汽车钢板弹簧悬架设计

1、汽车钢板弹簧悬架设计(1)、钢板弹簧种类汽车钢板弹簧除了起弹性元件作用之外,还兼起导向作用,而多片弹簧片间磨擦 还起系统阻尼作用.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.目前汽车使用的钢板弹簧常见的有以下几种.通多片钢板弹簧,如图1-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2-a所不,呈线性特性.图1图2少片变截面钢板弹簧,如图1-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2-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-c所示,这

2、种弹簧主要用于大、中型载货汽 车后悬架.弹性特性如图2-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-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2-c所示.多片钢板弹簧钢板弹簧计算实质上是在弹簧负荷情况下,根据汽车对悬架性能频率要 求,确定弹簧刚度,求出弹簧长度、片宽、片厚、片数.并要求弹簧尺寸规格满足弹 簧的强度要求.3.1钢板弹簧设计的参数1弹簧负荷通常新车设计时,根据整车布置给定的空、满载轴载质量减去估算的非簧

3、载质量, 得到在每副弹簧上的承载质量.一般将前、后轴,车轮,制动鼓及转向节、传动轴、 转向纵拉杆等总成视为非簧载质量.如果钢板弹簧布置在车桥上方,弹簧3/4的质量 为非簧载质量,下置弹簧,1/4弹簧质量为非簧载质量.2弹簧伸直长度根据不同车型要求,由总布置给出弹簧伸直长度的限制尺寸.在布置可能的情况 下,尽量增加弹簧长度,这主要是考虑以下几个方面原因.由于弹簧刚度与弹簧长度的三次方成反比,因此从改善汽车平顺性角度看,希 望弹簧长度长些好.在弹簧刚度相同情况下,长的弹簧在车轮上下跳动时,弹簧两卷耳孔距离变化 相对较小,对前悬架来说,主销后倾角变化小,有利于汽车行驶稳定性.增加弹簧长度可以降低弹簧

4、工作应力和应力幅,从而提升弹簧使用寿命.增加弹簧长度可以选用簧片厚的弹簧,从而减少弹簧片数,并且簧片厚的弹簧 对提升主片卷耳强度有利.3悬架静挠度汽车簧载质量与其质量组成的振动系统固有频率是评价汽车行驶平顺性的重要参 数.悬架设计时根据汽车平顺性要求,应给出汽车空、满载时前、后悬架频率范围. 如果知道频率,就可以求出悬架静挠度值旌.选取悬架静挠度值时,希望后悬架静挠 度值6 c2小于前悬架静挠度值以1 ,并且两值最好接近,一般推荐:(3.1)、C2 =(0.7 0.9)、.C1为预防汽车在不平路面行驶时经常撞击缓冲块,悬架设计时必须给出足够的动挠 度值端.悬架动挠度值与汽车使用情况和静挠度值6

5、c有关,一般推荐：6d =0 品3.2城市公用车辆a =22.5 ,公路用车辆a =2.53.5,越野车辆口3.5.4弹簧满载弧高由于车身高度、悬架动行程及钢板弹簧导向特性等都与汽车满载弧高有关,因此 弹簧满载弧高值瓦应根据整车和悬架性能要求给出适当值,一般取6.= 1030mm. 有的车辆为得到良好的操纵稳定性,满载弧高取负值.3.2钢板弹簧刚度和应力关于钢板弹簧刚度和应力计算,基于不同的假设计算方法而异.在弹簧计算中有 两种典型的而又截然相反的假设,即共同曲率法和集中载荷法.实际钢板弹簧往往不 完全符合这两种假设中的任一种,因此有些学者提出折衷方法,同时兼用上述的两种 假设,这种计算分析方

6、法有一定的实用性.这里仅对多年来一直采用的上述两种假设 计算方法进行讨论.3.1.1 共同曲率法共同曲率法是假设钢板弹簧在任何负荷下,弹簧各片彼此沿整个长度无间隙接触, 在同一截面上各簧片具有共同的曲率半径.如果将多片弹簧各片展开,将展成一个平 面,组成一个新的单片弹簧图3.1、图3.2.这个变宽度的单片弹簧力学特性和用 共同曲率法假定的多片钢板弹簧是一样的,这样就可以用单片弹簧计算方法来计算多 片钢板弹簧.单片弹簧计算按其几何形状不同可以有两种计算方法.一种是梯形单片弹簧图 3.1,另一种是按多片弹簧各片长度展开成的阶梯形单片弹簧图3.5.3.2.1.1梯形单片弹簧计算梯形单片弹簧变形和应力

