钢板弹簧设计手册技术手册指导书

华晨汽车工程研究院

钢板弹簧设计手册

编制：马增辉

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底盘部门

201X-XX-XX发布

版本：V0

华晨汽车工程研究院编号：HI-B15.031-2016-1.0

前言

本设计手册规定的XXXX产品的要求，和国家有关标准规定而制定。

本设计手册由汽车工程研究院XXXX负责起草：

本设计手册由汽车工程研究院XXXX进行管理和解释；

本设计手册主要起草人员：

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目录

1.概述......................................................1

1.1定义......................................................1

1.2基本功能和原理...........................................1

1.3钢板弹簧的布置方案.......................................3

2.钢板弹簧材质..............................................4

3.钢板弹簧生产工艺..........................................4

4.钢板弹簧的参数设计........................................4

4.1满载弧高fa......................................................................................................4

4.2钢板弹簧长度L的确定.....................................5

4.3钢板弹簧断面尺寸及片数的确定.............................6

4.4钢板弹簧片数n...............................................................................................8

4.5钢板弹簧各片长度的确定...................................8

4.6钢板弹簧刚度的验算.......................................9

4.7钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算.............10

4.8钢板弹簧总成弧高的核算...................................11

4.9钢板弹簧的强度验算......................................12

5.钢板弹簧设计阶段潜在失效模式.............................13

6钢板弹簧台架试验...........................................13

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钢板弹簧设计手册

L概述

1.1定义

钢板弹簧是汽车悬架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，也可以不相等）的合金弹簧片组合而成

的一根近似等强度的弹性梁，作用是支撑车体，缓和由路面传来的振动

和冲击载荷。

图1钢板弹簧

1.2基本功能和原理

当钢板弹簧安装在汽车悬架中，所承受的垂直载荷为正向时，各弹

簧片都受力变形，有向上拱弯的趋势。这时，车桥和车架便相互靠近。

当车桥与车架互相远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和变形便逐渐

减小，有时甚至会反向。

图2钢板弹簧与车桥简图

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钢板弹簧第一片称为主片，其两端弯成卷耳，内装青铜或塑料、橡

胶、粉末冶金制成的衬套，以便使用弹簧销与固定在车架上的支架或吊

耳作销链连接。钢板弹簧中部一般用U形螺栓固定在车桥上。中心螺栓

用以连接各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。中心螺栓距两端卷

耳的距离可以相等，（称为对称式钢板弹簧）；也可以不相等（称为非对

称式钢板弹簧）。当钢板弹簧安装在汽车悬架中，所承受的垂直载荷为正

向时，各弹簧片都受力变形，有向上拱弯的的趋势。这时车桥和车架便

相互靠近。当车桥与车架相互远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和

变形都逐渐减小，有时甚至反向。

主片卷受力严重，是薄弱处，为改善主片卷耳的受力情况，常将第

二片末端也弯成卷耳，包在主片卷耳的外面（亦称包耳）。为了使得在弹

簧片变形时各片有相对滑动的可能。在主片卷耳与第二片包耳之间留有

较大的空隙。有些悬架中的钢板弹簧两端不做卷耳，而采用两端插入厚

壁的橡胶支承垫中，靠橡胶变形保证弹簧变形时两端的相移动。纵向力

侧向力直接由橡胶支承垫传至车架，采用这种结构的优点是主片不易损

坏，无需润滑，有良好的消除噪音能力，但钢板弹簧的纵向移动量受到

限制，因此这种结构只在较长而且刚度较大的钢板弹簧上采用。

连接各片的构件，除中心螺栓外，还有若干个弹簧夹（亦称加弹夹）

其主要作用是当钢板弹簧反向变形（即反跳）时，使保片不致相互分开,

以免主片单独承载。此外，开可防止各片横向错动。弹簧夹用钾钉钾接

在与之相连的最下面弹簧片的顶端。弹簧夹的两边用螺栓连接，在螺栓

上有套管顶住弹簧夹的两边，以免将弹簧片夹得过紧。在螺栓套管与弹

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簧片之间有一定间隙（不小于1.5mm）。以保证弹簧变形时，各片可以相

互滑动。

钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间有相对滑动而产生摩擦。

可以促进车架振动的衰减，促进各片间的干摩擦，将使车轮所受的冲击

在很大的程度上传给车架，即降低了悬架缓和冲击的能力，并使弹簧各

片加速磨损，这是不利的，为减少弹簧片的磨损，在装和钢板弹簧时每

个片间必须涂上较稠的润滑剂（石墨润滑脂）并在定期进行保养。为了

在使用期间长期储存润滑脂和防止污染，有时将钢板弹簧装在护套内。

前已述及，钢板弹簧本身还能兼起导向结构的作用，并且由于弹簧

各片之间的摩擦而起到一定的减振作用。为了保证在弹簧片间产生定值

摩擦里以及消除噪声，可选在弹簧片之间夹入塑料垫片。如某些高级轿

车后钢板弹簧即采用次种结构。

1.3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，所以只在少数轻、

微型车上应用。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与不对称式之分。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

