型客车多片弹簧悬架设计.doc

钢板弹簧悬架设计计算1 板簧设计计算过程初始设计参数如下：表1 整车主要参数参数名称数值参数名称数值最大总质量/ kg17500轴距/mm5000前轴质量/ kg6000前轴簧下质量/ kg500 后轴质量/ kg11500后轴簧下质量/ kg1000 kg前悬U型螺栓中心距/mm116前悬U型螺栓中心距/mm1841.1确定偏频悬架静扰度是指汽车满载静止时悬架上的载荷与此时悬架刚度之比，即。因现代汽车的质量分配系数近似等于1，故汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前、后部分车身的固有频率和可用下式表示 ； （1）式中，前悬架的刚度，后悬架的刚度，前悬架的簧载质量，后悬架的簧载质量，当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静扰度表示为 ； （2）式中，重力加速度，将、带入式（1）则有； （3）悬架的静扰度直接影响车身振动的偏频。因此，欲保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确选取悬架的静扰度。在选取前、后悬架的静扰度值时，应当使之接近，并希望后悬架的静扰度比前悬架的静扰度小些。表2给出了客车悬架的静扰度及偏频的取值范围。表2 客车悬架的静挠度和偏频车型c/mm/Hz推荐值701501.31.8根据表2及实际工况，前、后悬架偏频取1.4Hz和1.5Hz。1.2计算静挠度前悬架：(cm)后悬架：(cm)1.3计算动挠度悬架的动扰度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。要求悬架应有足够大的动扰度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。客车动扰度常取0.8，则有前悬架：(cm)后悬架：(cm)1.4确定簧载质量根据是否有悬架弹簧支撑，汽车总质量分为簧载质量和非簧载挂质量两部分。非簧载质量包括车轮，转向节，前、后轴（非独立悬架），半轴等。此外，还应包括车轮车桥与车身或者车架之间各连接件质量的一半，比如导向机构的摇臂、弹簧、减震器、横向推力杆、转向拉杆、传动轴等。为了获得良好的平顺性和操纵稳定性，非簧载质量尽量小。该车非簧载质量见表1.1.5估算钢板弹簧刚度（）211.2（）463.11.6钢板弹簧主要参数确定1.6.1钢板弹簧长度的确定钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命；降低弹簧刚度，改善汽车行驶平顺性；在垂直刚度c给定的条件下，又能显著增加钢板弹簧的纵向角刚度。钢板弹簧的纵向角刚度，系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形；选用长些的钢板弹簧，会在汽车上布置时产生困难。原则上，在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。本设计中：前悬架L=1600mm；后悬架取L=1650mm。1.6.2钢板弹簧断面尺寸及片数的确定1）钢板弹簧断面宽度b的确定有关钢板弹簧的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计算，但需引入扰度增大系数加以修正。因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总贯性矩。对于对称钢板弹簧 5.6.1 5.6.2式中， -U形螺栓中心距，考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（刚性夹紧：；挠性夹紧：）钢板弹簧垂直刚度扰度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数，再估计一个总片数，求得，然后用）材料的弹性模量第片的贯性矩，。当各片厚度相等时，则，。钢板弹簧总截面系数用下式计算 式中，许用弯曲应力。对于60Si2Mn，表面经喷丸处理后，推荐取值范围：前弹簧：350450MPa；后主簧：450550MPa 钢板弹簧的平均厚度根据，再选钢板弹簧的片宽。