懸架彈簧設(shè)計(jì)指南

彈簧、穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三局部組成。彈性元件其變形來(lái)吸取能量，到達(dá)緩沖的目的。在現(xiàn)用的彈性元件中主要有三種〔1〕2〕〔3〕螺旋彈簧。鋼板彈簧設(shè)計(jì)板彈簧具有構(gòu)造簡(jiǎn)潔，制造、修理便利；除作為彈性元件外，還兼起導(dǎo)向和變剛度，應(yīng)用廣泛。鋼板彈簧布置方案鋼板彈簧在整車上布置只在少數(shù)輕、微車上應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用?？v置鋼板彈簧布置〔車橋〕上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離相等，多數(shù)汽車上承受對(duì)稱式鋼板彈簧。要轉(zhuǎn)變軸距或通過(guò)變化軸荷安排的目的時(shí)，承受非對(duì)稱式鋼板彈簧。鋼板彈簧主要參數(shù)確定初始條件：G1

~滿載靜止時(shí)汽車前軸〔橋〕負(fù)荷G ~滿載靜止時(shí)汽車后軸〔橋〕負(fù)荷2G ~前簧下局部荷重U1G ~后簧下局部荷重U2F =(G-G )/2~前單個(gè)鋼板彈簧載荷W1 1 U1F =(G -G )/2~后單個(gè)鋼板彈簧載荷W2 2 U2f c

f －懸架的動(dòng)撓度dL1～汽車軸距；滿載弧高fa滿載弧高指鋼板彈簧裝在車軸〔車橋〕上，汽車滿載時(shí)鋼板彈簧主片上外表與兩端〔不包括卷耳孔半徑〕連線間的最大高度差。

f 用來(lái)保證汽車具有給定a的高度。當(dāng)f a

時(shí)，鋼板彈簧在對(duì)稱位置上工作。為在車架高度已確定時(shí)得到

f =10～20mm。a鋼板彈簧長(zhǎng)度確實(shí)定LL —指彈簧伸直后兩卷耳中心間的距離〔Ⅰ〕鋼板彈簧長(zhǎng)度對(duì)整車影響降低彈簧剛度，改善汽車平順性；削減車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；原則上在總布置可能的條件下，盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些?！并颉充摪鍙椈砷L(zhǎng)度確定鋼板彈簧一般跟據(jù)閱歷確定；轎車： L=(0.40～0.55)軸距貨車前懸架： L=(0.26～0.35)軸距后懸架： L=(0.35～0.45)軸距、斷面尺寸及片數(shù)確定〔Ⅰ〕寬度確實(shí)定b入撓度增大系數(shù)J0

。對(duì)稱式鋼板彈簧J0＝[〔L-ks〕3c]/48E (1)s-Uk-U形螺栓加緊后無(wú)效長(zhǎng)度系數(shù)〔剛性加緊，k=0.5，撓性加緊,k=0〕;c-鋼板彈簧垂直剛度〔N/mm〕,c=FW

/f;c1-撓度增大系數(shù)〔先確定與主片等長(zhǎng)的重疊片數(shù)n,再估量一個(gè)總片數(shù)n ,101求得＝n/n,然后用＝1.5/[1.04〔1＋0.5〕]初定；10E－材料的彈性模量；鋼板彈簧總截面系數(shù)W0

用下式計(jì)算W[F0 W

(L-ks)]/4[

] (2)w圍內(nèi)選?。?前彈簧和平衡懸架彈簧為350～450N/mm2；N/mm2；N/mm2；

]在以下范w〔2〕hph =2Jp 0

/W=(Lks)2[W0 6EfW

] (3)依據(jù)hp

c確定鋼板彈簧片寬b，推舉b/hp

6～10〔Ⅱ〕鋼板彈簧片厚h確定矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩：n-鋼板彈簧片數(shù)；