7、,可以利用材料力学求小挠度梁方法计算.图3.1图3.1所示的梯形单片弹簧可以看成是一个由几个相同的片宽b和厚度h的簧 片组成,如果弹簧伸直长度为21 ,弹簧中部作用的负荷为2p,计算弹簧变形时, 可以近似的认为用整个长度21计算出的值与长度是l端部作用负荷是p的板簧变形 是相同的,这样,整个的梯形单片弹簧的计算可以用一端固定,另一端受力的梯形悬 臂梁来代替.卜面用单位载荷法莫尔定理计算板簧在负荷作用点的变形6 :i MpM j、=-0dxEI x式中： Mp：距端点x处的力矩,Mp=P,xMi：单位力距端点x处的力矩,Mi =xIx：梯形单片弹簧距端点x处的惯性矩(3.4)1T二皿彳bx：梯形

8、单片弹簧距端点x处的宽度I.：梯形单片弹簧在根部的惯性矩|.=迪12P :钢板弹簧形状系数' 二1 一里nb :梯形单片弹簧各片宽度h：梯形单片弹簧各片厚度1:梯形单片弹簧主片伸直长度之半,l = L/2n :总片数n':等长的主片数E:材料拉伸弹性模数,取E = 2.1 m 104 kgf / mm23.3式积分后,经整理:P13(3.5)、二 _Pk3EIo(3.6)式中：ki :挠度增大系数.梯形单片簧的变形可以看成厚度是h ,宽度是nb的矩形板簧变形乘以挠度增大系 数发.需要说明一点的是,上面计算公式只适用于等厚多片弹簧,对于各片厚度或惯性 矩不等的多片弹簧,应按等效惯

9、性矩方法来确定各片的展开宽度,再按上式计算.图3.2是钢板弹簧形状系数P与挠度增大系数k1关系曲线.如果钢板弹簧形状系数P =1时,由3.6式,挠度增大系数 =1.5,此时弹簧变形由3.5式得:mm(3.7)Pl3o =2EIo该式为三角形等截面梁在力P作用下的变形表达式图3.3.图3.3三角形钢板弹簧当P=0时,挠度增大系数kl值为:首先把3.6式中ln1F一项展开成B的幕级数,求P=0时的极限3 311 .一 ：2I.31叩0=丁1(一1)2(：万 丁二1当P=0时,k1=1,由3.5式,弹簧变形P13O =3EI.mm(3.8)该式是矩形板簧在力P作用下的变形表达式图3.4.图3.4矩形

10、钢板弹簧梯形单片板簧的形状系数0V P<1为计算方便,有的文献推荐用下式计算挠度增大系数.1.4423(1n'2n表3.1是用3.6式和3.9式计算出的板簧挠度增大系数k1,k2(3.9)表3.1n'/ n1/31/41/51/61/71/81/91/101/111/121/131/14k11.2361.2831.3421.3381.3561.3701.3821.3911.3991.4061.4121.417k21.2361.2821.3111.3311.3461.3571.3661.3731.3801.3851.3891.393n'/ n2/32/42/52/6

11、2/72/82/92/102/112/122/132/14k11.0971.1591.2031.2361.2621.2831.3001.3151.3271.3381.3481.356k21.0811.1541.2021.2361.2621.2821.2981.3111.3221.3311.3391.3462)梯形单片弹簧刚度 弹黄刚度K:2P 48EI0- 48EI0K = = -3 或 K=-3kgf / mm (3.10):L3k2L3ki由于弹簧变形B和负荷P之间是线性关系(图5.1直线1),故弹簧刚度是一常数.3)钢板弹簧应力梯形单片弹簧在根部(或中央螺栓处)应力仃：；二二QLkgf

12、/ mm2(3.11)4Wo弹簧比应力(单位变形应力):-：仃 = 12? 0 或 仃 =12? 0 kgf / mm2 / mm(3.12)、k1 L W0k2 L2W0式中： W0:梯形单片弹簧在根部的断面系数bh23W0 = nmm6按(3.11), (3.12)式,计算出应力和比应力是平均应力和平均比应力,它不能 反映各片确实实受力情况.对于片厚不等的弹簧,用下面方法计算各片弹簧应力.根据共同曲率假设,任意负荷时同一截面上各片曲率半径相等条件,弹簧各片所 承受的弯矩应正比于其惯性矩.由力矩平衡可求出作用在各片弹簧上的力矩.M K =QL1Kkgf mm(3.13)410式中 M K 一

13、作用在第K簧片上的力矩,kgf mmIk第K片弹簧惯性矩,mm4Io一弹簧各片惯性矩之和,mm4 3 nn 3bhK1 0 -1 K -nK1 K 4 12hK第K片弹簧片厚,mm第K片弹簧在根部的应力ctk和比应力.k为:kgf / mm2_ Mk QLI k, , , ,F - Wk _4IoWk- K2 .0K =kgf /mm /mm、.式中 Wk一第K片弹簧断面系数,mm3 3.2,1,2阶梯形单片弹簧1阶梯形单片弹簧变形阶梯形单片弹簧变形计算和梯形单片弹簧一样,不同之处是这种弹簧的断面惯性 矩沿长度变化不能用一个连续函数表示,因此为了求得梁的变形,只能采用分段积分 求出.用单位载荷

