汽車鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)(共41頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上汽車鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)（1）、鋼板彈簧種類汽車鋼板彈簧除了起彈性元件作用之外，還兼起導(dǎo)向作用，而多片彈簧片間磨擦還起系統(tǒng)阻尼作用。由于鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡單，使用維修、保養(yǎng)方便，長期以來鋼板彈簧在汽車上得到廣泛應(yīng)用。目前汽車使用的鋼板彈簧常見的有以下幾種。通多片鋼板彈簧，如圖1-a所示，這種彈簧主要用在載貨汽車和大型客車上，彈簧彈性特性如圖2-a所不，呈線性特性。 圖1 圖2少片變截面鋼板彈簧，如圖1-b所不，為減少彈簧質(zhì)量，彈簧厚度沿長度方向制成等厚，其彈性特性如一般多片鋼板彈簧一樣呈線性特性圖2-a。這種彈簧主要用于輕型貨車及大、中型載貨汽車前懸架。兩級(jí)變剛度復(fù)式鋼板彈簧

2、，如圖1-c所示，這種彈簧主要用于大、中型載貨汽車后懸架。彈性特性如圖2-b所示，為兩級(jí)變剛度特性，開始時(shí)僅主簧起作用，當(dāng)載荷增加到某值時(shí)副簧與主簧共同起作用，彈性特性由兩條直線組成。漸變剛度鋼板彈簧，如圖1-d所示，這種彈簧多用于輕型載貨汽車與廂式客車后懸架。副簧放在主簧之下，副簧隨汽車載荷變化逐漸起作用，彈簧特性呈非線性特性，如圖2-c所示。多片鋼板彈簧鋼板彈簧計(jì)算實(shí)質(zhì)上是在已知彈簧負(fù)荷情況下，根據(jù)汽車對(duì)懸架性能（頻率）要求，確定彈簧剛度，求出彈簧長度、片寬、片厚、片數(shù)。并要求彈簧尺寸規(guī)格滿足彈簧的強(qiáng)度要求。3.1鋼板彈簧設(shè)計(jì)的已知參數(shù) 1)彈簧負(fù)荷 通常新車設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)整車布置給定的空、

3、滿載軸載質(zhì)量減去估算的非簧載質(zhì)量，得到在每副彈簧上的承載質(zhì)量。一般將前、后軸，車輪，制動(dòng)鼓及轉(zhuǎn)向節(jié)、傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向縱拉桿等總成視為非簧載質(zhì)量。如果鋼板彈簧布置在車橋上方，彈簧3/4的質(zhì)量為非簧載質(zhì)量，下置彈簧，1/4彈簧質(zhì)量為非簧載質(zhì)量。 2)彈簧伸直長度根據(jù)不同車型要求，由總布置給出彈簧伸直長度的控制尺寸。在布置可能的情況下，盡量增加彈簧長度，這主要是考慮以下幾個(gè)方面原因。由于彈簧剛度與彈簧長度的三次方成反比，因此從改善汽車平順性角度看，希望彈簧長度長些好。 在彈簧剛度相同情況下，長的彈簧在車輪上下跳動(dòng)時(shí)，彈簧兩卷耳孔距離變化相對(duì)較小，對(duì)前懸架來說，主銷后傾角變化小，有利于汽車行駛穩(wěn)定性。 增

4、加彈簧長度可以降低彈簧工作應(yīng)力和應(yīng)力幅，從而提高彈簧使用壽命。 增加彈簧長度可以選用簧片厚的彈簧，從而減少彈簧片數(shù)，并且簧片厚的彈簧對(duì)提高主片卷耳強(qiáng)度有利。 3)懸架靜撓度 汽車簧載質(zhì)量與其質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率是評(píng)價(jià)汽車行駛平順性的重要參數(shù)。懸架設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)汽車平順性要求，應(yīng)給出汽車空、滿載時(shí)前、后懸架頻率范圍。如果知道頻率，就可以求出懸架靜撓度值。選取懸架靜撓度值時(shí)，希望后懸架靜撓度值小于前懸架靜撓度值，并且兩值最好接近，一般推薦： （3.1） 為防止汽車在不平路面行駛時(shí)經(jīng)常撞擊緩沖塊，懸架設(shè)計(jì)時(shí)必須給出足夠的動(dòng)撓度值。懸架動(dòng)撓度值與汽車使用情況和靜撓度值 有關(guān)，一般推薦： （3.2）

5、城市公用車輛 ，公路用車輛 ，越野車輛3.5。 4)彈簧滿載弧高 由于車身高度、懸架動(dòng)行程及鋼板彈簧導(dǎo)向特性等都與汽車滿載弧高有關(guān)，因此彈簧滿載弧高值應(yīng)根據(jù)整車和懸架性能要求給出適當(dāng)值，一般取 。有的車輛為得到良好的操縱穩(wěn)定性，滿載弧高取負(fù)值。3.2鋼板彈簧剛度和應(yīng)力 關(guān)于鋼板彈簧剛度和應(yīng)力計(jì)算，基于不同的假設(shè)計(jì)算方法而異。在彈簧計(jì)算中有兩種典型的而又截然相反的假設(shè)，即共同曲率法和集中載荷法。實(shí)際鋼板彈簧往往不完全符合這兩種假設(shè)中的任一種，因此有些學(xué)者提出折衷方法，同時(shí)兼用上述的兩種假設(shè)，這種計(jì)算分析方法有一定的實(shí)用性。這里僅對(duì)多年來一直采用的上述兩種假設(shè)計(jì)算方法進(jìn)行討論。3.1.1 共同曲率

