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鋼板彈簧設(shè)計 1 鋼板彈簧的布置方案2 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定3 鋼板彈簧各片長度的確定4 鋼板彈簧剛度的驗算5 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算6 鋼板彈簧總成弧高的核算7 鋼板彈簧的強度驗算8 少片彈簧 1 1 鋼板彈簧的布置方案 鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置 后者因為要傳遞縱向力 必須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置 使結(jié)構(gòu)復(fù)雜 質(zhì)量加大 所以只在少數(shù)輕 微型車上應(yīng)用 縱置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩 并且結(jié)構(gòu)簡單 故在汽車上得到廣泛應(yīng)用 縱置鋼板彈簧又有對稱式與不對稱式之分 鋼板彈簧中部在車軸 橋 上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離若相等 則為對稱式鋼板彈簧 若不相等 則稱為不對稱式鋼板彈簧 多數(shù)情況下汽車采用對稱式鋼板彈簧 由于整車布置上的原因 或者鋼板彈簧在汽車上的安裝位置不動 又要改變軸距或者通過變化軸距達到改善軸荷分配的目的時 采用不對稱式鋼板彈簧 2 2 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定 在進行鋼板彈簧計算之前 應(yīng)當知道下列初始條件 滿載靜止時汽車前 后軸 橋 負荷G1 G2和簧下部分荷重Gu1 Gu2 并據(jù)此計算出單個鋼板彈簧的載荷 Fw1 G1 Gu1 2和Fw2 G2 Gu2 2 懸架的靜撓度fc和動撓度fd 汽車的軸距等 1 滿載弧高fa滿載弧高fa是指鋼板彈簧裝到車軸 橋 上 汽車滿載時鋼板彈簧主片上表面與兩端 不包括卷耳孔半徑 連線間的最大高度差 圖6 11 fa用來保證汽車具有給定的高度 當fa 0時 鋼板彈簧在對稱位置上工作 為了在車架高度已限定時能得到足夠的動撓度值 常取fa 10 20mm 3 2 鋼圖6 11鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高板彈簧長度L的確定 4 2 鋼板彈簧長度L的確定鋼板彈簧長度L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離 增加鋼板彈簧長度L能顯著降低彈簧應(yīng)力 提高使用壽命 降低彈簧剛度 改善汽車平順性 在垂直剛度c給定的條件下 又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度 鋼板彈簧的縱向角剛度系指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時 作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值 增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時 能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形 選用長些的鋼板彈簧 會在汽車上布置時產(chǎn)生困難 原則上在總布置可能的條件下 應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長些 推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長度 轎車 L 0 40 0 55 軸距 貨車前懸架 L 0 26 0 35 軸距 后懸架 L 0 35 0 45 軸距 5 3 鋼板彈簧斷面尺寸及片數(shù)的確定 1 鋼板斷面寬度b的確定有關(guān)鋼板彈簧的剛度 強度等 可按等截面簡支梁的計算公式計算 但需引入撓度增大系數(shù) 加以修正 因此 可根據(jù)修正后的簡支梁公式計算鋼板彈簧所需要的總慣性矩J0 對于對稱鋼板彈簧J0 L ks 3c 48E 6 5 式中 s為U形螺栓中心距 mm k是為考慮U形螺栓夾緊彈簧后的無效長度系數(shù) 如剛性夾緊 取k 0 5 撓性夾緊 取k 0 c為鋼板彈簧垂直剛度 N mm c Fw