汽車懸架中鋼板彈簧的應(yīng)用

汽車懸架中鋼板彈簧的應(yīng)用

1采用上下對(duì)稱的特殊斷面彈簧，又稱彈簧彈簧，是一種廣泛使用的彈簧彈簧。它由若干片長度不等、曲率半徑不同、厚度相等或不等的彈簧鋼片疊合在一起,組成一根近似等強(qiáng)度的彈性梁。鋼板彈簧的斷面形狀除采用對(duì)稱斷面外,還有采用上下對(duì)稱的特殊斷面。這樣可改善彈簧的受力狀況,不僅提高了其疲勞強(qiáng)度,還節(jié)約了金屬材料。鋼板彈簧在載荷作用下變形,各片之間因相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦,可使車架的振動(dòng)衰減。各片之間處于干摩擦,同時(shí)還要將車輪所受沖擊力傳遞給車架,因此增大了各片的磨損。所以在裝合時(shí),各片之間要涂上較稠的石墨潤滑脂進(jìn)行潤滑,并應(yīng)定期維護(hù)。鋼板彈簧本身還起導(dǎo)向裝置的作用,可不必單設(shè)導(dǎo)向裝置,使結(jié)構(gòu)簡化。有些高級(jí)轎車的后懸架也采用鋼板彈簧作彈性元件。目前一些汽車上采用變厚度的單片或2~3片的鋼板彈簧,可以減小片與片之間的干摩擦,同時(shí)減輕了重量。2汽車鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在采用傳統(tǒng)彈簧的吸震式懸架設(shè)計(jì)上,彈簧起支持車身以及吸收不平路面和其他施力對(duì)輪胎所造成的沖擊的作用,而這里所謂的其他施力包含加速、減速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等對(duì)彈簧造成的施力。更重要的是在消除振動(dòng)的過程中要保持輪胎與路面的持續(xù)接觸,維持車輛的循跡性。如果彈簧很軟,則很容易出現(xiàn)“坐底”的情況,即將懸架的行程用盡。假如在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生坐底情況,則可視為彈簧的彈力系數(shù)變成無限大(已無壓縮的空間),車身會(huì)立即產(chǎn)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移,使循跡性喪失。如果這輛車有著很長的避振行程,那么或許可以避免“坐底”,但相對(duì)的車身也會(huì)變得很高,而很高的車身意味著很高的車身重心,車身重心的高低對(duì)操控表現(xiàn)有決定性的影響,所以,太軟的彈簧會(huì)導(dǎo)致操控上的障礙。如果路面的崎嶇度較大,那就需要比較軟的彈簧才能確保輪胎與路面接觸,同時(shí)彈簧的行程也必須增加。彈簧的硬度選擇要由路面的崎嶇程度來決定,越崎嶇要越軟的彈簧,但要多軟則是個(gè)關(guān)鍵的問題,通常這需要經(jīng)驗(yàn)的累積。一般來說,軟的彈簧可以提供較佳的舒適性以及行經(jīng)較崎嶇的路面時(shí)可保持比較好的循跡性;但是,在行經(jīng)一般路面時(shí),卻會(huì)造成懸架系統(tǒng)較大的上下擺動(dòng),影響操控。而在配備有良好空氣動(dòng)力學(xué)組件的車輛上,軟的彈簧在速度提高時(shí)會(huì)使車高發(fā)生變化,造成低速和高速時(shí)不同的操控特性。一般載貨汽車均采用鋼板彈簧作為彈性元件的非獨(dú)立懸架,因鋼板彈簧既有緩沖、減振的功能,又起傳力和導(dǎo)向的作用,使得懸架結(jié)構(gòu)大為簡化。為了充分利用材料,鋼板彈簧做成接近于應(yīng)力粱的形式,分為2種類型:一種是等厚度,寬度呈現(xiàn)兩端狹,中間寬,即多片鋼板彈簧,傳統(tǒng)的鋼板彈簧就是這一類型。這種鋼板彈簧由多片長度不等、寬度一樣的鋼片迭成,現(xiàn)在多數(shù)大客車、貨車都使用這種鋼板彈簧。另一種是等寬度、兩端薄、中間厚的。常見的少片鋼板彈簧就是這一類型,多用于輕中型汽車。