板簧设计教材

1汽车钢板弹簧设计第一节悬架的定义、功能及其组成悬架是现代汽车上的主要总成之一，它能够把车架（车身）与车轴（车轮）弹性的连接起来，其主要任务是传递作用在与车架和车轮之间的一切力和力矩，并且缓和由于路面不平而传给车身的冲击载荷，衰减由于冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的正常行驶。悬架通常由弹性元件、导向机构及减振装置组成。弹性元件主要有：钢板弹簧，螺旋弹簧，橡胶弹簧，空气弹簧及油气弹簧等。在长期的发展过程中，由于钢板弹簧具有结构简单，制造成本较低，占用空间小，维修方便等一系列特点，因此目前在世界各国仍都在大量的采用钢板弹簧。第二节．钢板弹簧的种类一、按力学性能特点分：分为等刚度、两极刚度复式钢板弹簧、渐变刚度钢板弹簧。二、按截面形状分：分为等截面板簧和变截面板簧第三节．钢板弹簧的截面形状目前国内钢板弹簧的截面形状有：a矩形截面b单面双槽截面c带凸肋的截面弹簧在设计成不对称形状，目的是把断面的中性轴移近受拉表面，减少弹簧的拉应力。此种材料也存在缺点（1）槽内容易储存泥沙加剧表面腐蚀。2（2）轧制后在沟槽的对应拉面上，表面质量较差，双槽的比单槽的更严重。这种表面缺陷成为疲劳起源点。注：在钢板弹簧的设计过程中应优先选择GB1222-84《弹簧钢》所规定的规格。第四节．钢板弹簧的主要元件结构一、第一片卷耳形式钢板弹簧的卷耳形式一般有3种结构，上卷耳、下卷耳和平卷耳（柏林耳）。上卷耳使用的比较多，采用下卷耳主要是为了协调钢板弹簧与转向系的运动，下卷耳在载荷作用下容易张开。平卷耳可以减少卷耳的应力，因为纵向力作用方向和弹簧主片断面的中心线重合，对于不能增加主片厚度但又要保证主片卷耳强度的弹簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造上比上述两种卷耳复杂，一般轿车多采用平卷耳或下卷耳。二、第二片包耳3汽车在使用条件恶劣的情况下，需要采用加强卷耳的措施。常见的是将第二片作成包耳形式以保护主片。轻型车与箱式客车多采用1/4包耳，而大型载货汽车和大型客车多采用3/4包耳或装配式包耳。三、钢板弹簧的中心螺栓中心螺栓的作用除了夹紧各片弹簧外又是安装钢板弹簧的定位销。中心螺栓在U型螺栓松动时易被剪断，因此应有一定的强度。由于中心螺栓直径大小将影响弹簧断面强度，因此直径不宜选的过大，一般与簧片厚度相等。下表是推荐中心螺栓尺寸。簧片厚＜77~99~1111~1313~16中心螺栓直径810121416四、板簧夹箍板簧夹箍除了防止弹簧各片横向错位之外，还能在弹簧回弹时将力传递给其它片，减少主片应力。五、板簧衬套钢板弹簧衬套分为金属与非金属，金属衬套一般为钢铜合金、粉末冶金与60号钢，金属衬套要有良好的润滑，否则磨损加剧甚至烧结。使用后往往伴有弹簧销的磨损，以至两种零件都要更换。有些军用车采用螺纹结构衬套，即用螺栓式的弹簧销和螺孔式的衬套相配，这种结构能传递侧向力，使卷耳不必与支架接触，消除这部分的磨损，而4且可以在侧面采用密封装置保证良好的润滑状态，避免泥水渗入。非金属衬套分为塑料和橡胶两类。塑料衬套有自润滑性质，对润滑的要求较低，而且对保护弹簧销有利。在正常使用条件下不会引起磨损。我国目前多使用聚甲醛或尼龙衬套。橡胶衬套不存在磨损，无须润滑保养且有吸收高频振动的功能。橡胶衬套必须有足够的厚度，才不会在扭转时产生过大剪切应力，这样使卷耳孔径过大降低卷耳的强度。其次橡胶的老化、开裂与脱胶引起磨损加快。由于以上原因只在小型客车和小型载重汽车上使用。第五节．板簧对汽车行驶平顺性影响较好的行驶平顺性，不仅能保证驾乘人员的舒适和保证运载货物的稳定，而且还能提高汽车的运输速度，减少燃料消耗，延长零件使用寿命和提高零件的工作可靠性。汽车行驶平顺性的评价法，通常根据人体对振动的生理反映及对保持货物完整性的影响来确定。通常用表征振动的物理量，如频率，振幅，加速度及加速度变化率等做为行驶平顺性的评价指标。