=e的约束，一般是a>e，这给主副叉管间距选择带来极大方便。

实施例：本实施例（见图1）采用双弹簧支承（左右各一支），轮轴21位于主叉管轴线上，已知主叉管上下衬套到轮轴的距离分别为L₁=300mm，L₂=150mm，取弹簧移距为e=80mm满足式（1）要求，本例取主副叉管轴线之距也为80mm，这样即可将承载弹簧套于副叉管上。将主上叉管9与上联板13的连接结构由原上叉管的1：20的锥度轴改为球面过渡，叉管外径由Φ43柱面经由Φ43的球面过渡到Φ40柱面，在Φ40柱面车有M40×1.5螺纹。联板孔仍为1：20锥孔，厚为60，锥度孔下口径为Φ43.5，上口径为Φ40.5，球体高为7.9，上叉管插入联板锥孔后，只有球面与锥孔接触，故叉管轴线与联板之间夹角可微调。随螺母扭矩增加，锥孔与球面间的压力也会增加。计算表明（略）当扭矩T>37kg.m即使急刹车，叉管与联板也不会松动。上叉管与联板的组装应在专用台架上进行，以保证叉管与联板的垂直度。

本发明所述的下叉头2与下叉管4连接的凸台由圆柱体改为球径为Φ54.12的球体，下叉管的内径为Φ54，过盈量为0.12，下叉管的外径为Φ60。计算表明过盈量为0.12已超过下叉管材料（20#钢）流动极限σ_s的一倍，但远小于破坏极限σ_b。超过流动动极限的目的是为了满足密封要求，过盈量大些也便于加工。下叉头与下叉管的组装需采用强力压装工艺。该工序应在专用台架上进行。组装后应保证下叉管轴线与轮轴的垂直度满足要求。

本实施例经副叉管与上、下联板的连接均采用“滚动球铰”连接，选取副叉管的允许摆角θ=2°，副叉管上下端盖柱面半径r=30mm，求出上下端盖的球面半径R=860mm，上下端盖的定位孔均设计为10°锥孔，小孔口直径设计为Φ12.1，上下定位销柱14设计为直径Φ12，销柱上分别设有限位挡圈17，限位挡圈17与端盖内表面的轴向间隙为0.5mm。

本发明（见图1）采用双弹簧支承（左右各一支），轮轴21位于主叉管轴线上，已知主叉管上下衬套到轮轴的距离分别为L₁=300mm，L₂=150mm，取弹簧移距为e=80mm满足式（1）要求，本例取主副叉管轴线之距也为80mm，这样即可将承载弹簧套于副叉管上。

Claims

1.一种消除卡滞现象的三轮汽车悬架，含有主叉管、副叉管、上联板（13）、下联板（1）、承载弹簧（19）、阻尼筒（3）和轮轴（21），所述的主叉管包括主上叉管（9）和主下叉管（4），所述的副叉管包括副上叉管（18）和副下叉管（20），其特征在于：所述主上叉管与上联板（13）的连接采用角度微调的“球面—锥孔”结构（10），即主上叉管上端的粗管柱与细管柱的过渡面采用球面；球面直径R与粗管柱直径相同；上联板的锥孔大直径与球面直径相同，允许叉管轴线绕球心作微小摆动；主叉管下叉头（2）与主下叉管（4）的连接采用角度微调的“球台—圆孔”结构，球面凸台与下叉管内孔采用过盈的配合，过盈应力σ应满足：σ_s<σ<σ_b，其中：σ_s流动应力，σ_b断裂应力；

在上、下联板上分别焊有圆板（15），副叉管与上、下联板的连接均采用“滚动球铰”结构，即将副上叉管上端面和副下叉管的下端面均设计为球面，该球面在圆板（15）的平面上滚动；球面半径R满足：R=r/sinθ，其中r为副叉管上端盖（16a）和副叉管下端盖（16b）的柱面半径，θ为副叉管的允许摆角；球面中心有孔，由置于上下圆板（15）中心的销柱（14）限位，销柱与孔的径向间隙为ΔX，端盖内表面与销柱上的挡圈（17）之间的轴向间隙为ΔZ，ΔX、ΔZ应满足：ΔX=R(θ-sinθ)，ΔZ=R(1-cosθ)，式中R为端盖球面半径，θ为副叉管允许摆角。

2.根据权利要求1所述的一种消除卡滞现象的三轮汽车悬架，其特征在于：承载弹簧（19）的轴线从轮轴（21）处向前平移,距离e满足：L₂tanα<e<L₁tanα,式中α为叉管后倾角，L₁、L₂分别为主叉管上下衬套到轮轴（21）的距离；

若承载弹簧为两支，则平移距离e即为移后弹簧轴线到轮轴（21）的距离；

若支承弹簧为四支，则平移距离e为当量移距，它是四支弹簧的合力作用线到轮轴（21）的距离，则式中k₁、k₂为轮轴前后弹簧的刚度，a、b为前后弹簧到轮轴的垂直距离。