起重機(jī)鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)

1、起重機(jī)鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)4.3.2鋼板彈簧設(shè)計(jì)的已知參數(shù)作者:日期:1彈簧載荷通常在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)整車(chē)布置給定的軸載荷質(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。由于汽車(chē)起重機(jī)作業(yè)的特殊性，不用作載貨運(yùn)輸使用， 其整車(chē)質(zhì)量變化不大，故直接用實(shí)際靜載荷進(jìn)行計(jì)算。一般將前、后軸，車(chē)輪， 制動(dòng)鼓及轉(zhuǎn)向節(jié)等總成視為非簧載質(zhì)量，將傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向縱拉桿等總成一半也視 為非簧載質(zhì)量。如果鋼板彈簧布置在車(chē)橋上方，彈簧3/4的質(zhì)量為非簧載質(zhì)量；下 置彈簧，則1/4彈簧質(zhì)量為非簧載質(zhì)量。且本車(chē)主要考慮到行駛性能，懸架采 用將鋼板彈簧布置在車(chē)橋的上方（依據(jù)）。根據(jù)設(shè)計(jì)資料得知后懸架簧載質(zhì)量211876N。2 汽

2、車(chē)前后軸的軸距此車(chē)的三、四橋軸距為13 5 0mm4.3. 3鋼板彈簧具體計(jì)算1鋼板彈簧多數(shù)情況下采用55 SiMnVB鋼或60Si2 M n鋼制造。本車(chē)選用6OS i2 Mn。鋼材彈性模數(shù)E=20 5800 N/mm2懸架的靜撓度值fc和動(dòng)撓度f(wàn)d以及滿載弧高fa的確定；用途不同的汽車(chē)，對(duì)平順性的要求是不一樣的。轎車(chē)對(duì)平順性的要求最高， 客車(chē)次之，載貨車(chē)更次之。由（出處）得各種車(chē)型車(chē)身固有頻率n0的實(shí)用范圍為： 貨車(chē)1.52 .1 7H乙旅行客車(chē)1.2 1. 8Hz;高級(jí)轎車(chē)1 1 . 3Hz。貨車(chē)后懸 架一般要求是在1.72. 17Hz，本車(chē)為汽車(chē)起重機(jī)，比一般的大貨車(chē)舒適性要求 較（低）

3、。故可選擇為n0 =3.0 o由式得fc值為28 m no懸架的動(dòng)撓度是指懸架從滿載靜平衡位置開(kāi)始?jí)嚎s到結(jié)構(gòu)允許的最大變形 （通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1/2或1 /3）時(shí)，車(chē)輪中心相對(duì)車(chē)架（或車(chē)身）的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常 碰撞緩沖塊。一般：轎 車(chē)：79 cm;大客車(chē)：58c m 貨 車(chē)：69cm。故選擇動(dòng)撓度為 6 c m即 60mm滿載弧高fa是指鋼板彈簧裝到車(chē)軸上，汽車(chē)滿載時(shí)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。fa用來(lái)保證汽車(chē)具有給定的高 度。為了在車(chē)架高度內(nèi)已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值，常取fa=1020mm

4、?？紤]到空間和載荷（原因），取fa=18mmo3期望的彈簧斷面尺寸和有效長(zhǎng)度的確定a期望的彈簧剛度值（夾緊剛度）28：10593828=37 8 3.5N/mm(4-1)b初步確定鋼板彈簧片數(shù) 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(chē)行駛平順性。但片數(shù)少了將使鋼板彈簧與等強(qiáng)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 4片之間選取。因?yàn)榇塑?chē)是 汽車(chē)起重機(jī)，載重較大，故選取主片的片數(shù)為2,總片數(shù)為10 (原因)。貝U彈簧撓度增大系數(shù)(4- 2 )=1.5ni1.04(1-)2n式中n1為和主片相等片數(shù)，n為總片數(shù)。計(jì)算得 =1.311。c鋼板彈簧的長(zhǎng)度，一

5、般由總布置的考慮選取。鋼板彈簧長(zhǎng)度 L是指彈簧 兩卷耳中心之間的距離，對(duì)于小轎車(chē)的后鋼板彈簧,初步可以選取L=(0.40. 55) La；對(duì)于貨車(chē)前鋼板彈簧 L= (0. 260.35) La ;貨車(chē)后鋼板彈簧L =(0.35 0. 45 )La?？梢猿醪酱_定 L = 0.4 La.得到L =0.4X25 0 0=880mm。彈簧的無(wú)效長(zhǎng)度Ls一般取L s=k*S ,彈簧的有效長(zhǎng)度I e = L- Ls = L k* S (mm)式中k無(wú)效長(zhǎng)度系數(shù)(平衡懸架是否適用),一般取k= 0.40. 6;選k = 0. 5S u形螺栓夾緊距,mm 取S=115mm。則1 e= 8 8 0-0. 5 X