多片鋼板彈簧的各片鋼板疊加成倒三角形狀,鋼板的片數(shù)與支承汽車的質(zhì)量和減振效果相關(guān),鋼板越多越厚越短,彈簧剛性就越大;但是,當(dāng)鋼板彈簧撓曲時(shí),各片之間就會(huì)互相滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生噪聲,摩擦還會(huì)引起彈簧變形,造成行駛不平順,因此,在承載量不是很大的汽車上,就出現(xiàn)了少片鋼板彈簧,以消除多片鋼板彈簧的缺陷。少片鋼板彈簧的鋼板截面變化大,從中間到兩端的截面是逐漸不同,因此軋制工藝比較復(fù)雜。為了減輕質(zhì)量和軋制工藝難度,目前出現(xiàn)了一種纖維增強(qiáng)塑料(FRP)代替鋼板,質(zhì)量可減少1/2以上。鋼板彈簧的中部一般固定在車橋上。主片卷耳受力嚴(yán)重、是薄弱處,為改善主片卷耳的受力情況,常將第二片末端也彎成卷耳,包在主片卷耳的外面(亦稱包耳)。為了使得在彈簧變形時(shí)各片有相對(duì)滑動(dòng)的可能,在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。有些懸架中的鋼板彈簧兩端不做成卷耳,而采用其他的支承連接方式(如非獨(dú)立懸架)。中心螺栓用來連接各種彈簧片,并保證各片裝配時(shí)的相對(duì)位置。中心螺栓到兩端卷耳中心的距離可以相等,也可不相等者。鋼板彈簧端部有三種結(jié)構(gòu)型式:端部為矩形的鋼板,其制造簡單,廣泛應(yīng)用在載貨汽車上;端部為梯形的鋼板,其質(zhì)量小、節(jié)省鋼材,較多的用在載貨汽車上;端部為橢圓形的鋼板,這種結(jié)構(gòu)改善了應(yīng)力分布狀況,片端彈性好,片間摩擦小,重量也較輕,但制造工藝復(fù)雜,成本較高,一般在轎車上應(yīng)用較多。鋼板彈簧將車橋與車身連接起來,起到緩沖、減振和傳力的作用。由于載貨汽車后懸架載質(zhì)量變化較大,為了保持懸架的頻率不變或變化不大,廣泛地在后懸架中采用副鋼板彈簧總成。副鋼板彈簧總成一般裝在主鋼板彈簧總成上方,當(dāng)后懸架負(fù)荷較小時(shí),僅由主鋼板彈簧起作用。在負(fù)荷增加到一定程度時(shí),副鋼板彈簧總成與車架上的支架接觸,開始起作用。此時(shí),主、副鋼板彈簧一起工作,一起承受載荷而使懸架剛度增大,保證車身振動(dòng)頻率不至因載荷增加而變化過大。為了進(jìn)一步改善鋼板彈簧的受力狀況,可采用不同形狀的斷面。矩形斷面鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡單,但受拉應(yīng)力一面的棱角處易產(chǎn)生疲勞裂紋;采用上下不對(duì)稱的橫斷面,由于斷面抗彎的中性軸線上移,不但可減小拉應(yīng)力,而且節(jié)省了材料。在車架加載彈簧變形時(shí),鋼板彈簧各片之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生摩擦,此時(shí)鋼板彈簧本身具有一定的減振作用。如果鋼板彈簧各片之間產(chǎn)生干摩擦?xí)r,輪胎所受到的沖擊要直接傳給車架,并直接使鋼板彈簧各片磨損,故安裝鋼板彈簧時(shí),應(yīng)在各片之間涂上適量的石墨潤滑劑。鋼板彈簧各片之間有相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦,可以促進(jìn)車架振動(dòng)的衰減,即起減振作用。除此外,鋼板彈簧本身還兼起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用,控制車輪相對(duì)車身按規(guī)定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng),以獲得較好的操縱穩(wěn)定性。另外鋼板彈簧還在車輪與車架間起傳遞各個(gè)方向力矩的作用。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的斷裂將直接危及整車安全性,對(duì)于獨(dú)立懸架應(yīng)尤為注意。