增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角；片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦和弹簧的总厚。推荐片宽与片厚的比值在610范围内选取。2）钢板弹簧片厚的选择 矩形断面等厚钢板弹簧的总贯性矩用下式计算式中，钢板弹簧片数3）钢板弹簧片数 片数少些有利于制造和装配，并可以降低片间的摩擦，改善汽车行驶平顺性。但片数少了将使钢板弹簧与等强度梁的差别较大，材料利用率变差。多片钢板弹簧一般片数在614之间选取。改变片数、片宽和片厚三者之一，都影响到总贯性矩和弹簧垂直刚度的变化，增加片宽和片厚，可减少片数。另外，钢板断面尺寸和应符合国产型材规格尺寸。4）求解将上述各值代入式5.6.2，变换后得考虑到和应为整数，故不可得到精确解。取试算如下，当值趋近于零的值为好。前钢板弹簧方案方案方案b=90mm,h=11mmb=90mm,h=10mmb=100mm,h=10mm10.75629.6491,8.28810.18042.46811.361,8.66610.55840.983,9.01280.9051-0.6363,8.96850.86080.6808,9.35461.2469-0.2945,9.70921.60150.0601,9.64761.5399-0.0015,10.04111.93340.392,10.40312.29540.35310.754后钢板弹簧方案方案方案b=100mm,h=14mmb=100mm,h=13mmb=110mm,h=13mm8.047210.02119.0784,8.96850.92131.05250.1099,9.35461.30740.66650.2762,9.70921.6620.31190.6308,9.64761.60040.37350.5692,10.04111.99390.02,10.40312.35590.382,10.32562.27840.3045,10.72592.67870.7048,11.09483.04761.0737前钢板弹簧：13；2；1.3475后钢板弹簧：13；3；1.29471.7计算钢板弹簧刚度前钢板弹簧189.0（）211.2（）后钢板弹簧：395.2（）469.4（） 1.8计算满载静扰度前悬架（）后悬架（）1.9 计算满载偏频前悬架（Hz）；后悬架（Hz）1.10计算比应力弹簧的单位变形应力成为比应力，它对钢板弹簧的疲劳寿命有显著影响。比应力可表达为前钢板弹簧3.87（MPa/mm）后钢板弹簧5.13（MPa/mm）设计值的选择范围：前、后簧为4.55.5MPa/mm，故满足要求。1.11计算满载静应力 前钢板弹簧493.8（MPa）后钢板弹簧562.2（MPa）正常范围为350MPa450MPa。静应力值稍微偏高。1.12计算极限应力前钢板弹簧（MPa）后钢板弹簧（MPa）（MPa）1.13许用负荷取前悬架后悬架1.14总成预压缩行程k的估算，MPa前悬架mm；修正为336mm后悬架mm；修正为254mm1.15各片长确定首先应确定每一叶片的片场及其在自由状态下的曲率半径，因为这些参数共同决定了板簧每一叶片中的应力状况。在选择各叶片长度时，应尽量使应力在片间和沿片长的分布合理，以达到各片寿命接近并节省材料、减小板簧质量的目的。确定各片长度的方法有作图法和计算法，这里选择作图法来确定各片板簧的长度。作图法是基于实际钢板弹簧叶片厚度的张开图接近梯形形状这一原则来作图的，其具体做法如下图1所示。先将各叶片厚度的立方值按同一比例尺沿纵坐标绘出，再延横坐标绘出主片长度之半（即L/2）和U型螺栓中心距之半（即S/2），得A、B两点。连接这两点就得到三角形的钢板弹簧展开图。AB线与各片上侧边的交点即决定了各片长度。当有与主片登场的重叠片时可将B点与最下一个重叠片的上侧端点相连。