14、法求负荷P作用点处弹簧变形6 图3.6.图3.6ii Px2dx0 EIx22-liL Px2Y1li3Px2Y21dx2 dx0e1i, E_ 2ii Px Ynndxii -LnE上式经整理后得:nP =L a3K+YK Yk书 3E Kdmm式中:aK 1 = l1 - lK 1li：阶梯形单片弹簧主片长度之半,li=L/2;l k书：阶梯形单片弹簧第K +1片长度之半；I x:阶梯形单片弹簧距端点x处的惯性矩；Yk :第I片至第K片弹簧惯性矩之和的倒数iKi=1i /mm4h：阶梯形单片弹簧第i片惯性矩3bh ii24 mmhi：阶梯形单片弹簧第i片厚度,mmb:阶梯形单片弹簧各片宽度

15、,mmYk + ：第I片至第K +i片弹簧惯性矩之和的倒数1YK 1 ="K1-“ Ii i 41/ mm4用上式计算时,由于la =0总片数n,故an书=ll,而Yn+=0.2阶梯形单片弹簧刚度弹簧刚度K:2PK =66Ena aK 中Yk - ykDK 1kgf / mm式中:u一弹簧刚度修正系数,取亡= 0.90.95.利用3.17式计算出的弹簧刚度值,要比实际测得的刚度要大,这主要是由于 计算中认为弹簧片端部承受了弯矩,这一假设与实际情况不符.由于实际弹簧的侧边 轧制成圆角,弹簧断面惯性矩比理论值小,因此用3.17式计算弹簧刚度时,引用 了一个刚度修正系数一般弹簧片数多时取值

16、下限,片数少时取上限.3阶梯形单片弹簧应力阶梯形单片弹簧应力与比应力计算可按3.11, 3.12或3.14, 3.15式 计算.3.2.2集中载荷法与共同曲率法假设相反,集中载荷法是假设各弹簧片在片端接触,因此弹簧片问 力的传递仅在弹簧片端进行,这对于弹簧片之间有镶块或衬片的钢板弹簧是比拟适宜 的.图3.7是按这一假设建立的钢板弹簧示意图,弹簧片一端固定,另一片通过滚 柱与上一片弹簧接触.1弹簧片端负荷假设主片卷耳处负荷为P,其它各片在端点处产生的力为Xk ,根据两相邻簧片 在接触点处变形相等原理,可求出作用在各片端部负荷.在推导弹簧各片片端负荷之前,将有关的梁变形根本公式列入表3.2中.现在

17、讨论第K片弹簧端点S的变形.由于第1k片在S点变形等于第1k片弹簧在端点处变形,如果弹簧各片端部压延表3.2,那么可以得到下面等式:EIkl(-HKl3XKlK Xk1k (l K - lK 1 ) Xk 11K H XK 11 K 1(lK - lK 1)3EIk3EIk3EIk2EIk计算第K片弹簧端点S的变形时,仅是第K片弹簧的压延或倒角与变形有关.表3.2中的弹簧片端部形状系数的计算,是假设端部压延长度或端部切角长度等于相邻两弹簧长度差,显然当簧片端部为矩形时,=0.表3.2单片弹簧变形根本公式单片弹簧弹簧在A点变形端部是矩形簧片端部是三角形簧片端部倒角簧片 端部压延簧片_ 3_ 2_

18、 Pl2 . Pl2(ll -l2)一 3EI 2EIbh312P Illi I3、EI 2 一 6bh3 12二 A-Pll3(Il -l2)33EI3 3112-二-仁-1)1n(1- 丁-1- = 1 - b1bi/12Pl13(I1 -I2)3A =3EI3111=：-2 日京21n(1- -)-1-1 - h1 hi4上式经整理后得：3,0.5鲁(3椁-1)Xk1 -1 兽 (K ：3 K " Xk 0.5(卜3(3匹 _1)Xk.0屋IkIkIkIk IkiK =2,3,4n ,而 X1 =P对最后一片弹簧,K=n,而1n4=0,止匕时(3.18)式写成：0.54(3g-

19、1)XnA 一(1 +.)Xn =0(3.19)Im InInAk =0.53(311)IK1K令bk =_i+Jj+(Ik 1K书)>(3.20)IklKCk =0.5(4)3(34_1)1K1K 4,当弹簧各片片端为矩形时Bk :(3.21)Bk =-(1 鲁)I K 1由(3.18), (3.19), (3.20), (3.21)式,得出计算各片端部负荷的方程组:a2p b2x2C2X3 =0(3.22)A3X2 +B3X3 +C3X4 =0A4X3 +B4X4 +C4X5 =0 'AXn J BnXn =0方程组(3.22)是(n-1)次线性方程组,计算各片端部负荷时,从