目前常用汽车车身的振动固有频率和振动加速度两个主要指标评价汽车的行驶平顺性。根据试验得出结论：车身振动的固有频率为人体所习惯的步行时身体上下运动的频率，平顺性较好，约为60～85次/分（1HZ~1.6HZ）振动加速度的极限允许值为（0.3～0.4）g。从货物的稳定性而言，当振动加速度达到1g时，则在车箱内未固定的货5就会离开车箱，因此振动加速度不应超出（0.6～0.7）g。正确的选择前后悬架的频率，可减轻车身的纵向角振动。在选择前后悬架的振动频率时，应使前后悬架的振动频率尽量接近，或使后悬架的振动频率略高于前悬架的振动频率。第六节．钢板弹簧设计钢板弹簧设计的根本任务是，根据整车布置或悬架系统的要求和给定的参数，正确的设计出钢板弹簧的规格尺寸（最好能采用标准所规定的常用材料规格）,并计算出有关参数指标。一．确定设计的原始依据：根据整车总布置及悬架系统设计要求，首先要给钢板弹簧设计者提供以下几方面的数据作为其设计依据。1．轴荷整车总布置设计师根据整车的自重、承载能力及各轴的载荷分布情况提供轴荷。2．非簧载重量在整车布置时根据各有关总成的实际重量或估算重量来计算。A.车轮、车轿总成的全部重量均算为非簧载重量B.传动轴、纵拉杆、推力杆等总成的一半算为非簧载重量。C.钢板弹簧总成本身如果装配方式是正置的（主片在上方），则其四分6之三的重量算为非簧载重量，如果其装配方式是倒置的（主片在下方），则其四分之一算为非簧载重量。钢板弹簧的静载荷：（轴荷—非簧载重量）/2＝钢板弹簧的静载荷3.轴距轴距涉及到板簧长度的确定，有时会影响到板簧力学性能的设计，会出现无法满足总布置设计要求，因而这时就需要由板簧设计者同总布置共同协商解决。4、重心高度在汽车的总布置设计时往往只给出了空载时重心高度，所以还要根据汽车的使用特点及货物的重心位置，进一步确定出满载时整车的重心高度。5.钢板弹簧的长度和宽度的控制范围对具体车型的设计，结合轴荷和车型布置（前悬、转向机位置，左右弹簧的中心距，前轮的最大转角，车架外宽等），往往对钢板弹簧的设计，限定一定的长度和宽度范围。所以从系列化出发，应以尽量少的弹簧长度和宽度来满足各车型的需要，才有利于许多附件的通用化。6.车架上平面至车轮中心的距离根据整车布置的满载时前、后轴位置上车架离地高度，按轮胎静力半径算出车架上平面至车轮中心的距离。再结合车架和车轴、车轿的形状，做为钢板弹簧布置的基本空间。77.重量指标在满足性能和寿命要求的前提下，力争使钢板弹簧的自重不大于设计任务书给定的指标。计算非簧载重量时，也可参照此值进行估算。二．钢板弹簧各基本参数和规格的确定设计钢板弹簧时，不象分析整车振动那样复杂，它可以将前后悬架独立开，并作为一个简单的单自由度无阻尼线性系统来计算。即不考虑前后悬架的关联不计入轮胎弹性，而且不考虑减振器的阻尼影响。1.刚度的确定（1）根据给定车轮的平顺性要求，初步确定期望的自振频率或其范围，按下式计算出期望的满载静挠度，再从已知的负荷算出期望的刚度。fm=（300Nm）2C=QfmC=48EI0δL3式中：Nm————满载自振频率fm———满载静挠度（单位cm）Q——满载负荷C——夹紧刚度δ——形状系数按公式C=48EI0δL3计算的刚度是板簧大概刚度值，当板簧的片数和尺寸确8定后，就可以精确计算出挠度和刚度。钢板弹簧的精确计算要通过表格计算法获得，计算格式如下表：检验刚度的计算序号长度L/2AK+1BHIk￡IkYkI0J0I0*J0￡CL1-Lk+1B*H3/1210000/￡IkYk-Yk+1Ak+13*0.0001mmmmmmmmmm4mm41/mm41/mm4mm31/mmKg/mm1650761063336333.31.579265007610633312666.70.7890.7890.000.003570807610633319000.00.5260.26351.2013.4744851657610633325333.30.3950.132449.2159.1153972537610633331666.70.3160