鋼板彈簧設(shè)計(jì)

1、4.2鋼板彈簧設(shè)計(jì)4.2.1鋼板彈簧的布 置方案鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。后者因?yàn)橐獋鬟f縱向力，必須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大，所以只在少數(shù)輕、微型車上應(yīng)用?？v置鋼板彈簧能傳遞各 種力和力矩，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故在汽車上得到廣泛應(yīng)用?？v置鋼板彈簧又有對(duì)稱式與不對(duì)稱式之分。鋼板彈簧中部在車軸(橋)上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離若相等，則為對(duì)稱式鋼板彈簧； 若不相等，則稱為不對(duì)稱式鋼板彈簧。多數(shù)情況下汽車采用對(duì)稱式鋼板彈簧。由于整車布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車上的安裝位置不動(dòng)， 又要改變軸距或者通過(guò)變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的時(shí)，采用不對(duì)稱式鋼板彈簧。 4

2、.2.2鋼板彈簧主要參數(shù)的確定在進(jìn)行鋼板彈簧計(jì)算之前，應(yīng)當(dāng)知道下列初始條件：滿載靜止時(shí)汽車前、后軸(橋)負(fù)荷Gi、G2和簧下部分荷重Gui、Gu2 ,并據(jù)此計(jì)算出單個(gè)鋼板彈簧的載荷：Fwi =(Gi Gui)/2和Fw2 =(G2 Gu2)/2，懸架的靜撓度f(wàn)c和動(dòng)撓度f(wàn)d ,汽車的軸距1. 滿載弧高fa滿載弧高fa是指鋼板彈簧裝到車軸(橋)上，汽車滿載時(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(圖4- 3)。fa用來(lái)保證汽車具有給定的高度。當(dāng)fa = 0時(shí)，鋼板彈簧在對(duì)稱位置上工作。為了在車架高度已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值，常取fa = i020mm。2. 鋼板彈簧長(zhǎng)

3、度L的確定鋼板彈簧長(zhǎng)度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。增加鋼板彈簧長(zhǎng)度L能顯著降低彈簧應(yīng)力，提高使用壽命；降低彈簧剛度，改善汽車平順性；在垂直剛度c給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度。鋼板彈簧的縱向角剛度系指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時(shí)，作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值。增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時(shí)，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長(zhǎng)些的鋼板彈簧，會(huì)在汽車上布置時(shí)產(chǎn)生困難。原則上在 總布置可能的條件下，應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些。推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長(zhǎng)度：轎車：L = (0.400.55)軸距；貨車前懸架：L = (0.260.35)軸距，后懸架：L = (0.35

4、0.45) 軸距。圖4-3鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高3. 鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定(1) 鋼板斷面寬度b的確定 有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強(qiáng)度等，可按等截面簡(jiǎn)支梁的計(jì)算 公式計(jì)算，但需引入撓度增大系數(shù) 6加以修正。因此，可根據(jù)修正后的簡(jiǎn)支梁公式計(jì)算鋼板彈簧所需要的總慣性矩 J。對(duì)于對(duì)稱鋼板彈簧J0 =(L ks)3c5/48E(4 - 5)式中，s為U形螺栓中心距(mm);是為考慮U形螺栓夾緊彈簧后的無(wú)效長(zhǎng)度系數(shù)(如剛性?shī)A緊，取k = 0.5，撓性?shī)A緊，取k=0); c為鋼板彈簧垂直岡【J度(N/mm), c=FW/fc;8為撓度增大系數(shù)(先確定與主片等長(zhǎng)的重疊片數(shù)Q ,再估計(jì)一個(gè)總片數(shù)n。，求

5、得明=叫/化，然后用& =1.5/1.04(1+0中)初定&)； E為材料的彈性模量。鋼板彈簧總截面系數(shù)W0用下式計(jì)算W0 > Fw(L-ks)/4Ow (4-6)式中，tW】為許用彎曲應(yīng)力。對(duì)于55SiMnVB或60Si2Mn等材料，表面經(jīng)噴丸處理后，推薦&w】在下列范圍內(nèi)選?。呵皬椈珊推胶鈶壹軓椈蔀?50450N/ mm2 ;后主簧為450550N/ mm2 ;后副簧為2202250N/ mm。將式(4 6)代人下式計(jì)算鋼板彈簧平均厚度hphp =2Jw°(L-ks)2.6Efc(57)有了 hp以后，再選鋼板彈簧的片寬b。增大片寬，能增加卷耳強(qiáng)度，

6、但當(dāng)車身受側(cè)向力作用傾斜時(shí)，彈簧的扭曲應(yīng)力增大。前懸架用寬的彈簧片，會(huì)影響轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角。片寬選取過(guò)窄，又得增加片數(shù)，從而增加片間的摩擦和彈簧的總厚。推薦片寬與片厚的比值b/h。在610范圍內(nèi)選取。 p(2) 鋼板彈簧片厚h的選擇矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩J。用下式計(jì)算3 ,J0 = nbh /12(58)式中，n為鋼板彈簧片數(shù)。由式(48)可知，改變片數(shù)n、片寬b和片厚h三者之一，都影響到總慣性矩 J。的變化;再結(jié)合式(4 5)可知，總慣性矩J。的改變又會(huì)影響到鋼板彈簧垂直剛度c的變化，也就是影響汽車的平順性變化。其中，片厚丸的變化對(duì)鋼板彈簧總慣性矩了。影響最大。增加片厚九，可以減少片

