載貨汽車后懸架主副簧進行設計-本科畢業(yè)設計論文

第第#頁共33頁圖3.1鋼板彈簧葉片的斷面形狀a矩形斷面a矩形斷面b）單面有單槽的斷面c單面有拋物線邊緣的斷面 d單面有雙槽的斷面矩形斷面的中性線位于斷面中央，葉片的上下表面的拉、壓應力的絕對值相等。使用經(jīng)驗表明，鋼板彈簧葉片的疲勞裂紋往往是從受拉的一面開始，特別是在斷面棱角處有較大的應力集中。因此矩形斷的葉片呈受拉應力的一面易破壞。目前廣泛采用的矩形斷面大致有兩種，一種是兩邊帶圓弧的平扁鋼，另一種是具有一定的凹度的雙凹扁鋼。實踐證明，雙凹扁鋼的葉片在彎曲變形時，整個斷面的兩邊都略向上翹曲，下表面趨于平面，上表面則使原有的凹度大大增加，則各片間只有兩棱邊接觸。棱邊產(chǎn)生較大的接觸應力和應力集中,成為早期疲勞破壞的起點。改成平扁鋼后，鋼板彈簧的疲勞壽命有大幅提高。可見改進葉片斷面形狀是提高彈簧疲勞壽命的一條重要途徑，因此近年來出現(xiàn)了一些特殊斷面的葉片[1。4]矩形斷面是最常見的最簡單的斷面形式。在此我們選取矩形斷面鋼板彈簧為此次設計的彈簧類型。前面初選的主、副簧總片數(shù)：主簧：n-2n=12；副簧：n'-1n'=6。3.3鋼板彈簧的設計及校核3.3.鋼1板彈簧各片長度的確定為了盡量降低彈簧鋼材的消耗，減輕鋼板彈簧自重，在選擇各葉片長度時，應使沿彈簧長度變化的應力均勻分布，以保證各片有相同的疲勞強度（各片具有大致相同的使用壽命）。確定鋼板彈簧葉片各片長度的方法，有計算法和作圖法兩種。目前大多數(shù)采用簡單而實用的作圖法。該法是基于實際鋼板彈簧各葉片的展開圖接近梯形梁形狀這一原則來做圖的，其具體做法如下：如圖3.2所示，先將各葉片厚度h的立方值h3按同一比例尺沿縱坐標繪出，再沿橫坐標繪出ii主片長度的一半L/2和U型螺栓中心距的一半S/2,得、兩點。連接、兩點就得到三角形的鋼

板彈簧展開圖。線與各葉片上側(cè)邊的交點即決定了各片長度。如果如為了加強主片而將第二片、第三片做的與主片等長時，存在與主片等長的重疊片，就從線點到最后一個重疊片的上側(cè)邊端點連一直線，此直線與各片上側(cè)邊的交點即決定了各片長度。各片實際長度尺寸需經(jīng)圓整后確定［15。圖3.確2定鋼板彈簧各片長度的作圖法）后主簧各葉片長度的確定圖3.主3簧長度計算-作圖法各片長度確定見下表：表3.3作圖法確定的主簧各片長度第片hmmh3mm3長度mm

鋼2板彈簧剛度的驗算由于前面求得的慣性矩所確定的片厚、片寬等很難保證所要求的的靜撓度和彈簧剛度。這是因為撓度系數(shù)5是在很大范圍(1?1.5)內(nèi)選取的；在各片長度尚未確定的情況下，5值不可能選得準確；另外選定各片厚度和片寬之后，計算出的實際慣性矩與理論要求的數(shù)值也有所差別；同時葉片端部形狀對剛度的影響也未予以考慮。為此，需要更精確的公式對剛度進行計算。如

