鋼板彈簧設(shè)計手冊技術(shù)手冊指導(dǎo)書

華晨汽車工程研究院

鋼板彈簧設(shè)計手冊

編制：馬增輝

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201X-XX-XX發(fā)布

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前言

本設(shè)計手冊規(guī)定的XXXX產(chǎn)品的要求，和國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定而制定。

本設(shè)計手冊由汽車工程研究院XXXX負(fù)責(zé)起草：

本設(shè)計手冊由汽車工程研究院XXXX進(jìn)行管理和解釋；

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目錄

1.概述......................................................1

1.1定義......................................................1

1.2基本功能和原理...........................................1

1.3鋼板彈簧的布置方案.......................................3

2.鋼板彈簧材質(zhì)..............................................4

3.鋼板彈簧生產(chǎn)工藝..........................................4

4.鋼板彈簧的參數(shù)設(shè)計........................................4

4.1滿載弧高fa......................................................................................................4

4.2鋼板彈簧長度L的確定.....................................5

4.3鋼板彈簧斷面尺寸及片數(shù)的確定.............................6

4.4鋼板彈簧片數(shù)n...............................................................................................8

4.5鋼板彈簧各片長度的確定...................................8

4.6鋼板彈簧剛度的驗算.......................................9

4.7鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算.............10

4.8鋼板彈簧總成弧高的核算...................................11

4.9鋼板彈簧的強(qiáng)度驗算......................................12

5.鋼板彈簧設(shè)計階段潛在失效模式.............................13

6鋼板彈簧臺架試驗...........................................13

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鋼板彈簧設(shè)計手冊

L概述

1.1定義

鋼板彈簧是汽車懸架中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，它是由若干片

等寬但不等長（厚度可以相等，也可以不相等）的合金彈簧片組合而成

的一根近似等強(qiáng)度的彈性梁，作用是支撐車體，緩和由路面?zhèn)鱽淼恼駝?/p>

和沖擊載荷。

圖1鋼板彈簧

1.2基本功能和原理

當(dāng)鋼板彈簧安裝在汽車懸架中，所承受的垂直載荷為正向時，各彈

簧片都受力變形，有向上拱彎的趨勢。這時，車橋和車架便相互靠近。

當(dāng)車橋與車架互相遠(yuǎn)離時，鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和變形便逐漸

減小，有時甚至?xí)聪颉?/p>

圖2鋼板彈簧與車橋簡圖

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鋼板彈簧第一片稱為主片，其兩端彎成卷耳，內(nèi)裝青銅或塑料、橡

膠、粉末冶金制成的襯套，以便使用彈簧銷與固定在車架上的支架或吊

耳作銷鏈連接。鋼板彈簧中部一般用U形螺栓固定在車橋上。中心螺栓

用以連接各彈簧片，并保證裝配時各片的相對位置。中心螺栓距兩端卷

耳的距離可以相等，（稱為對稱式鋼板彈簧）；也可以不相等（稱為非對

稱式鋼板彈簧）。當(dāng)鋼板彈簧安裝在汽車懸架中，所承受的垂直載荷為正

向時，各彈簧片都受力變形，有向上拱彎的的趨勢。這時車橋和車架便

相互靠近。當(dāng)車橋與車架相互遠(yuǎn)離時，鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和

變形都逐漸減小，有時甚至反向。

主片卷受力嚴(yán)重，是薄弱處，為改善主片卷耳的受力情況，常將第

二片末端也彎成卷耳，包在主片卷耳的外面（亦稱包耳）。為了使得在彈

簧片變形時各片有相對滑動的可能。在主片卷耳與第二片包耳之間留有

較大的空隙。有些懸架中的鋼板彈簧兩端不做卷耳，而采用兩端插入厚

壁的橡膠支承墊中，靠橡膠變形保證彈簧變形時兩端的相移動?？v向力

側(cè)向力直接由橡膠支承墊傳至車架，采用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是主片不易損

壞，無需潤滑，有良好的消除噪音能力，但鋼板彈簧的縱向移動量受到

限制，因此這種結(jié)構(gòu)只在較長而且剛度較大的鋼板彈簧上采用。

連接各片的構(gòu)件，除中心螺栓外，還有若干個彈簧夾（亦稱加彈夾）

其主要作用是當(dāng)鋼板彈簧反向變形（即反跳）時，使保片不致相互分開,

以免主片單獨承載。此外，開可防止各片橫向錯動。彈簧夾用鉀釘鉀接

在與之相連的最下面彈簧片的頂端。彈簧夾的兩邊用螺栓連接，在螺栓

上有套管頂住彈簧夾的兩邊，以免將彈簧片夾得過緊。在螺栓套管與彈

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簧片之間有一定間隙（不小于1.5mm）。以保證彈簧變形時，各片可以相