20、最后一个 方程式开始,把Xn值用Xn二表示,并代入前面一个方程组,依次代入第一个方 程式中,得到只有X2和P的关系式,由此求出作用在各片端部负荷X2、X3 Xn值.2弹簧刚度由于弹簧总成在卷耳孔处变形6等于主片在该点处变形6 1,因此如果能知道主 片在卷耳孔处变形,就能求出弹簧刚度.主片在X2、P力作用下,在卷耳孔处变形每i 图3.8,为:2Pli3 -3X21111 X2l3二:1 :6EIimm(3.23)如果主片是二片等长弹簧,上式又可写成:(P X2)1；3EIimm弹簧刚度K计算式为:2PK 二612EPIi_ 3232P1i -3X21i12 X2I2kgf / mm(3.24)主

21、片是等长二片弹簧:kgf / mm2P 6EPIiK =4, (P -X2)1i式中Ii 一主片断面惯性矩,mm4.3弹簧应力当知道各片弹簧受力情况下,就能很容易求出各片应力弹簧各片根部应力计算公式为:Pl1 -X2l2W1X2 l2 -X3l3kgf / mm2(3.25)XnlnWn相邻两弹簧片接触点处应力仃K为:P(ll -12)W1kgf / mm2(3.26)X 2 (l 2 - l 3 )W2_ ' Xn(lnJ.-ln)'-nJ -Wn 1无论采用共同曲率法还是集中载荷法,由于采用的假设与实际的多片弹簧不一样, 因此计算结果都有一定误差.一般说,用共同曲率法计算出

22、的弹簧刚度值要比用集中 载荷法大,而弹簧应力除了末片之外,用共同曲率法计算的应力值与实测值比拟接近. 3.2.3 U形螺栓夹紧时弹簧刚度和应力确定钢板弹簧用U形螺栓夹紧后,局部弹簧长度将不起弹性作用,称之无效长度.这 局部长度除了与U形螺栓夹紧距有关外,还与以下因素有关.a.弹簧底座和盖板的长度和刚度；b.弹簧与底座或盖板之间是否有软垫；c. U形螺栓火紧力矩和U形螺栓强度.弹簧无效长度Ls一般取Ls=g 3,弹簧有效长度Le为：Le = L - Ls = L-口 S (mm)(3.27)式中 a无效长度系数,一般取a = 0.4 0.6;SU形螺栓火紧距,mm 0按式(3.10)、(3.17

23、)、(3.24)计算弹簧刚度时,用伸直长度L值计算出的刚度 是自由刚度,用有效长度Le值计算出的刚度是夹紧刚度.自由刚度用于检测弹簧特性 是否能满足设计要求,而夹紧刚度是用于计算悬架频率和新弹簧设计时选择弹簧尺寸 参数.计算弹簧夹紧刚度时,也可以采用下面简化公式计算.L 3 .K =一 K kgf /mm3.28Le式中 K弹簧自由刚度,kgf/mm；K弹簧夹紧刚度,kgf/mm.计算弹簧在夹紧状态时应力和比应力时,式3.11、3.12、3.14、3.15 中的L值应用有效长度Le值.3.2.4 弹簧许用应力对于55SiMnA或60Si?MnA等材料,外表经应力喷丸处理后,推荐弹簧应力值 在以

24、下范围内：1弹簧满载静应力m前弹簧；:.-m =3500 4500kgf/cm2后主弹簧c m =4500 5500 kgf /cm2后副弹簧c-m = 2000 2500 kgf /cm2平衡悬架弹簧二- m 二 35004500 kgf / cm22弹簧比应力载货汽车前、后弹簧-=450 550kgf /cm2 / cm载货汽车后悬架副弹簧:一 =750850kgf /cm2/cm越野车平衡悬架弹簧仃=650 800kgf /cm2 / cm3弹簧极限应力仃max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；： max 三 9000 10000 kgf / cm2

25、平衡悬架弹簧二max三13500 kgf / cm2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簧,许用静应力可取上限,而 比应力应取下限.图3.9是美国汽车工程师学会(SAE和原苏联李哈乔夫汽车厂推荐的弹簧许用应 力曲线图.其中SAE®荐的许用应力范围是两条直线形成的区间,这两条直线可用下式表示.2 crm=A6c+Bkgf /cm(3.29)式中 A =147 ±8;B =2800 ±350.许用比应力为：B2cr=A+hkgf /cm2 /cm(3.30)'c苏联李哈乔夫汽车

