钢板弹簧课程设计第三组

1、贵州大学机械工程学院 贵州大学课程设计论文 课 程： 汽 车 设 计 题 目： 汽车钢板弹簧的设计 专 业： 车 辆 工 程 年 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2013年12月5日 目 录汽车设计课程设计题目2第1章 汽车钢板弹簧简介3第2章 钢板弹簧的设计方案52.1 汽车钢板弹簧的布置52.2 汽车钢板弹簧的结构选择52.2.1钢板弹簧的断面形状52.2.2弹簧片端部形状52.2.3卷耳、吊耳的结构方案62.2.4钢板弹簧的材料72.2.5等厚度钢板弹簧8第3章 汽车钢板弹簧设计计算83.1 初定片数、断面尺寸83.2 确定各弹簧片的弦长113.3 挠度计算123.4 钢板弹簧各片

2、应力的计算123.5 加预紧力123.6 钢板弹簧各片实际长度的计算（即计算弧长的各片曲率半径）133.7 钢板弹簧总成在自由状态下各片的曲率半径173.8 钢板弹簧各片在自由状态下的曲率半径计算193.9 钢板总成在极限工作下的强度计算193.9.1钢板弹簧强制动时强度校核193.9.2通过不平路面时强度校核203.10 卷耳和销的检验203.10.1钢板弹簧卷耳强度校核203.10.2钢板弹簧销的校核20总 结21参考文献22汽车设计课程设计题目设计题目：汽车钢板弹簧的设计 主要技术和性能参数（第三组）前轴轴负荷（N）空载 11358满载15458前轴非簧载质量（kg）360钢板弹簧作用距

3、离L（mm）1200两个”U”型螺栓中心距S（mm） 115静绕度fc（mm）（满载） 85动绕度fa(mm) 50钢板弹簧满载时弧高F 16钢板弹簧卷耳固定点至路面距离C 500第1章 汽车钢板弹簧简介钢板弹簧是汽车悬架系统中应用最广泛的一种弹性元件。它是由若干片等宽但不等长（厚度可以相等，也可不等），曲率半径不等的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹簧梁。钢板弹簧的第一片（最长的一片）称为主片，其两端弯成卷耳，内装青铜或塑料、橡胶、粉末冶金制成的村套，以便用弹簧销与固定在车架上的之家或吊耳作铰链连接。钢板弹簧主要由主片、副片、弹簧夹、螺栓、套管、螺母等组成。钢板弹簧的中部一般用U形螺栓固

4、定在车桥上。 图1.1 钢板弹簧结构汽车钢板弹簧除了起弹性元件作用之外，还兼起导向元件的作用，而多片弹簧片间的摩擦还起系统阻尼的作用。由于钢板弹簧结构简单，使用维修、保养方便，长期以来钢板弹簧在汽车上得到广泛应用。目前，汽车上常使用的钢板弹簧常见的有以下几种。普通多片钢板弹簧，如图1.2-a所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大型客车上，弹簧弹性特性如图1.3-a所不，呈线性特性。少片变截面钢板弹簧，如图1.2-b所不，为减少弹簧质量，弹簧厚度沿长度方向制成等厚，其弹性特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性图1.3-a。这种弹簧主要用于轻型货车及大、中型载货汽车前悬架。两级变刚度复式钢板弹簧，如图1

5、.2-c所示，这种弹簧主要用于大、中型载货汽车后悬架。弹性特性如图1.3-b所示，为两级变刚度特性，开始时仅主簧起作用，当载荷增加到某值时副簧与主簧共同起作用，弹性特性由两条直线组成。渐变刚度钢板弹簧，如图1.2-d所示，这种弹簧多用于轻型载货汽车与厢式客车后悬架。副簧放在主簧之下，副簧随汽车载荷变化逐渐起作用，弹簧特性呈非线性特性，如图1.3-c所示。 图1.2 图1.3第2章 钢板弹簧的设计方案2.1 汽车钢板弹簧的布置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，所以只有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