鋼板彈簧多用于廂式車及卡車,由若干片長度不同的細(xì)長彈簧片組合而成。它比螺旋彈簧結(jié)構(gòu)簡單,成本低,可緊湊地裝配于車身底部,工作時(shí)各片間產(chǎn)生摩擦,因此本身具有衰減效果。但如果產(chǎn)生嚴(yán)重的干摩擦,就會(huì)影響吸收沖擊的能力。重視乘坐舒適性的現(xiàn)代轎車很少使用。3減少汽車燃油模板積分,提高乘座舒適性鋼板的片數(shù)與支承汽車的重量和減震效果相關(guān),鋼板越多越厚越短,彈簧剛性就越大。但是,當(dāng)鋼板彈簧撓曲時(shí),各片之間就會(huì)互相滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生噪聲。摩擦還會(huì)引起彈簧變形,造成行駛不平順。因此,在承載量不是很大的汽車上,就出現(xiàn)了少片鋼板彈簧,以消除多片鋼板彈簧的缺陷。有些少片鋼板彈簧僅用一片鋼板彈簧,它與多片鋼板彈簧相比除了減少噪聲和不會(huì)摩擦外,還可以節(jié)省材料,減輕重量,便于布置,降低整車高度,具有良好的平順性。少片鋼板彈簧的鋼板截面變化大,從中間到兩端的截面是逐漸不同,因此軋制工藝比較復(fù)雜。為了減輕重量和軋制工藝難度,近年出現(xiàn)了一種纖維增強(qiáng)塑料(FRP)代替鋼板,可減小一半以上重量。這種纖維增強(qiáng)塑料是由玻璃纖維制成,用聚酯樹脂聚合在一起。據(jù)計(jì)算一般的單片鋼板彈簧每副重量約11~20kg,而纖維增強(qiáng)塑料彈簧每副重量約4kg左右,而且行駛平穩(wěn),噪聲很低。由于多片鋼板彈簧組成的汽車懸架系統(tǒng),一般要占汽車總質(zhì)量的5%~10%。為了節(jié)省能源與減少汽車燃油的消耗、促使懸架系統(tǒng)、特別是鋼板彈簧的設(shè)計(jì)必須滿足輕量化、以及提高乘座舒適性的要求,采用少片變截面彈簧能滿足這些要求。從近年來國外公路運(yùn)輸車輛的發(fā)展方向上看,越來越多的汽車采用了錐形少片變截面彈簧。錐形少片變截面彈簧的特點(diǎn)有:彈簧片應(yīng)力分布均勻,接近于等應(yīng)力梁;片數(shù)減少到1~4片,從而使U形螺栓夾緊部位的非工作區(qū)段的彈簧質(zhì)量大為減少;通過采用對(duì)彈簧片的特殊工藝處理,以提高其應(yīng)力、從而使變截面彈簧輕量化;同原設(shè)計(jì)多片簧重量相比,少片變截面彈簧減輕重量40%;少片變截面彈簧總成的彈簧片,在承載時(shí),除端部傳力處和中部U形螺栓夾緊部位有接觸外、無片間接觸現(xiàn)象,從而大大減少了片間摩擦,使彈簧剛度大為減小,而提高了乘座舒適性;由于彈簧片間接觸區(qū)大為減少,并且在彈簧中部加了聚甲醛軟墊,基本消除了由于片間摩擦而引起的磨損,能在葉片大部分長度的表面上建立耐久的防銹蝕涂層。并且加工中在少片簧上涂了防銹性能良好的油漆,從面提高了少片變截面彈簧的疲勞壽命;變截面彈簧總成中間等厚平直段(U形螺栓夾緊部位),同上下保護(hù)墊板之間和彈簧片之間均插入聚甲醛襯墊,消除了彈簧總成工作時(shí)在中間等厚平直段的直接擠壓摩擦,從而提高彈簧的疲勞壽命;減少了總成厚度、可降低汽車滿載高度。與傳統(tǒng)的多片鋼板彈簧相比較,質(zhì)量可減輕30%~40%,有的甚至達(dá)到50%;由于片與片之間保持一定的間隙,可減輕片間摩擦,減少接觸疲勞,使疲勞壽命有較大增加;改善客車行駛平順性與穩(wěn)定性。少片變截面鋼板彈簧可得到較大的撓度,在小振幅振動(dòng)時(shí)剛度略有增加,因而可改善客車行駛平順性與穩(wěn)定性,從而提高舒適性;運(yùn)動(dòng)噪音小。由于少片彈簧摩擦減輕,噪音隨之減小,符合乘車技術(shù)要求。少片變截面鋼板彈簧按簧片的形狀,可分為寬形和變寬形2種。少片變截面鋼板彈簧有單片的或由2~4片組成一副,單片的不安全,不能在客車上裝用;2~4片的由等長及沿長度方向各片變截面的簧片組成,片與片之間用0.25~1.2mm的金屬或塑料墊片隔開。