汽车用螺旋弹簧设计

1、汽车用螺旋弹簧汽车用螺旋弹簧 设计和制造知识设计和制造知识 汽车常用弹簧汽车常用弹簧 1.1.圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧 悬架弹簧、气门弹簧等。悬架弹簧、气门弹簧等。 2.2.圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧 各种拉簧各种拉簧 3.3.圆柱螺旋扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧 离合器踏板扭簧，变速手柄扭簧等离合器踏板扭簧，变速手柄扭簧等 4.4.圆锥螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧 自由舰后悬架截锥螺旋弹簧等自由舰后悬架截锥螺旋弹簧等 5.5.扭杆弹簧扭杆弹簧 行李箱盖扭簧行李箱盖扭簧 最常用的圆柱螺旋压缩弹簧最常用的圆柱螺旋压缩弹簧 符号：符号： n 弹簧有效圈数弹簧有效圈数 D 弹簧中径弹簧中径 mm

2、d 弹簧钢丝直径弹簧钢丝直径 mm G 弹簧材料的切边模量弹簧材料的切边模量 (冷卷制）冷卷制） （热卷制）（热卷制） C 旋绕比旋绕比 K 应力修正系数应力修正系数 t 弹簧节距弹簧节距 mm F1 弹簧安装时的予加载荷弹簧安装时的予加载荷 N Ip 材料截面极惯性矩材料截面极惯性矩 ， 圆形截面为圆形截面为 a MPG 3 105 .71 d D C 4 4 32 mm d I p CC C K 615. 0 44 14 a MPG 3 105 .71 a MPG 3 1080 圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式 1.载荷载荷 F 与变形与变形 f 的简化计算式：的简化计

3、算式： mm 2.载荷与应力的计算式：载荷与应力的计算式： Gd nFC Gd nFD GI nFD f p 3 4 33 88 4 )/( 88 2 23 mmN d FC K d FD K 3.3.弹簧刚度弹簧刚度k N/mmk N/mm 4.4.工作圈数工作圈数n n nC GD nD Gd k 43 4 88 kC GD dC Gf K FD fGd n 423 4 88 5. 旋绕比旋绕比 C=D/d 可采用下表的推荐值：可采用下表的推荐值： 表表1 d(mm)0.2-0.40.5-11.1-2.22.5-67-1618-50 C=D/d7-145-125-104-94-84-6 弹

4、簧节距弹簧节距t与自由高度与自由高度H0 H0和和t可参照下表可参照下表2： 总圈数总圈数n1节距节距t端部形式端部形式 n+1.5 两端圈磨平两端圈磨平n+2 n+2.5 n+2 两端圈不磨两端圈不磨 n+2.5 n dH 0 n dH5 . 1 0 n dH2 0 n dH3 0 n dH5 . 3 0 压缩弹簧自由高度压缩弹簧自由高度H H0 0 可参照表可参照表3计算：计算： 总圈数总圈数n1 自有高度自有高度H0端部形式端部形式 n+1.5 nt+d 两端圈磨平两端圈磨平 n+2 nt+1.5d n+2.5 nt+2d n+2 nt+3d 两端圈不磨两端圈不磨 n+2.5 nt+3.

5、5d 压缩弹簧的典型图样压缩弹簧的典型图样 以下两种表达方式皆可：以下两种表达方式皆可： 弹簧技术要求含：弹簧技术要求含： 1. 总圈数总圈数 2. 工作圈数工作圈数 3. 绕制方向绕制方向 4. 表面处理表面处理 5. 制造技术条件制造技术条件 6. 设计计算参数设计计算参数 螺旋弹簧（压缩、拉伸）的许用应力螺旋弹簧（压缩、拉伸）的许用应力 许用应力按所受载荷类型可分三类：许用应力按所受载荷类型可分三类： 1.类载荷：交变载荷次数在 以上 的弹簧 。 2.类载荷：交变载荷次数在 次 范围内的载荷，以及冲击载荷等弹簧 。 3.类载荷：受静载荷以及交变载荷次数在 次以下的载荷等。 3 101 6

