板簧設(shè)計(jì)教材(200802)

1、板簧設(shè)計(jì)教材(200802)汽車鋼板彈簧設(shè)計(jì)第一節(jié)懸架的定義、功能及其組成懸架是現(xiàn)代汽車上的主要總成之一，它能夠把車架（車身）與車軸（車 輪）彈性的連接起來，其主要任務(wù)是傳遞作用在與車架和車輪之間的一切力 和力矩，并且緩和由于路面不平而傳給車身的沖擊載荷，衰減由于沖擊載荷 引起的承載系統(tǒng)的振動，保證汽車的正常行駛。懸架通常由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及減振裝置組成。彈性元件主要有：鋼 板彈簧，螺旋彈簧，橡膠彈簧，空氣彈簧及油氣彈簧等。在長期的發(fā)展過程 中，由于鋼板彈簧具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，占用空間小，維修方便等 一系列特點(diǎn)，因此目前在世界各國仍都在大量的采用鋼板彈簧。第二節(jié)鋼板彈簧的種類一、按力

2、學(xué)性能特點(diǎn)分：分為等剛度、兩極剛度復(fù)式鋼板彈簧、漸變剛度鋼板彈簧。二、按截面形狀分：分為等截面板簧和變截面板簧第三節(jié)鋼板彈簧的截面形狀目前國內(nèi)鋼板彈簧的截面形狀有：a 矩形截面 b 單面雙槽截面 c 帶凸肋的截面 彈簧在設(shè)計(jì)成不對稱形狀，目的是把斷面的中性軸移近受拉表面，減少彈簧 的拉應(yīng)力。此種材料也存在缺點(diǎn) （1）槽內(nèi)容易儲存泥沙加劇表面腐蝕。2）軋制后在溝槽的對應(yīng)拉面上，表面質(zhì)量較差，雙槽的比單槽的更嚴(yán)重。這種表面缺陷成為疲勞起源點(diǎn)。注：在鋼板彈簧的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)優(yōu)先選擇GB1222-84彈簧鋼所規(guī)定的規(guī)格。第一片卷耳形式第四節(jié)鋼板彈簧的主要元件結(jié)構(gòu)鋼板彈簧的卷耳形式一般有 3 種結(jié)構(gòu)，上卷

3、耳、下卷耳和平卷耳（柏林耳）上卷耳使用的比較多，采用下卷耳主要是為了協(xié)調(diào)鋼板彈簧與轉(zhuǎn)向系的運(yùn)動，下卷耳在載荷作用下容易張開。平卷耳可以減少卷耳的應(yīng)力，因?yàn)榭v向力作用方向和彈簧主片斷面的中心線重合，對于不能增加主片厚度但又要保證主片卷耳強(qiáng)度的彈簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造上比上述兩種卷耳復(fù)雜，一般轎車多采用平卷耳或下卷耳。二、第二片包耳汽車在使用條件惡劣的情況下，需要采用加強(qiáng)卷耳的措施。常見的是將 第二片作成包耳形式以保護(hù)主片。 輕型車與箱式客車多采用 1/4 包耳，而大型 載貨汽車和大型客車多采用 3/4 包耳或裝配式包耳。三、鋼板彈簧的中心螺栓中心螺栓的作用除了夾緊各片彈簧外又是安裝鋼板彈

4、簧的定位銷。中心 螺栓在 U 型螺栓松動時(shí)易被剪斷，因此應(yīng)有一定的強(qiáng)度。由于中心螺栓直徑 大小將影響彈簧斷面強(qiáng)度，因此直徑不宜選的過大，一般與簧片厚度相等。 下表是推薦中心螺栓尺寸。簧片厚77991111131316中心螺栓直徑810121416四、 板簧夾箍板簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯(cuò)位之外，還能在彈簧回彈時(shí)將力傳遞 給其它片，減少主片應(yīng)力。五、 板簧襯套鋼板彈簧襯套分為金屬與非金屬，金屬襯套一般為鋼銅合金、粉末冶金與 60 號鋼，金屬襯套要有良好的潤滑，否則磨損加劇甚至燒結(jié)。使用后往往 伴有彈簧銷的磨損，以至兩種零件都要更換。有些軍用車采用螺紋結(jié)構(gòu)襯套，即用螺栓式的彈簧銷和螺孔式的襯套相

