懸架螺旋彈簧的設(shè)計

1、 轎車懸架螺旋彈簧的設(shè)計 1 1. 前言 當(dāng)今乘用車大多數(shù)懸架系統(tǒng)的彈性元件都采用螺旋彈簧。它具備結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低廉、可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)。 雖然在通用機(jī)械上的螺旋彈簧計算已相當(dāng)成熟，但是，車輛用的螺旋彈簧因其惡劣的使用環(huán)境和路面隨機(jī)的動載荷，使它在設(shè)計方法上和制造工藝上都有別于其他機(jī)械上的螺旋彈簧。 為此，本文將詳盡介紹如下。2 螺旋彈簧可分為線性彈簧（剛度ks為常數(shù)）和非線性彈簧（剛度ks為變量）兩種。非線性彈簧可通過采用錐簧、變螺距、錐形變截面鋼絲等手段來實(shí)現(xiàn)，卷制前鋼絲的形狀見圖1。 圖13 C型彈簧鋼絲單端逐漸變粗（也有兩端的）采取復(fù)雜的墩粗工藝來實(shí)現(xiàn)，其制造成本猛增，例如Aud

2、i 100轎車前懸架彈簧便是如此。其目的在于提高端圈的剛度，避免端圈與鄰圈接觸后（在A點(diǎn)）增加額外的接觸應(yīng)力，引起應(yīng)力集中，從而降低彈簧 的疲勞壽命，見圖2。 端圈墩粗長度應(yīng)大于D0 D0 彈簧中徑 mm 用錐形鋼絲繞制的變剛度彈簧 其緊湊性好，彈簧圈內(nèi)可裝減 震器、緩沖塊和燭式懸架導(dǎo)向 柱。 圖2 4 彈簧端部型式是個重要因素，汽車行駛時，彈簧端部相對支承產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，常會產(chǎn)生不愉快的噪音。彈簧托盤的適當(dāng)形狀，可保證切成直角的彈簧端頭相對支承不動，C類彈簧總成本最低，彈簧端并緊并磨削成平面是比較昂貴的結(jié)構(gòu)型式（A型），以A型為基準(zhǔn)，定義它為100%，對其它結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行成本比較，見圖3，4。 A型

3、彈簧具有制造簡單的優(yōu)點(diǎn)；彈簧端面向內(nèi)卷曲的結(jié)構(gòu)（例如D），它安裝簡單，價格便宜，外廓長度較小，但其缺點(diǎn)是不能將減震器或緩沖塊裝在彈簧內(nèi)部，F(xiàn)結(jié)構(gòu)型式是個折衷方案 。 5 A B C D E F 圖3 6 圖47 2. 已知參數(shù) 1) 彈簧剛度 Ks N/mm 2) 空載時,彈簧作用負(fù)荷 Go N 3) 滿載時,彈簧作用負(fù)荷 Gm N 4) 彈簧可能的中徑 Do mm 5) 滿載時,車輪上跳動行程反應(yīng)到彈簧上的撓 度 fr mm 3. 在彈簧繞制過程中,鋼絲將產(chǎn)生變形,內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓縮（見圖5 A區(qū)），由此產(chǎn)生最高的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，其大小取決于旋繞比值=Do/d8 圖5A9 4. 計算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時應(yīng)考慮螺旋

4、曲率影響的系數(shù),比其許用扭應(yīng)力值要低,即:扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=/ 設(shè)計彈簧時,往往將視為許用 應(yīng)力上限值的函數(shù)。 Do越小則旋繞比越小值越 大。因此，彈簧能承受的應(yīng)力 將降低，材料的利用性變壞， 承載后，彈簧的穩(wěn)定性變壞。 因此，在允許的條件下，彈簧 中徑Do應(yīng)盡可能地取值大一些 是合理的。見圖6 圖6105. 計算參數(shù)符號 k 車輪處的懸架剛度， N/mm ks 彈簧剛度 N/mm d 彈簧鋼絲直徑 mm Do 彈簧中徑 mm f1 車輪壓縮行程 mm f1s 彈簧壓縮行程 mm f2 車輪拉伸行程 mm f2s 彈簧復(fù)原行程 mm G 剪切彈性模數(shù)（G=8104MPa） ix 車輪與彈簧之間的行程傳