不能滿足要求，可適當?shù)恼{(diào)整各片長度或改變斷面尺寸時期剛度接近所要求的理論值［1。一般用共同曲率法進行計算，用共同曲率法計算剛度的前提是，假定同一截面上各片曲率變化值相同，各片所承受的彎矩正比于其慣性矩，同時該截面上各片的彎矩和等于外力所引起的彎矩。驗算鋼板彈簧實際剛度公式為：(式3.11)6aEc(式3.11)Ea3(Y—y)TOC\o"1-5"\h\zk+1k k+1k=1其中之和。a=l-1,Y=1/Wj,Y=1/EJZj為第一片到第k片處所有葉片的慣性矩k+1 1 k+1 k/i k+1 ：其中之和。:i=1 :i=1 i=1式中a為經(jīng)驗修正系數(shù)，a=(0.90?0.94)；E為材料彈性模量；1、1為主片和第k+1片的1k+1一半長度。主簧剛度計算：為計算方便，在進行設計時，通常采用列表法計算。剛度公式中X。3(Y-Y)部分計算見下表:k+1kk+1k=1表3.主5簧相關計算葉片序號k1kmma=1-1k+1 1k+1mmEjii=1mm4YkX10-5mm-4(Y-Y)k k+1X10-5mm-4a3k+1X105mm3a3(Y-Y)k+1k k+1mm-1

選擇修正系數(shù)a=0.92，將數(shù)據(jù)代入剛度公式，得后主簧實際總成自由剛度Z〃3(Y—Y)=4502.268k+1k k+1k=16aE6aEc= ￡a3(Y—y)k+1kk+1k=16x0.92x2.1x1054502.268=257.470N?mm-1副簧剛度計算：剛度公式中Ea3(Y-Y)部分計算見下表:k+1kk+1k=1表3.6副簧相關計算葉片序lka=l-lk+1 1 k+1Ejii=1Ykx10-5(Y-Y)k k+1x10-5a3k+1x105a3(Y-Y)k+1kk+1號mmmmmm4mm-4mm-4mm3mm-1k選擇修正系數(shù)a=0.92，將數(shù)據(jù)代入剛度公式，得后副簧實際總成自由剛度Ena3(Y-Y)=3972.891k+1k k+1k=16aE6aEc= Ena3(Y-Y)k+1k k+1k=16x0.92x2.1x1053972.891=291.777N?mm-1鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高和曲率半徑計算4.鋼1板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高鋼板彈簧各片裝配后，在預壓縮和行螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端不包括卷耳孔半

徑連線間的最大高度差，稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H（圖4。o因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同，裝配后各片產(chǎn)生預應力，其值確定了自由狀態(tài)下的曲率半徑R。各片自由狀態(tài)下做成不同曲率半徑的目的是：使各片厚度相同k的鋼板彈簧裝配后能很好地貼緊，減少主片工作應力，使各片壽命接近［17。］圖3.鋼4板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H可用下式計算：