图1 板簧结构计算依据片序号前悬架后悬架计算值修正值计算值修正值116001600165016502160016101650166031480148016501670413601360152015205124012401390139061120112012601260710001000113011308880880100010009760760870870106406407407401152052061061012400400480480133203203503501.16预应力的选取；前悬架：参数：b=100mm10cm,h=10mm=1cm(考虑减少计算量，转化成厘米)1.62（）所以；1.62；3.24；19.441215.94选取主片：末片：11.32c取常数1300则有：各片预应力的计算及修正值见下表序号计算值修正值序号计算值修正值序号计算值修正值1130013006279.028011372.63702865.48657416.541512213.02103490.24908494.7495131001004174.41759513.45105828010472.7470后悬架：参数：b=100mm10cm,h=13mm=1.3cm(考虑减少计算量，转化成厘米)2.71（）所以；2.71；5.42；32.525692.12选取主片：末片：4.05c取常数1300则有：各片预应力的计算及修正值见下表序号计算值修正值序号计算值修正值序号计算值修正值1130013006278.028011369.03702865.48657415.241512208.72103490.34908492.9490131001004174.71759511.1510581.48010469.84701.17总成弧高和总成自由曲率半径钢板弹簧在自由状态下的总成弧高为：式中，满载弧高。考虑到使用期间钢板弹簧塑性变形的影响和为了在车架高度已限定时能够得到足够的动挠度值，通常取，本设计中取。满载静扰度钢板弹簧预压缩时产生的塑性变形，一般=813mm，或取图2 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高前悬架：后悬架：然后利用直角三角函数关系即可求出钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径R0，它也是装配弹簧总成后主片的曲率半径前悬架：后悬架：经过圆整后，取装配后的曲率半径为；2 板簧设计参数校核板簧（见图b）可近似地看做由等厚叶片组成的等应力梁，如图（a）所示。这种近似在大致估算时具有足够的精度，计入适当的修正系数后，则可用于初选板簧的长度L、叶片厚度h、叶片宽度b以及叶片数目n。如图（a）所示的弹簧钢板等应力梁，当在其两端（相当于板簧的卷耳中心处）作用有载荷P，在其中间作用有支撑载荷Q（Q=2P）时，由材料力学可知其挠度和所引起的最大应力分别为=Pl32EI=6Pl3EBh3=6Pl3Enbh3=3QL38Enbh3 (2-27)=Plh2I=6PlBh2=6Plnbh2=3Ql2nbh2 (2-28)I=I0=Bh312=nbh312 (2-29)相应的等应力梁弹簧的刚度为Cs=Q=8Enbh33L3 (2-30)由以上几可知式h=l2E=L24E (2-31)式中为许用静弯曲应力，对于一般弹簧钢，经表面喷丸处理后，对前板簧取=350450MPa；对后主簧取=450550MPa；对后副簧取=220250MPa。图2-10 多片钢板弹簧的简化模型亦即叶片的厚度与弹簧长度的平方成正比。为了保证卷耳有足够的强度，在选择L时应尽量长以使h加厚。另外由于板簧的纵向角刚度与长度的平方成正比，选择较大尺寸的弹簧长度还可增加纵向角刚度，有利于提高抗纵倾能力。在计算时上图中的结构在实际中无法实现，鉴于上述已选的结构可用等截面简支梁的计算公式引进一个修正系数加以修正，这时弹簧的挠度为=Ql348EI0=QL34Enbh3 （2-32）挠度系数主要与弹簧两端的结构有关。等应力钢板弹簧：=1.5；对实际钢板弹簧=1.251.42。可按式=1.5/1.04（1+0.5）选取，其中=n1/n0，n1为与主片等长的重叠片数，n0为总片数。选择n0=14，n1=4，所以=1.26。这种实际多片簧的刚度Cs和弯曲应力则相应为：Cs=Q=4Enbh3L3 （2-33）=QL4W0=3QL2nbh2 （2-34）因此可以得到钢板弹簧的总截面惯性矩I为I=I0=QL348E=CsL348E （2-35）亦可求得hh=L24E=12IQL （2-36）上述参数中根据材料标准选择叶片宽度b（希望6（b/h）10）、片厚h及片数n满足I和h的要求一般片数取614片；片厚可取不通的规格，一般一副簧中不超过3种，长片厚、短片薄，主片厚度不应小于6mm，以保证足够的卷耳强度。带入上各式可以求得h=14.3mm，I=3.04*10-8m4，b=106.1mm经圆整后取h=15mm，b=106mm，n=14，L=1.8m，此处的校核结果与前面选择没有发生冲突，所以选择方案正确。