互滑動。

鋼板彈簧在載荷作用下變形時，各片之間有相對滑動而產(chǎn)生摩擦。

可以促進(jìn)車架振動的衰減，促進(jìn)各片間的干摩擦，將使車輪所受的沖擊

在很大的程度上傳給車架，即降低了懸架緩和沖擊的能力，并使彈簧各

片加速磨損，這是不利的，為減少彈簧片的磨損，在裝和鋼板彈簧時每

個片間必須涂上較稠的潤滑劑（石墨潤滑脂）并在定期進(jìn)行保養(yǎng)。為了

在使用期間長期儲存潤滑脂和防止污染，有時將鋼板彈簧裝在護(hù)套內(nèi)。

前已述及，鋼板彈簧本身還能兼起導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的作用，并且由于彈簧

各片之間的摩擦而起到一定的減振作用。為了保證在彈簧片間產(chǎn)生定值

摩擦里以及消除噪聲，可選在彈簧片之間夾入塑料墊片。如某些高級轎

車后鋼板彈簧即采用次種結(jié)構(gòu)。

1.3鋼板彈簧的布置方案

鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。后者因為要傳遞縱向力，必

須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大，所以只在少數(shù)輕、

微型車上應(yīng)用?？v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結(jié)構(gòu)簡單，故

在汽車上得到廣泛應(yīng)用。

縱置鋼板彈簧又有對稱式與不對稱式之分。鋼板彈簧中部在車軸（橋）

上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離若相等，則為對稱式

鋼板彈簧；若不相等，則稱為不對稱式鋼板彈簧。多數(shù)情況下汽車采用

對稱式鋼板彈簧。由于整車布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車上的安

裝位置不動，又要改變軸距或者通過變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的

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時，采用不對稱式鋼板彈簧。

2.鋼板彈簧材質(zhì)

鋼板彈簧常用材質(zhì)為60Si2Mn和50CrVAr等。

3.鋼板彈簧生產(chǎn)工藝

不同廠家根據(jù)產(chǎn)品的木同，會對工藝進(jìn)行調(diào)整。

表1鋼板彈簧生產(chǎn)工序

工序號工序名稱設(shè)備

1下料剪切機(jī)

2校直

3沖中孔、端孔沖床

4切邊

5折彎、卷耳，包耳折彎機(jī)

6整形

7加熱高溫爐

8成形

9淬火（油）

10回火

11冷卻（水）

12噴丸噴完機(jī)

13噴漆

14組裝，烘干

15入庫

4.鋼板彈簧的參數(shù)設(shè)計

在進(jìn)行鋼板彈簧計算之前，應(yīng)當(dāng)知道下列初始條件：滿載靜止時汽

車前、后軸（橋）負(fù)荷孰、G2和簧下部分荷重Gui、GU2,并據(jù)此計算出單個

鋼板彈簧的載荷：F■尸（G「GuJ/2和艮2=（G2-GU2）/2,懸架的靜撓度支和動

撓度fd,汽車的軸距等。

4.1滿載弧高fa

滿載弧高fn是指鋼板彈簧裝到車軸（橋）上，汽主滿載時鋼板彈簧主

片上表面與兩端（不包括卷耳孔半徑）連線間的最大高度差（圖

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6—11)。工用來保證汽車具有給定的高度。當(dāng)工=0時，鋼板彈簧在對稱

位置上工作。為了在車架高度已限定時能得到足夠的動撓度值，常取工

=10?20mln。

4.2鋼板彈簧長度L的確定

鋼板彈簧長度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。增加鋼板

彈簧長度L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；在垂直剛度c給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的

縱向角剛度。鋼板彈簧的縱向角剛度系指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時,

作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值。增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時，能

減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長些的鋼板彈簧，會在汽車

上布置時產(chǎn)生困難。原則上在總布置可能的條件下，應(yīng)盡可能將鋼板彈

簧取長些。

推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長度：

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。

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4.3鋼板彈簧斷面尺寸及片數(shù)的確定

4.3.1鋼板斷面寬度b的確定

有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強(qiáng)度等，可按等截面簡支梁的計算公式計算，

但需引入撓度增大系數(shù)3加以修正，因此，可根據(jù)修正后的簡支梁公式

計算鋼板彈簧所需要的總慣性矩Joo

對于對稱鋼板彈簧Jo=[(L-ks)3c5]/(48E)(4-1)