6、 1 15=822. 5 mmd鋼板彈簧所需要的總慣性矩J °:理想剛度(K) 48EJg(4 3)Jo=(L-kS) 3(K)/48E=(8 22.5)3 X378 3. 5X1.31 1 /(48 X0 58 00)=279434.5mm3。梯形單片彈簧在根部應(yīng)力QL ( N /4W。(4-5)式中W0 梯形單片彈簧在根部的斷面系數(shù)， m m3設(shè)計(jì)時(shí)要求W 0 > Q(L-kS) /4 W 1 , w為許用彎曲應(yīng)力。對(duì)于60S i 2 Mn材料，表面經(jīng)噴丸處理后，推薦W 1在下列范圍內(nèi)選取：前彈簧和平衡 懸架彈簧為3504 50N/mm 2;后彈簧懸架為450550 N/m

7、m 2。則選取W為 5 00N/mm,得出W0 > 105938 >822.5 /(4X500 )= 4356 7而鋼板彈簧的平均厚度hp=2±=2 >2794345=12. 8.P W043567有了 hp以后,再選鋼板彈簧的片寬bo增大片寬，能加強(qiáng)卷耳強(qiáng)度，但當(dāng)車(chē)身受 側(cè)向力作用傾斜時(shí)，彈簧的扭曲應(yīng)力增大。片寬選得太窄，又得增加片數(shù)，從而增加片間的摩擦和彈簧的總厚。推薦片寬和平均片厚的比值b/hP在61 0間選取。結(jié)合考慮強(qiáng)度故選擇 b=100mm。此時(shí)的b/h P= 10 0 / 12. 8= 7. 8, 符合給定的比例范圍。反過(guò)來(lái)確定片厚 h,根據(jù)式 J0

8、=nbh 3 /12(4-6)確定 h= 3 12J° = 14. 96,取 16(原因)。 nb重新對(duì)剛度進(jìn)行驗(yàn)算:J 0= n b h3/ 1 2= 3 4133348學(xué)=48 205800 34133=3773.6 ,符合要求。L31.311 880e鋼板彈簧各片長(zhǎng)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(qiáng)度梁，形狀為菱形(兩個(gè)三角 形)o將由兩個(gè)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(zhǎng)度大小不同依次排列、疊放在一起，就形成接近實(shí)用價(jià)值的鋼板彈簧。實(shí)際上的鋼板彈簧不可能是三角形，因?yàn)闉榱藢摪鍙椈芍胁抗潭ǖ杰?chē)軸上和使兩卷耳處 能可靠地傳遞力，必須使它們有

9、一定的寬度，因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼 板彈簧替代三角形鋼板彈簧才有真正的實(shí)用意義。這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度，但長(zhǎng)度不同。鋼板彈簧各片長(zhǎng)度就是基于實(shí)際鋼板各片展開(kāi)圖接近梯形梁 的形狀這一原則來(lái)作圖的。首先假設(shè)各片厚度不同，則具體進(jìn)行步驟如下：先將各片厚度hi的立方值h 3按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在0i圖上(如下圖)，再沿橫坐標(biāo)量出主片長(zhǎng)度的一半 L/2和U形螺栓中心距的一半S /2,得到A、 B兩點(diǎn)，連接A、E即得到三角形的鋼板彈簧展開(kāi)圖。AB線與各葉片上側(cè)邊的交點(diǎn)即為各片長(zhǎng)度。如果存在與主片等長(zhǎng)的重疊片，就從B點(diǎn)到最后一個(gè)重疊片的 上側(cè)邊端點(diǎn)連一直線，此直線與各片上側(cè)邊的交點(diǎn)即為各

10、片長(zhǎng)度。各片實(shí)際長(zhǎng)度 尺寸需經(jīng)圓整后確定。圖4-22鋼板彈簧展開(kāi)圖根據(jù)前面已經(jīng)算得的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫(huà)圖， 通過(guò)作圖確定出鋼板彈簧各片長(zhǎng)度，分 另I為 26 4 mm、306mm 38 8 mm 4 70mm、55 2mm 6 3 4mm7 16mm 80 0mm、9 6 0mm 9 6 0 mmf鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算(1)鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H °鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓 縮和U型螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端(不包括卷耳半徑)連線間的最大高度 差,稱(chēng)為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 H0，用下式計(jì)算H ° = fc + fa+ f(4 -7)