5、 配，這種結(jié)構(gòu)能傳遞側(cè)向力，使卷耳不必與支架接觸，消除這部分的磨損， 而且可以在側(cè)面采用密封裝置保證良好的潤滑狀態(tài)，避免泥水滲入。非金屬襯套分為塑料和橡膠兩類。塑料襯套有自潤滑性質(zhì)，對潤滑的要 求較低，而且對保護(hù)彈簧銷有利。在正常使用條件下不會引起磨損。我國目 前多使用聚甲醛或尼龍襯套。橡膠襯套不存在磨損，無須潤滑保養(yǎng)且有吸收高頻振動的功能。橡膠襯 套必須有足夠的厚度，才不會在扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過大剪切應(yīng)力，這樣使卷耳孔徑 過大降低卷耳的強(qiáng)度。其次橡膠的老化、開裂與脫膠引起磨損加快。由于以 上原因只在小型客車和小型載重汽車上使用。第五節(jié)板簧對汽車行駛平順性影響較好的行駛平順性，不僅能保證駕乘人員的舒適

6、和保證運(yùn)載貨物的穩(wěn)定， 而且還能提高汽車的運(yùn)輸速度，減少燃料消耗，延長零件使用壽命和提高零 件的工作可靠性。5汽車行駛平順性的評價(jià)法，通常根據(jù)人體對振動的生理反映及對保持貨 物完整性的影響來確定。通常用表征振動的物理量，如頻率，振幅，加速度 及加速度變化率等做為行駛平順性的評價(jià)指標(biāo)。目前常用汽車車身的振動固有頻率和振動加速度兩個(gè)主要指標(biāo)評價(jià)汽車 的行駛平順性。根據(jù)試驗(yàn)得出結(jié)論：車身振動的固有頻率為人體所習(xí)慣的步 行時(shí)身體上下運(yùn)動的頻率，平順性較好，約為 6085 次/分（1HZ1.6HZ）振 動加速度的極限允許值為（ 0.30.4） g。從貨物的穩(wěn)定性而言，當(dāng)振動加速度達(dá)到 1g 時(shí)，則在車箱

7、內(nèi)未固定的貨 就會離開車箱，因此振動加速度不應(yīng)超出（ 0.6 0.7）g。正確的選擇前后懸架的頻率，可減輕車身的縱向角振動。在選擇前后懸 架的振動頻率時(shí)，應(yīng)使前后懸架的振動頻率盡量接近，或使后懸架的振動頻 率略高于前懸架的振動頻率。第六節(jié)鋼板彈簧設(shè)計(jì)鋼板彈簧設(shè)計(jì)的根本任務(wù)是，根據(jù)整車布置或懸架系統(tǒng)的要求和給定的 參數(shù)，正確的設(shè)計(jì)出鋼板彈簧的規(guī)格尺寸（最好能采用標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的常用材 料規(guī)格） ,并計(jì)算出有關(guān)參數(shù)指標(biāo)。一 確定設(shè)計(jì)的原始依據(jù)：根據(jù)整車總布置及懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，首先要給鋼板彈簧設(shè)計(jì)者提供以下幾方面的數(shù)據(jù)作為其設(shè)計(jì)依據(jù)。1 軸荷整車總布置設(shè)計(jì)師根據(jù)整車的自重、 承載能力及各軸的載荷分布情

8、 況提供軸荷。2 非簧載重量在整車布置時(shí)根據(jù)各有關(guān)總成的實(shí)際重量或估算重量來計(jì)算。A. 車輪、車轎總成的全部重量均算為非簧載重量B. 傳動軸、縱拉桿、推力桿等總成的一半算為非簧載重量。C. 鋼板彈簧總成本身如果裝配方式是正置的 （主片在上方），則其四分 之三的重量算為非簧載重量， 如果其裝配方式是倒置的 （主片在下方），則其 四分之一算為非簧載重量。鋼板彈簧的靜載荷： （軸荷非簧載重量） /2鋼板彈簧的靜載荷3. 軸距軸距涉及到板簧長度的確定，有時(shí)會影響到板簧力學(xué)性能的設(shè)計(jì)，會 出現(xiàn)無法滿足總布置設(shè)計(jì)要求，因而這時(shí)就需要由板簧設(shè)計(jì)者同總布置共 同協(xié)商解決。4、重心高度在汽車的總布置設(shè)計(jì)時(shí)往往只