fc 為撓度增大系數(shù) 先確定與主片等長的重疊片數(shù)n1 再估計一個總片數(shù)n0 求得 n1 n0 然后用 1 5 1 04 1 0 5 初定 E為材料的彈性模量 鋼板彈簧總截面系數(shù)W0用下式計算 6 W0 Fw L ks 4 w 6 6 式中 w 為許用彎曲應(yīng)力 對于55SiMnVB或60Si2Mn等材料 表面經(jīng)噴丸處理后 推薦 w 在下列范圍內(nèi)選取 前彈簧和平衡懸架彈簧為350 450MPa 后主簧為450 550MPa 后副簧為220 250MPa 將式 6 6 代人下式計算鋼板彈簧平均厚度hphp 2J0 W0 L ks 2 w 6Efc 6 7 有了hp以后 再選鋼板彈簧的片寬b 增大片寬 能增加卷耳強度 但當車身受側(cè)向力作用傾斜時 彈簧的扭曲應(yīng)力增大 前懸架用寬的彈簧片 會影響轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角 片寬選取過窄 又得增加片數(shù) 從而增加片間的摩擦和彈簧的總厚 推薦片寬與片厚的比值b hp在6 10范圍內(nèi)選取 7 2 鋼板彈簧片厚h的選擇矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩J0用下式計算J0 nbh3 12 6 8 式中 n為鋼板彈簧片數(shù) 由式 6 8 可知 改變片數(shù)n 片寬b和片厚h三者之一 都影響到總慣性矩J0的變化 再結(jié)合式 6 5 可知 總慣性矩J0的改變又會影響到鋼板彈簧垂直剛度c的變化 響汽車的平順性變化 其中 片厚h的變化對鋼板彈簧總慣性矩J0影響最大 增加片厚h 可以減少片數(shù)n 鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不同兩種情況 希望盡可能采用前者 但因為主片工作條件惡劣 為了加強主片及卷耳 也常將主片加厚 其余各片厚度稍薄 此時 要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過三組 為使各片壽命接近又要求最厚片與最薄片厚度之比應(yīng)小于1 5 最后 鋼板斷面尺寸b和h應(yīng)符合國產(chǎn)型材規(guī)格尺寸 8 圖6 12葉片斷面形狀a 矩形斷面b T形斷面c 單面有拋物線邊緣的斷面d 單面有雙槽的斷面 9 4 鋼板彈簧片數(shù)n片數(shù)n少些有利于制造和裝配 并可以降低片間的干摩擦 改善汽車行駛平順性 但片數(shù)少了將使鋼板彈簧與等強度梁的差別增大 材料利用率變壞 多片鋼板彈簧一般片數(shù)在6 14片之間選取 重型貨車可達20片 用變截面少片簧時 片數(shù)在1 4片之間選取 10 3 鋼板彈簧各片長度的確定 片厚不變寬度連續(xù)變化的單片鋼板彈簧是等強度梁 形狀為菱形 兩個三角形 將由兩個三角形鋼板組成的鋼板彈簧分割成寬度相同的若干片 然后按照長度大小不同依次排列 疊放到一起 就形成接近實用價值的鋼板彈簧 實際上的鋼板彈簧不可能是三角形 因為為了將鋼板彈簧中部固定到車軸 橋 上和使兩卷耳處能可靠地傳遞力 必須使它們有一定的寬度 因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼板彈簧 圖6 13 替代三角形鋼板彈簧才有真正的實用意義 這種鋼板彈簧各片具有相同的寬度 但長度不同 首先假設(shè)各片厚度不同 則具體進行步驟如下 先將各片厚度的立方值按同一比例尺沿縱坐標繪制在圖 圖6 14 上 再沿橫坐標量出主片長度的一半L 2和U形螺栓中心距的一半s 2 得到A B兩點 連接A B即得到三角形的鋼板彈簧展開圖 AB線與各葉片上側(cè)邊的交點即為各片長度 如果存在與主片等長的重疊片 就從B點到最后一個重疊片的上側(cè)邊端點連一直線 此直線與各片上側(cè)邊的交點即為各片長度 各片實際長度尺寸需經(jīng)圓整后確定 11 圖6 13雙梯形鋼板彈簧圖6 14確定鋼板彈簧各片長度的作圖法 12 4鋼板彈簧剛度驗算 在此之前 有關(guān)撓度增大系數(shù) 總慣性矩J0 片長和葉片端部形狀等的確定都不夠準確 所以有必要驗算剛度 剛度驗算公式為 6 9 其中式中 為經(jīng)驗修正系數(shù) 0 90 0 94 E為材料彈性模量 l1 lk 1為主片和第 k 1 片的一半長度 式 6 9 中主片的一半l1 如果用中心螺栓到卷耳中心間的距離代入 求得的剛度值為鋼板彈簧總成自由剛度cj 如果用有效長度 即代入式 6 9 求得的剛度值是鋼板彈簧總成的夾緊剛度 13 5鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計算 1 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H0鋼板彈簧各片裝配后 在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前 其主片上表面與兩端 不包括卷耳孔半徑 連線間的最大高度差 圖6 11 稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高H0 用下式計算H0 fc fa f 6 10 式中 fc為靜撓度 fa為滿載弧高 f為鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后引起的弧高變化 f s 3L s fa fc 2L2 s為U形螺栓中心距 L為鋼板彈簧主片長度 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑R0 L2 8H0 14 2 鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下曲率半徑的確定因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同 各片自由狀態(tài)下做成不同曲率半徑的目的是 使各片厚度相同的鋼板彈簧裝配后能很好地貼緊 減少主片工作應(yīng)力 使各片壽命接近 圖6 15鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定Ri R0 1 2 0iR0 Ehi 6 11 式中 Ri為第i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑 mm R0為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑 mm 0i為各片彈簧的預(yù)應(yīng)力 MPa E為材料彈性模量 MPa 取E 2 1 105MPa hi為第i片的彈簧厚度 mm 15 在已知鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下曲率半徑R0和各片彈簧預(yù)加應(yīng)力 0i的條件下 可以用式 6 11 計算出各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑Ri 選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時 要求做到 裝配前各片彈簧片間間隙相差不大 且裝配后各片能很好貼和 為保證主片及與其相鄰的長片有足夠的使用壽命 應(yīng)適當降低主片及與其相鄰的長片的應(yīng)力 為此 選取各片預(yù)應(yīng)力時 可分為下列兩種情況 對于片厚相同的鋼板彈簧 各片預(yù)應(yīng)力值不宜選取過大 對于片厚不相同的鋼板彈簧 厚片預(yù)應(yīng)力可取大些 推薦主片在根部的工作應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力疊加后的合成應(yīng)力在300 350MPa內(nèi)選取 在確定各片預(yù)應(yīng)力時 理論上應(yīng)滿足各片彈簧在根部處預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩Mi之代數(shù)和等于零 即 6 12 或 6 13 如果第i片的片長為Li 則第i片彈簧的弧高為Hi L2 8Ri 6 14 16 6鋼板彈簧總成弧高的核算 由于鋼板彈簧葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑Ri是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力 0i后用式 6 11 計算 受其影響 裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用R0 L2 8H0 計算的結(jié)果會不同 因此 需要核算鋼板彈簧總成的弧高 根據(jù)最小勢能原理 鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢能總和最小狀態(tài) 由此可求得等厚葉片彈簧的R0為 6 15 式中 Li為鋼板彈簧第i片長度 鋼板彈簧總成弧高為H L2 8R0 6 16 用式 6 16 與用式 6 10 計算的結(jié)果應(yīng)相近 