懸架彈簧設(shè)計指南

彈簧、穩(wěn)定桿設(shè)計和導(dǎo)向機構(gòu)三局部組成。彈性元件其變形來吸取能量，到達緩沖的目的。在現(xiàn)用的彈性元件中主要有三種〔1〕2〕〔3〕螺旋彈簧。鋼板彈簧設(shè)計板彈簧具有構(gòu)造簡潔，制造、修理便利；除作為彈性元件外，還兼起導(dǎo)向和變剛度，應(yīng)用廣泛。鋼板彈簧布置方案鋼板彈簧在整車上布置只在少數(shù)輕、微車上應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用?？v置鋼板彈簧布置〔車橋〕上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離相等，多數(shù)汽車上承受對稱式鋼板彈簧。要轉(zhuǎn)變軸距或通過變化軸荷安排的目的時，承受非對稱式鋼板彈簧。鋼板彈簧主要參數(shù)確定初始條件：G1

~滿載靜止時汽車前軸〔橋〕負荷G ~滿載靜止時汽車后軸〔橋〕負荷2G ~前簧下局部荷重U1G ~后簧下局部荷重U2F =(G-G )/2~前單個鋼板彈簧載荷W1 1 U1F =(G -G )/2~后單個鋼板彈簧載荷W2 2 U2f c

f －懸架的動撓度dL1～汽車軸距；滿載弧高fa滿載弧高指鋼板彈簧裝在車軸〔車橋〕上，汽車滿載時鋼板彈簧主片上外表與兩端〔不包括卷耳孔半徑〕連線間的最大高度差。

f 用來保證汽車具有給定a的高度。當f a

時，鋼板彈簧在對稱位置上工作。為在車架高度已確定時得到

f =10～20mm。a鋼板彈簧長度確實定LL —指彈簧伸直后兩卷耳中心間的距離〔Ⅰ〕鋼板彈簧長度對整車影響降低彈簧剛度，改善汽車平順性；削減車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；原則上在總布置可能的條件下，盡可能將鋼板彈簧取長些。〔Ⅱ〕鋼板彈簧長度確定鋼板彈簧一般跟據(jù)閱歷確定；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、斷面尺寸及片數(shù)確定〔Ⅰ〕寬度確實定b入撓度增大系數(shù)J0

。對稱式鋼板彈簧J0＝[〔L-ks〕3c]/48E (1)s-Uk-U形螺栓加緊后無效長度系數(shù)〔剛性加緊，k=0.5，撓性加緊,k=0〕;c-鋼板彈簧垂直剛度〔N/mm〕,c=FW

/f;c1-撓度增大系數(shù)〔先確定與主片等長的重疊片數(shù)n,再估量一個總片數(shù)n ,101求得＝n/n,然后用＝1.5/[1.04〔1＋0.5〕]初定；10E－材料的彈性模量；鋼板彈簧總截面系數(shù)W0

用下式計算W[F0 W

(L-ks)]/4[

] (2)w圍內(nèi)選取： 前彈簧和平衡懸架彈簧為350～450N/mm2；N/mm2；N/mm2；

]在以下范w〔2〕hph =2Jp 0

/W=(Lks)2[W0 6EfW

] (3)依據(jù)hp

c確定鋼板彈簧片寬b，推舉b/hp

6～10〔Ⅱ〕鋼板彈簧片厚h確定矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩：n-鋼板彈簧片數(shù)；

J =nbh3/12 (4)0J0

均有影響，并影響鋼板彈簧的垂直剛度ch1.5。最終，鋼板彈簧斷面尺寸b和h應(yīng)符合國產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。〔Ⅲ〕鋼板斷面外形鋼板彈簧斷面外形如以下圖所示：10％的材料?！并簟充摪鍙椈善瑪?shù)n片數(shù)n少有利于制造和裝配，降低片間的干摩察，改善汽車行駛平順性。但6～141～4鋼板彈簧各片長度確實定假設(shè)各片厚度不同，則具體步驟如下：hi

的立方值h3按同一比例尺沿縱坐標繪制在圖上〔如上圖〕iL/2Us/2A、B即得到三角形的鋼板彈簧開放圖。AB線與各葉片上側(cè)邊的交點即為各片長度。如B點到最終一個重疊片的上側(cè)邊端點連始終鋼板彈簧剛度驗算J0