6、构简单，故在汽车上得到广泛应用。纵置钢板弹簧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端卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式钢板弹簧；若不相等，则称为不对称式钢板弹簧。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。本设计中采用对称式钢板弹簧布置方案。2.2 汽车钢板弹簧的结构选择2.2.1钢板弹簧的断面形状钢板弹簧的断面形状有矩形、T字形、梯形、单面有抛物线边缘和单面有双槽等断面形式。因为矩形断面钢板弹簧的中性轴，在钢板断面的对称位置上。工作

7、时，一面受拉应力、另一面受压应力作用，而且上、下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等。并且矩形断面钢板弹簧加工成型比较简单、造价较低，所以选择钢板弹簧的断面形式为矩形断面。2.2.2弹簧片端部形状 表2.1 钢板弹簧端部形状端部名称弹簧片端部形状矩形簧片三角形簧片倒角簧片压延簧片上表为弹簧片端部常用的形状，由于端部为矩形的钢板弹簧成型简单，造价较低，所以选择钢板弹簧的端部形状为矩形。2.2.3卷耳、吊耳的结构方案 主片两端弯成卷耳，内装青铜或塑料、橡胶、粉末冶金制成的村套，以便用弹簧销与固定在车架上的支架或吊耳作铰链连接。主片卷耳受力严重，是薄弱处。为改善主片卷耳的受力情况，常将第二片末端也弯

8、成卷耳，包在主片卷耳的外面称为包儿。 吊耳 卷耳 包耳图2.12.2.4钢板弹簧的材料汽车钢板弹簧的材料一般使用60Si2Mn、55SiMnVB等。为了提高疲劳强度，选用60Si2Mn材料即最常用的板簧材料为热轧弹簧扁钢。其弹性模量E= MPa。1） 弹簧满载静应力 前弹簧 后主弹簧后副弹簧平衡悬架弹簧 2） 弹簧比应力载货汽车前、后弹簧 载货汽车后悬架副弹簧 越野车平衡悬架弹簧3） 弹簧极限应力钢板弹簧在极限动行程时的应力值称之极限应力，极限应力许用值为：一般弹簧平衡悬架弹簧弹簧许用应力与汽车使用条件、悬架结构及弹簧制造工艺有关，因此选取弹簧许用应力时，应根据具体情况而定，一般说静挠度大的弹

9、簧，许用静应力可取上限，而比应力应取下限。2.2.5等厚度钢板弹簧钢板弹簧各片厚度可以相等也可以不相等。有时因主片工作条件恶劣，为了加强主片及卷耳，常将主片加厚，其余各片厚度稍薄。此时，要求一副钢板弹簧的厚度不宜超过三组。为使各片寿命接近有要求最厚片与最薄片厚度之比应小于1.5。为使钢板弹簧结构简单以及各簧片寿命相等，本设计选用厚度相等的弹簧片组成钢板弹簧。第3章 汽车钢板弹簧设计计算3.1 初定片数、断面尺寸1、初定主簧片数=2、总片数n=6（主片一般选取13片，总片数一般选取614片）。2、计算钢板弹簧平均厚度：转动惯量 弹性模量E=2.1x(N/) 系数0.3331）挠度增大系数1.23

10、62）刚度3）=（满载轴荷非簧载重量）/2 （N） 满载轴荷：15458N 非簧载：mg=360x9.8=3528N 5695N 满载静挠度取 85 mm 刚度 70.176 4）无效长度系数K=0.5(刚性夹持)5）钢板弹簧静应力 许用弯曲应力=（1.391.55）+(245315)=（1.391.55）85+(245315) （N/）所以的范围是423.42435.9（N/），一般选取大一些，使小；大，以满足制动时的要求；对于60Si2Mn或55SiMnVB等材料，表面经喷丸处理后，推荐在下列范围内选取：前弹簧和平衡悬架弹簧为350450MPa；后主簧为450550MPa；后副簧为2202