式中，s為U形螺栓中心距(mm)；k是為考慮U形螺栓夾緊彈簧后的無效

長度系數(shù)(如剛性夾緊，取k=0.5,撓性夾緊，取k=0)；c為鋼板彈簧垂

直剛度(N/mm),c=F./fc；6為撓度增大系數(shù)(先確定與主片等長的重疊片

數(shù)再估計一個總片數(shù)no,求得n二ni/n0,然后用3=1.5/[1.04(1+0.5r()]

初定3)；E為材料的彈性模量。

鋼板彈簧總截面系數(shù)W。用下式計算

W0>[Fw(L-ks)]/4：oJ(4-2)

式中，為許用彎曲應(yīng)力。對于55SiMnVB或60Si2Mn等材料，表面經(jīng)

噴丸處理后，推薦在下列范圍內(nèi)選?。呵皬椈珊推胶鈶壹軓椈蔀?/p>

350?450Mpa；后主簧為450?550MPa；后副簧為220?250MPa。將式(4-2)

代人下式計算鋼板彈簧平均厚度hP

2

h/2Jo/Wo=(L-ks)8[QW]/6Efc(4-3)

有了兒以后，再選鋼板彈簧的片寬b。增大片寬，能增加卷耳強(qiáng)度，但當(dāng)

車身受側(cè)向力作用傾斜時，彈簧的扭曲應(yīng)力增大。前懸架用寬的彈簧片,

會影響轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角，片寬選取過窄，又得增加片數(shù)，從而增加片

間的摩擦和彈簧的總厚。推薦片寬與片厚的比值b/h在6?10范圍內(nèi)選

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取。

4.3.2鋼板彈簧片厚h的選擇

矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩Jo用下式計算

Jo=nbh3/12(4-4)

式中，n為鋼板彈簧片數(shù)。

由式(4-4)可知，改變片數(shù)n、片寬b和片厚h三者之一，都影響到總慣

性矩J。的變化；再結(jié)合式(4-1)可知，總慣性矩J。的改變又會影響到鋼板

彈簧垂直剛度c的變化，響汽車的平順性變化。其中，片厚h的變化對

鋼板彈簧總慣性矩J。影響最大。增加片厚h,可以減少片數(shù)n。鋼板彈簧

各片厚度可能有相同和不同兩種情況，希望盡可能采用前者。但因為主

片工作條件惡劣，為了加強(qiáng)主片及卷耳，也常將主片加厚，其余各片厚

度稍薄。此時，要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過三組。為使各片壽命

接近又要求最厚片與最薄片厚度之比應(yīng)小于L5。最后，鋼板斷面尺寸b

和h應(yīng)符合國產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。

圖4葉片斷面形狀

a)矩形斷面b)T形斷面

c)單面有拋物線邊緣的斷面d)單面有雙槽的斷面

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4.4鋼板彈簧片數(shù)n

片數(shù)n少些有利于制造和裝配，并可以降低片間的干摩擦，改善汽

車行駛平順性。但片數(shù)少了將使鋼板彈簧與等強(qiáng)度梁的差別增大，材料

利用率變壞。多片鋼板彈簧一般片數(shù)在6?14片之間選取，重型貨車可

達(dá)20片。用變截面少片簧時，片數(shù)在1?4片之間選取。

4.5鋼板彈簧各片長度的確定

片厚不變寬度連續(xù)變化的單片鋼板彈簧是等強(qiáng)度梁，形狀為菱形（兩

個三角形）。將由兩個三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干

片，然后按照長度大小不同依次排列、疊放到一起，就形成接近實用價

值的鋼板彈簧。實際上的鋼板彈簧不可能是三角形，因為為了將鋼板彈

簧中部固定到車軸（橋）上和使兩卷耳處能可靠地傳遞力，必須使它們有

一定的寬度，因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼板彈簧（圖5）替代三角形

鋼板彈簧才有真正的實用意義。這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度，但

長度不同。首先假設(shè)各片厚度不同，則具體進(jìn)行步驟如下：先將各片厚

度小的立方值,按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在圖（圖6）上，再沿橫坐標(biāo)量

出主片長度的一半L/2和U形螺栓中心距的一半s/2,得到A、B兩點，

連接A、B即得到三角形的鋼板彈簧展開圖。AB線與各葉片上側(cè)邊的交點

即為各片長度。如果存在與主片等長的重疊片，就從B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)邊的交點即為各片長

度。各片實際長度尺寸需經(jīng)圓整后確定。

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圖6確定鋼板彈簧各片長度的作圖法

4.6鋼板彈簧剛度的驗算

在此之前，有關(guān)撓度增大系數(shù)3、總慣性矩J。、片長和葉片端部形狀

等的確定都不夠準(zhǔn)確，所以有必要驗算剛度。剛度驗算公式為

°=6的/反火化-3)](4-5)

/L*=i.