、片長和葉片端部外形確實定都不夠準確，有必要驗證剛度。剛度驗算公式為：Ja=6E/[nJa0k1

3 (Yk1 K

Y K1

] (5)a=(l l );k1 1 k1YKY

l/ J;kiki1 ;k ;l/ Jii1-閱歷修正系數(shù)，090~094；E-材料彈性模量；l、l －為主片和第〔k+1〕片的一半長度1 k1注：對l1

假設(shè)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c

;假設(shè)用有效長度，即l/j 1

＝〔l1

0.5ks，求得剛度質(zhì)為鋼板彈簧總成的夾緊剛度c 。z鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H0U的最大高度差，稱為鋼板彈簧在自由狀態(tài)下的弧高H ;0H (f f0 c

f) (6)f －靜撓度；cf －滿載弧高；af－鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后因起弧高變化；fs－UL－鋼板彈簧主片長度

s(3Ls)(f f );a c;2L2R0

/8H 。0板彈簧各片自由狀態(tài)下曲率半徑確實定矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定：R Ri

/[1(2

R0i

)/Eh

] 〔7〕iR i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑〔mm；iR－鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑〔mm；0 －各片彈簧的預(yù)應(yīng)力〔N/mm；0iEN/mm2E＝2.1102N/mm；h－第i片的彈簧厚度；i注：對于片厚一樣的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力不宜選取過大；300～350N/mm2內(nèi)選取。在確定各片預(yù)應(yīng)力時，理論應(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in Mnii1

＝0 〔8〕或 ni1

W 0i i

〔9〕假設(shè)第iLi

，則第i片彈簧的弧高為H L 2/8Ri i i

〔10〕鋼板彈簧總成弧高的核算依據(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01/R0

n(ii1

n/R)/ Li i1

〔11〕L－鋼板彈簧第i片長度；i鋼板彈簧總成弧高為

/8R0

(12)用式〔12〕與用式〔6〕計算的結(jié)果應(yīng)相近。如相差多，可經(jīng)重選用各片預(yù)應(yīng)力再行核算。鋼板彈簧強度驗算緊急制動時用下式計算

max1max

ml(l1 12

c)]/[(l1

l)W2

] (13)G1mm1 1

=1.2～1.4,m1

＝1.1～1.2；0.8；W -鋼板彈簧總截面系數(shù)；0c－彈簧固定點到路面的距離；驅(qū)動時 用下式計算：max2max

[G

ml(l2 22

c)]/[(l1

l)W2

]G

m/bh2 2

〔14〕G -作用在后輪上垂直靜負荷；2m m2

=1.25～1.30,貨車：m2

＝1.1～1.2；0.8；b－鋼板彈簧片寬；h－鋼板彈簧主片厚；1此外，還應(yīng)驗算汽車通過不平路面時鋼板彈簧的強度。許用應(yīng)力[]取1000N/mm2。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[3FX

(Dh1

)]/bh2F1

/bh1

〔15〕F -沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；XD-卷耳內(nèi)徑；b－鋼板彈簧寬度；h-主片厚度；1許用應(yīng)力[]350N/mm2。

F /bd 〔16〕z sF－滿載靜止時鋼板彈簧端部載荷；sb－卷耳處葉片寬；d －鋼板彈簧銷直徑；用30鋼或40[ ]3~4N/mmz

22020Cr45用應(yīng)力[]7~9N/mm2。60Si2Mn處理工藝合削減外表脫碳層深度的措施來提高鋼板彈簧的壽命。少片變截面鋼板彈簧有兩種，即拋物線和直線。拋物線型變截面彈簧剛度和應(yīng)力計算K的計算式為：6EI 1 K 2

〔N/m〕 〔17〕l3 l 3 1

2 kk

13;

