板簧設計教材200802

./汽車鋼板彈簧設計懸架的定義、功能與其組成懸架是現(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、導向機構(gòu)與減振裝置組成。彈性元件主要有：鋼板彈簧,螺旋彈簧,橡膠彈簧,空氣彈簧與油氣彈簧等。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,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)．鋼板彈簧的種類按力學性能特點分：分為等剛度、兩極剛度復式鋼板彈簧、漸變剛度鋼板彈簧。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計成不對稱形狀,目的是把斷面的中性軸移近受拉表面,減少彈簧的拉應力。此種材料也存在缺點槽內(nèi)容易儲存泥沙加劇表面腐蝕。軋制后在溝槽的對應拉面上,表面質(zhì)量較差,雙槽的比單槽的更嚴重。這種表面缺陷成為疲勞起源點。注：在鋼板彈簧的設計過程中應優(yōu)先選擇GB1222-84《彈簧鋼》所規(guī)定的規(guī)格。第四節(jié)．鋼板彈簧的主要元件結(jié)構(gòu)一、第一片卷耳形式鋼板彈簧的卷耳形式一般有3種結(jié)構(gòu),上卷耳、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)向系的運動,下卷耳在載荷作用下容易X開。平卷耳可以減少卷耳的應力,因為縱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雜,一般轎車多采用平卷耳或下卷耳。第二片包耳汽車在使用條件惡劣的情況下,需要采用加強卷耳的措施。常見的是將第二片作成包耳形式以保護主片。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。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簧的定位銷。中心螺栓在U型螺栓松動時易被剪斷,因此應有一定的強度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧斷面強度,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?；善瘢?7~99~1111~1313~16中心螺栓直徑810121416板簧夾箍板簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯位之外,還能在彈簧回彈時將力傳遞給其它片,減少主片應力。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)時產(chǎn)生過大剪切應力,這樣使卷耳孔徑過大降低卷耳的強度。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和保證運載貨物的穩(wěn)定,而且還能提高汽車的運輸速度,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。汽車行駛平順性的評價法,通常根據(jù)人體對振動的生理反映與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,加速度與加速度變化率等做為行駛平順性的評價指標。目前常用汽車車身的振動固有頻率和振動加速度兩個主要指標評價汽車的行駛平順性。根據(jù)試驗得出結(jié)論：車身振動的固有頻率為人體所習慣的步行時身體上下運動的頻率,平順性較好,約為60～85次/分〔1HZ~1.6HZ〕振動加速度的極限允許值為〔0.3～0.4〕g。從貨物的穩(wěn)定性而言,當振動加速度達到1g時,則在車箱內(nèi)未固定的貨就會離開車箱,因此振動加速度不應超出〔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,應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)．鋼板彈簧設計鋼板彈簧設計的根本任務是,根據(jù)整車布置或懸架系統(tǒng)的要求和給定的參數(shù),正確的設計出鋼板彈簧的規(guī)格尺寸〔最好能采用標準所規(guī)定的常用材料規(guī)格〕,并計算出有關(guān)參數(shù)指標。確定設計的原始依據(jù)：根據(jù)整車總布置與懸架系統(tǒng)設計要求,首先要給鋼板彈簧設計者提供以下幾方面的數(shù)據(jù)作為其設計依據(jù)。軸荷整車總布置設計師根據(jù)整車的自重、承載能力與各軸的載荷分布情況提供軸荷。非簧載重量在整車布置時根據(jù)各有關(guān)總成的實際重量或估算重量來計算。車輪、車轎總成的全部重量均算為非簧載重量傳動軸、縱拉桿、推力桿等總成的一半算為非簧載重量。