7、數(shù)n。鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不同兩種情況，希望盡可能采用前者。但因?yàn)橹髌ぷ鳁l件惡劣，為了加強(qiáng)主片及卷耳，也常將主片加厚，其余各片厚度稍薄。此時(shí), 要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過(guò)三組。為使各片壽命接近又要求最厚片與最薄片厚度之比應(yīng)小于1.5。最后，鋼板斷面尺寸 b和h應(yīng)符合國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。c)圖4 4葉片斷面形狀a)矩形斷面b)T形斷面c)單面有拋物線邊緣斷面d)單面有雙槽的斷面(3) 鋼板斷面形狀矩形斷面鋼板彈簧的中性軸，在鋼板斷面的對(duì)稱位置上(圖4-4a)。工作時(shí)一面受拉應(yīng)力，另一面受壓應(yīng)力作用，而且上、下表面的名義拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的絕對(duì)值相等。因材料抗拉性能低于抗壓性能，所以在受拉

8、應(yīng)力作用的一面首先產(chǎn)生疲勞斷犁。除矩形斷面以外的其它斷面形狀的葉片（圖4-4b、c、d）,其中性軸均上移，使受拉應(yīng)力作用的一面的拉應(yīng)力絕對(duì)值減小，而受壓應(yīng)力作用的一面的壓應(yīng)力絕對(duì)值增大，從而改善了應(yīng)力在斷面上的分布狀況，提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度和節(jié)約近10%的材料。（4）鋼板彈簧片數(shù)n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 614片之間選取，重型貨車可達(dá)20片。用變截面少片簧時(shí)，片數(shù)在1 4片之間選取。4.2.3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

9、，形狀為菱形（兩個(gè)三角形）。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、 疊放到一起，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杰囕S（橋）上和使兩卷耳處能可靠地傳遞力，必須使它們有一定的寬度，因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼板彈簧（圖4-5）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h3按同一比例尺沿縱坐標(biāo)繪制在 b0i圖上（

10、圖4-6）,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、B 即得到三角形的鋼板彈簧展開圖。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，就從月點(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)即為各片長(zhǎng)度。各片實(shí)際長(zhǎng)度尺寸需經(jīng)圓整后確定。圖45雙梯形鋼板彈簧圖46確定鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的作圖法4.2.4鋼板彈簧剛度驗(yàn)算在此之前，有關(guān)撓度增大系數(shù)6、總慣性矩J0、片長(zhǎng)和葉片端部形狀等的確定都不夠化值相同，各片所承受的彎矩正比于其慣性矩, 的彎矩。剛度驗(yàn)算公式為準(zhǔn)確，所以有必要驗(yàn)算剛度。用共同曲率法計(jì)算剛度的前提是，

11、假定同一截面上各片曲率變同時(shí)該截面上各片的彎矩和等于外力所引起(4 - 9)6： Ec =-.3二 ak 1 (Yk -Yk 1) k日其中'ak i = (1i - L i)；Yk式中，ot為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),= 0.90 0.94;1=°' Ji i A為材料彈性模量；11、lk闿為主片和第(k+1)片的一半長(zhǎng)度。式(6 9)中主片的一半li ,如果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成自由剛度Cj；如果用有效長(zhǎng)度，即11=(110.5ks)代入式(6 9),求得的剛度值是鋼板彈簧總成的夾緊剛度c。4.2.5鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半

12、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形螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端 (不包括卷耳孔半徑)連線間的最大高度差(圖4 3),稱為鋼 板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧局 H 0,用下式計(jì)算H° =(fc +fa +Af) (4 10)式中，fc為靜撓度；fa為滿載弧高；Af為鋼板彈簧總成用 U形螺栓夾緊后引起的弧高變2L2化，Af =S(3L 一S)(fa * fc); s為U形螺栓中心距；L為鋼板彈簧主片長(zhǎng)度。2鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑Ro = L2 /8H 0。(2) 鋼板彈簧各片自由狀態(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

13、后的曲率半徑不同(圖4 7),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R各片自由狀態(tài)下做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 7鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑 矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定DR正hiRi 一_1 (2fR°)(411)式中，R為第i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑 (mm) ； Ro為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑(mm) ； croi為各片彈簧的預(yù)應(yīng)力 (N / mm2)；正為材料彈性模量(N / mm2),取E =2.1><105N/mm2； *為第i