.0791619.43127.8563223287610633338000.00.2630.0533528.76185.7272523987610633344333.30.2260.0386304.48237.0181824687610633350666.70.1970.02810250.32289.016500.19727462.505420.236332.4117.31已知：板簧规格10*76共8片各片长度分别为：L1＝L2＝1300mmL3＝1140mmL4＝970mmL5＝794mmL6＝644mmL7＝504mmL8＝364mm式中C=0.87x6x21000/6332.41=17.31Kg/mm0.87为刚度修正系数一般取0.83~0.87之间。一般片多与片厚取下限，片少与片薄取上限。计算刚度时的固有频率的选择还同使用条件有关，一般对于不同类型的汽车按如下推荐值选取：A.重汽推荐值轿车：n＝60～90c/min9轻型客车：n＝70～100c/min载货类汽车：n＝80～170c/min城市客车：n≯111c/min长途客车：n≯99c/min旅游客车：：n≯80c/min矿用汽车或越野汽车：n＝100～130c/min，在满足强度条件时，也可以取的低一点，有时也可以达到85～125c/min。B.二汽产品设计处对于非独立悬架的载重汽车和越野车，一般满载时，前悬架取N1＝100～110后悬架N2＝110～120满载时前后频率的比值N1/N2＝0.85～1.02、材料规格与片数的确定钢板弹簧的作用长度系指在伸直状态下两卷耳中心之间的长度，对滑板式板簧的作用长就是作用板簧上的两个支架间的距离，因而也就是支点距。根据总部置给定的材料宽度与初定的板簧作用长度与无效长度确定板簧的片厚与片数。C=48EI0δL3δ＝3（1-η3）[12-2η+η2（32-lnη）]10η＝I1I0式中：I1—端部惯性距I0—根部惯性距Io=bh312.nE：材料弹性模量（2.1x104Kgf/mm2）（对于单面双槽的材料Io=0.067nbh3/12）在上式中当L、s确定后，C就由Io决定，根据Io选定由上式我们可以看到Io与h3成正比，只要稍稍增加h就能大大地增加Io从而减少叶片的数量。一般情况下建议B和h的比最好在4.5＜BH＜10之间为宜。如性能和结构上不能采用等厚片时，总的种类在一组弹簧中也应超过三组，且最厚片与最薄片的厚度比不小于1.5。叶片的总数一般在6～14片之间。个别情况也有较多的。3、比应力的计算比应力对钢板弹簧的疲劳寿命有明显的影响，在确定的形状系数、有效长度、以及各片的断面参数带如公式可求出比应力：σ=12EI0δL2W0比应力建议选取下列范围：一般载重汽车前、后簧：450~550kgf/cm2/cm越野车平衡悬架弹簧：650~800kgf/cm2/cm载重车后悬架副簧：750~850kgf/cm2/cm11如果所得的比应力值不合适，就应修改片厚和片数，修改后应使根部总惯性矩尽量少变化，即刚度无明显变化。最后修改值再重算一次刚度。4、各片长度的确定正确的选择各片长度的目的，是尽可能使应力在片间和片长的分布合理，以达到各片等寿命的要求。在总成长度与片数确定以后来确定各片的长度。一般采用展开作图法，这种方法是建筑在共同曲率及单片梁的假设基础上的。具体画法是从U形螺栓跨距之半（下侧边）到主片端点（上侧边）连一直线，此直线与各叶片的上侧边的交点即为各片长度。如果前几片为等长片则以最下面一片连线作图。根据美国SAE设计手册规定，不对称板簧的前后长度比为1：1.3，或更小。5、总成弧高的确定根据悬架布置的要求（车架至轮心的距离、车架轮廓、车轴尺寸、弹簧总厚度、限位块尺寸、支架尺寸和位置以及最大动行程等），以及对导向特性的12要求，确定满载弧高Hp按公式计算无载夹紧弧高，然后计算不夹紧自由弧高。HO=（S（3L-S）2L2+1）H1式中：HO：总成自由弧高S：U形螺栓夹紧距L：伸直长度H1：夹紧后总成无载弧高三、钢板弹簧装车后各参数的校