26、厂推荐的许用应力范围是几组抛物线,可用下式表示.产=m, 6ckgf / cm2(3.31)不同的车型,m不同,在图3.9中,m取值如下.a)组曲线适用于公共汽车前、后弹簧及工作条件差的载货汽车前弹簧,m = 1250±50;b)组曲线适用于载货汽车前弹簧、后副弹簧及轿车后弹簧,m = 1350±50;c)组曲线适用于载货汽车后主弹簧,m =1500 ±60;d)组曲线适用于越野汽车平衡悬架弹簧,m = 1850±70; 许用比应力为：_ m2cr =kgf /cm2/cm(3.32),c从图3.9可看出,无论是SAEffi线还是李哈乔夫汽车厂都是推荐静

27、挠度大的弹簧, 选用大的许用应力,而比应力可选小些.但SAE曲线推荐的许用应力没有考虑不同车型的使用条件,这是它的缺乏.计算例如3-1弹簧几何尺寸列于表3.3 ,满载时簧上负荷Q =385kgf ,弹簧U形螺栓夹紧距S = 91mm, 计算弹簧刚度和应力.1按共同曲率法计算：由表3.3计算得：弹簧总惯性矩I0 = 8009.9mm4,弹簧总断面系数W0 = 2464.5mm3, 弹簧各片断面系数WK = 492.9mm3.表3.3弹簧几何尺寸各片长度ll中日诚*2卢1 L中厚印h各片宽度b11150口厂！ 口 方乂 eLL ©1104.5KrjiK6.570211501104.56.

28、5703886840.56.5704622576.56.5705356310.56.570下面分别用梯形单片弹簧和阶梯形单片弹簧方法进行计算：将弹簧展开成梯形单片弹簧由3.9式计算得挠度增大系数k2 =1.202 ,用式3.10计算得弹簧自由刚度K =4.4166kgf /mm.弹簧无效长度系数u取0.5,用3.28式计算得弹簧夹紧刚度K =4.98kgf/mm.弹簧在U形螺栓夹紧处应力仃和比应力.由3.11 、3.12式,仃=43.13kgf/mm2,2 仃 =0.558kgf/mm /mm.将弹簧展开成阶梯形单片弹簧用式3.17计算弹簧自由刚度K时,为计算方便将公式列成3.4表格进行计算.

29、表3.4弹簧自由刚度列表计算mm片LkK + =l1 Tk +I KL：kYk - Yk 由K+K+Yk Yk书1575一16020.000624一一一2575032040.0003120.00031200344313248060.0002080.0001042299968239.1966431126464080.0001560.00005218399744956.78517839780100.0001250.000031625707731939.69575一一0.00012519010937523763.66 2 110,K = 60.92=4.31 kgf / mm26899由式3.17用

30、有效长度Le计算弹簧夹紧刚度：K = 4.79kgf/mm.2按集中载荷法计算:首先计算弹簧各片端部载荷,由式3.20求出,Ak、Bk、Ck值表3.5,由于弹簧端部不压延,=0.表 3.5 Ak、Bk、Ck 值序号Ik (mm)I k (mm)I K /IKAkBkCk15751602一一一一2575160211-20.66173443160211.447-20.56624311160211.637-20.39765178160212.121-20由式3.22:P -2X2 06617X3 =01.447X2 -2X3 0.5662X4 =01.637X3 -2X4 0.3976X5 =02.

31、121X4 -2X5 =0解方程组得 X5 =1.0605X4； X4 =1.037X3X3 =1.024X2; P =1.3222X2;将P =Q 2 =192.5kgf代入上面各式得:X2 =145.6kgf ; X3=149.1kgf; X4 =154.6kgf ; X5 =164kgf ;用式3.24计算弹簧自由刚度K6 192.5 2.1 104 16023(192.5 -145.6) 5753=4.358kgf / mm用式3.28计算弹簧夹紧刚度K =4.92kgf /mm用式3.25计算U形螺栓夹紧处各片应力图3.10.第1片应力192.5 552.2-145.6 552.24

32、92.9=52.5kgf / mm2第2片应力145.6 552.2-149.1 420.25492.92=36kgf / mm第3片应力149.1 420.25-154.6 288.25492.9 .2=36.71kgf / mm第4片应力154.6 288.25-164 155.2492.9 _ .2=38.77kgf / mm第5片应力164 155.2492.9_ _2=51.63kgf /mm用式3.26计算相邻两簧片接触点应力:第2片与第3片：a2145.6 552.2 - 420.25492.92=39kgf / mm第3片与第4片：.3149.1 420.25 - 288.25

33、492.92=39.93kgf / mm第4片与第5片：.4154.6 288.25-155.252= 41.75kgf / mm492.93B.75第四片口卜冷第五片3二口各片应力分布需要说明一点的是,弹簧各片用实际长度L值和用有效长度Le值计算出的各片端 部载荷是不一样的,因此示范例中所计算的应力有一定误差.3.3 钢板弹簧断面尺寸和主片长度确实定如果知道了悬架静挠度值,那么由下式可以求出期望的弹簧刚度值夹紧刚度.K=g3.33、c利用式3.10,从期望的弹簧刚度值K可计算出弹簧断面尺寸和长度.1初步确定弹簧挠度增大系数k2 或ki.先确定与主片等长的片数n',然后估算总 片数n,

