鋼板彈簧設(shè)計

1、鋼板彈簧設(shè)計,1.鋼板彈簧的布置方案 2.鋼板彈簧主要參數(shù)的確定 3.鋼板彈簧各片長度的確定 4.鋼板彈簧剛度的驗算 5.鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算 6.鋼板彈簧總成弧高的核算 7.鋼板彈簧的強度驗算 8.少片彈簧,1.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

2、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時， 采用 不對稱式鋼板彈簧。,2.鋼板彈簧主要參數(shù)的確定,在進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G1 、 G2 和 簧 下 部 分 荷 重 Gu1 、 Gu2 ， 并 據(jù) 此 計 算 出 單 個 鋼 板 彈 簧 的 載 荷 ：Fw1 = (G1 Gu1 ) / 2 和 Fw2 = (G2 Gu2 ) / 2 ，懸架的靜撓度 fc 和動撓度 fd ，汽車的軸距等。 1

3、.滿載弧高 fa 滿載弧高 fa 是指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上，汽車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 611)。 fa 用來保證汽車具有給定的高度。 當(dāng) fa 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 fa 1020mm。,2.鋼 圖6-11 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 板彈簧長度 L 的確定,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

4、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(0.400.55)軸距；貨車前懸架：L (0.260.35)軸距，后懸架：L (0.350.45) 軸距。,3.鋼板彈簧斷面尺寸及片數(shù)的確定 (1)鋼板斷面寬度 b 的確定 有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強度等，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) 加以修正

5、，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 J0 。對于對稱鋼板彈簧J0= ( L ks )3 c / （48 E） (65) 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(Nmm)， c = Fw / fc ； 為 撓 度 增 大 系數(shù) (先 確 定與 主 片 等 長 的重 疊 片 數(shù) n1 ， 再 估 計 一 個總 片 數(shù) n0 ， 求 得 = n1 / n0 ，然后用 = 1.5 /1.04(1 + 0.5 ) 初定 )；E 為材料的彈性模

6、量。 鋼板彈簧總截面系數(shù) W0 用下式計算,W0 Fw ( L ks ) / 4w (66)式中， w 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 w 在下列范圍內(nèi)選?。?前彈簧和平衡懸架彈簧為 350450MPa；后主簧為 450550MPa ；后副簧為 220 250MPa 。 將式(66)代人下式計算鋼板彈簧平均厚度 hphp = 2J0/W0= ( L ks )2 w /6Efc (67) 有了 hp 以后，再選鋼板彈簧的片寬 b。 增大片寬，能增加卷耳強度，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

7、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 / hp 在 610 范圍內(nèi)選取。,(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 J0 用下式計算J0 = nbh3 / 12 (68) 式中，n 為鋼板彈簧片數(shù)。 由式(68)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 J0 的變化； 再結(jié)合式(65)可知， 總慣性矩 J0 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J0 影響最大。 增加片厚h， 可以減少片數(shù) n。 鋼板彈簧各

8、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 1.5。 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6-12 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,（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 61

9、4 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。,3 .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 613)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)

10、各片厚度不同， 則具體進行步 驟如下： 先將各片厚度 的立方值 按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在 圖 (圖 614)上，再沿橫坐標(biāo)量出主片長度的一半 L2 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。,圖6-13 雙梯形鋼板彈簧 圖6-14 確定鋼板彈簧各片長度的作圖法,4 鋼板彈簧剛度驗算,在此之前，有關(guān)撓度增大系數(shù) 、總慣性矩 J0 、片長和葉片端部

11、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 (6-9) 其中 式中， 為經(jīng)驗修正系數(shù)， 0.900.94；E 為材料彈性模量； l1 、lk+1 為主片和第( k + 1 ) 片的一半長度。 式(69)中主片的一半 l1 ，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 cj ；如果用有效長度，即 代入式(69)，求得的剛 度值是鋼板彈簧總成的夾緊剛度 。,5 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算,(1)鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 H0 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

12、高度差(圖 611)，稱為鋼 板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 H0 ，用下式計算 H0 = ( f c + f a + f ) (610) 式中， fc為靜撓度； fa為滿載弧高； f 為鋼板彈簧總成用 U 形螺栓夾緊后引起的弧高變 化， f =s (3L s )(f a + f c ) /2L2；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 R0 = L2 / (8 H0)。,(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，