l h 1h2;I -彈簧根部斷面慣性矩； I2

bh3 2n12n－彈簧片數(shù)；bmm；－彈簧剛度修正系數(shù)，取＝0.92～0.94。Le

/2值代替上式中的l面l (l lX 1

l處的應(yīng)力2

計算式為：X2 6Pl n2X bh22

〔18〕拋物線形變截面彈簧在l l1 X

l 范圍內(nèi)各點應(yīng)力相等。2線形變截面彈簧剛度和應(yīng)力計算直線形變截面彈簧幾何外形如以下圖所示，K的計算式為：6EIK 3l3

1l 3l

〔19〕212

2

3k1式中：

l l

1

3 11

1212；k3

1.51

1

12 l 1；ll2h 1；hh2；I mm

bh3 3n;3n－彈簧片數(shù)；bmm；

3 12－彈簧剛度修正系數(shù)，取=0.92-0.94。1

l21時，2x應(yīng)在變截面區(qū)間AB內(nèi)，其值為：lh hlx 2 1 21

〔20〕h h2 1X彈簧在l 點處應(yīng)力 為：XX1.5Pl l 2

〔21〕 2 1X bnlX

h h2 1當l l1

21時，彈簧在A彈簧設(shè)計許用應(yīng)力。扭桿彈簧矩作用。下面以汽車常用的圓形斷面扭桿為例，介紹扭桿彈簧的設(shè)計要點：設(shè)計前依據(jù)對汽車平順性要求，先選定懸架的剛度c。設(shè)計時扭桿彈簧需要確定的主要尺寸有扭桿的直徑dL。316316M/()dmax

〔22〕Mmax

－扭桿承受的最大扭矩； －扭桿切應(yīng)力；LL(d

4G)/(32Cn

) 〔23〕G―切變模量，設(shè)計時取G＝7.7104MPac －扭桿扭轉(zhuǎn)剛度；n常承受45CrNiMoVA 、40Cr、42CrMo 、50CrV 鋼制造扭桿。為提高疲乏強度扭桿需要經(jīng)過預(yù)扭和噴丸處理經(jīng)過預(yù)扭和噴丸處理的扭桿許用切應(yīng)力可在800～900MPa 范圍內(nèi)選取，轎車可取上限，貨車取下限。D(12~13d；花鍵長度l04D，端部花鍵一般承受漸開線花鍵。從端部直徑到桿部直徑之間的一段稱為過渡段。為使這段應(yīng)力集中降到最30夾角的錐體，把端部和桿部連接起來〔aLg

(Dd)/2tan150，過度圓角r15d。，有效局部看Le

a)圖所示構(gòu)造：L d d2

d3L g

(25)e 3 D

D D b)所示的有效長L d

d

d d

D 0.5L

8

10 15

15

arctan 1

〔26〕e 48

D

D

D Dd d

R為L2R gDd

Dd4

〔27〕且設(shè)計時還應(yīng)保證內(nèi)花鍵的兩端長度都要超出扭桿花鍵長度。B與扭桿直徑dB＝〔1.2～1.4〕d的關(guān)系，以保證六角形的端部有足夠的強度。螺旋彈簧設(shè)計性。螺旋彈簧的剛度及應(yīng)力計算Pf為8PD3if m

〔28〕G d4D －彈簧中徑，mm；md－彈簧鋼絲直徑，mm；i －彈簧圈數(shù)；G－彈簧材料的剪切彈性模量，取8.8104MPa 因此彈簧剛度C P

Gd4

〔29〕s f 8D

3im簧鋼絲的剪切應(yīng)力為m8PD K”8PCK m

MPa

〔30〕d3 d2C-彈簧指數(shù)〔旋繞比CDm

/d ；K”K”

4C1

0.615。。C一般狀況下，彈簧鋼的許用剪切應(yīng)力與許用拉應(yīng)力成比例關(guān)系，通常狀況下，可以取063。彈簧端部外形Ⅰ〕兩端碾細Ⅱ〕直角切斷形Ⅲ〕端部向內(nèi)彎曲并行成與彈簧軸向垂直的平面表(一)端部構(gòu)造時的總?cè)?shù)n及并緊高度總?cè)?shù) 完全并緊時的高度兩端碾細 i+2

i+1.33i+1.50i+1.67i+1.75

1.01d(n1)2t1.01d(n1)1.01d(n1.25)1.01dnt1.01d(n1)t一端切斷、一端內(nèi)彎 i+1.42

1.01dn上表中列出了不同端部構(gòu)造時彈簧總?cè)?shù)n與有效圈i以及彈簧完全并緊時H

Hs

公式中的系數(shù)1.01為考慮螺旋角的補償系，t為端s部碾細時的末端厚度。螺旋彈簧的設(shè)計計算螺旋彈簧的設(shè)計計算分以下幾步：置要求及懸架的具體構(gòu)造形式求出需要的彈簧剛度Cs