J =nbh3/12 (4)0J0

均有影響，并影響鋼板彈簧的垂直剛度ch1.5。最終，鋼板彈簧斷面尺寸b和h應(yīng)符合國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸?！并蟆充摪鍞嗝嫱庑武摪鍙椈蓴嗝嫱庑稳缫韵聢D所示：10％的材料?！并簟充摪鍙椈善瑪?shù)n片數(shù)n少有利于制造和裝配，降低片間的干摩察，改善汽車行駛平順性。但6～141～4鋼板彈簧各片長(zhǎng)度確實(shí)定假設(shè)各片厚度不同，則具體步驟如下：hi

的立方值h3按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在圖上〔如上圖〕iL/2Us/2A、B即得到三角形的鋼板彈簧開(kāi)放圖。AB線與各葉片上側(cè)邊的交點(diǎn)即為各片長(zhǎng)度。如B點(diǎn)到最終一個(gè)重疊片的上側(cè)邊端點(diǎn)連始終鋼板彈簧剛度驗(yàn)算J0

、片長(zhǎng)和葉片端部外形確實(shí)定都不夠準(zhǔn)確，有必要驗(yàn)證剛度。剛度驗(yàn)算公式為：Ja=6E/[nJa0k1

3 (Yk1 K

Y K1

] (5)a=(l l );k1 1 k1YKY

l/ J;kiki1 ;k ;l/ Jii1-閱歷修正系數(shù)，090~094；E-材料彈性模量；l、l －為主片和第〔k+1〕片的一半長(zhǎng)度1 k1注：對(duì)l1

假設(shè)用中心螺栓到卷耳中心間的距離代入，求得的剛度值為鋼板彈簧總c

;假設(shè)用有效長(zhǎng)度，即l/j 1

＝〔l1

0.5ks，求得剛度質(zhì)為鋼板彈簧總成的夾緊剛度c 。z鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H0U的最大高度差，稱為鋼板彈簧在自由狀態(tài)下的弧高H ;0H (f f0 c

f) (6)f －靜撓度；cf －滿載弧高；af－鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后因起弧高變化；fs－UL－鋼板彈簧主片長(zhǎng)度

s(3Ls)(f f );a c;2L2R0

/8H 。0板彈簧各片自由狀態(tài)下曲率半徑確實(shí)定矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定：R Ri

/[1(2

R0i

)/Eh

] 〔7〕iR i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑〔mm；iR－鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑〔mm；0 －各片彈簧的預(yù)應(yīng)力〔N/mm；0iEN/mm2E＝2.1102N/mm；h－第i片的彈簧厚度；i注：對(duì)于片厚一樣的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力不宜選取過(guò)大；300～350N/mm2內(nèi)選取。在確定各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，理論應(yīng)滿足各片彈簧在根部處預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩M 之代數(shù)和等于零，即in Mnii1

＝0 〔8〕或 ni1

W 0i i

〔9〕假設(shè)第iLi

，則第i片彈簧的弧高為H L 2/8Ri i i

〔10〕鋼板彈簧總成弧高的核算依據(jù)最小勢(shì)能原理，鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢(shì)能總和最小狀態(tài)，由此可求得等厚葉片彈簧的R為01/R0

n(ii1

n/R)/ Li i1

〔11〕L－鋼板彈簧第i片長(zhǎng)度；i鋼板彈簧總成弧高為

/8R0

(12)用式〔12〕與用式〔6〕計(jì)算的結(jié)果應(yīng)相近。如相差多，可經(jīng)重選用各片預(yù)應(yīng)力再行核算。鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算緊急制動(dòng)時(shí)用下式計(jì)算

max1max

ml(l1 12

c)]/[(l1

l)W2

] (13)G1mm1 1

=1.2～1.4,m1

＝1.1～1.2；0.8；W -鋼板彈簧總截面系數(shù)；0c－彈簧固定點(diǎn)到路面的距離；驅(qū)動(dòng)時(shí) 用下式計(jì)算：max2max