oH=fc+fa圖3.鋼4板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H可用下式計算：

oH=fc+fa+Af （式3.12）o式中f—靜撓度；cf—滿載弧高；它的大小直接影響車輛的高度，一般希望它等于零，可是彈簧滿載時處a于對稱位置工作，但考慮到彈簧在使用中會產(chǎn)生塑性變形，必須給予補償。通常取f=（10~20）mm；aAf—由于形螺栓夾緊后引起的鋼板彈簧總成弧高的變化量，s(3L-s)(f+f)Af= a ，一2L2(式3.13)取f=15mma1）后主簧在自由狀態(tài)下的總成弧高Af=132x(3x1620-132)(15+70) … =10.11mm2x16202H=70+15+10.11=95.11mmo）后副簧在自由狀態(tài)下的總成弧高Af=132x(3x1200-132)(15+70) =13.51mm2x12002H'=70+15+13.51=98.51mmo鋼2板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑根據(jù)上邊算得的彈簧總成弧高H，就可按幾何關系近似計算出鋼板彈簧在自由狀態(tài)下的曲率半徑oR0（等于裝配后的主片曲率半徑）。其計算公式為：L2R （式3.14）08H01）后主簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑R氏I6、。二3449.16mm0 8義95.112）后副簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑12002R氏 =1827.23mm0 8義98.513.4.鋼3板彈簧葉片在自由狀態(tài)下曲率半徑的計算前已提及，為了加強主片及卷耳的強度，將主片盡量選的厚些。同時為了使各片應力趨近于接近，葉片應采用不同的曲率半徑。當用型螺栓將彈簧各片夾緊時，主片曲率半徑減小是指具有負的預應力。在彈簧承受負荷后，主片應力值相對減小些，使主片壽命與其他各片大致相同。對于這種葉片厚度不同的鋼板彈簧,各片在自由狀態(tài)下的曲率半徑,是根據(jù)由這些曲率半徑所引起的預應力應保證各片應有相同的疲勞強度來確定的。鋼板彈簧各片預應力的確定：選取各片彈簧預應力時，要求做到裝配前各片彈簧片間的間隙相差不大，且裝配后各片能很好的貼和；為保證主片及與其相鄰的長片有足夠的使用壽命，應適當降低主片及與其相鄰的長片的應力。選取各片預應力時，可分為下列兩種情況：對于片厚相同的鋼板彈簧，各片預應力值不宜選取過大；對于片厚不相同的鋼板彈簧，厚片預應力可取大些。推薦主片在根部的工作應力與預應力疊加后的合成應力在300~350MPa內(nèi)選取。?片長片疊加負的預應力，短片疊加正的預應力。預應力從長片到短片由負值逐漸遞增至正值。設計時可取第一、二片的預應力為-80~-150MPa，最后幾片的預應力取20~60MPa。在確定各片的預應力時，理論上應滿足各片彈簧在根部處預應力所造成的彎矩M之代數(shù)和i等于零，即Zm=Zow=0 （式3.15）TOC\o"1-5"\h\zi 0iii=1 i=1式中w一鋼板彈簧第k片的截面系數(shù)，w="；i i6。一鋼板彈簧第i片的預應力；0i主簧預應力確定：各葉片預應力值確定如下表：表3.主7簧各片預應力葉片序號i預應力o0iMPaV、 100X122TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Zm=Zow=(-110—90—50—20)X +i 0ii 6i=1 i=1(20+20+30+30+50+50+60+60)x100；112六0所選預應力符合要求。副簧預應力確定：各片預應力值確定如下表：表3.副8簧各片預應力葉片序號k123456預應力o'0iMPa-100-8030306060副簧各葉片等厚，W′值相同。iZm'=Zo'W'=-100-80+30+30+60+60=0i 0iii=1 i=1所選預應力符合要求。鋼4板彈簧各葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑和弧高的計算因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同（圖3.5，裝）配后各片產(chǎn)生預應力，其值確定了自由狀態(tài)下的曲率半徑Rk。各片自由狀態(tài)下做成不同曲率半徑的目的是：使各片厚度相同的鋼板彈簧裝配后能很好地貼緊，減少主片工作應力，使各片壽命接近。

圖3.鋼5板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑鋼板彈簧各片的預應力。確定之后，可用下式計算各葉片彈簧在自由狀態(tài)下的曲率半徑R：

iR：

i（式3.16（式3.16）R= 0 i[1+(2oR)(Eh)]

oioi式中，R為第i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑（mm）；R為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑;E為材料彈性模量（MPa）,取E=2.1x105MPa；h為第i片的彈簧厚度（mm）；R=3449.16mm,R'=1827.23mm。0各片弧高H為i（式3.17）L2（式3.17）H=-

i8R

i式中L—第i片彈簧長度。i列表計算彈簧各葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑和弧高：）主簧計算見下表：表 主簧各葉片自由狀態(tài)下的R和Hii葉片序號曲率計算弧高計算himmo0iMPa2oR0i0X10-5N-mm-1Ehix10-5N-mm-12oR 0i-0-EhiRimmLimmHimm