6、法共同曲率法是假設(shè)鋼板彈簧在任何負(fù)荷下，彈簧各片彼此沿整個(gè)長度無間隙接觸，在同一截面上各簧片具有共同的曲率半徑。如果將多片彈簧各片展開，將展成一個(gè)平面，組成一個(gè)新的單片彈簧（圖3.1、圖3.2）。這個(gè)變寬度的單片彈簧力學(xué)特性和用共同曲率法假定的多片鋼板彈簧是一樣的，這樣就可以用單片彈簧計(jì)算方法來計(jì)算多片鋼板彈簧。單片彈簧計(jì)算按其幾何形狀不同可以有兩種計(jì)算方法。一種是梯形單片彈簧（圖3.1），另一種是按多片彈簧各片長度展開成的階梯形單片彈簧（圖3.5）。3.2.1.1梯形單片彈簧 計(jì)算梯形單片彈簧變形和應(yīng)力，可以利用材料力學(xué)求小撓度梁方法計(jì)算。1) 梯形單片彈簧變形 圖 3.1 所示的梯形單片彈

7、簧可以看成是一個(gè)由幾個(gè)相同的片寬 和厚度 的簧片組成，如果彈簧伸直長度為 ，彈簧中部作用的負(fù)荷為 ，計(jì)算彈簧變形時(shí)，可以近似的認(rèn)為用整個(gè)長度 計(jì)算出的值與長度是端部作用負(fù)荷是 的板簧變形是相同的，這樣，整個(gè)的梯形單片彈簧的計(jì)算可以用一端固定，另一端受力的梯形懸臂梁來代替。 下面用單位載荷法（莫爾定理）計(jì)算板簧在負(fù)荷作用點(diǎn)的變形： （3.3） 式中： ：距端點(diǎn)處的力矩， ：單位力距端點(diǎn)處的力矩， ：梯形單片彈簧距端點(diǎn)處的慣性矩 （3.4） ：梯形單片彈簧距端點(diǎn)處的寬度 ：梯形單片彈簧在根部的慣性矩 ：鋼板彈簧形狀系數(shù) ：梯形單片彈簧各片寬度 ：梯形單片彈簧各片厚度 ：梯形單片彈簧主片伸直長度之半

8、， ：總片數(shù) ：等長的主片數(shù) ：材料拉伸彈性模數(shù)，?。?.3）式積分后，經(jīng)整理： （3.5） （3.6）式中： ：撓度增大系數(shù)。梯形單片簧的變形可以看成厚度是，寬度是的矩形板簧變形乘以撓度增大系數(shù)。需要說明一點(diǎn)的是，上面計(jì)算公式只適用于等厚多片彈簧，對(duì)于各片厚度或慣性矩不等的多片彈簧，應(yīng)按等效慣性矩方法來確定各片的展開寬度，再按上式計(jì)算。圖3.2是鋼板彈簧形狀系數(shù)與撓度增大系數(shù) 關(guān)系曲線。 如果鋼板彈簧形狀系數(shù)時(shí)，由（3.6）式，撓度增大系數(shù)，此時(shí)彈簧變形由（3.5）式得： （3.7） 該式為三角形等截面梁在力作用下的變形表達(dá)式（圖3.3）。 當(dāng)時(shí)，撓度增大系數(shù)值為：首先把（3.6）式中一項(xiàng)展

9、開成的冪級(jí)數(shù)，求時(shí)的極限。 當(dāng)時(shí)，由（3.5）式，彈簧變形 （3.8）該式是矩形板簧在力作用下的變形表達(dá)式（圖3.4）。 梯形單片板簧的形狀系數(shù)01。 為計(jì)算方便，有的文獻(xiàn)推薦用下式計(jì)算撓度增大系數(shù)。 （3.9） 表3.1是用（3.6）式和（3.9）式計(jì)算出的板簧撓度增大系數(shù)，。表3.11/31/41/51/61/71/81/91/101/111/121/131/141.2361.2831.3421.3381.3561.3701.3821.3911.3991.4061.4121.4171.2361.2821.3111.3311.3461.3571.3661.3731.3801.3851.389

10、1.3932/32/42/52/62/72/82/92/102/112/122/132/141.0971.1591.2031.2361.2621.2831.3001.3151.3271.3381.3481.3561.0811.1541.2021.2361.2621.2821.2981.3111.3221.3311.3391.3462)梯形單片彈簧剛度彈簧剛度： 或 (3.10)由于彈簧變形和負(fù)荷之間是線性關(guān)系（圖5.1直線1），故彈簧剛度是一常數(shù)。3)鋼板彈簧應(yīng)力梯形單片彈簧在根部（或中心螺栓處）應(yīng)力： (3.11)彈簧比應(yīng)力（單位變形應(yīng)力）： 或 (3.12) 式中： ： 梯形單片彈簧在根部

11、的斷面系數(shù) 按（3.11），（3.12）式，計(jì)算出應(yīng)力和比應(yīng)力是平均應(yīng)力和平均比應(yīng)力，它不能反映各片的確實(shí)受力情況。對(duì)于片厚不等的彈簧，用下面方法計(jì)算各片彈簧應(yīng)力。根據(jù)共同曲率假設(shè)，任意負(fù)荷時(shí)同一截面上各片曲率半徑相等條件，彈簧各片所承受的彎矩應(yīng)正比于其慣性矩。由力矩平衡可求出作用在各片彈簧上的力矩。 （3.13）式中 作用在第簧片上的力矩， 第片彈簧慣性矩， 彈簧各片慣性矩之和， 第片彈簧片厚， 第片彈簧在根部的應(yīng)力和比應(yīng)力為： （3.14） （3.15）式中 第片彈簧斷面系數(shù)， 3.2.1.2階梯形單片彈簧1) 階梯形單片彈簧變形階梯形單片彈簧變形計(jì)算和梯形單片彈簧一樣，不同之處是這種彈簧