当钢板弹簧由一对U形螺栓夹紧安装到车桥或车轴上时，则两U形螺栓之间的板簧有一部分不起弹簧作用，成为非工作部分或无效长度，剩下起弹簧作用的长度则称为有效长度。无效长度由两U形螺栓中心距s和夹紧方式决定，后者又用无效长度系数k来表述。刚性夹紧取k=0.5，挠性夹紧取k=0。因此，考虑到钢板弹簧的安装夹紧，则根据以上各式，加紧并修正后的钢板弹簧所需的惯性矩和应满足的强度要求分别为：I=L-ks3Cs48E （2-37）=QL-ks4W0 （2-38）其中取k=0.5，根据可选桥尺寸选择s=200mm。即得W0=5.565验证=344Mpa=400MPa满足要求还应验算在最大行程时的最大应力max，可根据前面的式子并以有效长度L-ks及板簧的平均厚度hp=15代入，得max=6Ehp（c+d）L-ks2=866MPa9001000MP （2-39）满足要求各片的应力值和为和max和簧181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818=01max和簧181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818+02+03+04+05+06+07+08+09+10+11+12+13+14=11应力之和达到最好是和max和簧181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818181818=0，但是因为经过圆整后会有一定的误差，此误差在规定范围内，满足要求。因此最后的确定的尺寸参数为b=106，h=15，片数n=14，n1=4，主片数四个主片L=1800，其它各片长度分别为L5=1650mm，L6=1500mm，L7=1360mm，L8=1220mm，L9=1080mm，L10=940mm，L11=790mm，L12=640mm，L13=500mm，L14=350mm。及各片的弧高为H1=148.59 H2=156.3975 H3=163.499 H4=152.484 H5=141.503 H6=122.513 H7=108.502 H8=92.364 H9=73.318 H10=54.894 H11=38.672 H12=26.037 H13=15.667 H14=7.882曲率半径为R01=R0 R02=R01+h=2815 R03=R02+h=2830 R14=R13+h=2995悬架是现代汽车的重要总成, 它把车架(或车身) 与车轴(或车轮) 弹性地连接起来,不仅承受和传递路面作用于汽车的力和力矩并产生位移, 而且衰减路面对汽车的振动和冲击等, 从而保证汽车行驶平顺性，保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。6120型豪华客车悬架系统设计力求满足该车的行驶平顺性、行驶安全性及操纵稳定性等方面的要求。1悬架系统设计的基本原则及要求由于汽车悬架系统的结构参数及布置型式对汽车的各项使用性能有着举足轻重的影响, 因此, 对每一位从事汽车悬架系统设计的技术人员而言, 掌握和了解悬架系统的基本功能和要求是十分重要的。（1）尽可能降低悬架固有振动频率只有降低车身固有振动频率才能缓和路面不平度对汽车的振动和冲击, 使汽车能以尽可能高的平均速度行驶, 从而满足汽车在各种道路状态和载荷条件下都有良好的行驶平顺性。（2）提高横向稳定性提高横向稳定性, 即尽可能保证车身处于水平位置。这就要求悬架系统有适当的侧向角刚度, 使汽车转弯时车身侧倾角不致太大, 同时也要求悬架系统有适当的纵向角刚度, 使汽车制动和加速时车身的俯仰角不致过大。（3）提高操纵稳定性提高操纵稳定性就是要保证汽车具有良好的控制行驶方向的能力, 即汽车在高速下急转弯时转向特性不出现激转(从不足转向变为过多转向) ,减少车身纵倾，转弯时的侧倾角合适， 在直线行驶时不发生摆头和跑偏。（4）足够的强度和适当的刚度由于悬架系统承受和传递着路面作用于汽车的一切力和力矩, 所以足够的悬架强度和适当的刚度是必须保证的。此外还要有良好的隔声能力、结构要紧凑、占用空间尺寸要小。悬架系统的这些设计原则和要求中, 有的是互相矛盾的, 在设计时必须互相兼顾, 充分考虑, 并根据汽车的用途有所侧重。