5、動比 iy 車輪與彈簧之間的力傳動比11 io 彈簧工作圈數(shù) ig 彈簧總?cè)?shù) 鋼絲彎曲時的應(yīng)力降低系數(shù) Lo 彈簧自由長度 mm Lw 預(yù)加載荷Fw下的彈簧長度 mm LB 彈簧并圈時的長度 mm Ln 最小工作長度 mm Su 彈簧螺線之間的間隙之和 mm =Do/d 旋繞比 彈簧的穩(wěn)定系數(shù) 考慮鋼絲彎曲的允許剪切應(yīng)力 MPa12 6. 計算順序 首先確定鋼絲的公差,以便用最小的直徑dmin進(jìn)行計算。因?yàn)橹睆皆诤苷墓顜?nèi)變動，就會導(dǎo)致彈簧剛度顯著改變。例如直徑為20mm的鋼絲，若采用0.2mm的公差(即1%)時，剛度變化可達(dá)4%。公差制定過嚴(yán)將導(dǎo)致成本上升，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)推薦公差如下：允

6、許偏差：d10mm 0.05 10 20 0.08 20 28 0.10 28 0.15 13 1) 根據(jù)彈簧中徑D0計算=Do/d 和系數(shù) : 先初步設(shè)定d值，求出后根據(jù)圖6查得系數(shù)。 2）查出彈簧所用材料的屈服極限s 和抗拉強(qiáng)度b MPa 取彈簧鋼的扭轉(zhuǎn)屈服極限約為=0.63 s ,為了能在充分 利用材料能力的條件下制造出輕量結(jié)構(gòu),應(yīng)該選取強(qiáng)度貯備系數(shù)=1.05-1.10 ,則許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為: =0.63 s b0/ 根據(jù)鋼絲直徑d，許用應(yīng)力上限值的降低曲線(圖7)查出系數(shù)b0值.1415 則： 汽車懸架彈簧一般采用60Si2MnA彈簧鋼絲冷卷而成， 其抗拉強(qiáng)度 b=1600-1850 M

7、Pa 屈服極限 s=1450 MPa 取=1.1 按d=11.5mm,查圖7得b0=0.98 則=0.63 s b0/=0.6314500.98/1.1=812 MPa 當(dāng)曲率影響的系數(shù)=1.1時,理想的彈簧扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力i i=/=812/1.1=740 MPa 許用應(yīng)力幅是最大極限強(qiáng)度的函數(shù),并在=1.1 b1=0.99以及=1.1的條件下計算其值: iA=0.24bminb1/()=0.2416000.99(1.11.1) = 314 MPa16 3）計算作用于彈簧上的力Fs、彈簧壓縮行程f1s、彈簧復(fù)原行程f2s和彈簧剛度ks Fs=Gwiy Gw 單輪上的質(zhì)量（拋去非懸架質(zhì)量） N i

8、y車輪與彈簧之間的力傳動比 f1s=f1/ iX f1車輪壓縮行程 f2s=f2/ iX f2 車輪拉伸行程 ks=kiXiy k車輪處的懸架剛度 作用于彈簧上的最大力 Fsmax=Fs+F1=Fs+ksf1/iX 彈簧在壓縮行程時受力值 F1=ksf1s=ksf1/iX 17 彈簧在全行程內(nèi)的平均承受力Fa Fa= 0.9ks（f1s+ f2s）/24） 根據(jù)以上計算而得的力 Fsmax、 Fa及剛度ks，然后根據(jù)這些值計算比值y1及y2： y1=Fsmax/i y2=Fa/iA5） 用y值中較大的一個來計算 最小鋼絲直徑dmin 將求得的鋼絲直徑dmin與初步確定的 鋼絲直徑dmin進(jìn)行比

9、較，如果理想的 圖8 剪切應(yīng)力比較小時，則要求重復(fù)計算。 用開始算得的理想應(yīng)力與重新算得的18 理想應(yīng)力相比的方法，可以很容易地將上面所得到的較大（或?。┑匿摻z直徑進(jìn)行修正。 確定鋼絲平均直徑時，應(yīng)考慮尺寸允許偏差，作下一步計算將用到平均直徑。當(dāng)鋼絲直徑小于20mm時，允許偏差為 0.08mm 即:d 0.08mm 6) 計算彈簧工作圈數(shù)i0 根據(jù)旋繞比=Do/d 、Do、d（單位為cm）、fs可求得彈簧工作圈數(shù)i0 19 將工作圈數(shù)i0精確到小數(shù)點(diǎn)1位即可，同時在彈簧兩端各加上3/4圈，就可得到彈簧總?cè)?shù)ig ig= i0+1.57) 求對汽車姿態(tài)有影響的有關(guān)參數(shù): 預(yù)加載荷Fw下的彈簧長度