12、的斷面慣性矩沿長度變化不能用一個(gè)連續(xù)函數(shù)表示，因此為了求得梁的變形，只能采用分段積分求出。用單位載荷法求負(fù)荷作用點(diǎn)處彈簧變形（圖3.6）。圖3.6 上式經(jīng)整理后得： （3.16）式中： ：階梯形單片彈簧主片長度之半，； ：階梯形單片彈簧第片長度之半； ：階梯形單片彈簧距端點(diǎn)處的慣性矩； ：第1片至第片彈簧慣性矩之和的倒數(shù) ：階梯形單片彈簧第片慣性矩 ：階梯形單片彈簧第片厚度， ：階梯形單片彈簧各片寬度， ：第1片至第片彈簧慣性矩之和的倒數(shù) 用上式計(jì)算時(shí)，由于（總片數(shù)），故，而。 2)階梯形單片彈簧剛度 彈簧剛度： （3.17）式中：彈簧剛度修正系數(shù)，取。 利用（3.17）式計(jì)算出的彈簧剛度值，

13、要比實(shí)際測得的剛度要大，這主要是由于計(jì)算中認(rèn)為彈簧片端部承受了彎矩，這一假設(shè)與實(shí)際情況不符。由于實(shí)際彈簧的側(cè)邊軋制成圓角，彈簧斷面慣性矩比理論值小，因此用（3.17）式計(jì)算彈簧剛度時(shí)，引用了一個(gè)剛度修正系數(shù)。一般彈簧片數(shù)多時(shí)取值下限，片數(shù)少時(shí)取上限。 3)階梯形單片彈簧應(yīng)力 階梯形單片彈簧應(yīng)力與比應(yīng)力計(jì)算可按（3.11），（3.12）或（3.14），（3.15）式計(jì)算。3.2.2集中載荷法與共同曲率法假設(shè)相反，集中載荷法是假設(shè)各彈簧片在片端接觸，因此彈簧片間力的傳遞僅在彈簧片端進(jìn)行，這對(duì)于彈簧片之間有鑲塊或襯片的鋼板彈簧是比較合適的。圖（3.7）是按這一假設(shè)建立的鋼板彈簧示意圖，彈簧片一端固定

14、，另一片通過滾柱與上一片彈簧接觸。1)彈簧片端負(fù)荷 假設(shè)主片卷耳處負(fù)荷為，其它各片在端點(diǎn)處產(chǎn)生的力為，根據(jù)兩相鄰簧片在接觸點(diǎn)處變形相等原理，可求出作用在各片端部負(fù)荷。 在推導(dǎo)彈簧各片片端負(fù)荷之前，將有關(guān)的梁變形基本公式列入表3.2中。 現(xiàn)在討論第片彈簧端點(diǎn)的變形。由于第片在點(diǎn)變形等于第片彈簧在端點(diǎn)處變形，如果彈簧各片端部壓延（表3.2），那么可以得到下面等式： 計(jì)算第片彈簧端點(diǎn)的變形時(shí)，僅是第片彈簧的壓延或倒角與變形有關(guān)。表3.2中的彈簧片端部形狀系數(shù)的計(jì)算，是假設(shè)端部壓延長度或端部切角長度等于相鄰兩彈簧長度差，顯然當(dāng)簧片端部為矩形時(shí)，。表3.2 單片彈簧變形基本公式單片彈簧彈簧在A點(diǎn)變形端部

15、是矩形簧片端部是三角形簧片端部倒角簧片端部壓延簧片上式經(jīng)整理后得： （3.18），而 對(duì)最后一片彈簧，令，而，此時(shí)（3.18）式寫成： （3.19）令 （3.20）當(dāng)彈簧各片片端為矩形時(shí)： （3.21）由（3.18），（3.19），（3.20），（3.21）式，得出計(jì)算各片端部負(fù)荷的方程組： （3.22）方程組（3.22）是 次線性方程組，計(jì)算各片端部負(fù)荷時(shí)，從最后一個(gè)方程式開始，把 值用 表示，并代入前面一個(gè)方程組，依次代入第一個(gè)方程式中，得到只有 和的關(guān)系式，由此求出作用在各片端部負(fù)荷、 值。2)彈簧剛度 由于彈簧總成在卷耳孔處變形等于主片在該點(diǎn)處變形1，因此如果能知道主片在卷耳孔處變形，

16、就能求出彈簧剛度。主片在 、力作用下，在卷耳孔處變形 （圖3.8），為： (3.23)如果主片是二片等長彈簧，上式又可寫成： 彈簧剛度K計(jì)算式為： （3.24）主片是等長二片彈簧：式中 主片斷面慣性矩， 。3） 彈簧應(yīng)力當(dāng)知道各片彈簧受力情況下，就能很容易求出各片應(yīng)力。彈簧各片根部應(yīng)力計(jì)算公式為： (3.25)相鄰兩彈簧片接觸點(diǎn)處應(yīng)力 為： (3.26)無論采用共同曲率法還是集中載荷法，由于采用的假設(shè)與實(shí)際的多片彈簧不一樣，因此計(jì)算結(jié)果都有一定誤差。一般說，用共同曲率法計(jì)算出的彈簧剛度值要比用集中載荷法大，而彈簧應(yīng)力除了末片之外，用共同曲率法計(jì)算的應(yīng)力值與實(shí)測值比較接近。3.2.3 U形螺栓夾