0)副簧計算見下表：表3.10副簧各片自由狀態(tài)下的R'和Hii葉片序號曲率計算弧高計算h'immo'0iMPa2o'R'0i0X10-5N-mm-iEh'iX10-5N-mm-i2o'R' 0i——0-Eh'iR'immL'immH'imm鋼5板彈簧總成弧高的核算由于鋼板彈簧葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑R是經(jīng)選取預應力。后用式i 0iR= R 計算的，受其影響，裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用式R=L2.-(8H)計t[1+(2oR)(Eh)] 0 0oioi算的結(jié)果會不同。因此，需要核算鋼板彈簧總成的弧高。根據(jù)最小勢能原理，鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢能總和最小狀態(tài)，可得計算公式：i=1式：i=1 EJLiii=1（式3.18）對于葉片厚度相等的彈簧，則對于葉片厚度相等的彈簧，則鋼板彈簧總成弧高為：1工鋼板彈簧總成弧高為：1工(Li…0 i=1 : i=1（式3.19）（式3.20）HxL2/(8R（式3.20）按上式求出的弧高值應與按式所1得3的弧高相接近。如相差較多，則應調(diào)整各片預應力按上式求出的弧高值應與按式重新進行計算。1）主簧總成弧高核算：計算見下表：表3.1主1簧總成弧高核算葉片序號himmLimmJimm4RimmJLiiX105mm5JL/Rii iX104mm41R0X10-4mm-1R0mmHmm1214400233.280.4172.663759.487.261214400233.280.5101214400210.240.5261214400187.200.5131111091.7125.340.3851111091.7112.030.3441111091.797.610.3081111091.784.300.2661111091.769.880.2331111091.756.570.188

1111091.742.150.1441111091.728.840.099E1480.724.381）副簧總成弧高核算：計算見下表：表3.12副簧總成弧高計算葉片序號h'immL'immR'immL'/R'i i1R'0X10-4mm-1R’0mmHmm110.5535.2651899.3494.77110.487110.481110.384110.294110.186E45302.385以上所計算出的實際弧高與按式3.1所2得的弧高比較接近，所以彈簧各片所選的預應力值合適。葉片端部形狀的選擇常見的葉片端部形狀有三種：矩形、梯形、橢圓形（圖3.）6。圖3.鋼6板彈簧葉片端部形狀葉片端部為矩形的鋼板彈簧（圖5,由于制造簡單，廣泛地用在貨車上。但是這種端部形狀會引起壓應力的集中，因而增加了片間的摩擦和磨損，且端部剛性大，很難使彈簧接近等應力梁。所以它的實際重量比理論上所需的大。葉片端部切去兩角呈梯形狀（圖 ）的鋼板彈簧比較接近等應力梁，在某種程度上克服了端部為矩形的缺點。圖所示為橢圓形的端部形狀，并且將葉片端部壓延成沿長度方向逐漸減薄的變斷面，改善了應力延彈簧長度的分布，使其更接近等應力梁。增加了端部的彈性，減小了片間的摩擦，同時也減輕了重量。實踐證明，葉片端部壓延的鋼板彈簧叫端部未壓延的可減輕重量約30。%這種端部形狀的彈簧在國外已廣泛采用。為了減小鋼板彈簧葉片端部的摩擦和接觸疲勞，以便延長彈簧的使用壽命和消除噪聲，有時在葉片端部裝有襯墊和鑲快（其材料是摩擦系數(shù)很小的青銅、塑料等）。有的采用鋼板彈簧套將鋼板彈簧裝在護套內(nèi)，以保護葉片之間的潤滑劑。還有將葉片端部帶尖角的一邊向下或?qū)⒍瞬肯蛳戮韽?，以減少片間的局部壓力和減輕片間的磨損[1。8]綜合考慮,在此選取矩形作為鋼板彈簧端部形狀。鋼板彈簧兩端與車架的連接目前用鋼板彈簧與車架連接的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：吊耳支撐式、滑板支撐式及橡膠塊支撐式。吊耳支撐式即用鉸鏈和吊耳將鋼板彈簧兩端固定在車架上的結(jié)構(gòu)形式，這種連接方式廣泛的應用在汽車上。目前有些汽車采用滑板結(jié)構(gòu)來代替吊耳的連接方法，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、制造工藝簡單、拆卸方便，減少了潤滑點及減小了主片附加應力，延長了彈簧壽命。橡膠塊支撐彈簧兩端裝在橡膠座內(nèi)，通過橡膠座將力傳給傳給車架。這種連接形式改善了主片的受力情況，提高了主片的強度；由于橡膠塊具有較大撓性，可以減小主片的扭曲應力。同時減少了潤滑點和噪聲。它的缺點是消耗優(yōu)質(zhì)橡膠多，相較易老化，壽命較吊耳及滑板結(jié)構(gòu)短[1。9]選取吊耳支撐式為本次設計的鋼板彈簧支撐方式。鋼板彈簧彈簧銷和卷耳的設計鋼板彈簧主片端部制成卷耳以便安裝彈簧銷和用以與托架或吊耳連接。常見的卷耳根據(jù)卷耳軸線相對于主簧的位置分為：平卷耳、上卷耳。平卷耳其優(yōu)點是可以減小卷耳內(nèi)的應力，但制造工藝性較差。上卷耳是目前廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，制造工藝性好，但卷耳內(nèi)的應力較平卷耳大。