6、3 101101 6 101 冷拔材料的许用剪切应力冷拔材料的许用剪切应力（MPa） 注：不适用于直径小于注：不适用于直径小于 表表4 1mm的钢丝的钢丝 钢丝类型 油淬火回火 钢丝 碳素钢丝或 琴钢丝 不锈钢丝 许用剪许用剪 应力应力 类0.55 b0.50b0.40b 类 （0.40 0.47） b （0.38 0.45） b （0.30 0.35） b 类 （0.35 0.40） b （0.30 0.38） b （0.25 0.30） b 具体冷拔材料的许用剪切应力具体冷拔材料的许用剪切应力（MPa）注：不适用于直径小于注：不适用于直径小于 表表5 1mm的钢丝的钢丝 材料 65Mn 5

7、5Si2Mn; 55Si2MnB; 60Si2Mn;60Si2MnA; 50CrVA 不锈钢丝 许用剪许用剪 应力应力 类 570740 710 类 455590 570 类 340 445430 选取许用应力的原则选取许用应力的原则 1.对于行驶安全有重大影响的弹簧，许用剪切应力对于行驶安全有重大影响的弹簧，许用剪切应力 应适当降低。应适当降低。 2.当弹簧的实际剪切应力大于许用应力而又无法通当弹簧的实际剪切应力大于许用应力而又无法通 过调整弹簧设计参数来降低时，则可考虑采用强过调整弹簧设计参数来降低时，则可考虑采用强 压处理或喷丸处理等工艺措施来实现。压处理或喷丸处理等工艺措施来实现。 弹

8、簧强压处理和喷完处理弹簧强压处理和喷完处理 1.强压处理：强压处理： 压缩型（拉伸型）螺旋弹簧表面承受剪切应力压缩型（拉伸型）螺旋弹簧表面承受剪切应力, 越往中心去剪切应力越小，心部为零。如果弹越往中心去剪切应力越小，心部为零。如果弹 簧中的剩余应力与工作应力方向相反时，则可簧中的剩余应力与工作应力方向相反时，则可 提高弹簧的承载能力和疲劳寿命。提高弹簧的承载能力和疲劳寿命。 强压处理是将弹簧压至材料层的应力超过屈服强压处理是将弹簧压至材料层的应力超过屈服 点，使表面产生负剩余应力。点，使表面产生负剩余应力。 但是，经强压处理后弹簧的自由高度会缩短，但是，经强压处理后弹簧的自由高度会缩短， 制

9、造中应予以考量。制造中应予以考量。 “强压处理强压处理”与与“立定处理立定处理”的区别在于前者将弹的区别在于前者将弹 簧压缩到材料的屈服极限，而后者仅压缩到工作簧压缩到材料的屈服极限，而后者仅压缩到工作 极限高度或并圈高度数次。极限高度或并圈高度数次。 如果强化处理得当，在同样的工作条件下，弹簧如果强化处理得当，在同样的工作条件下，弹簧 的疲劳寿命可以提高的疲劳寿命可以提高5-35%左右。强化处理仅适左右。强化处理仅适 用于重要弹簧，譬如气门弹簧、悬架弹簧等，对用于重要弹簧，譬如气门弹簧、悬架弹簧等，对 于一般弹簧则大可不必进行。于一般弹簧则大可不必进行。 2.2.弹簧的喷丸处理：弹簧的喷丸处

10、理： 不要将普通另件的喷砂处理误认为喷外处不要将普通另件的喷砂处理误认为喷外处 理。前者是清理工艺而后者是强化处理工理。前者是清理工艺而后者是强化处理工 艺，它是提高弹簧疲劳寿命的最有效方法艺，它是提高弹簧疲劳寿命的最有效方法 之一。之一。 喷丸处理是将细钢丝切成微段（譬如喷丸处理是将细钢丝切成微段（譬如 0.5-1mm0.5-1mm的等长颗粒）以高速（例如的等长颗粒）以高速（例如1212米米 / /秒秒) ) 击打弹簧的表面层，使其发生塑性变击打弹簧的表面层，使其发生塑性变 形，从而形成一定厚度的表面强化层。形，从而形成一定厚度的表面强化层。 强化层内形成了较高的剩余压应力，由此强化层内形成