17、緊時(shí)彈簧剛度和應(yīng)力確定鋼板彈簧用U形螺栓夾緊后，部分彈簧長度將不起彈性作用，稱之無效長度。這部分長度除了與 U形螺栓夾緊距有關(guān)外，還與下列因素有關(guān)。a彈簧底座和蓋板的長度和剛度；b彈簧與底座或蓋板之間是否有軟墊；cU形螺栓夾緊力矩和U形螺栓強(qiáng)度。彈簧無效長度一般取 ，彈簧有效長度為： （） （3.27）式中 無效長度系數(shù)，一般取 ；U形螺栓夾緊距，。按式（3.10）、（3.17）、（3.24）計(jì)算彈簧剛度時(shí)，用伸直長度L值計(jì)算出的剛度是自由剛度，用有效長度Le值計(jì)算出的剛度是夾緊剛度。自由剛度用于檢測彈簧特性是否能滿足設(shè)計(jì)要求，而夾緊剛度是用于計(jì)算懸架頻率和新彈簧設(shè)計(jì)時(shí)選擇彈簧尺寸參數(shù)。計(jì)算彈

18、簧夾緊剛度時(shí)，也可以采用下面簡化公式計(jì)算。 （3.28）式中 彈簧自由剛度，； 彈簧夾緊剛度，。計(jì)算彈簧在夾緊狀態(tài)時(shí)應(yīng)力和比應(yīng)力時(shí)，式（3.11）、（3.12）、（3.14）、（3.15）中的值應(yīng)用有效長度 值。3.2.4 彈簧許用應(yīng)力對(duì)于 或 等材料，表面經(jīng)應(yīng)力噴丸處理后，推薦彈簧應(yīng)力值在下列范圍內(nèi)：1） 彈簧滿載靜應(yīng)力 前彈簧 后主彈簧后副彈簧平衡懸架彈簧 2） 彈簧比應(yīng)力載貨汽車前、后彈簧 載貨汽車后懸架副彈簧 越野車平衡懸架彈簧3） 彈簧極限應(yīng)力鋼板彈簧在極限動(dòng)行程時(shí)的應(yīng)力值稱之極限應(yīng)力，極限應(yīng)力許用值為：一般彈簧平衡懸架彈簧彈簧許用應(yīng)力與汽車使用條件、懸架結(jié)構(gòu)及彈簧制造工藝有關(guān)，因此

19、選取彈簧許用應(yīng)力時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況而定，一般說靜撓度大的彈簧，許用靜應(yīng)力可取上限，而比應(yīng)力應(yīng)取下限。圖3.9是美國汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）和原蘇聯(lián)李哈喬夫汽車廠推薦的彈簧許用應(yīng)力曲線圖。其中SAE推薦的許用應(yīng)力范圍是兩條直線形成的區(qū)間，這兩條直線可用下式表示。 （3.29）式中 ；。許用比應(yīng)力為： （3.30） 蘇聯(lián)李哈喬夫汽車廠推薦的許用應(yīng)力范圍是幾組拋物線，可用下式表示。 （3.31） 不同的車型， 不同，在圖3.9中，取值如下。a） 組曲線適用于公共汽車前、后彈簧及工作條件差的載貨汽車前彈簧，；b） 組曲線適用于載貨汽車前彈簧、后副彈簧及轎車后彈簧，；c） 組曲線適用于載貨汽車后主彈簧，

20、；d） 組曲線適用于越野汽車平衡懸架彈簧，；許用比應(yīng)力為： （3.32）從圖3.9可看出，無論是SAE曲線還是李哈喬夫汽車廠都是推薦靜撓度大的彈簧，選用大的許用應(yīng)力，而比應(yīng)力可選小些。但SAE曲線推薦的許用應(yīng)力沒有考慮不同車型的使用條件，這是它的不足。計(jì)算示例3-1彈簧幾何尺寸列于表3.3，滿載時(shí)簧上負(fù)荷，彈簧U形螺栓夾緊距，計(jì)算彈簧剛度和應(yīng)力。1)按共同曲率法計(jì)算：由表3.3計(jì)算得：彈簧總慣性矩，彈簧總斷面系數(shù)，彈簧各片斷面系數(shù)。表3.3 彈簧幾何尺寸片號(hào)各片長度各片有效長度各片厚度各片寬度111501104.56.570211501104.56.5703886840.56.57046225

21、76.56.5705356310.56.570下面分別用梯形單片彈簧和階梯形單片彈簧方法進(jìn)行計(jì)算：將彈簧展開成梯形單片彈簧由(3.9)式計(jì)算得撓度增大系數(shù)，用式（3.10）計(jì)算得彈簧自由剛度。彈簧無效長度系數(shù)取0.5，用（3.28）式計(jì)算得彈簧夾緊剛度。彈簧在U形螺栓夾緊處應(yīng)力和比應(yīng)力由（3.11）、（3.12）式， 。將彈簧展開成階梯形單片彈簧 用式（3.17）計(jì)算彈簧自由剛度時(shí)，為計(jì)算方便將公式列成3.4表格進(jìn)行計(jì)算。 表3.4 彈簧自由剛度列表計(jì)算 片號(hào)157516020.2575032040.0.00344313248060.0.239.1966431126464080.0.956.7

22、851783978010.90.0.1939.695750.4555523763.6 由式（3.17）用有效長度計(jì)算彈簧夾緊剛度：。2)按集中載荷法計(jì)算：首先計(jì)算彈簧各片端部載荷，由式（3.20）求出，、值（表3.5），由于彈簧端部不壓延，。表3.5 、值序號(hào)157516022575160211-20.66173443160211.447-20.56624311160211.637-20.39765178160212.121-20由式（3.22）： 解方程組得 ； ； ；將 代入上面各式得：； ； ； ；用式（3.24）計(jì)算彈簧自由剛度K：用式（3.28）計(jì)算彈簧夾緊剛度用式（3.25）計(jì)算U