如相差較多 可經(jīng)重新選用各片預(yù)應(yīng)力再行核算 17 7鋼板彈簧強度驗算 1 緊急制動時 前鋼板彈簧承受的載荷最大 在它的后半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力 max用下式計算 6 17 式中 G1為作用在前輪上的垂直靜負荷 m1 為制動時前軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù) 轎車 m1 1 2 1 4 貨車 m1 1 4 1 6 l1 l2為鋼板彈簧前 后段長度 為道路附著系數(shù) 取0 8 W0為鋼板彈簧總截面系數(shù) c為彈簧固定點到路面的距離 圖6 16 圖6 16汽車制動時鋼板彈簧的受力圖 18 2 汽車驅(qū)動時 后鋼板彈簧承受的載荷最大 在它的前半段出現(xiàn)最大應(yīng)力 max用下式計算 6 18 式中 G2為作用在后輪上的垂直靜負荷 m2 為驅(qū)動時后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù) 乘用車 m2 1 25 1 30 貨車 m2 1 1 1 2 為道路附著系數(shù) b為鋼板彈簧片寬 h1為鋼板彈簧主片厚度 此外 還應(yīng)當驗算汽車通過不平路面時鋼板彈簧的強度 許用應(yīng)力 取為1000MPa 3 鋼板彈簧卷耳和彈簧銷的強度核算 卷耳處所受應(yīng)力 是由彎曲應(yīng)力和拉 壓 應(yīng)力合成的應(yīng)力 卷耳受力如下圖6 17所示 6 19 式中 Fx為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力 D為卷耳內(nèi)徑 b為鋼板彈簧寬度 h1為主片厚度 許用應(yīng)力 取為350MPa 19 圖6 17鋼板彈簧主片卷耳受力圖對鋼板彈簧銷要驗算鋼板彈簧受靜載荷時鋼板彈簧銷受到的擠壓應(yīng)力 Z Fs bd 其中 Fs為滿載靜止時鋼板彈簧端部的載荷 b為卷耳處葉片寬 d為鋼板彈簧銷直徑 用30鋼或40鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時 彈簧銷許用擠壓應(yīng)力 Z 取為3 4MPa 用20鋼或20Cr鋼經(jīng)滲碳處理或用45鋼經(jīng)高頻淬火后 其許用應(yīng)力 Z 7 9MPa 鋼板彈簧多數(shù)情況下采用55SiMnVB鋼或60Si2Mn鋼制造 常采用表面噴丸處理工藝和減少表面脫碳層深度的措施來提高鋼板彈簧的壽命 表面噴丸處理有一般噴丸和應(yīng)力噴丸兩種 后者可使鋼板彈簧表面的殘余應(yīng)力比前者大很多 20 8少片彈簧 少片彈簧在輕型車和轎車上得到越來越多的應(yīng)用 其特點是葉片由等長 等寬 變截面的1 3片葉片組成 圖6 18 利用變厚斷面來保持等強度特性 并比多片彈簧減少20 40 的質(zhì)量 片間放有減摩作用的塑料墊片 或做成只在端部接觸以減少片間摩擦 圖6 19所示單片變截面彈簧的端部CD段和中間夾緊部分AB段是厚度為h1和h2的等截面形 BC段為變厚截面 BC段厚度可按拋物線形或線性變化 圖6 18單片彈簧和少片彈簧圖6 19單片變截面彈簧的一半a 單片彈簧b 少片彈簧 21 1 按拋物線形變化此時厚度hx隨長度的變化規(guī)律為hx h2 x l2 1 2 慣性矩Jx J2 x l2 3 2 單片剛度為 6 20 式中 E為材料的彈性模量 為修正系數(shù) 取0 92 l l2如圖6 19 J2 bh23 12 其中b為鋼板寬 k 1 h1 h2 3 彈簧在拋物線區(qū)段內(nèi)各點應(yīng)力相等 其值為 6Fsl2 bh22 2 按線性變化此時厚度hx隨長度的變化規(guī)律為式中 單片鋼板彈簧剛度仍用式 6 20 計算 但式中系數(shù)k用K 代入 即 式中 l1 l2 h1 h2 22 當l1 l2 2 1 或2h1 h2時 彈簧最大應(yīng)力點發(fā)生在x B A 處 此處hx A x B 2B 其應(yīng)力值 max 3Fs 2bA B 當l1 l2 2 1 時 最大應(yīng)力點發(fā)生在B點 其值 max 3Fsl2 2bh23 max應(yīng)小于許用應(yīng)力 由n片組成少片彈簧時 其總剛度為各片剛度之和 其應(yīng)力則按各片所承受的載荷分量計算 少片彈簧的寬度 在布置允許的情況下盡可能取寬些 以增強橫向剛度 常取75 100mm 厚度h1 8mm 以保證足夠的抗剪強度并防止太薄而淬裂 h2取12 20mm 23