34、由式3.9初步计算出挠度增大系数k2值.选择弹簧总片数时,尽可能使片 数少些,这不仅可以减少弹簧片间摩擦,而且便于弹簧生产制造.2确定弹簧有效长度Le.由U形螺栓火紧矩和总布置给定的弹簧伸直长度,用式3.27 初步确定出弹簧有效长度Le值.3求弹簧总惯性矩.由式3.10计算出弹簧总惯性矩后,可以确定弹簧片数、片宽、 片厚.弹簧宽度选取.增加弹簧宽度,可以减少弹簧总片数,并能增加卷耳强度.但 是,增加片宽后,汽车侧倾时增加弹簧片扭曲应力.对前悬架来说,为保证转向车轮 有一定转向空间,增加片宽受到一定限制.弹簧厚度选取.由于弹簧总惯性矩和弹簧厚度的三次方成正比,稍许增加弹簧 厚度,就可以减少片数.

35、因此在满足弹簧使用寿命的前提下,应尽可能选择片厚的弹 簧.另外,选择弹簧厚度时,同一副弹簧的不同厚度的组数越少越好,希望各片厚度 能相等.弹簧尺寸参数弹簧长度、宽度、厚度及片数确定后,应重新按式3.10对 弹簧刚度进行验算.如果弹簧刚度不能满足设计要求,应重新进行计算.除了对弹簧 刚度进行验算外,还应对弹簧强度进行核算,按式3.11、3.12或3.14, 3.15 计算的弹簧应力和比应力应在推荐的范围内.如果所选的弹簧尺寸参数不能满足强度 要求,那么应重新计算,直至所选定的弹簧尺寸参数满足弹簧刚度和强度要求为止.最后确定的弹簧宽度与厚度应符合有关弹簧尺寸标准弹簧钢GB1222规定.3.4 钢板

36、弹簧各片长度确实定当已经知道了弹簧主片长度及弹簧宽度、厚度、片数后,就可以计算弹簧各片长 度.确定各片长度时,应尽可能使各片应力及其应力分布合理,以到达各片等寿命. 确定弹簧各片长度有两种方法,即共同曲率法和集中载荷法.1 共同曲率法该方法是基于弹簧各片展开图接近于梯形梁形状这一实际情况,用作图法来确定 弹簧各片长度的方法.具体作法是：作一直线oo'图3.11,代表中央螺栓轴线,在 oo'直线上根据同一比例尺,依次截取簧片厚度限的立方值h；,再沿横坐标量出主片 长度之半L/2和U形螺栓中央距之半S/2值,得A、B两点,连接A、B得到钢板弹 簧展开图.从截取的各片厚度点作一直线与

37、AB直线相交,即可求出弹簧各片长度. 利用图3.11的方法可求出各片等厚和不等厚时各片的长度.如果主片是等长时,应从B点到第二片端点连一直线,如图3.11b的AB直线.各片等厚的弹簧,由于各片长度差值相等,因此也可以按比例计算弹簧各片长度, 不一定作图.对于装有夹箍的簧片,可以适当加长片长,以便于安装夹箍.2集中载荷法该方法是根据集中载荷法假设,根据所设定的弹簧各片应力分布状况,确定弹簧 各片长度的方法.弹簧沿片长应力分布状况有三种形式图3.12,从合理利用弹簧 材料角度出发,图3.12c所示弹簧片应力分布比拟合理,它接近于等强度梁,但是这 种分布对受力复杂的主片是不太理想的.对主片来说,图3

38、.12a的应力分布比拟合理. 图3.12b所示的应力分布,除特殊情况外,一般不用.卜面用应力分布系数来确定弹簧各片长度.(3.34)二 KrK = y mm二 K式中仃kU螺栓夹紧处第K片应力,kgf / mm2仃k第K与K+1接触点处的应力,kgf/mm2如果给出各片的应力分布系数 h便可以知道各片弹簧的应力,由式3.25, 3.26可以求出弹簧各片长度.表3.6推荐的应力分布系数供参考选用表3.6弹簧各片应力分布系数Pk钢板弹簧主片第二片第三片其余各片A、二片等长0.6 0.80.6 0.80.7 0.91.0所以各片长度不等0.6 0.80.7 0.90.9 1.01.0计算例如3-2弹

39、簧主片长L = 1150mm,第一片与第二片等长,片宽成b = 70mm,各片厚h = 6.5mm,共5片,弹簧U形螺栓夹紧矩S= 91mm,求弹簧各片片长.由于弹簧各片厚度相等,可以按比例计算出弹簧各片长度.第1片与第2片半长11 =l2 = 575mm ；第3片半长l3 = 443mm ；第4片半长l4 =311mm；第5片半长 l5 =178mm.3.5钢板弹簧各片预应力及弧高3.5.1 钢板弹簧各片预应力确定由于各片钢板弹簧在自由状态下曲率半径不等,用中央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