9、給出了空載時(shí)重心高度，所以還要根據(jù) 汽車的使用特點(diǎn)及貨物的重心位置，進(jìn)一步確定出滿載時(shí)整車的重心高 度。5. 鋼板彈簧的長度和寬度的控制范圍對具體車型的設(shè)計(jì)，結(jié)合軸荷和車型布置（前懸、轉(zhuǎn)向機(jī)位置，左右 彈簧的中心距，前輪的最大轉(zhuǎn)角，車架外寬等） ，往往對鋼板彈簧的設(shè)計(jì)， 限定一定的長度和寬度范圍。所以從系列化出發(fā)，應(yīng)以盡量少的彈簧長度 和寬度來滿足各車型的需要，才有利于許多附件的通用化。6. 車架上平面至車輪中心的距離根據(jù)整車布置的滿載時(shí)前、后軸位置上車架離地高度，按輪胎靜力半 徑算出車架上平面至車輪中心的距離。再結(jié)合車架和車軸、車轎的形狀， 做為鋼板彈簧布置的基本空間。7. 重量指標(biāo)在滿足性

10、能和壽命要求的前提下，力爭使鋼板彈簧的自重不大于設(shè)計(jì) 任務(wù)書給定的指標(biāo)。計(jì)算非簧載重量時(shí)，也可參照此值進(jìn)行估算。二 鋼板彈簧各基本參數(shù)和規(guī)格的確定設(shè)計(jì)鋼板彈簧時(shí)，不象分析整車振動那樣復(fù)雜，它可以將前后懸架獨(dú)立 開，并作為一個(gè)簡單的單自由度無阻尼線性系統(tǒng)來計(jì)算。即不考慮前后懸架 的關(guān)聯(lián)不計(jì)入輪胎彈性，而且不考慮減振器的阻尼影響。1. 剛度的確定1）根據(jù)給定車輪的平順性要求，初步確定期望的自振頻率或其范圍，按下式計(jì)算出期望的滿載靜撓度，再從已知的負(fù)荷算出期望的剛度。300 fm=（ Nm ）C=Qfm48EI0C= L3式中： Nm 滿載自振頻率fm 滿載靜撓度（單位 cm）Q 滿載負(fù)荷C 夾緊剛

11、度形狀系數(shù)按公式 C= 48ELI30 計(jì)算的剛度是板簧大概剛度值， 當(dāng)板簧的片數(shù)和尺寸確 定后，就可以精確計(jì)算出撓度和剛度。鋼板彈簧的精確計(jì)算要通過表格計(jì)算 法獲得，計(jì)算格式如下表：檢驗(yàn)剛度的計(jì)算序號長度 L/2AK+1L1-Lk+1BHIkB*H 3/12IkYk10000/I kI0Yk-Yk+1J0Ak+13*0.0001I0*J0Cmmmmmmmm4mm4mm41/mm41/mm4mm31/mmKg/mm1650761063336333.31.579265007610633312666.70.7890.7890.000.003570807610633319000.00.5260.26

12、351.2013.4744851657610633325333.30.3950.132449.2159.1153972537610633331666.70.3160.0791619.43127.8563223287610633338000.00.2630.0533528.76185.7272523987610633344333.30.2260.0386304.48237.0181824687610633350666.70.1970.02810250.32289.016500.19727462.505420.236332.41 17.31已知：板簧規(guī)格 10*76 共 8 片 各片長度分別為：L

13、 1L 21300mm L 3 1140mm L 4 970mm L 5 794mmL6 644mmL7 504mmL8 364mm式中 C=0.87x6x21000/6332.41=17.31 Kg/mm0.87 為剛度修正系數(shù)一般取 0.830.87之間。一般片多與片厚取下限，片少片薄取上限。計(jì)算剛度時(shí)的固有頻率的選擇還同使用條件有關(guān)，一般對于不同類型的 汽車按如下推薦值選?。篈.重汽推薦值轎車： n60 90c/min輕型客車： n 70 100c/min載貨類汽車： n 80170c/min城市客車：n 111c/min長途客車：n 99c/min旅游客車： n 80c/min礦用汽車

14、或越野汽車： n100130c/min ，在滿足強(qiáng)度條件時(shí)，N1可以取的低一點(diǎn)，有時(shí)也可以達(dá)到 85125 c/min 。B.二汽產(chǎn)品設(shè)計(jì)處10對于非獨(dú)立懸架的載重汽車和越野車，一般滿載時(shí)，前懸架取100110 后懸架 N2110120 滿載時(shí)前后頻率的比值N1/N20.851.02、材料規(guī)格與片數(shù)的確定鋼板彈簧的作用長度系指在伸直狀態(tài)下兩卷耳中心之間的長度，對滑板式板簧的作用長就是作用板簧上的兩個(gè)支架間的距離，因而也就是支點(diǎn)距根據(jù)總部置給定的材料寬度與初定的板簧作用長度與無效長度確定板簧的片厚與片數(shù)。C=48EI0L31-33） 21 -2 +2（32 -ln） I1I0式中I 1 端部慣性