11、式中，仁為靜撓度；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)(2fc fa)(4-8)2L2S為U形螺栓中心距(平衡懸架的螺栓是否適用);L為鋼板彈簧主片長(zhǎng)度(與 前面鋼板彈簧長(zhǎng)度是否不一致)。fc、fa在前面已經(jīng)得出?，F(xiàn)計(jì)算f115 (3 960 115>2 9602(18 28)=6.6mm=960 2/ (8X 4 4.6 )Ho= 1 8+28 +6 .6=44. 6 m m鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑R0=L2 /8 H。=2 58 5 . 5 mm(2)鋼板彈簧各片在自由狀態(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

12、的曲率半徑不同，裝配后各片產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其值確定了自由狀態(tài)下 的曲率半徑Ri(如下圖)。各片自由狀態(tài)下作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， 減少主片工作應(yīng)力，使各片壽命接近。圖4-24狀態(tài)下的曲率半徑R(4-12 )由材料力學(xué)得，作用在任一彈簧片上的彎矩與曲率半徑變化值之間的關(guān)系可 用下式表示：11mkRkR0kEI k1/ m m(4 9) 式中M K 第K片彈簧各斷面的彎矩,N . mmRk：第K片彈簧在自由狀態(tài)下的曲率半徑,m mR 0K :第K片彈簧在裝配后的曲率半徑，mm0K蟲(chóng)(丄2 Rk1)Ro2N /mmIK:第K片彈簧斷面慣性矩，mm彈簧預(yù)應(yīng)力

13、Mk0KWk(4-10)將以上兩式聯(lián)立得ok匹(丄丄)WK RKR0KN / m m2(4-11)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(xiě)成:式中h k 第K片彈簧片厚，mmRo 彈簧總成在自由狀態(tài)下曲率半徑， mm如果知道彈簧總成自由狀態(tài)下的曲率半徑Ro和預(yù)加在各片彈簧上的預(yù)應(yīng)力0K ,那么可求出各片彈簧在自由狀態(tài)下的曲率半徑Rk112 0K 彳 /1 / mm RKR0Ehk(4-13)彈簧各片預(yù)應(yīng)力的選擇，原則上應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：I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。U由于主片受

14、力復(fù)雜，為保證主片及長(zhǎng)片有較長(zhǎng)使用壽命，希望適當(dāng)降低主片及長(zhǎng)片應(yīng)力?；谏鲜鲈?，選擇各片預(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(guò)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 300350 N/mn2。預(yù)應(yīng)力從長(zhǎng)片到短片由負(fù)值逐漸增至正值的。并且在確定各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，理論上應(yīng)滿足各片彈簧在根部出的預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩Mj之代數(shù)和等于零。即nnM i =0 或0iWi = 0i 1i 1因?yàn)榇虽摪鍙椈稍O(shè)計(jì)的各片的斷面尺寸相同，故應(yīng)力之和要為零。按常規(guī)選擇10 0+ 10 0,分配后六片從長(zhǎng)到短的預(yù)應(yīng)力依次為-100，-80 ,-60,- 4

15、 0，-20，20,40，6 0 ,80,100 (N/mm)。由此，通過(guò)式4-13可分別計(jì)算出六片鋼板彈簧在自由狀態(tài)下的曲率半徑，計(jì)算得：R1=2739.7mm;R2=270 7.3mm R3=27 17. 6mm;R4 =2694.6 m m； R5=265 3.7mm; Re =24 9 9.6mm;R7 = 2 3 61. 2 mm Rs =21 3 7.5mm ;R9=178 6. 9 mm Ri0 = 1 4 6 7.7mmg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Rj是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力0i后用式4-13計(jì)算，受其影響，裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用式 R°

16、=L2/8 H0計(jì)算的結(jié)果會(huì)不同。因此需要核算鋼板彈簧總成的弧高。根據(jù)最小勢(shì)能原理，鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢(shì)能總和最小狀態(tài)，由此可求出等厚葉片彈簧的R0為c為彈簧固定點(diǎn)到路面的距離，取c = 7 1 8. 5mm許用應(yīng)力4取為10 0 0n Li1i 1 Ri0nILii 1(4-14)式中 Li為鋼板彈簧的第i片的長(zhǎng)度n I計(jì)算得 土 =2.5i 1 RiLi =6 0 50mmi 1進(jìn)而得 R0 = 2 46 2. 813mm鋼板彈簧總成弧高為 H L2/8 Ro = 9 602 /( 8 X 2 462.8 1 3)=46.8。與前面 算得的H0=44.6相差不大，并算得相對(duì)誤