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时，采用不对称式钢板弹簧。

2.钢板弹簧材质

钢板弹簧常用材质为60Si2Mn和50CrVAr等。

3.钢板弹簧生产工艺

不同厂家根据产品的木同，会对工艺进行调整。

表1钢板弹簧生产工序

工序号工序名称设备

1下料剪切机

2校直

3冲中孔、端孔冲床

4切边

5折弯、卷耳，包耳折弯机

6整形

7加热高温炉

8成形

9淬火（油）

10回火

11冷却（水）

12喷丸喷完机

13喷漆

14组装，烘干

15入库

4.钢板弹簧的参数设计

在进行钢板弹簧计算之前，应当知道下列初始条件：满载静止时汽

车前、后轴（桥）负荷孰、G2和簧下部分荷重Gui、GU2,并据此计算出单个

钢板弹簧的载荷：F■尸（G「GuJ/2和艮2=（G2-GU2）/2,悬架的静挠度支和动

挠度fd,汽车的轴距等。

4.1满载弧高fa

满载弧高fn是指钢板弹簧装到车轴（桥）上，汽主满载时钢板弹簧主

片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差（图

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6—11)。工用来保证汽车具有给定的高度。当工=0时，钢板弹簧在对称

位置上工作。为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取工

=10〜20mln。

4.2钢板弹簧长度L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

汽车平顺性；在垂直刚度c给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的

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。

推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度：

轿车:L=(0.40〜0.55)轴距；

货车前悬架：L=(0.26〜0.35)轴距,后悬架：L=(0.35〜0.45)轴

距。

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4.3钢板弹簧断面尺寸及片数的确定

4.3.1钢板断面宽度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，

但需引入挠度增大系数3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惯性矩Joo

对于对称钢板弹簧Jo=[(L-ks)3c5]/(48E)(4-1)

式中，s为U形螺栓中心距(mm)；k是为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效

长度系数(如刚性夹紧，取k=0.5,挠性夹紧，取k=0)；c为钢板弹簧垂

直刚度(N/mm),c=F./fc；6为挠度增大系数(先确定与主片等长的重叠片

数再估计一个总片数no,求得n二ni/n0,然后用3=1.5/[1.04(1+0.5r()]

初定3)；E为材料的弹性模量。

钢板弹簧总截面系数W。用下式计算

W0>[Fw(L-ks)]/4：oJ(4-2)

式中，为许用弯曲应力。对于55SiMnVB或60Si2Mn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

350〜450Mpa；后主簧为450〜550MPa；后副簧为220〜250MPa。将式(4-2)

代人下式计算钢板弹簧平均厚度hP

2

h/2Jo/Wo=(L-ks)8[QW]/6Efc(4-3)

有了儿以后，再选钢板弹簧的片宽b。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b/h在6〜10范围内选

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取。

4.3.2钢板弹簧片厚h的选择

矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩Jo用下式计算

Jo=nbh3/12(4-4)

式中，n为钢板弹簧片数。

由式(4-4)可知，改变片数n、片宽b和片厚h三者之一，都影响到总惯

性矩J。的变化；再结合式(4-1)可知，总惯性矩J。的改变又会影响到钢板

弹簧垂直刚度c的变化，响汽车的平顺性变化。其中，片厚h的变化对

钢板弹簧总惯性矩J。影响最大。增加片厚h,可以减少片数n。钢板弹簧

各片厚度可能有相同和不同两种情况，希望尽可能采用前者。但因为主

片工作条件恶劣，为了加强主片及卷耳，也常将主片加厚，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

接近又要求最厚片与最薄片厚度之比应小于L5。最后，钢板断面尺寸b

和h应符合国产型材规格尺寸。

图4叶片断面形状

a)矩形断面b)T形断面

c)单面有抛物线边缘的断面d)单面有双槽的断面

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4.4钢板弹簧片数n

片数n少些有利于制造和装配，并可以降低片间的干摩擦，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增大，材料

利用率变坏。多片钢板弹簧一般片数在6〜14片之间选取，重型货车可

达20片。用变截面少片簧时，片数在1〜4片之间选取。

4.5钢板弹簧各片长度的确定

片厚不变宽度连续变化的单片钢板弹簧是等强度梁，形状为菱形（两

个三角形）。将由两个三角形钢板组成的钢板弹簧分割成宽度相同的若干

片，然后按照长度大小不同依次排列、叠放到一起，就形成接近实用价

值的钢板弹簧。实际上的钢板弹簧不可能是三角形，因为为了将钢板弹

簧中部固定到车轴（桥）上和使两卷耳处能可靠地传递力，必须使它们有

一定的宽度，因此应该用中部为矩形的双梯形钢板弹簧（图5）替代三角形

钢板弹簧才有真正的实用意义。这种钢板弹簧各片具有相同的宽度，但

长度不同。首先假设各片厚度不同，则具体进行步骤如下：先将各片厚

度小的立方值,按同一比例尺沿纵坐标绘制在图（图6）上，再沿横坐标量

出主片长度的一半L/2和U形螺栓中心距的一半s/2,得到A、B两点，

连接A、B即得到三角形的钢板弹簧展开图。AB线与各叶片上侧边的交点

即为各片长度。如果存在与主片等长的重叠片，就从B点到最后一个重

叠片的上侧边端点连一直线，此直线与各片上侧边的交点即为各片长

度。各片实际长度尺寸需经圆整后确定。

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图6确定钢板弹簧各片长度的作图法

4.6钢板弹簧刚度的验算

在此之前，有关挠度增大系数3、总惯性矩J。、片长和叶片端部形状

等的确定都不够准确，所以有必要验算刚度。刚度验算公式为

°=6的/反火化-3)](4-5)

/L*=i.