23、形螺栓夾緊處各片應(yīng)力（圖3.10）。第1片應(yīng)力第2片應(yīng)力第3片應(yīng)力第4片應(yīng)力第5片應(yīng)力用式（3.26）計(jì)算相鄰兩簧片接觸點(diǎn)應(yīng)力：第2片與第3片：第3片與第4片：第4片與第5片：需要說明一點(diǎn)的是，彈簧各片用實(shí)際長度值和用有效長度值計(jì)算出的各片端部載荷是不一樣的，因此示范例中所計(jì)算的應(yīng)力有一定誤差。3.3鋼板彈簧斷面尺寸和主片長度的確定如果知道了懸架靜撓度值，那么由下式可以求出期望的彈簧剛度值（夾緊剛度）。 （3.33） 利用式（3.10），從期望的彈簧剛度值可計(jì)算出彈簧斷面尺寸和長度。1）初步確定彈簧撓度增大系數(shù)（或）。先確定與主片等長的片數(shù)，然后估算總片數(shù)n，由式（3.9）初步計(jì)算出撓度增大系

24、數(shù)值。選擇彈簧總片數(shù)時(shí)，盡可能使片數(shù)少些，這不僅可以減少彈簧片間摩擦，而且便于彈簧生產(chǎn)制造。2）確定彈簧有效長度。由U形螺栓夾緊矩和總布置給定的彈簧伸直長度，用式（3.27）初步確定出彈簧有效長度值。3）求彈簧總慣性矩。由式（3.10）計(jì)算出彈簧總慣性矩后，可以確定彈簧片數(shù)、片寬、片厚。彈簧寬度選取。增加彈簧寬度，可以減少彈簧總片數(shù)，并能增加卷耳強(qiáng)度。但是，增加片寬后，汽車側(cè)傾時(shí)增加彈簧片扭曲應(yīng)力。對(duì)前懸架來說，為保證轉(zhuǎn)向車輪有一定轉(zhuǎn)向空間，增加片寬受到一定限制。彈簧厚度選取。由于彈簧總慣性矩和彈簧厚度的三次方成正比，稍許增加彈簧厚度，就可以減少片數(shù)。因此在滿足彈簧使用壽命的前提下，應(yīng)盡可能選

25、擇片厚的彈簧。另外，選擇彈簧厚度時(shí)，同一副彈簧的不同厚度的組數(shù)越少越好，希望各片厚度能相等。彈簧尺寸參數(shù)（彈簧長度、寬度、厚度及片數(shù)）確定后，應(yīng)重新按式（3.10）對(duì)彈簧剛度進(jìn)行驗(yàn)算。如果彈簧剛度不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)重新進(jìn)行計(jì)算。除了對(duì)彈簧剛度進(jìn)行驗(yàn)算外，還應(yīng)對(duì)彈簧強(qiáng)度進(jìn)行核算，按式（3.11）、（3.12）或（3.14），（3.15）計(jì)算的彈簧應(yīng)力和比應(yīng)力應(yīng)在推薦的范圍內(nèi)。如果所選的彈簧尺寸參數(shù)不能滿足強(qiáng)度要求，則應(yīng)重新計(jì)算，直至所選定的彈簧尺寸參數(shù)滿足彈簧剛度和強(qiáng)度要求為止。最后確定的彈簧寬度與厚度應(yīng)符合有關(guān)彈簧尺寸標(biāo)準(zhǔn)（彈簧鋼GB1222）規(guī)定。3.4鋼板彈簧各片長度的確定當(dāng)已經(jīng)知道了彈

26、簧主片長度及彈簧寬度、厚度、片數(shù)后，就可以計(jì)算彈簧各片長度。確定各片長度時(shí)，應(yīng)盡可能使各片應(yīng)力及其應(yīng)力分布合理，以達(dá)到各片等壽命。確定彈簧各片長度有兩種方法，即共同曲率法和集中載荷法。 1）共同曲率法該方法是基于彈簧各片展開圖接近于梯形梁形狀這一實(shí)際情況，用作圖法來確定彈簧各片長度的方法。具體作法是：作一直線（圖3.11），代表中心螺栓軸線，在直線上按照同一比例尺，依次截取簧片厚度的立方值，再沿橫坐標(biāo)量出主片長度之半和U形螺栓中心距之半值，得、兩點(diǎn)，連接、得到鋼板彈簧展開圖。從截取的各片厚度點(diǎn)作一直線與直線相交，即可求出彈簧各片長度。利用圖3.11的方法可求出各片等厚和不等厚時(shí)各片的長度。如果

27、主片是等長時(shí)，應(yīng)從點(diǎn)到第二片端點(diǎn)連一直線，如圖3.11b的直線。各片等厚的彈簧，由于各片長度差值相等，因此也可以按比例計(jì)算彈簧各片長度，不一定作圖。對(duì)于裝有夾箍的簧片，可以適當(dāng)加長片長，以便于安裝夾箍。2）集中載荷法該方法是按照集中載荷法假設(shè)，根據(jù)所設(shè)定的彈簧各片應(yīng)力分布狀況，確定彈簧各片長度的方法。彈簧沿片長應(yīng)力分布狀況有三種形式（圖3.12），從合理利用彈簧材料角度出發(fā)，圖3.12c所示彈簧片應(yīng)力分布比較合理，它接近于等強(qiáng)度梁，但是這種分布對(duì)受力復(fù)雜的主片是不太理想的。對(duì)主片來說，圖3.12a的應(yīng)力分布比較合理。圖3.12b所示的應(yīng)力分布，除特殊情況外，一般不用。下面用應(yīng)力分布系數(shù)來確定彈