40、预应力,当弹簧承载时弹簧各片应力状态将重新 发生变化.下面用共同曲率法计算各片弹簧因曲率变化产生的预应力.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.由材料力学,作用在任一弹簧片上的弯矩与曲率半径变化值之间关系图3.13 可用下式所示：1 _ 1_ M kRk Rok EIk1/mm(3.35)3.13钢板弹簧叶片的变形式中：Mk：第K片弹簧各断面的弯矩,kgf -mmRk :第K片弹簧在自由状态下的曲率半径,mmR0K：第K片弹簧在

41、装配后的曲率半径,mmIk：第K片弹簧断面惯性矩,mm4弹簧预应力00K与弯矩M K及装后断面系数Wk之间关系式:二 JWk将上式代入3.35式得出:EIkWkkgf / mm2(3.36)假设各片弹簧均为矩形断面,装配后的各片弹簧曲率半径等于弹簧总成在自由状 态下的曲率半径,各片弹簧上的预应力可以写成:(3.37)Ehk / 11、20K) kgf / mm2RKR0式中 切：第K片弹簧片厚,mmRo :弹簧总成在自由状态下曲率半径,mm如果知道弹簧总成自由状态下的曲率半径Ro和预加在各片弹簧上的预应力仃aK ,那么由3.37式可求出各片弹簧在自由状态下的曲率半径RK2£2

42、3;1/mm3.38RkR0 EhK弹簧各片预应力的选择,原那么上应考虑以下几个因素.a.弹簧各片未装配前,各片间隙不要相差太大,各片装配后,应使各片能很好配 合.b.由于主片受力复杂,为保证主片及长片有较长使用寿命,希望适当降低主片及 长片应力.基于上述原因,选择各片预应力时,片厚相等的钢板弹簧,各片预应力值不宜过 大.对片厚不等的弹簧,厚片预应力大一些.一般推荐主片在根部的工作应力与预应 力叠加后的合成应力约为300 350kgf /mm2 ,短片根部合成应力约 700 800kgf/mm2, 14片长片弹簧应预加负的应力,短片弹簧为正的预应力,预 应力由负值逐渐递增至正值.3.5.2 各

43、片弹簧弧高确定假设第K片弹簧伸直长度21k,簧片曲率半径R,那么第K片弹簧的弧高Hk 图3.14：3.14簧片弧高与曲率半径(3.39)(3.40)1 I：H K = Rk -Rk cos :如果区40.6;中央角邛可以写成:Rk中二KRk将中值代入上式：lKHk = Q (1 cos)mm如果把cosk一项展开成 k的曷级数：RkRkl1214cos工=1 - -Rk2Rk 24Rk如果仅取头二项,并代入3.39式,得到:-1：_H K = mm2Rk带卷耳孔的主片弹簧,如果计入卷耳孔半径,弹簧弧高值计算见3.69式.为了使弹簧总成在车上能很好夹紧,当弹簧各片较厚时,比拟多的都是将弹簧各 片

44、作成双曲率图3.15,由于中间平直段局部不产生弧高,因此计算弹簧各片弧高 时,弹簧作用长度应减掉压平局部长度.3.15双曲率簧片3.6钢板弹簧总成自由弧高及总成装配后弧高3.6.1 钢板弹簧总成自由弧高钢板弹簧总成在自由状态下弧高H.是由满载弧高,、静挠度及弹簧总成在U形螺栓夹紧后引起的弧高变化f三局部组成H 0 =、.0 、.c .:fmm(3.41)弧高变化量Af取决于U形螺栓夹紧距S和% +讥值大小.假设弹簧总成在自 由状态下是单圆弧,并假设弹簧总成在U形螺栓夹紧局部被压平,下面推导弹簧弧高 变化量. f计算式：弹簧总成被U形螺栓夹紧压平后,夹紧局部在负荷作用点处的变形应等于U形螺 栓夹

45、紧长度的弧高值图3.16,即：SP(2)S(a)3EIo2R£ .1-3.16 U形螺栓夹紧由此可以得到U形螺栓夹紧压平时所需的力P :P =殂 kgf3.42SR式中：Io：钢板弹簧总成总的断面惯性矩R:弹簧总成自由状态时曲率半径U形螺栓夹紧处在力P作用下,弹簧卷耳中央处变形与见表3.2:S 2 LP(-)(- - 2_3EI02EI0将3.42式代入上式整理后得:Lf =S(3L -S)H12L2mm(3.43)式中： H1 = c.o、：cmmL :主片伸直长度mm弹簧总成在自由状态下总成曲率半径Ro :mm(3.44)L2Ro ： 8Ho3.6.2 钢板弹簧装配后总成弧高如果