在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈簧主片卷耳需要得到加強，將第二、三葉片端部制成加強卷耳（即包耳）或采用鍛造的卷耳。為使葉片變形時不發(fā)生干涉，卷耳與包耳之間要有一定的間隙或帶包耳的葉片做成中間斷開的。鍛造的卷耳可用螺栓固定或焊接在主片上。這種卷耳強度高、耐用，但制造成本高，采用的較少。鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國內(nèi)外汽車上廣泛地采用塑料襯套,因為它具有耐磨、耐蝕、減摩、不需潤滑、重量輕等優(yōu)點。常用的塑料襯套材料為尼龍10，1聚0甲醛等。綜合考慮，選取上卷耳為卷耳形式，并且將主簧第二片制作成包耳，以加強卷耳強度。因貨車載重相對較大，在彈簧銷與襯套間設置金屬套筒，同時將聚甲醛作為襯套的制作材料。彈1簧銷的設計對鋼板彈簧銷，當鋼板彈簧承受靜載荷時它受到擠壓應力：o=F/（bd） （式3.22）zs其中，F(xiàn)為滿載靜止時鋼板彈簧端部的載荷；b為卷耳處葉片寬度；d為鋼板彈簧銷直徑。s用30或40鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時，彈簧銷擠壓應力［。］取為3~4MPa；用20鋼或20Cr鋼z經(jīng)滲碳處理或用45鋼經(jīng)高頻淬火后，許用應力［。］＜7~9MPa。則z=29.46mmF23569

d>———= =29.46mmb[o] 100義8對數(shù)據(jù)進行圓整，取d=30mm。卷2耳尺寸的確定卷耳處所受應力如圖 所示，其所受應力o是由彎曲應力和拉壓合成的應力，圖3.7圖3.7鋼板彈簧主片卷耳受力圖(式(式3.23)(式3.24)o=[3F(D+h)].(bh2)+F(bh)無 1 1 無’ 1則：[[o]-F(bh)](bh2)1t則：D< * 1 1——h3F 1P=F=mG① (式3.25)兀b2 ①式中，F(xiàn)為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；D為卷耳內(nèi)經(jīng)；b為鋼板彈簧寬度；h為主x1片厚度。許用應力[o]取為350MPa。式中，F(xiàn)為制動時地面對后軸車輪的道路阻力；G為作用在車輪上的載荷；①為道路附著系數(shù)，b ①計算時通常取中=0.8；m為后軸對于后軸驅(qū)動的的汽車，一般制動時重量重新分配系數(shù)。其具2體數(shù)值，可按總體布置參數(shù)在附著系數(shù)為①的道路上制動而計算得出的，一般m=1.1?1.2。2得：P=F=1.15*23569義0.8=21683.48Nxb[350—21683.48(100*12)](100*122)D< -12=61.48mm3義21683.48對數(shù)據(jù)進行圓整與調(diào)整，取D=40mm。4結(jié)論本次設計的題目為汽車后懸掛系統(tǒng)的設計。我主要以EQ1080的懸掛系統(tǒng)為例，在掌握汽車后懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功用和作用原理的基礎上，對后懸掛系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)確定，并對主、副鋼板彈簧進行設計、校核，最后采用計算機輔助設計的方法，繪制出汽車后懸架系統(tǒng)的零件圖和裝配圖。在設計過程中，我大膽的采用了簡單的鋼板彈簧葉片斷面形狀，使鋼板彈簧的加工過程簡化，成本相對其它葉片形式的鋼板