其中4+1=&-匕i+i=771'〃+1=Ki-

z/￡L

/=!/=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；h、h”

為主片和第(k+1)片的一半長度。式(4-5)中主片的一半L,如果用中心

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成自由剛度

5；如果用有效長度，即J；=Q-0.5公)代入式(4-5),求得的剛度值是鋼

板彈簧總成的夾緊剛度。

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4.7鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算

4.7.1鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高Ho

鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前，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。，用下式計算

Ho=(fc+fa+Af)(4-6)

式中，。為靜撓度；fa為滿載弧高；Af為鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊

2

后引起的弧高變化，Af=s(3L-s)(fa+fJ/2L；S為U形螺栓中心距；L

為鋼板彈簧主片長度。鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑

RO=L7(8HO)o

4.7.2鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下曲率半徑的確定

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，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(yīng)力，使各片壽命接近。

圖7鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑

矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定

Ri=Ro/[l+(2GoiRo)/(Ehi)](4-7)

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式中Ri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(mm)；品為各片彈簧的預(yù)應(yīng)力(MPa)；E為材料彈

性模量(MPa),<E=2.lxlO5MPa；hi為第i片的彈簧厚度(mm)。

在已知鋼板彈簧總成芻由狀態(tài)下曲率半徑R。和各片彈簧預(yù)加應(yīng)力

的條件下，可以用式(4-7)計算出各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑Ri。選

取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時，要求做到：裝配前各片彈簧片間間隙相差不大，

且裝配后各片能很好貼和；為保證主片及與其相鄰的長片有足夠的使用

壽命，應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長片的應(yīng)力。為此，選取各片預(yù)應(yīng)

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(yù)應(yīng)力值

不宜選取過大；對于片厚不相同的鋼板彈簧，厚片預(yù)應(yīng)力可取大些。推

薦主片在根部的工作應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力疊加后的合成應(yīng)力在300?350MPa內(nèi)

選取。在確定各片預(yù)應(yīng)力時，理論上應(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

￡=0(6—12)或￡/必=0(6—13)

/=1/=1

如果第i片的片長為L,則第i片彈簧的弧高為HeL2/(8Ri)

4.8鋼板彈簧總成瓠高的核算

由于鋼板彈簧葉片在芻由狀態(tài)下的曲率半徑R是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力前后

用式(4-7)計算，受其影響，裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用RO=L2/(8H。)

計算的結(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)，由此

可求得等厚葉片彈簧的R。為小=￡伉")/￡/，,(4-8)式中，L為鋼

//=i/i=i

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板彈簧第i片長度。鋼板彈簧總成弧高為H，2/(8RO)(4-9)

用式(4-9)與用式(4-6)計算的結(jié)果應(yīng)相近。如相差較多，可經(jīng)重新選用

各片預(yù)應(yīng)力再行核算。

4.9鋼板彈簧的強(qiáng)度驗算

緊急制動時，前鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的后半段出現(xiàn)的最

大應(yīng)力—用下式計算°皿=[*(4+花班1+2尤](4-10)

式中，G為作用在前輪上的垂直靜負(fù)荷；為制動時前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù),

轎車：m「=1.2?1.4,貨車：m」=1.4?1.6；L、b為鋼板彈簧前、后

段長度；力為道路附著系數(shù)，取0.8；W。為鋼板彈簧總截面系數(shù)；c為彈

簧固定點到路面的距離(圖8)。

圖8汽車制動時鋼板彈簧的受力圖

汽車驅(qū)動時，后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)最大應(yīng)力

dax用下式計算5nax=12AMi2+℃)]/[(/+Oo]+G/；。/(幽)(4T1)

式中，Gz為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷；m2,為驅(qū)動時后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù),

乘用車：m2*=1.25-1.30,貨車：m2'=l.1-1.2；力為道路附著系數(shù)；

b為鋼板彈簧片寬；仄為鋼板彈簧主片厚度。此外，還應(yīng)當(dāng)驗算汽車通過

不平路面時鋼板彈簧的強(qiáng)度。

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)

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力和拉（壓）應(yīng)力合成的應(yīng)力，卷耳受力如下圖4To所示。

o=[36（。