28、簧各片長度。 （3.34） 式中 U螺栓夾緊處第片應(yīng)力，第 與 接觸點(diǎn)處的應(yīng)力，如果給出各片的應(yīng)力分布系數(shù) 便可以知道各片彈簧的應(yīng)力，由式（3.25），（3.26）可以求出彈簧各片長度。表3.6推薦的應(yīng)力分布系數(shù)供參考選用。表3.6 彈簧各片應(yīng)力分布系數(shù) 鋼板彈簧主片第二片第三片其余各片第一、二片等長0.60.80.60.80.70.91.0所以各片長度不等0.60.80.70.90.91.01.0計(jì)算示例3-2彈簧主片長，第一片與第二片等長，片寬成，各片厚，共5片，彈簧U形螺栓夾緊矩，求彈簧各片片長。由于彈簧各片厚度相等，可以按比例計(jì)算出彈簧各片長度。第1片與第2片半長 ；第3片半長 ；第4

29、片半長 ；第5片半長 。3.5鋼板彈簧各片預(yù)應(yīng)力及弧高3.5.1鋼板彈簧各片預(yù)應(yīng)力確定由于各片鋼板彈簧在自由狀態(tài)下曲率半徑不等，用中心螺栓將各片彈簧夾緊時(shí)，各片曲率半徑將發(fā)生變化，并產(chǎn)生預(yù)加應(yīng)力，鋼板彈簧在未承受外加負(fù)荷時(shí)，這種應(yīng)力就已經(jīng)存在了，由于各片彈簧存在預(yù)應(yīng)力，當(dāng)彈簧承載時(shí)彈簧各片應(yīng)力狀態(tài)將重新發(fā)生變化。下面用共同曲率法計(jì)算各片彈簧因曲率變化產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。假設(shè)裝配好的鋼板彈簧各片彼此完全接觸，而且每一片彈簧在自由狀態(tài)或裝配成總成后，沿整個(gè)長度曲率半徑都相等?；谶@種假設(shè)，各片彈簧在裝配時(shí)，彈簧變形可看成是純彎曲，彈簧各片端作用大小相等，方向相反的力矩。由材料力學(xué)，作用在任一彈簧片上的彎

30、矩與曲率半徑變化值之間關(guān)系（圖3.13）可用下式所示： (3.35) 式中：第片彈簧各斷面的彎矩， ：第片彈簧在自由狀態(tài)下的曲率半徑， ：第片彈簧在裝配后的曲率半徑， ：第片彈簧斷面慣性矩，彈簧預(yù)應(yīng)力與彎矩及裝后斷面系數(shù)之間關(guān)系式：將上式代入（3.35）式得出： （3.36）假設(shè)各片彈簧均為矩形斷面，裝配后的各片彈簧曲率半徑等于彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑，各片彈簧上的預(yù)應(yīng)力可以寫成： （3.37） 式中 ：第片彈簧片厚， ：彈簧總成在自由狀態(tài)下曲率半徑，如果知道彈簧總成自由狀態(tài)下的曲率半徑和預(yù)加在各片彈簧上的預(yù)應(yīng)力，那么由（3.37）式可求出各片彈簧在自由狀態(tài)下的曲率半徑 （3.38） 彈

31、簧各片預(yù)應(yīng)力的選擇，原則上應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素。a彈簧各片未裝配前，各片間隙不要相差太大，各片裝配后，應(yīng)使各片能很好配合。b由于主片受力復(fù)雜，為保證主片及長片有較長使用壽命，希望適當(dāng)降低主片及長片應(yīng)力?；谏鲜鲈颍x擇各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，片厚相等的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力值不宜過大。對(duì)片厚不等的彈簧，厚片預(yù)應(yīng)力大一些。一般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)力約為，短片根部合成應(yīng)力約，14片長片彈簧應(yīng)預(yù)加負(fù)的應(yīng)力，短片彈簧為正的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力由負(fù)值逐漸遞增至正值。3.5.2各片彈簧弧高確定假設(shè)第片彈簧伸直長度，簧片曲率半徑RK，那么第片彈簧的弧高（圖3.14）： 如果僅取頭二項(xiàng)，并代入（3.3

32、9）式，得到： （3.40）帶卷耳孔的主片彈簧，如果計(jì)入卷耳孔半徑，彈簧弧高值計(jì)算見（3.69）式。為了使彈簧總成在車上能很好夾緊，當(dāng)彈簧各片較厚時(shí)，比較多的都是將彈簧各片作成雙曲率（圖3.15），由于中間平直段部分不產(chǎn)生弧高，因此計(jì)算彈簧各片弧高時(shí)，彈簧作用長度應(yīng)減掉壓平部分長度。3.6鋼板彈簧總成自由弧高及總成裝配后弧高3.6.1鋼板彈簧總成自由弧高鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下弧高是由滿載弧高、靜撓度及彈簧總成在U形螺栓夾緊后引起的弧高變化三部分組成。 （3.41）弧高變化量取決于U形螺栓夾緊距和值大小。假設(shè)彈簧總成在自由狀態(tài)下是單圓弧，并假設(shè)彈簧總成在U形螺栓夾緊部分被壓平，下面推導(dǎo)彈簧弧高