[G

ml(l2 22

c)]/[(l1

l)W2

]G

m/bh2 2

〔14〕G -作用在后輪上垂直靜負(fù)荷；2m m2

=1.25～1.30,貨車：m2

＝1.1～1.2；0.8；b－鋼板彈簧片寬；h－鋼板彈簧主片厚；1此外，還應(yīng)驗(yàn)算汽車通過(guò)不平路面時(shí)鋼板彈簧的強(qiáng)度。許用應(yīng)力[]取1000N/mm2。鋼板彈簧卷耳和彈簧銷的強(qiáng)度核算卷耳處所受應(yīng)力是由彎曲應(yīng)力和拉〔壓〕應(yīng)力合成的應(yīng)力[3FX

(Dh1

)]/bh2F1

/bh1

〔15〕F -沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；XD-卷耳內(nèi)徑；b－鋼板彈簧寬度；h-主片厚度；1許用應(yīng)力[]350N/mm2。

F /bd 〔16〕z sF－滿載靜止時(shí)鋼板彈簧端部載荷；sb－卷耳處葉片寬；d －鋼板彈簧銷直徑；用30鋼或40[ ]3~4N/mmz

22020Cr45用應(yīng)力[]7~9N/mm2。60Si2Mn處理工藝合削減外表脫碳層深度的措施來(lái)提高鋼板彈簧的壽命。少片變截面鋼板彈簧有兩種，即拋物線和直線。拋物線型變截面彈簧剛度和應(yīng)力計(jì)算K的計(jì)算式為：6EI 1 K 2

〔N/m〕 〔17〕l3 l 3 1

2 kk

13;

l h 1h2;I -彈簧根部斷面慣性矩； I2

bh3 2n12n－彈簧片數(shù)；bmm；－彈簧剛度修正系數(shù)，?。?.92～0.94。Le

/2值代替上式中的l面l (l lX 1

l處的應(yīng)力2

計(jì)算式為：X2 6Pl n2X bh22

〔18〕拋物線形變截面彈簧在l l1 X

l 范圍內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力相等。2線形變截面彈簧剛度和應(yīng)力計(jì)算直線形變截面彈簧幾何外形如以下圖所示，K的計(jì)算式為：6EIK 3l3

1l 3l

〔19〕212

2

3k1式中：

l l

1

3 11

1212；k3

1.51

1

12 l 1；ll2h 1；hh2；I mm

bh3 3n;3n－彈簧片數(shù)；bmm；

3 12－彈簧剛度修正系數(shù)，取=0.92-0.94。1

l21時(shí)，2x應(yīng)在變截面區(qū)間AB內(nèi)，其值為：lh hlx 2 1 21

〔20〕h h2 1X彈簧在l 點(diǎn)處應(yīng)力 為：XX1.5Pl l 2

〔21〕 2 1X bnlX

h h2 1當(dāng)l l1

21時(shí)，彈簧在A彈簧設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。扭桿彈簧矩作用。下面以汽車常用的圓形斷面扭桿為例，介紹扭桿彈簧的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)前依據(jù)對(duì)汽車平順性要求，先選定懸架的剛度c。設(shè)計(jì)時(shí)扭桿彈簧需要確定的主要尺寸有扭桿的直徑dL。316316M/()dmax

〔22〕Mmax

－扭桿承受的最大扭矩； －扭桿切應(yīng)力；LL(d

4G)/(32Cn

) 〔23〕G―切變模量，設(shè)計(jì)時(shí)取G＝7.7104MPac －扭桿扭轉(zhuǎn)剛度；n常承受45CrNiMoVA 、40Cr、42CrMo 、50CrV 鋼制造扭桿。為提高疲乏強(qiáng)度扭桿需要經(jīng)過(guò)預(yù)扭和噴丸處理經(jīng)過(guò)預(yù)扭和噴丸處理的扭桿許用切應(yīng)力可在800～900MPa 范圍內(nèi)選取，轎車可取上限，貨車取下限。D(12~13d；花鍵長(zhǎng)度l04D，端部花鍵一般承受漸開(kāi)線花鍵。從端部直徑到桿部直徑之間的一段稱為過(guò)渡段。為使這段應(yīng)力集中降到最30夾角的錐體，把端部和桿部連接起來(lái)〔aLg