46、知道弹簧各片曲率半径Rk后,弹簧各片用中央螺栓夹紧后弹簧总成曲率半径R可根据平衡状态时最小势能原理求出.为使计算简便可行,假设弹簧各片组装后的总成具有共同的曲率,即组装后各片 弹簧曲率半径相同,并且组装后的总成仍为半圆弧.如果各片全长为L1, L2 ,Ln,惯性矩I1, I2,In,自由状态时曲率半径R1, R2,Rn o第k片弹簧曲率半径由Rk变成总成曲率半径Ro后势能为:Uklk MK0 2EIkdx式中:因故有Mk:第K片弹簧各断面的弯矩_ , 11、Mk =EIk(一一) RoRkEIkLk / 11、22RoRkn片弹簧夹紧后的总势能为:nU八uKK 1E /1二 21kLk(R为求

47、最小势能所对应的Ro值,对上式求极限,并令:-dU- = 0得至 IJR01 k4-rTR0n二 1KLKK 41/mm(3.45)如果各片弹簧厚度相等3.45式又可写成:K 4 RKR0z LkK 41/mm(3.46)(3.45)式,(3.46)式对非称弹簧也适用.计算例如3-3弹簧参数同计算例如3-1 见3.2节,弹簧满载弧高60 =15mm ,计算弹簧总成自由状态弧高和各片曲率半径.由式3.33计算得弹簧满载静变形6c =385/4.79 = 80.37mm ；由式3.43计算得U形螺栓夹紧时引起弧高变化量为Af =11.02mm;由式3.41计算得弹簧总成自由弧高H0 = 106.3

48、9mm；由式3.44计算得弹簧总成在自由状态下曲率半径 R =1553.8mm.依据表3.7给出的各片预应力,按式3.38计算弹簧各片曲率半径RK.由式3.46计算弹簧装配后总成曲率半径R0 = 1585mm , H0 = 104.26mm根本满足设 计要求值.序号各片长度Lk (mm)-一» , 一 ,2、各片切1曳力 o-0K (kgf /mm )各片曲率半径rk(mm)11150-11207321150-41709.53886+31454.54622+91289.65356+151158.33.8 钢板弹簧片间摩擦和动刚度钢板弹簧变形时,由于弹簧片间相对位移产生摩擦,图3.19

49、所示的弹性特性曲线中,CDA®线是弹簧加载过程,ABC曲线是卸载,面积ABC支由摩擦阻力作 的功.片间摩擦阻力可以起到衰减振动作用,阻力越大衰减越快.一般是希望片 间摩擦阻力小些好,这样可以减小因片间摩擦产生的弹簧振动噪声.另外从改善 汽车行驶舒适性角度看,也希望片间摩擦阻力不要太大,过大的摩擦阻力不利于 汽车减振器有效的工作.减小片间摩擦阻力有以下举措：a：在弹簧各片间涂石墨润滑脂,但由于润滑脂易外流,使用一段时间失去效用. b:在弹簧片间加耐磨塑料垫片,或是在片端放置橡胶(或塑料)垫块,减少弹簧 片间接触面积.c：弹簧设计时,尽量减少弹簧片数,如采用少片变截面弹簧等.上面谈到的是

50、希望片间摩擦阻力小些好,但也有的时候希望弹簧片问摩擦阻 力大些好,如驱动桥悬架,由于发动机扭矩变化,引起钢板弹簧一传动轴系统发 生扭转共振,这种共振通过钢板弹簧传递到车身(或车厢)内产生振动噪声.由 于汽车减振器对限制扭转振动不十分有效,因此一般都用增加弹簧片间摩擦阻力 方法限制车桥扭转振动,除此之外,也有的把减振器布置在车桥前后侧或采用非 对称钢板弹簧等举措.在图3.19中,弹簧加载时P2的直线方程:P2 )-(1 - %)kgf(3.57)卸载时Pi直线方程:P 01(1o)kgf(3.58)式中：%:等价摩擦系数,飞MN2PoK:弹簧平均刚度,或是说不计弹簧片间摩擦时的弹簧刚度,kgf/mm 6 :弹簧变形,mm弹簧加载时刚度：K/(1- %),卸载时刚度：K/(1 +%).图3.19中,直线AC的斜率称之为弹簧动刚度.当弹簧振幅比拟小时,动刚度 值较大,随弹簧振幅增加,动刚度值变小,当振幅增加到一定值时,弹簧动刚度接近于不计弹簧片间摩擦时的刚度值K3.9 钢板弹簧吊耳对悬架刚度的影响钢板弹簧在车上安装时,一般是一端固定,另一端通过吊耳与车架(或车身)相连.吊耳在车上安装的情况如图 3.20所示.ab图 3.20图中a结构是汽车上常见的布置型式,而 b结构使用的