11、50 MPa。 钢板弹簧总截面系数： 由题可知，钢板弹簧作用距离 L=1200（mm） 由题可知，两个U型螺栓中心距 S=115（mm）6）带入以上数据可得：由以上数据可得平均厚度为：7）计算比应力： 8） 计算最大应力为： =678.9441动挠度： 满载静挠度为： 3、确定片宽b与片厚h： 1）适当加厚弹簧片厚为： 圆整弹簧片的厚度为：7（mm）2）片宽(矩形断面) （mm） 圆整弹簧片的宽度为：b=31（mm） 按型材标准GB12222-84选取弹簧片宽度b=50（mm）3）校核： b/h=6.5 （经验比值） b/h在允许范围内，故选取数值合适。4） 校核固有频率 （Hz ） J0=n

12、bh3/12=8575 C=J0*48E/(L-KS)3=46.576（N/mm） fc=Fw/C=128.069（mm） 可得：N=1.4138（Hz） 计算值大于许用值，所以前面所选数值可以使用。3.2 确定各弹簧片的弦长图3.1 作图法确定钢板弹簧长度1）两点直线方程：（x-x1）/（x1-x2）=（y-y1）/（y1-y2）即：x=ay+bx1=L/2=600 x2=S/2=55 a=（x1-x2）/（y1-y2）=-0.31788 b=x1-（x1-x2）*y1/（y1-y2）=709 2）各弹簧片的弦长L表3.1 各弹簧片长度值片序号长度mm取整mm圆整mm单边mm双边mm最短片L

13、1164164160160320L2273273275275550L3382382380380760L4491491490490980L56006006006001200L67097097107101420n=6， 8153.3 挠度计算1、钢板弹簧刚度的计算，见附表第1页。2、钢板弹簧总成刚度 C=6EIn/ln3/n =101.0178（N/mm）3)刚度差= 30.53058%4)钢板弹簧总成挠度59.049（mm）（）5)钢板弹簧的固有频率N= = 2.082158（Hz）。3.4 钢板弹簧各片应力的计算各片钢板弹簧的应力见附表第1页。3.5 加预紧力由于各片钢板弹簧在自由状态下曲率半

14、径不等，用中心螺栓将各片弹簧夹紧时，各片曲率半径将发生变化，并产生预加应力，钢板弹簧在未承受外加负荷时，这种应力就已经存在了，由于各片弹簧存在预应力，当弹簧承载时弹簧各片应力状态将重新发生变化。假设装配好的钢板弹簧各片彼此完全接触，而且每一片弹簧在自由状态或装配成总成后，沿整个长度曲率半径都相等。基于这种假设，各片弹簧在装配时，弹簧变形可看成是纯弯曲，弹簧各片端作用大小相等，方向相反的力矩。1、 主片（1、2片）弹簧加负的预紧力：在（-80-150）（N/mm）。2、其他各弹簧片加正的预紧力： 在2060（N/mm）范围之内，基本相等，且寿命相当。3、要求任一截面中预应力造成的弯矩和等于零，

15、即=0。图3.2 钢板弹簧叶片的变形表3.2 各片弹簧应力值-80-8030305050 各片的应力值均在允许范围内。3.6 钢板弹簧各片实际长度的计算（即计算弧长的各片曲率半径）图3.11）主片1 满载时弧高f=f+(i-1)h =28（mm） 弦长L=1630（mm） 计算弦长682.5(mm) 曲率半半径23295.31mm 夹角 0.0293(rad) 弧长L=2R=20.08996933.75=1365.19(mm) 实际弧长1420.195(mm) 2）主片2 满载时弧高 弦长1420mm 计算弦长 曲率半径 夹角 (rad) 弧长(mm) 实际弧长(mm) 3）片3 满载时弧高

16、弦长 计算弧长 曲率半径 夹角(rad) 弧长 实际弧长 4）片4 满载时弧高 弦长 计算弧长 曲率半径 夹角(rad) 弧长 实际弧长 5）片5 满载是弧高 弦长 计算弦长 曲率半径 夹角(rad) 弧长 实际弧长 6）片6 满载时弧高 弦长 计算弦长 曲率半径 夹角 (rad)弧长 实际弧长 7）片7 满载是弧高 弦长 计算弦长 曲率半径 夹角 （rad） 弧长 实际弧长9）主片1 卷耳内径 D=35（mm） 卷耳长度L = （D+h） =3.14 (35+10) =115.4685 （mm） 滑动处延伸度 L = 50（mm） 同理： L =1528（mm） L =1130（mm） L