(Dd)/2tan150，過(guò)度圓角r15d。，有效局部看Le

a)圖所示構(gòu)造：L d d2

d3L g

(25)e 3 D

D D b)所示的有效長(zhǎng)L d

d

d d

D 0.5L

8

10 15

15

arctan 1

〔26〕e 48

D

D

D Dd d

R為L(zhǎng)2R gDd

Dd4

〔27〕且設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)保證內(nèi)花鍵的兩端長(zhǎng)度都要超出扭桿花鍵長(zhǎng)度。B與扭桿直徑dB＝〔1.2～1.4〕d的關(guān)系，以保證六角形的端部有足夠的強(qiáng)度。螺旋彈簧設(shè)計(jì)性。螺旋彈簧的剛度及應(yīng)力計(jì)算Pf為8PD3if m

〔28〕G d4D －彈簧中徑，mm；md－彈簧鋼絲直徑，mm；i －彈簧圈數(shù)；G－彈簧材料的剪切彈性模量，取8.8104MPa 因此彈簧剛度C P

Gd4

〔29〕s f 8D

3im簧鋼絲的剪切應(yīng)力為m8PD K”8PCK m

MPa

〔30〕d3 d2C-彈簧指數(shù)〔旋繞比CDm

/d ；K”K”

4C1

0.615。。C一般狀況下，彈簧鋼的許用剪切應(yīng)力與許用拉應(yīng)力成比例關(guān)系，通常狀況下，可以取063。彈簧端部外形Ⅰ〕兩端碾細(xì)Ⅱ〕直角切斷形Ⅲ〕端部向內(nèi)彎曲并行成與彈簧軸向垂直的平面表(一)端部構(gòu)造時(shí)的總?cè)?shù)n及并緊高度總?cè)?shù) 完全并緊時(shí)的高度兩端碾細(xì) i+2

i+1.33i+1.50i+1.67i+1.75

1.01d(n1)2t1.01d(n1)1.01d(n1.25)1.01dnt1.01d(n1)t一端切斷、一端內(nèi)彎 i+1.42

1.01dn上表中列出了不同端部構(gòu)造時(shí)彈簧總?cè)?shù)n與有效圈i以及彈簧完全并緊時(shí)H

Hs

公式中的系數(shù)1.01為考慮螺旋角的補(bǔ)償系，t為端s部碾細(xì)時(shí)的末端厚度。螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算分以下幾步：置要求及懸架的具體構(gòu)造形式求出需要的彈簧剛度Cs

Pi

H

，懸架在壓縮行程極限置時(shí)彈簧高度H 。i mDm

，端部構(gòu)造形式及所用的材料。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)伸張及壓縮極限位置相對(duì)于設(shè)計(jì)載荷位置的彈簧變形量ff1 2