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.軸距軸距涉與到板簧長度的確定,有時會影響到板簧力學性能的設計,會出現(xiàn)無法滿足總布置設計要求,因而這時就需要由板簧設計者同總布置共同協(xié)商解決。4、重心高度在汽車的總布置設計時往往只給出了空載時重心高度,所以還要根據(jù)汽車的使用特點與貨物的重心位置,進一步確定出滿載時整車的重心高度。5.鋼板彈簧的長度和寬度的控制X圍對具體車型的設計,結(jié)合軸荷和車型布置〔前懸、轉(zhuǎn)向機位置,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計,限定一定的長度和寬度X圍。所以從系列化出發(fā),應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.重量指標在滿足性能和壽命要求的前提下,力爭使鋼板彈簧的自重不大于設計任務書給定的指標。計算非簧載重量時,也可參照此值進行估算。鋼板彈簧各基本參數(shù)和規(guī)格的確定設計鋼板彈簧時,不象分析整車振動那樣復雜,它可以將前后懸架獨立開,并作為一個簡單的單自由度無阻尼線性系統(tǒng)來計算。即不考慮前后懸架的關(guān)聯(lián)不計入輪胎彈性,而且不考慮減振器的阻尼影響。1.剛度的確定根據(jù)給定車輪的平順性要求,初步確定期望的自振頻率或其X圍,按下式計算出期望的滿載靜撓度,再從已知的負荷算出期望的剛度。fm=〔EQ\F<300,Nm>〕2C=EQ\F<Q,fm>C=EQ\F<48EI0,δL3>式中：Nm————滿載自振頻率fm———滿載靜撓度〔單位cm〕Q——滿載負荷C——夾緊剛度δ——形狀系數(shù)按公式C=EQ\F<48EI0,δL3>計算的剛度是板簧大概剛度值,當板簧的片數(shù)和尺寸確定后,就可以精確計算出撓度和剛度。鋼板彈簧的精確計算要通過表格計算法獲得,計算格式如下表：檢驗剛度的計算序號長度L/2AK+1BHIk￡IkYkI0J0I0*J0￡CL1-Lk+1B*H3/1210000/￡IkYk-Yk+1Ak+13*0.0001mmmmmmmmmm4mm41/mm41/mm4mm31/mmKg/mm1650761063336333.31.579265007610633312666.70.7890.7890.000.003570807610633319000.00.5260.26351.2013.4744851657610633325333.30.3950.132449.2159.1153972537610633331666.70.3160.0791619.43127.8563223287610633338000.00.2630.0533528.76185.7272523987610633344333.30.2260.0386304.48237.0181824687610633350666.70.1970.02810250.32289.016500.19727462.505420.236332.4117.31已知：板簧規(guī)格10*76共8片各片長度分別為：L1＝L2＝1300mmL3＝1140mmL4＝970mmL5＝794mmL6＝644mmL7＝504mmL8＝364mm式中C=0.87x6x21000/6332.41=17.31Kg/mm0.87為剛度修正系數(shù)一般取0.83~0.87之間。一般片多與片厚取下限,片少與片薄取上限。計算剛度時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：n＝60～90c/min輕型客車：n＝70～100c/min載貨類汽車：n＝80～170c/min城市客車：n≯111c/min長途客車：n≯99c/min旅游客車：：n≯80c/min礦用汽車或越野汽車：n＝100～130c/min,在滿足強度條件時,也可以取的低一點,有時也可以達到85～125c/min。B.二汽產(chǎn)品設計處對于非獨立懸架的載重汽車和越野車,一般滿載時,前懸架取N1＝100～110后懸架N2＝110～120滿載時前后頻率的比值N1/N2＝0.85～1.02、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支架間的距離,因而也就是支點距。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=EQ\F<48EI0,δL3>δ＝EQ\F<3,〔1-η3〕>[EQ\F<1,2>-2η+η2〔EQ\F<3,2>-lnη〕]η＝EQEQ\F<I1,I0>式中：I1—端部慣性距I0—根部慣性距Io=EQEQ\F<bh3,12>.nE：材料彈性模量〔2.1x104Kgf/mm2〕〔對于單面雙槽的材料Io=0.067nbh3/12〕在上式中當L、s確定后,C就由Io決定,根據(jù)Io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Io從而減少葉片的數(shù)量。