21汽车变截面钢板弹簧的设计计算

汽车变截面钢板弹簧的设计计算东风汽车工程研究院陈耀明2006年5月目录前言-----------------3纵截面为梯形的变截面弹簧-----------------4纵截面为抛物线形状的变截面弹簧-----------------8设计要点-----------------12【附录】已有公式介绍-----------------19前言少片变截面钢板弹簧在我国已有多年的制造和使用经验，特别是大、中型客车，采用者相当广泛。然而，涉及变截面簧的设计计算方法，虽然二十几年前悬架专委会曾做过一些介绍，但资料零散、重复、不完整，尤其是比较常用的加强型变截面簧，资料反而欠缺。撰写本文的目的，就是为悬架设计者提供变截面簧的比较完整的设计计算资料，主要是刚度计算公式和应力分布计算方法。变截面簧轮廓线包括梯形和抛物线形两大类，每类又含有根部、端部加厚，或只有根部加厚，或都不加厚等几种变型。这样，可以说几乎所有的变截面簧轮廓线都可在本文找到计算公式。此外，本文还介绍了各种轮廓线的选型原则以及若干设计经验等，可供设计人员参考。附录中列出已有资料中的一些计算公式，并证明了它们和本文公式的一致性。本文的式（1）～（3）引自日本资料“自动车用重型钢板弹簧”，其它公式（6）～（15）是笔者近期重新推导出来的。当然，有一些和过去推导出来的公式完全一致。纵截面为梯形的变截面弹簧这种弹簧的轧锥部分（～段）为梯形，而根部和端部都将厚度增大，称为加强型变截面簧，见图1。图1为四分之一椭圆钢板弹簧，其刚度计算公式为：----------------（1）若对称地扩展成为半椭圆钢板弹簧，其总刚度为：----------------（2）若弹簧由若干等长、相同轮廓线的叠片所组成，则其合成的总成刚度为：----------------（3）式中为弹性模数弹簧片数，单片弹簧而其中弹簧宽度实际应用中，有些弹簧的轮廓线有所简化，见图2，其刚度计算式也有所变化：增厚转折点急剧变化，2型。这时，，；，。将，，，代入式（1）～（3）求解。没有加厚，为一般轮廓断面，3型。这时，，；，；，，。将，，代入式（1）～（3）求解。端部没有平直段（非卷耳端、短轧锥），4型。这时，，；，；，；，，。将，代入式（1）～（3）求解。从图1可见，沿片长的应力分布为：---------------（4）式中端部负荷端部至计算断面距离计算断面的断面系数弹簧片数断面系数为：----------------（5）式中沿片长变化的厚度弹簧宽度当，，，，，，对于2型弹簧，在根部和端部厚度有突变，该位置之应力也有突变。纵截面为抛物线形状的变截面弹簧这种弹簧的轧锥部分（～）为抛物线形状，该抛物线的顶点在端点（集中载荷作用点），而根部和端部都将厚度增大，以满足结构强度的要求，见图3。该抛物线函数为：---------------（6）图中所标尺寸定义如下：端部加强（平直）段长度端部加强段厚度端部平直段与抛物线交点处的厚度根部加强（平直）段距端点长度根部加强段厚度根部平直段与抛物线交点处的厚度端点至根部总长度抛物线延长段至根部交点处的厚度若设定：，，，则各段惯性矩有如下关系：当，当，当，按照材料力学中求小挠度梁的挠度的方法，分三段积分，就可求到端点在P力作用下的挠度（即变形）。图3所示四分之一椭圆钢板弹簧的刚度为：--------------（7）其中，挠度系数--------------（8）式中，，而--------------（9）板簧宽度请注意，此处所取惯性矩不是根部惯性矩，而是平直段与抛物线交点处的断面惯性矩。这样选取只是为了方便与其它轮廓线的计算公式对比。当然，若算式（7）要选取根部惯性矩来计算也是可以的，但挠度系数要相应改变。，代入式（7），得--------------（10）-----（11）若对称地扩展成为半椭圆钢板弹簧，其总刚度为：--------------（12）若弹簧由若干等长、相同轮廓线的叠片所组成，则其合成的总成刚度为：--------------（13）式中弹簧片数弹性模数在实际应用中，有些变截面簧只有根部加厚，端部不加厚，如图4之2型。这时，，式（8）变成，又，且代入上式，化简后得---------------（14）还有些变截面簧端部、根部都不加厚，如图4之3型。这时，；，，式（8）变成同样，化简后可得--------------（15）对于抛物线的变截面簧，仍然可以采用式（4）、（5）来计算沿片长的应力分布，只是在抛物线区段，厚度的变化规律有所不同，即：当，或当，当，或平直段的厚度取决于板簧轮廓线属1型、2型或3型。