，并確定要想到達(dá)的壽命nc

〔循環(huán)次數(shù)〕由式〔23〕解出i，由表〔一〕HS

PHs i

及C 可求出彈簧在完全壓緊時(shí)的載荷Pi s

，臺(tái)架試驗(yàn)伸PP1 2

Pm

P Ps P P

C (Hs C f

H )s1 iP P2

s 1C fs 2P pm i

C (Hs

H )m按彈簧指數(shù)C Dm/d及K”的表達(dá)式〔見(jiàn)式24下的說(shuō)明求得K”，運(yùn)用式〔24〕PP1 2

PPs

所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力1 2

，以及s

max

〔計(jì)算出的s

max

max

是懸架工作時(shí)彈簧實(shí)際對(duì)應(yīng)的最大剪切應(yīng)力，對(duì)應(yīng)懸架的極限壓縮狀態(tài)〕校核

max

是否小于＝063，假設(shè)不成立，則返回第〔4〕步重選擇d；假設(shè)余量很大，則視第d.nc估算：

可按下式1.808cn Kc

10.13

〔31〕 e 式中 K

1

〔32〕e 2 1假設(shè)算出的nc

小于預(yù)期的臺(tái)架壽命，則返回第〔4〕步重選擇d,假設(shè)有較大余〔8〕部的結(jié)果綜合考慮是否選擇更小的鋼絲直徑以節(jié)約材料，減小質(zhì)量。dH

和最小工作0高度H n

H H0

P/Ci S

〔33〕H－與彈簧指數(shù)CD

H din s/da)m

〔34〕(11)荷不僅與其高度對(duì)直徑之比H0

/D m

f/H

必需小于如下臨界值：016.89C016.89C0H H 0

0.8111 cr

〔35〕式中系數(shù)C0

b)，Dm

然后從〔2〕部開(kāi)頭重計(jì)算橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)為降低汽車的固有頻率以改善行駛平順性，現(xiàn)代轎車懸架的垂直剛度都較度以改善汽車的行駛穩(wěn)定性?！惨弧撤€(wěn)定桿對(duì)汽車產(chǎn)生的影響：1、有利影響增加懸架的側(cè)傾角鋼度，從而減小汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車身的側(cè)傾角；缺乏轉(zhuǎn)向特性；2、不利影響〔三〕穩(wěn)定桿固定處的橡膠支撐方式：穩(wěn)定桿固定處的支撐方式有如以下圖典型的六種方式：其中〔e〕型用于穩(wěn)定桿中段與車架的連接，其余用于穩(wěn)定桿端部于車da用?！踩撤€(wěn)定桿設(shè)計(jì)計(jì)算度相等，當(dāng)用于獨(dú)立懸架時(shí)，橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角鋼度cb

與車輪處的等效側(cè)傾角鋼度cw之間的換算關(guān)系可如下求出：設(shè)汽車左右車輪接地點(diǎn)處分別作用大小相等、方向相反的垂向力微量dF ；w在該二力作用下左右車輪處的垂向位移為df ；w相應(yīng)的穩(wěn)定桿端部受到的垂向里力和位移分別為dFb

和df ；b簧的作用力，則必定有dF

dFw

所做的功相等即dF dfw w

dFb

dfb

〔1〕而作用在穩(wěn)定桿上的彎矩和轉(zhuǎn)角分別為：dM dF Lb bd 2df /Lb bL－穩(wěn)定桿兩端點(diǎn)間的距離由此可得穩(wěn)定桿的角剛度Cb為dMC Cb db

dF dfb

L2 (2)同理可得在車輪處的等效角鋼度Cw為B

－輪距

dF dfw

B2 (3)f 2

〔4〕C C

w

b w

f Bb由于連接點(diǎn)處橡膠件的變形，穩(wěn)定桿的側(cè)傾角鋼度會(huì)減小約15％～30％。f為lP Llf 3a3 (ab)24l2bc

〔5〕3EI1 2 2 E－材料的彈性模量，E =2.06

105MPa ；Idmm；

d464

，mm 4；P N；fmm；〔5〕可得到穩(wěn)定桿的角鋼度

1PL2f2l3a3

EIL2Lab

(6)1 2 2 12831283l34a31ab2L2E124l bc2d

〔7〕B〔其原理與螺旋彈簧內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大于外側(cè)類似BRR700Mpa,即216Pl K”2

700MPa

〔8〕K”K”

d34C1

0.615 ；CC －彈簧指數(shù)，C2Rd/d ；由式〔8〕和K”CR。通常為了減小R1.25d。其他位置的應(yīng)力一般都小于B截面內(nèi)側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。假設(shè)圖中支承點(diǎn)C的位置很靠近中心，則