13、減少主片工作應(yīng)力，使各片壽命接近。 圖 615 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=R0/ 1 + (20i R0 )/（Ehi） (611)式中， Ri 為第 i 片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑(mm)； R0 為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲 率半徑(mm)； 0 i 為各片彈簧的預(yù)應(yīng)力(MPa)；E為材料彈性模量(MPa)，取E = 2.1 105 MPa； hi 為第 i 片的彈簧厚度(mm)。,在已知鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下曲率半徑 R0 和各片彈簧預(yù)加應(yīng)力 0 i 的條件下，可以用式(611)計算出各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑 Ri 。 選取

14、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 300350MPa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 i 之代數(shù)和等于零，即 (612)或 (613)如果第 i 片的片長為 Li ，則第 i 片彈簧的弧高為 H i L2 / (8

15、 Ri) (614),6 鋼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 Ri 是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力 0 i 后用式(611)計 算，受其影響，裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用 R0 = L2 / (8 H0) 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 R0 為 (615)式中， Li 為鋼板彈簧第 i 片長度。 鋼板彈簧總成弧高為H L2 / (8 R0) (616)用式(616)與用式(610)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。,7 鋼板彈簧強

16、度驗算,(1)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 max 用下 式計算 (6-17) 式中，G1 為作用在前輪上的垂直靜負(fù)荷；m1 為制動時前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)， 轎車：m1 1.2 1.4，貨車： m1 1.41.6； l1 、 l 2 為鋼板彈簧前、后段長度； 為道路附著系數(shù)，取 0.8；W0 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 616)。 圖6-16 汽車制動時鋼板彈簧的受力圖,(2)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 max 用下式 計算 (618) 式中， G2為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷； m2 為驅(qū)動時后軸負(fù)

17、荷轉(zhuǎn)移系數(shù)， 乘用車： m2 1.25 1.30 ， 貨車： m2 1. 11.2； 為道路附著系數(shù)；b 為鋼板彈簧片寬； h1 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度。許用應(yīng)力 取為 1000MPa。 (3)鋼板彈簧卷耳和彈簧銷的強度核算。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,卷耳受力如下圖6-17所示。 (619) 式中，F(xiàn)x 為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；D 為卷耳內(nèi)徑；b 為鋼板彈簧寬度；h1 為 主片厚度。許用應(yīng)力 取為 350MPa。,圖6-17 鋼板彈簧主片卷耳受力圖 對鋼板彈簧銷要驗算鋼板彈簧受靜載荷時鋼板彈簧銷受到的擠壓應(yīng)力

18、 Z =Fs/(bd)。 其中，F(xiàn)s 為滿載靜止時鋼板彈簧端部的載荷；b 為卷耳處葉片寬；d 為鋼板彈簧銷直徑。 用 30 鋼或 40 鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時， 彈簧銷許用擠壓應(yīng)力 Z 取為 34MPa；用 20 鋼或 20Cr 鋼經(jīng)滲碳處理或用 45 鋼經(jīng)高頻淬火后，其許用應(yīng)力 Z 79MPa。 鋼板彈簧多數(shù)情況下采用 55SiMnVB 鋼或 60Si2Mn 鋼制造。常采用表面噴丸處理工藝 和減少表面脫碳層深度的措施來提高鋼板彈簧的壽命。 表面噴丸處理有一般噴丸和應(yīng)力噴丸 兩種，后者可使鋼板彈簧表面的殘余應(yīng)力比前者大很多。,8 少片彈簧,少片彈簧在輕型車和轎車上得到越來越多的應(yīng)用。其特點是葉片由等長、等寬、變截面的 13 片葉片組成(圖 618)。利用變厚斷面來保持等強度特性，并比多片彈簧減少 2040的質(zhì)量。片間放有減摩作用的塑料墊片，或做成只在端部接觸以減少片間摩擦。 圖 619 所示單片變截面彈簧的端部 CD 段和中間夾緊部分 AB 段是厚度為 h1 和 h2 的等截面形，BC 段為變厚截面。BC 段厚度可按拋物線形或線性變化。 圖6-18 單片彈簧和少片彈簧 圖6-19 單片變截面彈簧的一半 a)單片彈簧 b)少片彈簧,(1) 按 拋 物 線 形 變 化 此 時