在抛物线区段，应力均匀分布，即等应力。设计要点选用什么样的轮廓线----梯形或抛物线形？众所周知，在抛物线区段，应力分布是均等的，即为等应力的。从理论上讲，这种轮廓线似乎是最理想的，其材料利用率是最高的。然而，从另一方面看，亦即从“比例尺效应”的理论看，等应力分布并不一定是理想的设计。大家知道，材料疲劳损伤、断裂都是从表面缺陷引发的，而由于材质或工艺上的原因，材料表面总有缺陷存在。如果结构上高应力区所占的比例大，缺陷处在高应力点的概率就高，因此该结构就会出现早期损坏，即寿命降低。相反，如果高应力区所占比例小，缺陷碰到高应力点的概率就低得多，该结构的寿命就会高得多。这就是所谓的“比例尺效应”。所以，选用什么样的轮廓线，取决于两个因素：最大应力处在什么部位。如果最大应力位于根部（根部不加厚、加软垫或夹紧装置不是很强），那么轧锥部分可选用抛物线形，以获得较好的材料利用率，且可降低刚度。这种选择多数用在轿车或轻型车的悬架上。相反，大中型客车或货车，往往根部要加厚，最大应力点不在根部，而是在轧锥段。这时选用梯形轮廓较合适，使最大应力局限在极值点的小区域，碰上缺陷的概率较低，使寿命提高。弹簧材料和轧制工艺的优劣。优质的材料和轧制工艺，使表面缺陷减少或减轻，也就可以选取抛物线形，让较多材料承受较高应力，以减轻重量。反之，材质与工艺较差者，宜选用梯形轮廓线。根部加强对于板簧根部较厚（20mm以上），且U形螺栓夹紧装置不是特别强，尤其是根部加有软垫者，应该采用加厚措施。否则，由于夹不死，最大弹簧应力恰好处在中心孔位置上。加上该孔有应力集中，其结果是在中心孔处早期断裂。除了中心孔要倒角以减小应力集中外，加厚并取消软垫或改为硬垫是最有效措施。简单说，大中型客、货车的变截面簧根部应加厚。端部加强取决于卷耳强度要求。对卷耳进行强度校核计算，确定该部位的板厚。若与轧锥小端厚度不能衔接，就采用加厚措施。由于前簧往往比较薄，制动力又很大，端部加厚措施是必要的。有效长度的选取由于变截面簧根部很厚，U形螺栓相对单薄，特别是加垫之后，实际上是夹不死它。也就是说，U形螺栓跨距内的那段无效长度往往是有效的。因此，设计时要根据根部厚度及夹紧结构，来确定无效长度系数。根据我们经验，对于总质量达15吨的大中型客、货车，其板簧无效长度系数甚至可取零，即全长有效。对于中、轻型车，可取0.2左右，而不像多片簧取0.4～0.5。当然，应在试制后对样品进行测试，再来核对该系数。横截面的断面参数计算变截面簧的理论分析和公式计算，都是将横截面当为矩形的。实际上，弹簧片轧制时侧边都自然地形成圆角。所以按矩形断面来计算惯性矩、断面系数和断面积，结果都偏大。即，算出的刚度偏大，应力偏小。可以有两种方法进行修正：计算断面参数时考虑圆角的影响。例如，认定圆角半径等于片厚，则：断面积惯性矩断面系数式中片宽片厚（根部）将计算结果乘以修正系数。例如，对于本文的公式（1）～（3），因没有明显含有惯性矩这一项，只能采取最后修正。有关文献推荐，对于刚度计算值，取进行修正（笔者认为，取已足够）。轮廓线不同的单片组成的少片簧本文所介绍的公式，在计算少片变截面簧时，都当为各片等长，且轮廓线（刚度）亦相同。总成刚度则为单片刚度乘上片数。这是多数情况。有时选用各片轮廓线不尽相同的设计，其刚度也有所不同。只要各片等长，仍为各片并联。分别算出各片刚度，将其相加，则为总成刚度。要按“变形一致”原理，根据各片刚度算出对应的负荷，再按各片的断面系数求出其应力。这时，刚度不同的单片，其应力值也不同。若各片又不等长，计算就很复杂。可参照多片弹簧集中载荷法来进行计算，本文略。预应力和单片弧高对于少片簧，装配后要求各片有一定的预应力，以使片与片贴合好。设计计算方法和多片簧类似，但只用集中载荷法（即端点法）。其设计要点是：选取各片根部预应力，使各片在根部断面的弯矩之和为零----达到自平衡。根据“变形一致原理”，端部变形（或预压力）和根部应力要一一对应，最终根部、端部都贴合。由各片变形量和总成弧高推算出各片自由弧高。减磨垫在少片变截面簧的使用中，出现工作响声是一种很讨厌的问题，特别对于客车，成为用户不能接受的质量问题。经过多年的探索，采取在片端加减磨（摩）垫的办法，可以大大缓解发响问题。用什么材料至关重要，早期用聚甲醛是失败的，后来采用聚胺脂橡胶或加添加剂，得到较好效果。为了减少根部的接触疲劳（磨损、挤压），有些少片簧在根部加软垫。