33、變化量計(jì)算式：彈簧總成被U形螺栓夾緊壓平后，夾緊部分在負(fù)荷作用點(diǎn)處的變形應(yīng)等于U形螺栓夾緊長度的弧高值（圖3.16），即： 由此可以得到U形螺栓夾緊壓平時(shí)所需的力： (3.42) 式中：鋼板彈簧總成總的斷面慣性矩：彈簧總成自由狀態(tài)時(shí)曲率半徑 U形螺栓夾緊處在力作用下，彈簧卷耳中心處變形（見表3.2）： 將（3.42）式代入上式整理后得： (3.43) 式中： ：主片伸直長度 彈簧總成在自由狀態(tài)下總成曲率半徑： (3.44)3.6.2鋼板彈簧裝配后總成弧高如果知道彈簧各片曲率半徑后，彈簧各片用中心螺栓夾緊后彈簧總成曲率半徑Ro可根據(jù)平衡狀態(tài)時(shí)最小勢能原理求出。為使計(jì)算簡便可行，假設(shè)彈簧各片組裝后

34、的總成具有共同的曲率，即組裝后各片彈簧曲率半徑相同，并且組裝后的總成仍為半圓弧。如果已知各片全長為，慣性矩，自由狀態(tài)時(shí)曲率半徑，。第k片彈簧曲率半徑由變成總成曲率半徑后勢能為： 片彈簧夾緊后的總勢能為： 為求最小勢能所對(duì)應(yīng)的值，對(duì)上式求極限，并令： 得到 （3.45）如果各片彈簧厚度相等（3.45）式又可寫成： （3.46）（3.45）式，（3.46）式對(duì)非稱彈簧也適用。計(jì)算示例3-3彈簧已知參數(shù)同計(jì)算示例3-1（見3.2節(jié)），彈簧滿載弧高，計(jì)算彈簧總成自由狀態(tài)弧高和各片曲率半徑。由式（3.33）計(jì)算得彈簧滿載靜變形；由式（3.43）計(jì)算得U形螺栓夾緊時(shí)引起弧高變化量為；由式（3.41）計(jì)算得

35、彈簧總成自由弧高；由式（3.44）計(jì)算得彈簧總成在自由狀態(tài)下曲率半徑。依據(jù)表3.7給出的各片預(yù)應(yīng)力，按式（3.38）計(jì)算彈簧各片曲率半徑。由式（3.46）計(jì)算彈簧裝配后總成曲率半徑，基本滿足設(shè)計(jì)要求值。專心-專注-專業(yè)表3.7 彈簧各片預(yù)應(yīng)力和曲率半徑序號(hào)各片長度各片預(yù)應(yīng)力各片曲率半徑 11150-11207321150-41709.53886+31454.54622+91289.65356+151158.33.8鋼板彈簧片間摩擦和動(dòng)剛度鋼板彈簧變形時(shí)，由于彈簧片間相對(duì)位移產(chǎn)生摩擦，圖3.19所示的彈性特性曲線中，CDA曲線是彈簧加載過程，ABC曲線是卸載，面積ABCD是由摩擦阻力作的功。片間

36、摩擦阻力可以起到衰減振動(dòng)作用，阻力越大衰減越快。一般是希望片間摩擦阻力小些好，這樣可以減小因片間摩擦產(chǎn)生的彈簧振動(dòng)噪聲。另外從改善汽車行駛舒適性角度看，也希望片間摩擦阻力不要太大，過大的摩擦阻力不利于汽車減振器有效的工作。 減小片間摩擦阻力有以下措施：a：在彈簧各片間涂石墨潤滑脂，但由于潤滑脂易外流，使用一段時(shí)間失去效用。b：在彈簧片間加耐磨塑料墊片，或是在片端放置橡膠（或塑料）墊塊，減少彈簧片間接觸面積。c：彈簧設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減少彈簧片數(shù)，如采用少片變截面彈簧等。上面談到的是希望片間摩擦阻力小些好，但也有的時(shí)候希望彈簧片間摩擦阻力大些好，如驅(qū)動(dòng)橋懸架，由于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化，引起鋼板彈簧傳動(dòng)軸系統(tǒng)

37、發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振，這種共振通過鋼板彈簧傳遞到車身（或車廂）內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。由于汽車減振器對(duì)控制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不十分有效，因此一般都用增加彈簧片間摩擦阻力方法控制車橋扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，除此之外，也有的把減振器布置在車橋前后側(cè)或采用非對(duì)稱鋼板彈簧等措施。 在圖3.19中，彈簧加載時(shí)的直線方程： (3.57)卸載時(shí)直線方程： (3.58)式中：等價(jià)摩擦系數(shù)， ：彈簧平均剛度，或是說不計(jì)彈簧片間摩擦?xí)r的彈簧剛度， ：彈簧變形，彈簧加載時(shí)剛度：，卸載時(shí)剛度：。圖3.19中，直線AC的斜率稱之為彈簧動(dòng)剛度。當(dāng)彈簧振幅比較小時(shí)，動(dòng)剛度值較大，隨彈簧振幅增加，動(dòng)剛度值變小，當(dāng)振幅增加到一定值時(shí)，彈簧動(dòng)剛度接近于不計(jì)彈簧片間摩擦

38、時(shí)的剛度值。3.9鋼板彈簧吊耳對(duì)懸架剛度的影響 鋼板彈簧在車上安裝時(shí)，一般是一端固定，另一端通過吊耳與車架（或車身）相連。吊耳在車上安裝的情況如圖3.20所示。ab圖3.20 圖中a結(jié)構(gòu)是汽車上常見的布置型式，而b結(jié)構(gòu)使用的相對(duì)較少，彈簧反彈時(shí)吊耳很容易翻轉(zhuǎn)過來，使吊耳在不正常狀態(tài)下工作。c、d結(jié)構(gòu)又稱反吊耳結(jié)構(gòu)，這種方案對(duì)降低車身高度或是把彈簧（后懸架）布置成前低后高比較方便，在客車和輕型貨車上采用的比較多。在上述四種吊耳結(jié)構(gòu)中，他們的工作特點(diǎn)是：a、b結(jié)構(gòu)吊耳在工作中受壓，而c、d結(jié)構(gòu)吊耳受拉。對(duì)彈簧主片來說，a、d結(jié)構(gòu)主片在工作狀態(tài)時(shí)受拉，而b、c結(jié)構(gòu)主片受壓。 鋼板彈簧變形時(shí)，吊耳擺動(dòng)