其中4+1=&-匕i+i=771'〃+1=Ki-

z/£L

/=!/=1

式中，a为经验修正系数，a=0.90〜0.94；E为材料弹性模量；h、h”

为主片和第(k+1)片的一半长度。式(4-5)中主片的一半L,如果用中心

螺栓到卷耳中心间的距离代入，求得的刚度值为钢板弹簧总成自由刚度

5；如果用有效长度，即J；=Q-0.5公)代入式(4-5),求得的刚度值是钢

板弹簧总成的夹紧刚度。

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4.7钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算

4.7.1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高Ho

钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U形螺栓夹紧前，其主片上表面

与两端(不包括卷耳孔半径)连线间的最大高度差，称为钢板弹簧总成在

自由状态下的弧高H。，用下式计算

Ho=(fc+fa+Af)(4-6)

式中，。为静挠度；fa为满载弧高；Af为钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧

2

后引起的弧高变化，Af=s(3L-s)(fa+fJ/2L；S为U形螺栓中心距；L

为钢板弹簧主片长度。钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径

RO=L7(8HO)o

4.7.2钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定

因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同，各片自由

状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后

能很好地贴紧，减少主片工作应力，使各片寿命接近。

图7钢板弹簧各片自由状态下的曲率半径

矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定

Ri=Ro/[l+(2GoiRo)/(Ehi)](4-7)

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式中Ri为第i片弹簧自由状态下的曲率半径(mm);R。为钢板弹簧总成在

自由状态下的曲率半径(mm)；品为各片弹簧的预应力(MPa)；E为材料弹

性模量(MPa),<E=2.lxlO5MPa；hi为第i片的弹簧厚度(mm)。

在已知钢板弹簧总成刍由状态下曲率半径R。和各片弹簧预加应力

的条件下，可以用式(4-7)计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径Ri。选

取各片弹簧预应力时，要求做到：装配前各片弹簧片间间隙相差不大，

且装配后各片能很好贴和；为保证主片及与其相邻的长片有足够的使用

寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。为此，选取各片预应

力时，可分为下列两种情况：对于片厚相同的钢板弹簧，各片预应力值

不宜选取过大；对于片厚不相同的钢板弹簧，厚片预应力可取大些。推

荐主片在根部的工作应力与预应力叠加后的合成应力在300〜350MPa内

选取。在确定各片预应力时，理论上应满足各片弹簧在根部处预应力所

造成的弯矩M之代数和等于零，即

£=0(6—12)或£/必=0(6—13)

/=1/=1

如果第i片的片长为L,则第i片弹簧的弧高为HeL2/(8Ri)

4.8钢板弹簧总成瓠高的核算

由于钢板弹簧叶片在刍由状态下的曲率半径R是经选取预应力前后

用式(4-7)计算，受其影响，装配后钢板弹簧总成的弧高与用RO=L2/(8H。)

计算的结果会不同。因此，需要核算钢板弹簧总成的弧高。根据最小势

能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此

可求得等厚叶片弹簧的R。为小=£伉")/£/，,(4-8)式中，L为钢

//=i/i=i

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板弹簧第i片长度。钢板弹簧总成弧高为H，2/(8RO)(4-9)

用式(4-9)与用式(4-6)计算的结果应相近。如相差较多，可经重新选用

各片预应力再行核算。

4.9钢板弹簧的强度验算

紧急制动时，前钢板弹簧承受的载荷最大，在它的后半段出现的最

大应力—用下式计算°皿=[*(4+花班1+2尤](4-10)

式中，G为作用在前轮上的垂直静负荷；为制动时前轴负荷转移系数,

轿车：m「=1.2〜1.4,货车：m」=1.4〜1.6；L、b为钢板弹簧前、后

段长度；力为道路附着系数，取0.8；W。为钢板弹簧总截面系数；c为弹

簧固定点到路面的距离(图8)。

图8汽车制动时钢板弹簧的受力图

汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力

dax用下式计算5nax=12AMi2+℃)]/[(/+Oo]+G/；。/(幽)(4T1)

式中，Gz为作用在后轮上的垂直静负荷；m2,为驱动时后轴负荷转移系数,

乘用车：m2*=1.25-1.30,货车：m2'=l.1-1.2；力为道路附着系数；

b为钢板弹簧片宽；仄为钢板弹簧主片厚度。此外，还应当验算汽车通过

不平路面时钢板弹簧的强度。

钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度核算。卷耳处所受应力。是由弯曲应

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力和拉（压）应力合成的应力，卷耳受力如下图4To所示。

o=[36（。