一般情況下建議B和h的比最好在4.5＜EQ\F<B,H>＜10之間為宜。如性能和結(jié)構(gòu)上不能采用等厚片時,總的種類在一組彈簧中也應超過三組,且最厚片與最薄片的厚度比不小于1.5。葉片的總數(shù)一般在6～14片之間。個別情況也有較多的。3、比應力的計算比應力對鋼板彈簧的疲勞壽命有明顯的影響,在確定的形狀系數(shù)、有效長度、以與各片的斷面參數(shù)帶如公式可求出比應力：σ=EQEQ\F<12EI0,δL2W0>比應力建議選取下列X圍：一般載重汽車前、后簧：450~550kgf/cm2/cm越野車平衡懸架彈簧：650~800kgf/cm2/cm載重車后懸架副簧：750~850kgf/cm2/cm如果所得的比應力值不合適,就應修改片厚和片數(shù),修改后應使根部總慣性矩盡量少變化,即剛度無明顯變化。最后修改值再重算一次剛度。4、各片長度的確定正確的選擇各片長度的目的,是盡可能使應力在片間和片長的分布合理,以達到各片等壽命的要求。在總成長度與片數(shù)確定以后來確定各片的長度。一般采用展開作圖法,這種方法是建筑在共同曲率與單片梁的假設基礎(chǔ)上的。具體畫法是從U形螺栓跨距之半〔下側(cè)邊〕到主片端點〔上側(cè)邊〕連一直線,此直線與各葉片的上側(cè)邊的交點即為各片長度。如果前幾片為等長片則以最下面一片連線作圖。根據(jù)美國SAE設計手冊規(guī)定,不對稱板簧的前后長度比為1：1.3,或更小?？偝苫「叩拇_定根據(jù)懸架布置的要求〔車架至輪心的距離、車架輪廓、車軸尺寸、彈簧總厚度、限位塊尺寸、支架尺寸和位置以與最大動行程等〕,以與對導向特性的要求,確定滿載弧高Hp按公式計算無載夾緊弧高,然后計算不夾緊自由弧高。HO=〔EQ\F<S〔3L-S〕,2L2>+1〕H1式中：HO：總成自由弧高S：U形螺栓夾緊距L：伸直長度H1：夾緊后總成無載弧高三、鋼板彈簧裝車后各參數(shù)的校核經(jīng)過上面的計算鋼板彈簧的基本規(guī)格〔長度、規(guī)格、厚度、片數(shù)〕和基本參數(shù)〔剛度、比應力、自由弧高〕就確定了,可根據(jù)確定的基本參數(shù)來校核裝車后的狀況。系統(tǒng)的自振頻率自振頻率是決定平順性的基本指標。按已知的彈簧負荷和選定的夾緊剛度,算出該負荷下的靜撓度f=P/C。進而計算出該負荷下的自振頻率N=300/EQADVANCEEQ\R<,f>。一般要計算滿載與空載兩種狀況。靜應力靜應力和比應力是影響彈簧使用壽命的基本原因。按已確定的比應力,即可計算出對應的某靜撓度的靜應力σ=σf,主要計算滿載時的靜應力。對于55SiMnVB或60Si2Mn等材料表面經(jīng)噴丸處理后推薦的靜應力應在以下X圍內(nèi)：前簧σm=3500~4500kgf/cm2后主簧σm=4500~5500kgf/cm2后副簧σm=2000~2500kgf/cm2平衡彈簧σm=3500~4500kgf/cm2緩沖器板簧σm=3000~4000kgf/cm2由于材料和工藝的條件的不斷進步,設計所許用的靜應力值有逐步提高的趨勢。3、極限應力極限應力是保證彈簧靜強度的界限。鋼板彈簧達到極限動行程時的應力值稱為極限應力。極限動行程fd指的是實際可能達到的動行程,只有在某些情況下才是"鐵碰鐵"的動行程。極限應力的許用值為：一般彈簧：σmax≤9000~10000kgf/cm2σmax=σ〔fm+fd〕極限動行程的大小和汽車的使用條件以與所選定的滿載靜撓度fm有關(guān)fd=dEQ\R<,fm>d的取值X圍：城市用車輛d=2~2.5公路用車輛d=2.5~3.5越野車輛d＞3.5所以σmax=σ〔fm+dEQ\R<,fm>〕可見越柔軟的彈簧〔fm越大〕,就應選擇較小的比應力,才能保證彈簧的靜強度。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,以與滿載和空載的靜撓度,分別計算滿載和空載的弧高值,以計算鋼板彈簧裝車后的狀態(tài)。非線形附加變形量由試驗確定,試驗時要在模擬裝車夾緊狀態(tài)下進行,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,當彈簧未經(jīng)實質(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,一般情況下應選擇fa＝0,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給予一定的補償,有時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?shù)膄a值補償,通常取fa＝11～31mm以上四個參數(shù)如都滿足要求,所確定的彈簧規(guī)格尺寸就算認可。自振頻率是決定平順性的基本指標。靜應力和比應力是影響彈簧使用壽命的基本原因。