但由此会引发中心孔处早期断裂，特别是大中型客货车更为突出。根据我们的经验，对大型车尽量不要加软垫（聚甲醛、尼龙），改加硬垫（铝片、低碳钢片），或者根部加厚轧出凸台就不必再加垫。设计指标采用少片变截面钢板弹簧的主要目的是为了轻量化。实现轻量化的主要方法有二，其一是选取的纵截面轮廓线使应力沿片长分布较均匀，甚至是等应力，因而材料利用率较高；二是使片间只有根部和端部接触，因而基本消除了接触疲劳损伤，可以选取较高的许用应力，国外多数选取许用应力比多片簧高30%。根据我国的材质、工艺手段，以及使用条件，对于大中型客货车，我们推荐满载平均静应力和比应力，比多片簧高15%（客车）至20%（载货车）。具体推荐值见表1。表1弹簧应力多片簧少片簧客车货车满载静应力（N/mm2）前簧后簧副簧340～440440～540200～250390～500500～620410～530530～650240～300比应力（N/mm2/mm）前后簧副簧4.4～5.47.4～8.35.1～6.25.3～6.58.9～10极限应力（N/mm2）880～980900～1000900～1000纵扭应力（N/mm2）122512251225卷耳应力（N/mm2）340340～400340表1中之极限应力、纵扭应力、卷耳应力的推荐许用值与片间接触疲劳无关，只和材料屈服限、卷耳工艺有关，因而少片簧和多片簧没有太多差别。弹簧刚度的选择，主要是为满足平顺性的要求，亦即为了满足偏频的要求。偏频的高低取决于悬架刚度和负荷，也就是取决于静挠度。少片变截面簧由于结构上的原因，片长、片数都受到限制，其刚度往往比同等条件下的多片簧要高，也就是说偏频更高一些。可以说，少片簧的平顺性指标一般不如多片簧。表2列出大中型客、货车满载时的适用偏频推荐值（单位：cpm=次/分）：偏频的计算公式许多文献都介绍了，本文不再赘述。有些文献认为少片簧片数少了，平顺性就比多片簧好，这是不确切的。少片簧的动刚度比多片簧低一些，只有在路面极好、振幅极小的工况下，平顺性才比多片簧要好些。由于少片簧的比应力、满载平均静应力比多片簧高，而极限应力基本相同，所以少片簧悬架的动行程要选小一些。也就是说，采用少表2悬架型式货车客车（近期）客车（远期）多片簧前后100～105120～12590～95100～110少片簧前后105～115125～13095～100100～105空气弹簧前后80～8585～9060～6565～70片簧的车型比较适用于路面较好的地区，以免悬架被频繁“击穿”，同时体现出动刚度低的优点。试验验证本文介绍的计算公式必须经过试验验证，就是，当样品试制出来后，要尽快测试其弹性特性（刚度）。其目的有二，其一是检查计算公式的精确性，以及确定修正的方法和选值多少，包括无效长度的选择、非线性附加变形值、U形螺栓夹紧前后的弧高变化等。其二是为设计图纸标注的刚度值和弧高值确定最终取值。后者也可以在试生产一段时间，测试多批产品的实际值之后再确定。有条件的企业，还应测定应力分布，包括预应力和工作应力，为应力计算的精确性进行判别，也为该弹簧的使用寿命和断裂分析找到定量依据。通过样车样品的性能测定和可靠性试验之后，才能判明该悬架弹簧设计的选值是否合理。当然，最终的评价还要靠用户长期使用之后来获得。【附录】已有公式介绍纵截面为梯形的变截面弹簧此式为悬架专委会的培训教材《汽车悬架资料》中第38页和136页所介绍的公式，端部和根部均不加厚。为了对比方便，符号做了一些调整，但有些还保留原式符号。半椭圆钢板弹簧刚度（单片）：---------------（16）挠度系数----------------（17）而----------------（18）式中而为根部惯性矩板簧宽度弹性模数这种弹簧当时，存在极值应力，位于---------------（19）该处片厚---------------（20）应力值---------------（21）式中端点集中力根部负荷而根部应力--------------（22）对比两者大小，以大者进行强度校核。此式已在我国实际应用多年。经笔者用实例数值代入计算，其结果与用式（2）第3型的公式进行的计算完全一致。说明式（1）、（2）、（3）与式（16）、（17）、（18）都可应用。纵截面为抛物线形的变截面弹簧只有根部加厚的变截面弹簧此式为悬架专委会的培训教材《汽车悬架资料》第37页所介绍的公式。为使尺寸标注与图3一致，并采用相同的惯性矩，原式作了相应的形式变换，内容是不变的。半椭圆钢板弹簧刚度（单片）：-