11、了较高的剩余压应力，由此 可以抵消一部分弹簧受交变载荷后所产生可以抵消一部分弹簧受交变载荷后所产生 的部分最大拉应力，从而提高了弹簧的疲的部分最大拉应力，从而提高了弹簧的疲 劳强度。劳强度。 除此之外，喷丸处理还可消除弹簧表面的除此之外，喷丸处理还可消除弹簧表面的 疵点、脱碳（严重降低弹簧的疲劳强度）疵点、脱碳（严重降低弹簧的疲劳强度） 和微小缺陷，从而消除或减少了疲劳源。和微小缺陷，从而消除或减少了疲劳源。 应当指出，喷丸后的弹簧长度会变短，制应当指出，喷丸后的弹簧长度会变短，制 定工艺时应予以考虑。喷丸处理和强化处定工艺时应予以考虑。喷丸处理和强化处 理可同时在重要弹簧上采用，譬如悬架弹理

12、可同时在重要弹簧上采用，譬如悬架弹 簧。簧。 弹簧的表面处理弹簧的表面处理 1.1.弹簧的金属保护层：弹簧的金属保护层： 镀锌处理：锌在干燥空气中较安定，不变化。在镀锌处理：锌在干燥空气中较安定，不变化。在 潮湿空气中会产生一层氧化锌白色薄膜，它可阻潮湿空气中会产生一层氧化锌白色薄膜，它可阻 止弹簧继续遭受腐蚀，可用于弹簧在一般大气条止弹簧继续遭受腐蚀，可用于弹簧在一般大气条 件下防腐。凡是与硫酸、盐酸和苛性钠相接触的件下防腐。凡是与硫酸、盐酸和苛性钠相接触的 弹簧则不宜用镀锌处理。弹簧则不宜用镀锌处理。 镀锌后的弹簧还可经钝化处理，藉以进一步提高镀锌后的弹簧还可经钝化处理，藉以进一步提高 保

13、护性能和增加美观。保护性能和增加美观。 镀锌层厚一般在镀锌层厚一般在6-246-24微米范围内选取。微米范围内选取。 2. 弹簧的化学保护层弹簧的化学保护层 2-1.2-1.氧化处理：亦称发黑处理。表面产生一层磁氧化处理：亦称发黑处理。表面产生一层磁 性氧化铁膜，厚度约为性氧化铁膜，厚度约为0.6-20.6-2微米。该氧化膜薄且微米。该氧化膜薄且 有气孔，其防护能力较差，仅适用于腐蚀性不强有气孔，其防护能力较差，仅适用于腐蚀性不强 的介质中的弹簧。氧化处理成本低，生产率高，的介质中的弹簧。氧化处理成本低，生产率高， 广泛地利用于普通弹簧上。广泛地利用于普通弹簧上。 2-3.2-3.磷化处理：将

14、弹簧置入含有锰、铁、磷的磷磷化处理：将弹簧置入含有锰、铁、磷的磷 酸盐中，使弹簧表面产生一层不溶于水的磷酸盐酸盐中，使弹簧表面产生一层不溶于水的磷酸盐 薄膜的方法叫做磷化。膜厚约薄膜的方法叫做磷化。膜厚约5-205-20微米，其抗腐微米，其抗腐 蚀能力是氧化处理的蚀能力是氧化处理的2-102-10倍。与镀锌处理一样，倍。与镀锌处理一样， 在弹簧酸洗后磷化过程中，会产生大量的氢气使在弹簧酸洗后磷化过程中，会产生大量的氢气使 弹簧产生氢脆，因此需要去氢处理。弹簧产生氢脆，因此需要去氢处理。 弹簧的热处理弹簧的热处理 热处理工艺取决于材料的品种和加工状态热处理工艺取决于材料的品种和加工状态。 1.第

15、一种类型：经过强化处理的钢丝，如碳素弹簧 钢丝琴钢丝、油淬回火弹簧钢丝和钢带，它们以 冷成形工艺制作成弹簧，成形后只需进行去应力 退火处理。 2.第二种类型：凡是用热成型和已退火材料冷卷的 弹簧，均需进行淬火回火处理。弹簧硬度：65Mn HRc46-48; HRc52-54.60Si2MnA HRc46-48 HRc52- 54; 50CrVA HRc46-48 HRc52-54 圆柱螺旋扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧 扭簧的结构型式：扭簧的结构型式： 扭簧设计参数扭簧设计参数 1.扭簧钢丝直径扭簧钢丝直径 d mm 2.扭簧圈中径扭簧圈中径D mm D1 内径内径 mm D2 外径外径 mm 3.