39、使彈簧兩卷耳孔中心距產(chǎn)生相應(yīng)變化，由于吊耳參與彈簧變形運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致彈簧剛度（U型螺栓夾緊剛度）明顯不等于懸架剛度。 由圖3.21、圖3.22曲線可看出，當(dāng)彈簧載荷、弧高、吊耳長度以及吊耳安裝角度變化時(shí)，懸架剛度也將產(chǎn)生不同變化。 對(duì)圖3.21，圖3.22中曲線作以下幾點(diǎn)說明：1） 彈簧是對(duì)稱鋼板彈簧。圖中懸架剛度是用相對(duì)于彈簧剛度（U型螺栓夾緊剛度）的比值表示的。2） 圖中所示的彈簧變形值，不同于實(shí)際鋼板彈簧變形值，它是把彈簧轉(zhuǎn)化成三連桿機(jī)構(gòu)后（圖3.23），用相對(duì)于伸直狀態(tài)時(shí)的變形值表示，當(dāng)彈簧變形大于平直狀態(tài)時(shí)為正值，反之變形為負(fù)值。三連桿機(jī)構(gòu)值為：圖3.23.a 圖3.23.b 式中：鋼板

40、彈簧變形值：彈簧垂直變形時(shí)，吊耳端位移值：在主片中性層位置時(shí)的卷耳半徑：卷耳孔直徑：主片厚3） 吊耳角度是指彈簧伸直狀態(tài)時(shí)的角度4） 彈簧變形值、弧高、吊耳長度都是用相對(duì)彈簧長度的比值表示的 由圖3.21曲線看出，a、b結(jié)構(gòu)彈簧在大負(fù)荷下工作時(shí)，懸架剛度將減少。另外，當(dāng)?shù)醵L度越短，吊耳角度越大時(shí)，懸架剛度明顯的比彈簧剛度小。懸架剛度隨負(fù)荷增大而變小是懸架設(shè)計(jì)不希望的，為彌補(bǔ)這種懸架特性的不足，應(yīng)該用大容量的橡膠限位塊或加強(qiáng)副簧承載能力。c、d結(jié)構(gòu)吊耳（圖3.22），彈簧在大負(fù)荷下工作時(shí)，懸架剛度將增加。 圖3.24是同一種彈簧在同一載荷下由試驗(yàn)測得的三種不同吊耳角度的懸架振動(dòng)頻率。從降低懸架

41、頻率角度看，采用b種反吊耳結(jié)構(gòu)比較好。3.10鋼板彈簧強(qiáng)制動(dòng)時(shí)強(qiáng)度校核 前鋼板彈簧設(shè)計(jì)還應(yīng)校核強(qiáng)制動(dòng)時(shí)的彈簧強(qiáng)度，以免在彈簧U形螺栓夾緊處產(chǎn)生縱扭塑變或卷耳損壞。這對(duì)重心較高、長度較短的前簧更有必要作強(qiáng)度校核。1） 汽車制動(dòng)時(shí)作用在鋼板彈簧上的力和力矩。 汽車靜止時(shí)，前后軸上的負(fù)荷，分別為 （3.59）式中： ： 汽車總重， ，：分別為汽車質(zhì)心至前后軸的距離，圖3.25是汽車制動(dòng)時(shí)的受力情況。如不計(jì)空氣阻力和滾動(dòng)阻力，汽車制動(dòng)時(shí)，路面附著系數(shù)取一定值（一般?。?。由圖3.25，對(duì)后輪接地點(diǎn)取力矩得： 對(duì)前輪接地點(diǎn)取力矩得： 式中： 、：分別為前后軸轉(zhuǎn)移后的負(fù)荷， ：汽車質(zhì)心高度， ：汽車質(zhì)量，

42、：汽車減速度， 如果汽車制動(dòng)時(shí)前后輪都抱死，作用在整車質(zhì)心上制動(dòng)力或。地面作用于前后軸上法向反作用力為： (3.60)比較(3.59)式( 3.60)式可看出，由于汽車制動(dòng)，前輪載荷增加，而后輪載荷減少，其增加（或減少）值為： (3.61)如果輪胎有效半徑為。由(3.60)式，作用在前后鋼板彈簧座上的水平力和(單邊)及制動(dòng)力矩、(單邊)分別為： (3.62)2） 前簧在U形螺栓夾緊處的縱扭平均應(yīng)力 汽車制動(dòng)時(shí),前簧的后半段彈簧的總彎曲應(yīng)力最大,它除了由垂直負(fù)荷產(chǎn)生的應(yīng)力外，還要疊加由制動(dòng)力矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，前簧后半段U形螺栓夾緊處的總平均應(yīng)力為： (3.63)式中： ：前簧伸直長度， ：前簧有效長度（見3.2.3節(jié)）， ：軸荷轉(zhuǎn)移后的前簧簧上負(fù)荷， ：前簧簧下負(fù)荷， ：前簧U形螺栓夾緊處總斷面系數(shù)，3） 鋼板彈簧卷耳強(qiáng)度校核 鋼板彈簧卷耳傳遞制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力時(shí)，主片卷耳根部受到彎曲和拉壓組合作用（圖3.26）。制動(dòng)時(shí)，前簧卷耳應(yīng)力： (3.64)式中： ：卷耳孔內(nèi)徑， 、：彈簧主片寬度、厚度， 一般推薦