15、距I 0根部慣性距 Io =b1h2 .nE：材料彈性模量( 2.1x104Kgf/mm 2)對于單面雙槽的材料 Io =0.067nbh3/12)式中當(dāng) L 、s確定后， C 就由 I o決定，根據(jù) I o選定由上式我們可以看到 Io與 h3成正比，只要稍稍增加 h 就能大大地增加 I o從而減少葉片的數(shù)量。11般情況下建議 B 和 h 的比最好在 4.5 HB 3.5max=( fm+d fm )可見越柔軟的彈簧 （ fm 越大），就應(yīng)選擇較小的比應(yīng)力， 才能保證彈簧的靜強(qiáng)度。4、裝車弧高的核算弧高則決定彈簧的安裝位置。按已確定的總成自由弧高，夾緊后的弧高變化值、非線形附加變化量，以及滿載

16、和空載的靜撓度，分別計(jì)算滿載和空載的弧高值，以計(jì)算鋼板彈簧裝車后的狀態(tài)。非線形附加變形量由試驗(yàn)確定，試驗(yàn)時(shí)要在模擬裝車夾緊狀態(tài)下進(jìn)行，一般彈簧非線形性程度并不大，對于漸變剛度鋼板彈簧有影響，當(dāng)彈簧未經(jīng)實(shí)質(zhì)試制之前只能參考類似產(chǎn)品。滿載靜弧高 fa 直接影響車身的高度，一般情況下應(yīng)選擇 fa0，這樣可以使鋼板彈簧滿載載荷下處在對稱位置工作，但是由于目前所使用的彈簧材料在使用中會產(chǎn)生一定程度的塑性變形，因而就需要對fa 給予一定的補(bǔ)償償，有時(shí)為了保證車架一定的高度而又不使動撓度值過小，也需確定一適當(dāng)?shù)闹笛a(bǔ)償，通常取 fa11 31mm以上四個(gè)參數(shù)如都滿足要求，所確定的彈簧規(guī)格尺寸就算認(rèn)可。自振頻率

17、是決定平順性的基本指標(biāo)。靜應(yīng)力和比應(yīng)力是影響彈簧使用壽命的基本原fa15鋼板彈簧的設(shè)計(jì)是否成功，首先取決于這四個(gè)參數(shù)選擇是否恰當(dāng)。如核算后 發(fā)現(xiàn)不當(dāng)，就應(yīng)修改規(guī)格尺寸重新進(jìn)行核算。6、 前簧在最強(qiáng)制動時(shí)的卷耳強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)鋼板彈簧時(shí)，還必須校核最強(qiáng)制動時(shí)的卷耳應(yīng)力，以免卷耳損壞。 按設(shè)計(jì)所提供的前輪最大制動力 T1 來核算卷耳根部應(yīng)力。 當(dāng)鋼板彈簧卷耳傳 遞制動力或驅(qū)動力時(shí)，在鋼板彈簧主片卷耳處所引起的應(yīng)力是由彎曲應(yīng)力 和拉（壓）應(yīng)力合成的。r+a 1 1d=0.5T1 （ w +F1 ）式中： r 卷耳孔半徑I1a1 主片中性層至受拉面距離 a1=W11W 1主片對受拉面的斷面系數(shù)F1 主片斷

18、面積推薦卷耳許應(yīng)力不大于 3500 kgf/cm 2，試驗(yàn)與使用結(jié)果表明這個(gè)許應(yīng)力 值是合適的。四、兩極剛度復(fù)式鋼板彈簧的計(jì)算主副簧并聯(lián)組合的兩極復(fù)式鋼板彈簧，主要用在彈簧載荷變化比較大的 載貨汽車后懸架上，空載時(shí)只主簧起作用，當(dāng)載荷增大到一定程度后副簧與 支架接觸，主副簧共同工作。這種彈簧設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考率的主要問題是，在滿足 主副簧強(qiáng)度的前提下，盡量使在各種載荷下懸架頻率變化小。1、主、副簧剛度的計(jì)算16一般采用比例中項(xiàng)法，假設(shè)彈簧滿載時(shí)頻率與副簧和支架剛接觸時(shí)的頻率相等，而空載時(shí)頻率與副簧和支架接觸后的頻率相等。根據(jù)此假設(shè)主副簧的計(jì)算如下假設(shè)：Nm= N1N =N2Nm =300QmK1)+(