16、旋绕比旋绕比 C=D/d 可按表可按表1 4.扭簧的试验扭矩扭簧的试验扭矩T Nm 弯曲应力弯曲应力 N/m 2 21 DD D s d T 32 3 s 5. 扭转角扭转角（rad) E 弹簧材料的弹性模量（弹簧材料的弹性模量（MPa) I 弹簧材料截面惯性矩弹簧材料截面惯性矩 6.弹簧圈内侧的的最大应力弹簧圈内侧的的最大应力 )( 180 )( EI TDn rad EI TDn 4 mm 44 14 1 2 .10 1 11 3 1 C C K KK d T K Z T m 当逆旋向扭转时 时曲度系数，当顺旋向转 Zm 弹簧材料的抗弯截面系数弹簧材料的抗弯截面系数 圆形截面圆形截面 32

17、 4 d Zm 64 3 d I 4 mm4mm 3 mm 7. 7. 扭簧刚度扭簧刚度 KK N-mm/( N-mm/() 8. 工作圈数工作圈数 n Dn EIT k 180 TD EI n 180 截锥螺旋弹簧截锥螺旋弹簧 圆锥螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧 截锥螺旋弹簧的刚度特性是非线性的，圆截锥螺旋弹簧的刚度特性是非线性的，圆 锥角锥角越大，弹簧刚度变化越大，自振频率越大，弹簧刚度变化越大，自振频率 的变化越高，对于消除或缓和共振越有利。的变化越高，对于消除或缓和共振越有利。 所以自由舰后悬架弹簧就采用锥形弹簧。所以自由舰后悬架弹簧就采用锥形弹簧。 然而锥角然而锥角越大，材料利用率越低，大到一

18、越大，材料利用率越低，大到一 定程度时，弹簧可能发生自锁而不能回弹。定程度时，弹簧可能发生自锁而不能回弹。 截锥螺旋弹簧的计算截锥螺旋弹簧的计算 1.1.弹簧有效工作圈数弹簧有效工作圈数n mmR mmR mmNk MPaG RR RR k Gd n 最大工作圈的中半径 最小工作圈的中半径 度弹簧在工作载荷下的刚 材料切变模量 式中： 2 1 4 1 4 2 12 4 / 78700 )( 16 2.2.弹簧压并圈时的节距弹簧压并圈时的节距 t mmt mm 3. 3.弹簧螺旋角弹簧螺旋角度度 mmd nd RR dt 材料直径 2 12 )(1 NF FF R t Gd FR z z 为弹簧

19、最大工作载荷 载荷弹簧开始有弹簧圈接的85. 0 2 32 2 4 2 2 4.4.弹簧有效工作圈的自由高度弹簧有效工作圈的自由高度 H Ho mmo mm H Ho o =n(R2 +R1) 5. 任意弹簧圈任意弹簧圈 i 的半径的半径Ri 6. 从大端工作圈到弹簧圈从大端工作圈到弹簧圈i的钱高度的钱高度 Hi 7. 弹簧在变形弹簧在变形Hi时的载荷计时的载荷计Fi (N) n i RRRRi)( 122 n i RRRiaHi 2 )(2 122 ii i R k R Gd F 232 2 4 8.8. 弹簧在弹簧在Hi时的变形时的变形 fi 9.弹簧剪切应力弹簧剪切应力计算计算 )()(

20、)( 16 2 22 2 4 1 4 4 12 iii i i RRkRRRR Gd F RR n f i i F d R K 3 16 扭杆弹簧扭杆弹簧 扭杆在汽车构造上应用较广泛，例如扭杆在汽车构造上应用较广泛，例如:扭杆式悬扭杆式悬 架、行李箱盖扭簧、动力转向转阀扭杆等。架、行李箱盖扭簧、动力转向转阀扭杆等。 1.1.扭矩扭矩T T （NmNm） 2.2.角刚度角刚度k k（Nm/rad)Nm/rad) cosFRT ) ) rad rad TT k 扭角（ 初始角（ 2 2 1 2 2 22 1 cos tan)(1 cos cos 1 tan1 cos )( cos C C R k C R k df