少片變截面鋼板彈簧所采用的材質(zhì)與等截面的不同,有的用鉻錳釩彈簧鋼,硬度也比等截面板簧高得多。采用少片變截面鋼板彈簧的懸架系統(tǒng),其中減震器是與少片簧相匹配的,如減震器損壞,必須更換與原車同規(guī)格的減震器。少片變截面鋼板彈簧片數(shù)少,片間有墊片,片長范圍內(nèi)有間隙,其振動(dòng)阻尼力比傳統(tǒng)的多片鋼板彈簧低,因而需要增加減震器的阻尼力來加以補(bǔ)償。少片變截面鋼板彈簧的硬度比多片鋼板彈簧高,對(duì)簧片表面的要求也高,簧片表面有缺口,將形成應(yīng)力集中。因此,少片變截面鋼板彈簧的表面涂有一層含鋅粉的環(huán)氧漆,如使用過程中漆層脫落,應(yīng)予補(bǔ)涂。片與片之間的墊片如在使用中已磨損,應(yīng)予更新,不得取消;片與片之間不得錯(cuò)位,鋼板卡子應(yīng)安裝正確、齊全;更換少片變截面鋼板彈簧簧片時(shí),不得敲擊簧片表面。4鋼板彈簧非獨(dú)立懸架鋼板彈簧由若干長度不等、等寬等厚(厚度也可不等)的彈簧鋼片迭成,構(gòu)成整體上近似于等強(qiáng)度的彈性梁,最長的第一片稱為主片,兩端有卷耳。自由狀態(tài)下鋼片曲率半徑不同,下片小于上片;多片鋼板由中心螺栓和若干鋼板夾連在一起,鋼片之間須涂上較稠的石墨潤滑脂。鋼板彈簧變形時(shí),為保證車架兩端與鋼板彈簧連接的卷耳間的距離有伸縮的余地彈簧后端與車架的連接通常采用了以下幾種結(jié)構(gòu)型式:吊耳支架式,解放CAl091型載貨汽車前懸架采用;滑板支承式,東風(fēng)EQl090E型載貨汽車前懸架采用;橡膠塊支承式,一汽早期生產(chǎn)的2.5t越野汽車前懸架采用。鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):鋼板彈簧一般安裝在非獨(dú)立懸架上,沿汽車縱向放置;鋼板彈簧中部用U型螺栓通過上下蓋板和下托板與車橋固定連接,前端卷耳用銷子與支架相連;后端卷耳通過銷子與車架上的擺動(dòng)吊耳相連,形成活動(dòng)鉸鏈支點(diǎn),保證彈簧變形時(shí)兩端卷耳間的距離有改變的可能。有的鋼板彈簧后端與車架之間采用滑板式連接滑板式連接結(jié)構(gòu)簡單,拆裝方便,不須潤滑,廣泛應(yīng)用于貨車。貨車后懸架所受載荷因汽車裝載量不同在很大范圍內(nèi)變化,要求懸架剛度可變,一般采用加副彈簧。5鋼板彈簧的改進(jìn)鋼板彈簧在汽車行駛過程中,承受高頻往復(fù)壓縮運(yùn)動(dòng),起著緩沖和減振作用,其質(zhì)量的好壞,對(duì)車輛平穩(wěn)性、安全性起著至關(guān)重要的作用。正規(guī)專業(yè)廠生產(chǎn)的汽車鋼板彈簧表面平整光滑,規(guī)格尺寸規(guī)范,噴漆工藝水平高。尤其客車對(duì)鋼板彈簧性能的要求較高,以使車輛具有噪聲小、速度快、振動(dòng)小、舒適度高、彈性好、平穩(wěn)性好等特性;重型及超重型載貨車則需要高強(qiáng)度的鋼板彈簧,其發(fā)展趨勢(shì)總體上為輕量化(高應(yīng)力)、高可靠度,懸架彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力普遍要求大于1100MPa,高的可達(dá)1200MPa。鋼板彈簧控制了很多有關(guān)操控的因素,彈簧的改變(改裝)主要是要改善操控性,也就是要改用剛度較大的彈簧或是較短的彈簧,使很復(fù)雜的操控特性得以改變。例如,增加剛度,可提高懸架的滾動(dòng)抑制能力,減少過彎時(shí)車身的滾動(dòng),而車高的降低則可同時(shí)降低車身的重心減少過彎時(shí)車身質(zhì)量的轉(zhuǎn)移,提高穩(wěn)定性。維持舒適性和保持輪胎良好的貼地性是鋼板彈簧的2個(gè)主要功能要達(dá)成這2個(gè)相沖突的目標(biāo)需要有不同的彈力系數(shù)。保持輪胎的貼地性對(duì)操控有決定性的影響,因此需要?jiǎng)偠却蟮膹椈稍O(shè)定,來保持貼地性。在顛簸路面,則需要?jiǎng)偠容^小的彈簧設(shè)定。