所以要正确的选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不大、车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振；汽车转向时，应使之稍有不足转向特性。2 钢板弹簧的布置方案钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，因此只在极少数汽车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。纵置钢板弹簧又有对称式和不对称式之分。钢板弹簧中部在车轴（桥）上的固定中心至钢板弹簧两卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式；若不相等，则称为不对称式。多数情况下，汽车采用对称式钢板弹簧。由于整车布置上的原因，或者钢板弹簧在汽车上的安装位置不动，又要改变轴距或者通过变化轴距达到改善轴荷分配的目的时，采用不对称式钢板弹簧。3 钢板弹簧的结构（1）叶片的截面形状最常用的板簧材料为热轧弹簧扁钢，其截面形状为上下表面平坦（允许稍向内凹）。两侧为圆边，圆边半径为厚度的0.650.85倍。由于板簧的疲劳破坏总是始于受拉伸的上表面，故下表面常采用如图(b)(c)(d)所示的抛物线侧边或单面单槽、单面双槽形状以使截面的中性轴向上移动，减小拉伸应力。通常认为许用压应力柯达与许用拉应力，其比值达1.271.30。经验表明，采用图示(b)(c)(d)截面的板簧与采用传统的截面板簧(a)相比可以节约10%14%的钢材，疲劳寿命约可提高30%。（a） 标准型；（b）抛物线侧边；（c）单面单槽；（d）单面双槽图2-3 叶片形状（2）叶片的端部结构叶片的端部可以按其形状和加工方法分为矩形、梯形（片端切角）、椭圆形（片端压延）和片端压延切断四种，分别如图（a），（b），（c），（d），所示。其中矩形为制造成本最低的一种（由于对片端不做任何加工），但同时也是效果最差的一种。与压延过的片端相比，在片端的接触区域内，传递的压力更大也更集中，导致片间摩擦和磨损加剧。同时，也是板簧的作用机理与“等应力”方式相去甚远，导致了板簧的质量增大。梯形（片端切角）比结构比矩形有所改善，制造成本略有增加。片端压延的椭圆形端部更接近于理想的“等应力”形状，并且在接触区内压力分布更均匀，片间摩擦磨损都有所减少，但需要专门的压延设备。压延后在切断的端部结构制造成本最高，效果也最好。（a） 矩形；（b）梯形；（c）片段压延；（d）片段压延切断图2-4 端部形状（3）钢板弹簧端部的支撑型式以板簧端部的支撑型式而言，可以大致分为卷耳和滑板（见图a）两大类。滑板型式多见于两级式主副弹簧的支撑和平衡悬架中板簧的支撑。卷耳根据其对板簧上平面的位置可以分为上卷耳、平卷耳和下卷耳三类，分别如图（b）（c）（d）所示。其中平卷耳的纵向力作用力可以直接传递给主片，减少了附加的对主片的卷曲力矩，下卷耳可用于对板簧的安装位置或角度有特殊情况要求的情况（比如使轴转向趋于不足转向），但采用下卷耳方式时无法像上卷耳那样可以在必要时使用第二片加强卷耳（如图（e），（f），加强结构多用于军用车辆或重型载货汽车，其目的是为了在主片断裂时起支撑作用，还可在悬架反弹时与主片共同负担非簧载部分的重力。为了方便采用非各向同性的橡胶支承型式以减缓悬架所受的水平冲击，有些卷耳做成图（g）所示的长圆形。图2-5 滑板及吊耳的结构形式（4）吊耳及钢板弹簧销结构大多数板簧的支撑方式为一端采用固定的卷耳，另一端采用摆动的吊耳。摆动吊耳的结构可以用C形、叉形以及分体式等，分别见图（a），（b），（c）。弹簧销的支撑、润滑则可用图（a），（b）所示的螺纹式，（c）所示的自润滑式，（d）所示的滑动轴承，（e）所示的橡胶支撑，或者如图（f）所示将板簧支撑在橡胶座内。螺纹式的好处在于可同时承受垂向及侧向载荷，板簧卷耳侧面不必加工，螺纹可起储存润滑剂和防尘的作用。螺纹表面渗碳以达到一定的硬度，一般其挤压应力为7MPa。自润滑式多用于轿车及轻型载货车，具有不必加润滑脂及噪声小的优点。重型载货汽车多使用滑动轴承式，一般采用铜合金或粉末冶金衬套，工作挤压应力约为3.57MPa，这种结构中，板簧卷耳两侧必须加工至规定宽度以便与支架或吊耳配合传递侧向力。在采用图（e）所示的橡胶支撑时，必须充分考虑其对悬架特性的影响。图（f）的结构用于重型汽车，应注意该种结构允许的纵向移动量有限，因而板簧必须足够长并且工作在平直位置附近。图2