17、=960(mm) L = 790(mm) L =620(mm) L =450(mm)3.7 钢板弹簧总成在自由状态下各片的曲率半径 1、未夹紧”U”型螺栓的m空载弧高F=f+f+ 动拢度f=50 预压缩产生的塑性变形 = (0.0550.075)(f+f)=0.055*(90+56)=7.425（mm） F=90+38+8.03=109.425（mm） 型螺栓夹紧时对弧高的影响H H= =15.54494（mm）2、求自由状态下的总弧高F F=F+H=136.03+15.54494=123.0781（mm）3、求主片的曲率半径R 由公式 F（R）=0 (计算到小数点后5位)。 1）设R=120

18、0 R=4300； 则F（R）= -0.008390 ；F(R)=-0.025560 2）令R=（R+R）/2=2750； 则F(R)=-0.0182503）R= (+ R)/2=1975； 则F(R)=-0.0141404）R=( R+ R)/2=2362.5； 则F（R）=-0.0163605）R=( +R)/2=2168.25； 则F(R)=-0.015306）R=( + R)/2=2071.58； 则F(R)=-0.014730 则装配后的曲率半径R01=(Rx8+Rx11)/2=2026.465（mm）4、基于各片的曲率半径R为R的同心圆 即R= R+（i-1）h(mm)R=2599

19、 R=2611R=1883 R=1889R=1807 R=20683.8 钢板弹簧各片在自由状态下的曲率半径计算1、求各片的曲率半径R公式：R=R/(1+2/Ehi)(mm) R=1899.2 R=1912.7 R=1578.7 R=1587.8 R=1579 R=1606.1 2、做弧高验算 分配后的总成的曲率半径为R 由最小势能原理可知 1/ R =（IL/R）/( IL) I : 第i片的惯性矩=bh/12 L: 第i片的的长度 R: 第i片自由状态下的曲率半径 各片厚度相等 则 1/R=( L/R)/ L =2173.393 弧高的比较 F与F= F+F+H进行比较 F-F=130.4

20、95-176.677=-11.1832（mm） ( F-F)/ F*100 =-33.546/151.5749 × 100%=-9.08%3、求各片在自由状态下的弧高F L=(L-KS/2)mm L=622.5 L=622.5 L=537.5 L=452.5 L=367.5 L=282.5由则有：F=104.92 F=104.13F=94.32 F=65.8414F=42.861 F=25.041 4.给出产品的出厂检验标准空载时(p=0) F=F=111.8949（mm）载荷 P=2000N时， 在载荷P下产生的动挠度 C=300.885 F=F-Fc1=92.0946 3.9 钢

21、板总成在极限工作下的强度计算3.9.1钢板弹簧强制动时强度校核前钢板弹簧设计还应校核强制动时的弹簧强度，以免在弹簧U形螺栓夹紧处产生纵扭塑变或卷耳损坏。这对重心较高、长度较短的前簧更有必要作强度校核。紧急制动时，前钢棒弹簧承受的载荷最大，在他们后半段出现最大应力 如不计空气阻力和滚动阻力，汽车制动时，。 满载时弹簧固定点道路面的距离C=500（mm） L1、L2弹簧前、后段长度：L1=L2=L/2=600（mm） :作用在前轴上的静载荷的一半（N）= ，取。：钢板弹簧总截面系数：考虑KS处断面。（L*b*h*h1）取140*45*10*6 （根据b；h；取）=2817.173.9.2通过不平路面时强度校核k=（fc+fd）/fc=1.008381=275.925900 1000（N/m） 3.10 卷耳和销的检验3.10.1钢板弹簧卷耳强度校核钢板弹簧卷耳传递制动力或驱动力时，主片卷耳根部受到弯曲和拉压组合作用。由弯曲应力和拉压应力合成的：(取大的安全系数)Fx：沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力。D：卷耳内径：35（mm） 3.10.2钢板弹簧销的校核 弹簧销的直径d按钢板弹簧受静载荷时的挤压应力验算 其中，d为销的直径为30（mm） b卷耳处叶