要同時(shí)達(dá)到這2個(gè)目的,需要使用具有復(fù)合彈力系數(shù)(非線性)的漸進(jìn)式彈簧。漸進(jìn)式彈簧能隨著彈簧的壓縮而增加彈力系數(shù)在設(shè)計(jì)和制造上都有相當(dāng)?shù)碾y度目前的漸進(jìn)式彈簧大多為采用不等螺距彈簧或圈徑變化彈簧。不等螺距彈簧受壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部線間接觸,以使有效圈數(shù)發(fā)生變化,進(jìn)而造成彈力系數(shù)變化。經(jīng)由彈簧上下圈徑的變化則是改變彈力系數(shù)最直接的方法。6汽車懸架鋼板彈簧結(jié)構(gòu)形式的改變東風(fēng)EQ1061T系列汽車的前后懸架系統(tǒng),采用了傳統(tǒng)的鋼板彈簧非獨(dú)立懸架,錐形少片變截面彈簧作為前懸架的選裝彈簧,后懸架采用具有副鋼板彈簧的二級(jí)剛度復(fù)式彈簧,前、后懸架均裝有雙向作用筒式減振器。該車型前、后懸架均采用了雙向作用筒式減振器。汽車行駛時(shí),減振器在拉伸和壓縮過程中產(chǎn)生阻尼力,從而鋼板彈簧的振動(dòng)迅速衰減,以改善汽車的行駛平順性。其上、下端均為吊環(huán)式結(jié)構(gòu),上端通過減振器上支架及橡膠襯套和車架相連,下端通過減振器下支架和前軸相連(后懸架減振器上支架由車架橫梁充當(dāng))。采用少片變截面彈簧,和傳統(tǒng)的多片彈簧相比,它具有以下特點(diǎn):彈簧片應(yīng)分布均勻,接近于等應(yīng)力梁,片數(shù)減少1~4片,減少了彈簧質(zhì)量,能節(jié)省能源和減少汽車燃油消耗;少片變截面簧大大減少了片間摩擦,使彈簧動(dòng)剛度大為減小,提高了乘座舒適性;由于彈簧片間及上、下保護(hù)墊板之間均插有金屬墊片,基本消除了片間摩擦引起的磨損,提高了彈簧的疲勞壽命,同時(shí)由于板簧上涂有防銹性良好的油漆,進(jìn)一步提高了使用壽命;鋼板簧總成厚度減少,降低了汽車滿載高度。EQ1141G型汽車的懸架系統(tǒng),采用吊耳式和半橢圓雙槽鋼板彈簧。懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要是由車架外部裝置組成;車架外部裝置是指后懸架副簧支架,吊耳支架,固定端支架,前懸架吊耳支架,減振器上支架和前懸架固定端支架等組成。前、后懸架系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)式的縱置、對(duì)稱半橢圓形鋼板彈簧的非獨(dú)立懸架。其中前簧和后副簧為錐形少片變截面彈簧;前懸架裝有雙向作用的筒式減振器,而后懸架為帶有副鋼板彈簧的兩極剛度復(fù)式懸架。EQ1141G型汽車的前懸架系統(tǒng)采用了雙向筒式液力減振器,汽車行駛時(shí)、減振器在拉伸和壓縮的過程中,液體分別通過復(fù)原閥和壓縮閥及其相應(yīng)的節(jié)流系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼力,從而使鋼板彈簧的振動(dòng)速度衰減,以改善汽車行駛的平順性。雙向筒式液力減振器的上端為直桿,下端為吊環(huán)式結(jié)構(gòu)。南京依維柯S系列汽車后懸架為鋼板彈簧非獨(dú)立懸架,由鋼板彈簧、減振器、吊耳、支架等主要零部件組成,車橋跳動(dòng)時(shí)鋼板彈簧發(fā)生撓曲變形產(chǎn)生彈性振動(dòng)。由減振器衰減振動(dòng)能量,鋼板彈簧主要起緩和沖擊作用,車輪上下跳動(dòng),鋼板彈簧壓直和回曲引起吊耳前后擺動(dòng),由于鋼板彈簧采用橡膠襯套,所以無需潤滑,使維護(hù)工作簡化,同時(shí)提高了彈簧銷的使用壽命。后懸架的鋼板彈簧由主、副鋼板彈簧串聯(lián)而成,這是一種可變剛度懸架。其主簧由厚度為9mm的4片(或3片)和副簧厚度為15mm的2片(或3片)組成逐漸變化剛度的鋼板彈簧組件?？蛰d時(shí)主