19、K2)K2)K1)=QQmoQoQK= QnQm式中：No空載時(shí)懸架頻率。次 /minNm滿載時(shí)懸架頻率。次 /minN1副簧與支架接觸前的頻率。次 /minN2副簧與支架接觸后的頻率。次 /min Qo空載時(shí)彈簧載荷。 N Qm滿載時(shí)彈簧載荷。 NQK 副簧與支架接觸時(shí)彈簧上載荷。 NK 1）主簧夾緊剛度。 N/mmK 2）副簧夾緊剛度。 N/mm2、主副簧載荷分配與應(yīng)力計(jì)算Q1= Qk + （Q（mK）Qk+）（KK1）1 k（K1）+（K2）Q2 = Qm Q117式中： Q1作用在主簧上的載荷，Q2作用在副簧上的載荷， N 主副簧的工作應(yīng)力與比應(yīng)力計(jì)算同一般多片彈簧。3、主副彈簧滿載弧

20、高與副簧支架距離的確定主副簧弧高與副簧支架位置應(yīng)符合下面關(guān)系式D2-D 1=H 1-H2式中： H1主簧滿載弧高H2副簧滿載弧高D1主副簧支架距離D2主簧第一片和副簧第一片距離主副簧第一片之間的距離 D2 值，取決于副簧總厚度與主副彈簧間墊板的厚 度。該厚度應(yīng)保證彈簧在正反極限行程內(nèi)主副彈簧不相碰。主副彈簧支架距 離一般由結(jié)構(gòu)布置決定。主簧滿載弧高一般為 1020，當(dāng) H1、D1、D2 值確定 后，由公式可求出副簧滿載弧高值 H218五、漸變剛度鋼板彈簧計(jì)算為改善汽車的平順性，在一些輕型貨車和小型客車上采用了將副簧置于 主簧下面的漸變剛性鋼板彈簧結(jié)構(gòu)。在一定載荷范圍內(nèi)僅主簧起作用，當(dāng)載 荷增大

21、到某一值時(shí)副簧與主簧開始接觸，板簧剛度隨之增大，其特性為非線 性。當(dāng)副簧與主簧完全接觸后，板簧特性又變?yōu)榫€性。如下圖 A 點(diǎn)為主副簧開始接觸， AB段為主副簧逐漸接觸， B 點(diǎn)開始主副 簧完全接觸。漸變剛性鋼板彈簧的計(jì)算一般采用共同曲率法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，共同曲率 法假設(shè)板簧各葉片沿全長接觸，如不計(jì)葉片厚度可認(rèn)為各葉片在同一位置處 的曲率半徑是一樣的。在副簧與主簧未完全接觸之前，則是假設(shè)主副簧在接 觸點(diǎn)的曲率是一樣的。對于等剛度彈簧通常只確定設(shè)計(jì)負(fù)荷與高度，但對變剛度板簧需規(guī)定第 一級的限制負(fù)荷與高度，又要規(guī)定第二級的限制負(fù)荷與高度。副簧片長的選擇：主簧片長度由總布置確定 , 在材料規(guī)格與片數(shù)確定

22、的前19提下來確定副簧的長度 , 例:已知: 2L=1200（ 主簧伸直長度 ） S=80（ U 型螺栓夾緊距離 ）1-5 片( 主簧)12*70 6-7( 副簧)15*70解 :Im=70*12*12*12*5/12=50400( 主簧總慣性距 )In=70*15*15*15/12=19687.5( 一片副簧的慣性距 )第七片長度 = 2( IImn *(L - 2S ) + 2S )19687.5=2( 50400 *(600-40)+40)=502In*2 S S第六片長度 = 2( Im *(L - 2 ) + 2 )=2(195608470.50*2 *(600-40)+40)=95

23、51、主副簧接觸過程中載荷的計(jì)算當(dāng)主副簧剛開始接觸時(shí)的作用在板簧上載荷 P1 應(yīng)滿足下面公式P1Lm ) (EIm)11Rm Ra式中： P1主副簧剛開始接觸時(shí)的載荷之半Lm主簧長度之半Im主簧總慣性距Rm主簧曲率半徑Ra副簧曲率半徑當(dāng)主副簧剛完全接觸時(shí)的作用在板簧上載荷 P2 應(yīng)滿足下面公式20P2 1P1 1-式中： P2主副簧完全接觸時(shí)的載荷之半副簧與主簧的長度比當(dāng)主副簧在任意位置接觸時(shí)的作用在板簧上載荷 P 應(yīng)滿足下面公式PEIm11RmRa式中：主副簧接觸長度=P1PL mP作用在板簧上的負(fù)荷之半2、漸變剛性鋼板彈簧變形計(jì)算（1）副簧與主簧未接觸前的板簧變形 P P1，此時(shí)僅主簧起作用，板簧的變形2P =Km式中：板簧變形Km主簧剛度