10、 Lw。 Lw下限值取決于最小 工作高度Ln ，即略大于彈簧并圈長度LB 。確定Ln時，應(yīng)利用鋼絲最大直徑dmax=d+0.08(上偏差)。此時需要驗(yàn)算緩沖塊是否完全被壓縮至2H/3（H為緩沖塊自由高度）；彈簧壓縮后的高度不應(yīng)小于Ln 。 彈簧并圈長度LB= igdmax Ln= LB+Sa Sa 是螺旋間的最小間隙 Sa=dmax i0 可根據(jù)旋繞比=Do/d 由圖9中查得。20 圖921 8） 彈簧穩(wěn)定系數(shù)：即載荷下的彈簧縱向彎曲度。 =L0/D0 穩(wěn)定系數(shù)與彈簧相對變形的關(guān)系見圖10。在曲線A區(qū)域是不穩(wěn)定區(qū)，在給定的相對變形（L0-LB）/L0條件下， 超過允許值時，彈簧將喪失穩(wěn)定性。

11、圖10 22 如果按值計算出相對變形（L0-LB）/L0的值與圖10所查得的值不同且落入A區(qū)，就必需增大彈簧中徑Do ，否則彈簧將發(fā)生縱向彎曲，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。9）再一次驗(yàn)算以下彈簧參數(shù)： a）彈簧剛度 N/mm b）最大應(yīng)力 N/m c） 應(yīng)力幅 mm 應(yīng)主意：彈簧剛度的改變導(dǎo)致力Fsmax 或 Fa 的增加或減少，因而將影響應(yīng)力值。10）彈簧圖紙上需標(biāo)明的參數(shù)： a）載荷Fw下的彈簧長度 Lw（安裝高度）。 安裝高度的檢查，是在規(guī)定的高度條件下，用計量簧載的辦法實(shí)現(xiàn)。因而，必須對檢驗(yàn)載荷給出偏差，通常將預(yù)加載荷Fw作為檢驗(yàn)載荷。對于大量生產(chǎn)的彈簧，預(yù)加力Fw的允差Tp 約為 5% Fw?？?/p>

12、計算如下： Tp=0.51.5mm+0.03(L0-LB)ks+0.01Fw 將數(shù)字圓整后在圖紙上標(biāo)注為:當(dāng)載荷為Fw Tp時,彈簧高度為Lw 23 當(dāng)小批量生產(chǎn)彈簧時,公差可放寬到10%Fw. 彈簧高度公差Tw= Tp/ks 若將Tw乘以傳遞比 i x即可得到車輪和車身之間測得的彈簧行程 變化量f= Tw i x , 它將導(dǎo)致汽車高度減少或增加,從而響應(yīng)地 減小拉伸或壓縮行程. 此外,當(dāng)一側(cè)彈簧是正偏差而另一側(cè)彈簧出 現(xiàn)負(fù)偏差時,這種安裝會引起左右高低不一致的不良后果.為避免 類似現(xiàn)象,可將彈簧分組涂上相應(yīng)的標(biāo)記, 應(yīng)按實(shí)際尺寸在公差帶 范圍內(nèi)的分布情況進(jìn)行分組,一般按載荷的變化量分為上、中

13、、 下三級。 b） 彈簧剛度 ks N/mm 彈簧剛度同樣有公差，其值推薦為：當(dāng)工作圈數(shù)i04時，公差 為7%Ks，當(dāng) i04時，為5%ks 。 c） 測量用的彈簧外徑 D=D0+d mm d） 彈簧總?cè)?shù)ig、工作圈數(shù)i0、螺旋方向 e） 彈簧特性曲線24 11）彈簧的熱處理硬度：通常使用60Si2MnA 制造彈簧。經(jīng)熱處理后的硬度為HRc42-48 12）提高彈簧使用壽命的有效措施: 汽車懸架螺旋彈簧使用壽命較其它大多數(shù)零部件要低，這是由于以下因素的影響造成的。 因制造過程產(chǎn)生表面遺留的裂痕、摺迭、凹痕、發(fā)裂、脫碳等缺陷造成應(yīng)力集中，使材料的耐疲勞極限急劇降低引起先期損壞。 研究人員通過噴丸處理和塑性壓縮等方法，使彈簧表面達(dá)到強(qiáng)化目的，較大幅度地提高彈簧的使用壽命。 a）噴丸處理：過去老式噴丸使用的是0.4-2mm的鐵丸，噴丸速度達(dá)到60-80米/秒。近代都采用噴鋼丸，這些鋼丸用0.8mm彈簧鋼絲,在自動機(jī)上切成0.8mm的圓柱體，摻入舊鋼丸中，經(jīng)拋丸機(jī)以12米/秒的速度打擊彈簧表面，形成硬化效果。圓柱形鋼丸經(jīng)多次擊打后就變成球形了。 噴丸處理的冷作強(qiáng)化：工作時，彈簧表面受拉應(yīng)力之作用而損壞，經(jīng)噴丸處理后的彈簧表面產(chǎn)生一層具有殘余壓應(yīng)力的薄殼，