14、片的彈簧厚度(mm)。在已知鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下曲率半徑R0和各片彈簧預(yù)加應(yīng)力 。01的條件下，可以用式(4 11)計(jì)算出各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑Ri。選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí)， 要求做到:裝配前各片彈簧片間間隙相差不大，且裝配后各片能很好貼和；為保證主片及與其相鄰的長(zhǎng)片有足夠的使用壽命，應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長(zhǎng)片的應(yīng)力。為此，選取各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，可分為下列兩種情況：對(duì)于片厚相同的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力值不宜選取過(guò)大； 對(duì)于片厚不相同的鋼板彈簧， 厚片預(yù)應(yīng)力可取大些。 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)力在 300350N/ mm2內(nèi)選取。14片長(zhǎng)片疊加負(fù)的 預(yù)應(yīng)力，短片疊加正

15、的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力從長(zhǎng)片到短片由負(fù)值逐漸遞增至正值。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處預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩M i之代數(shù)和等于零，即 nZ M i (4-12) i 4 n或 Z OoW(4-13)i 4如果第i片的片長(zhǎng)為L(zhǎng) ,則第i片彈簧的弧高為H L2/8Ri(4- 14)4.2.6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R是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力 b0i后用式(4 11)計(jì)算，受其影響，裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用式 Ro = L2/8H 0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

16、得等厚葉片彈簧的 Ro為n LRo1 id R -(4 - 15)' Li i 4式中，Li為鋼板彈簧第i片長(zhǎng)度。鋼板彈簧總成弧高為2 .H &L /8Ro(4- 16)用式(4 16)與用式(4 10)計(jì)算的結(jié)果應(yīng)相近。如相差較多，可經(jīng)重新選用各片預(yù)應(yīng)力 再行核算。4.2.7鋼板彈簧強(qiáng)度驗(yàn)算了max用下(1)緊急制動(dòng)時(shí)，前鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的后半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力式計(jì)算二 maxG1mj2(lc)(1i 1)Wo(417)式中，G1為作用在前輪上的垂直靜負(fù)荷；m1為制動(dòng)時(shí)前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，轎車：m = 1.21.4,貨車：m= 1.41.6; 1i、l2為鋼板彈簧前、

17、后段長(zhǎng)度；中為道路附著系數(shù)，取 0.8;W）為鋼板彈簧總截面系數(shù)；c為彈簧固定點(diǎn)到路面的距離 （圖4 8）。max用下式（2）汽車驅(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)力計(jì)算''(4 - 18)G2m21(2c)G2m2 :c max =(12)W0bhi式中，G2為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷；m；為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，轎車：m2 = 1.251.30,貨車：m2 = 1.11.2 ;單為道路附著系數(shù)；b為鋼板彈簧片寬；h為鋼板彈簧主片厚 度。此外，還應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算汽車通過(guò)不平路面時(shí)鋼板彈簧的強(qiáng)度。許用應(yīng)力。取為1000N/2m m。（3）鋼板彈簧卷耳和彈簧銷的強(qiáng)

18、度核算鋼板彈簧主片卷耳受力如圖4 9所示。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)力圖4-8汽車制動(dòng)時(shí)鋼板彈簧的受力圖圖4 9鋼板彈簧主片卷耳受力圖O"3Fx(D 加)Fxbhi2bhi(4 19)式中，F(xiàn)x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；hi為主片厚度。2許用應(yīng)力。取為350N/ mm 。Fs _ , 對(duì)鋼板彈簧銷要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷時(shí)鋼板彈簧銷受到的擠壓應(yīng)力。z = q。其中，bdFs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為鋼板彈簧銷直徑。2用30鋼或40鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時(shí)， 彈簧銷許用擠壓應(yīng)力z取為34N / m

19、m ;用20鋼或20Cr鋼經(jīng)滲碳處理或用 45鋼經(jīng)高頻淬火后，其許用應(yīng)力crz 79N/mm2。鋼板彈簧多數(shù)情況下采用 55SiMnVB鋼或60Si2Mn鋼制造。常采用表面噴丸處理工藝 和減少表面脫碳層深度的措施來(lái)提高鋼板彈簧的壽命。表面噴丸處理有一般噴丸和應(yīng)力噴丸兩種，后者可使鋼板彈簧表面的殘余應(yīng)力比前者大很多。4.2.8少片彈簧少片彈簧在輕型車和轎車上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。其特點(diǎn)是葉片由等長(zhǎng)、等寬、變截面的13片葉片組成(圖4 10)。利用變厚斷面來(lái)保持等強(qiáng)度特性，并比多片彈簧減少20%40%的質(zhì)量。片間放有減摩作用的塑料墊片，或做成只在端部接觸以減少片間摩擦。圖4- 19所示單片變截面彈簧的端部CD段和中間夾緊部分 AB段是厚度為 h和h2的等截面形，BC段為變厚截面。BC段厚度可按拋物線形或線性變化。h)圖4- 10單片彈簧和少片彈簧a)單片彈簧 b)少片彈簧1Xn ,(1)按拋物線形變化 此時(shí)厚度hx隨長(zhǎng)度的