Pi

H

，懸架在壓縮行程極限置時彈簧高度H 。i mDm

，端部構(gòu)造形式及所用的材料。參考相關(guān)標準確定臺架試驗時伸張及壓縮極限位置相對于設(shè)計載荷位置的彈簧變形量ff1 2

，并確定要想到達的壽命nc

〔循環(huán)次數(shù)〕由式〔23〕解出i，由表〔一〕HS

PHs i

及C 可求出彈簧在完全壓緊時的載荷Pi s

，臺架試驗伸PP1 2

Pm

P Ps P P

C (Hs C f

H )s1 iP P2

s 1C fs 2P pm i

C (Hs

H )m按彈簧指數(shù)C Dm/d及K”的表達式〔見式24下的說明求得K”，運用式〔24〕PP1 2

PPs

所對應(yīng)的剪切應(yīng)力1 2

，以及s

max

〔計算出的s

max

max

是懸架工作時彈簧實際對應(yīng)的最大剪切應(yīng)力，對應(yīng)懸架的極限壓縮狀態(tài)〕校核

max

是否小于＝063，假設(shè)不成立，則返回第〔4〕步重選擇d；假設(shè)余量很大，則視第d.nc估算：

可按下式1.808cn Kc

10.13

〔31〕 e 式中 K

1

〔32〕e 2 1假設(shè)算出的nc

小于預(yù)期的臺架壽命，則返回第〔4〕步重選擇d,假設(shè)有較大余〔8〕部的結(jié)果綜合考慮是否選擇更小的鋼絲直徑以節(jié)約材料，減小質(zhì)量。dH

和最小工作0高度H n

H H0

P/Ci S

〔33〕H－與彈簧指數(shù)CD

H din s/da)m

〔34〕(11)荷不僅與其高度對直徑之比H0

/D m

f/H

必需小于如下臨界值：016.89C016.89C0H H 0

0.8111 cr

〔35〕式中系數(shù)C0

b)，Dm

然后從〔2〕部開頭重計算橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計為降低汽車的固有頻率以改善行駛平順性，現(xiàn)代轎車懸架的垂直剛度都較度以改善汽車的行駛穩(wěn)定性?！惨弧撤€(wěn)定桿對汽車產(chǎn)生的影響：1、有利影響增加懸架的側(cè)傾角鋼度，從而減小汽車轉(zhuǎn)向時車身的側(cè)傾角；缺乏轉(zhuǎn)向特性；2、不利影響〔三〕穩(wěn)定桿固定處的橡膠支撐方式：穩(wěn)定桿固定處的支撐方式有如以下圖典型的六種方式：其中〔e〕型用于穩(wěn)定桿中段與車架的連接，其余用于穩(wěn)定桿端部于車da用?！踩撤€(wěn)定桿設(shè)計計算度相等，當用于獨立懸架時，橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角鋼度cb

與車輪處的等效側(cè)傾角鋼度cw之間的換算關(guān)系可如下求出：設(shè)汽車左右車輪接地點處分別作用大小相等、方向相反的垂向力微量dF ；w在該二力作用下左右車輪處的垂向位移為df ；w相應(yīng)的穩(wěn)定桿端部受到的垂向里力和位移分別為dFb

和df ；b簧的作用力，則必定有dF

dFw

所做的功相等即dF dfw w

dFb

dfb

〔1〕而作用在穩(wěn)定桿上的彎矩和轉(zhuǎn)角分別為：dM dF Lb bd 2df /Lb bL－穩(wěn)定桿兩端點間的距離由此可得穩(wěn)定桿的角剛度Cb為dMC Cb db

dF dfb

L2 (2)同理可得在車輪處的等效角鋼度Cw為B

－輪距

dF dfw

B2 (3)f 2

〔4〕C C

w

b w

f Bb由于連接點處橡膠件的變形，穩(wěn)定桿的側(cè)傾角鋼度會減小約15％～30％。f為lP Llf 3a3 (ab)24l2bc

〔5〕3EI1 2 2 E－材料的彈性模量，E =2.06

105MPa ；Idmm；

d464

，mm 4；P N；fmm；〔5〕可得到穩(wěn)定桿的角鋼度

1PL2f2l3a3

EIL2Lab

(6)1 2 2 12831283l34a31ab2L2E124l bc2d

〔7〕B〔其原理與螺旋彈簧內(nèi)側(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大于外側(cè)類似BRR700Mpa,即216Pl K”2

700MPa

〔8〕K”K”

d34C1

0.615 ；CC －彈簧指數(shù)，C2Rd/d ；由式〔8〕和K”CR。通常為了減小R1.25d。其他位置的應(yīng)力一般都小于B截面內(nèi)側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。假設(shè)圖中支承點C的位置很靠近中心，則