17、差為(4 4. 6-46. 8)/44 . 6 = 4. 9 %故符合標(biāo)準(zhǔn)。若相差較大，則應(yīng)重新選擇鋼板彈簧各片的預(yù)應(yīng)力，再進(jìn)行核 算,直到滿足標(biāo)準(zhǔn)。h鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算m ax汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)，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)力用下式計(jì)算max(h l2)W。Q2m2bh1(4 - 15)Q2為作用在后輪上的垂直靜載荷，查相關(guān)資料得Q= 430; m,為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn) 移系數(shù)，轎車(chē) 叫= 1.251.30,貨車(chē) 叫=1.1 1 .2,故取1. 1; h、"為鋼板 彈簧前、后段長(zhǎng)度取11 = 12 =88 0 /2=44 0 ;為道路附著系數(shù)，取0.8;b為鋼板 彈簧片寬；

18、m為鋼板彈簧主片厚度；W。為鋼板彈簧總截面系數(shù)W0 =nbh26=4266 6 . 7 m m3;N/mm2。將各個(gè)數(shù)據(jù)代入得 max=1772N/mm2，不符合要求。故應(yīng)力分析設(shè)計(jì)合 理。i鋼板彈簧卷耳內(nèi)徑和彈簧銷(xiāo)直徑確定及其強(qiáng)度核算鋼板彈簧主片卷耳受力如下圖所示。3Fx(D 0) Fx bh；bh(4-16) 式中Fx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；h !為主片厚度。許用應(yīng)力取為3 50N/mm。先初步確定 D=4 5 mmFx=m G = 1 .1 X 10 5 93 8X 0 .8=9 3 225N 則算得 =7 2 4 N/mm 2 v=350

19、N/mm2，故不滿足強(qiáng)度要求。對(duì)鋼板彈簧銷(xiāo)要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷作用時(shí)鋼板彈簧銷(xiāo)受到的應(yīng)力_FzZ = bd(4-1 7) 其中Fz為滿載靜止時(shí)鋼板彈簧端部的載荷；b為卷耳處葉片寬；d為鋼板彈 簧銷(xiāo)的直徑，用2 0鋼或20C r鋼經(jīng)滲碳處理或用4 5鋼經(jīng)高頻淬火后，許用應(yīng)力 為Z <7 9 N/mni400 9 8根據(jù)以上初步確定為1 5mm FZ =196 0No2Z 。故符合要求1960 =2.38 N/mm2 v55 15j鋼板彈簧應(yīng)力校核對(duì)于 55SiMnA或60Si2MnA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)29:彈簧滿載靜應(yīng)力前彈簧m=35050 0 N

20、/mm = L W01.326 10001762后主彈簧 m = 4 5 0650 N/m m2后副彈簧 m=20 0300 N/mm2平衡懸架彈簧m=35050 0N/mm彈簧比應(yīng)力載貨汽車(chē)前彈簧=4.55 .5(N /m ) /mm載貨汽車(chē)后懸架彈簧=7 .58. 5 ( N/mrn ) /mm越野車(chē)平衡懸架彈簧=6 .58 .0(N/m m 2 ) /mm彈簧極限應(yīng)力max鋼板彈簧在極限動(dòng)行程時(shí)的應(yīng)力值稱(chēng)之極限應(yīng)力，極限應(yīng)力許用值為 一般彈簧 max =9 1 0 N/mm ,平衡懸架彈簧 max< 13.5 N / mni由前面得：鋼板彈簧總慣性矩J 0=5461. 7;彈簧總斷

21、面系數(shù) W°=17 6 2mm3，彈簧各片斷面系數(shù) Wk =35 2. 4 mm3表4- 3鋼板彈簧片的參數(shù)片號(hào)各片長(zhǎng)度(mm)各片有效長(zhǎng)度(mr)各片厚度(mm)各片寬度(mm)1100095 56. 25521 0 009556 .25 5377 4.5729. 56.25 545 495046 .25553 2 3 . 527 8 .56. 255彈簧在U形螺栓夾緊處應(yīng)力與比應(yīng)力：=d(N/mm> 400 9.8 955 = 476. 6N / mm2 符合要求。 4W04 1963.5512EJg 12 2 105461=5.6(N /mm ) /m m可以滿足。校核各片應(yīng)力需要用集中載荷法假設(shè)主片彈簧卷耳處載荷為P,其它各片在端點(diǎn)處產(chǎn)生的力為Xk錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。錯(cuò)誤！未定義書(shū)A2PB2X2 C2X30A3 X 2B