極限應力是保證彈簧靜強度的界限?；「邉t決定彈簧的安裝位置。所以鋼板彈簧的設計是否成功,首先取決于這四個參數(shù)選擇是否恰當。如核算后發(fā)現(xiàn)不當,就應修改規(guī)格尺寸重新進行核算。前簧在最強制動時的卷耳強度校核設計鋼板彈簧時,還必須校核最強制動時的卷耳應力,以免卷耳損壞。按設計所提供的前輪最大制動力T1來核算卷耳根部應力。當鋼板彈簧卷耳傳遞制動力或驅(qū)動力時,在鋼板彈簧主片卷耳處所引起的應力б是由彎曲應力和拉〔壓〕應力合成的。σd=0.5T1〔EQ\F<r+a1,w>+EQ\F<1,F1>〕式中：r卷耳孔半徑a1主片中性層至受拉面距離a1=EQ\F<I1,W1>W1主片對受拉面的斷面系數(shù)F1主片斷面積推薦卷耳許應力不大于3500kgf/cm2,試驗與使用結(jié)果表明這個許應力值是合適的。四、兩極剛度復式鋼板彈簧的計算主副簧并聯(lián)組合的兩極復式鋼板彈簧,主要用在彈簧載荷變化比較大的載貨汽車后懸架上,空載時只主簧起作用,當載荷增大到一定程度后副簧與支架接觸,主副簧共同工作。這種彈簧設計時應考率的主要問題是,在滿足主副簧強度的前提下,盡量使在各種載荷下懸架頻率變化小。主、副簧剛度的計算一般采用比例中項法,假設彈簧滿載時頻率與副簧和支架剛接觸時的頻率相等,而空載時頻率與副簧和支架接觸后的頻率相等。根據(jù)此假設主副簧的計算如下假設：Nm=N1No=N2Nm=EQ\F<300,EQ\R<,EQ\F<Qm,〔K1〕+〔K2〕>>>EQ\F<〔K2〕,〔K1〕>=EQ\R<,λ>—1λ=EQ\F<Qm,Qo>QK=EQ\R<,QnQm>式中：No——空載時懸架頻率。次/minNm——滿載時懸架頻率。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/minQo——空載時彈簧載荷。NQm——滿載時彈簧載荷。NQK——副簧與支架接觸時彈簧上載荷。N〔K1〕——主簧夾緊剛度。N/mm〔K2〕——副簧夾緊剛度。N/mm主副簧載荷分配與應力計算Q1=Qk+EQ\F<<Qm－Qk>〔K1〕,〔K1〕+〔K2〕>Q2=Qm–Q1式中：Q1——作用在主簧上的載荷,NQ2——作用在副簧上的載荷,N主副簧的工作應力與比應力計算同一般多片彈簧。主副彈簧滿載弧高與副簧支架距離的確定主副簧弧高與副簧支架位置應符合下面關(guān)系式D2-D1=H1-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10~20,當H1、D1、D2值確定后,由公式可求出副簧滿載弧高值H2漸變剛度鋼板彈簧計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X圍內(nèi)僅主簧起作用,當載荷增大到某一值時副簧與主簧開始接觸,板簧剛度隨之增大,其特性為非線性。當副簧與主簧完全接觸后,板簧特性又變?yōu)榫€性。如下圖A點為主副簧開始接觸,AB段為主副簧逐漸接觸,B點開始主副簧完全接觸。漸變剛性鋼板彈簧的計算一般采用共同曲率法進行設計計算,共同曲率法假設板簧各葉片沿全長接觸,如不計葉片厚度可認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,則是假設主副簧在接觸點的曲率是一樣的。對于等剛度彈簧通常只確定設計負荷與高度,但對變剛度板簧需規(guī)定第一級的限制負荷與高度,又要規(guī)定第二級的限制負荷與高度。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)確定的前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*706-7<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<EQ\F<In,Im>*<L-EQ\F<S,2>>+EQ\F<S,2>>=2<EQ\F<19687.5,50400>*<600-40>+40>=502第六片長度=2<EQ\F<In*2,Im>*<L-EQ\F<S,2>>+EQ\F<S,2>>=2<EQ\F<19687.5*2,50400>*<600-40>+40>=955主副簧接觸過程中載荷的計算當主副簧剛開始接觸時的作用在板簧上載荷P1應滿足下面公式EQ\F<〔P1Lm〕,〔EIm〕>=EQ\F<1,Rm>—EQ\F<1,Ra>式中：P1——主副簧剛開始接觸時的載荷之半Lm——主簧長度之半Im——主簧總慣性距Rm——主簧曲率半徑Ra——副簧曲率半徑當主副簧剛完全接觸時的作用在板簧上載荷P2應滿足下面公式EQ\F<P2,P1>—EQ\F<1,1-ξ>式中：P2——主副簧完全接觸時的載荷之半ξ——副簧與主簧的長度比當主副簧在任意位置接觸時的作用在板簧上載荷P應滿足下面公式EQ\F<Pλ,EIm>=EQ\F<1,Rm>—EQ\F<1,Ra>式中：λ——主副簧接觸長度λ=EQ\F<P1Lm,P>P——作用在板簧上的