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1、汽 车 平 衡 悬 架钢 板 弹 簧 设 计东风德纳车桥有限公司2005年9月15日一、 钢板弹簧作用和特点a. 结构简单，制造、维修方便；b. 弹性元件作用；c. 导向作用；d. 传递侧向、纵向力和力矩的作用；e. 多片弹簧片间摩擦还起系统阻尼作用；f. 在车架或车身上两点支承，受力合理；g. 可实现变刚度特性；h. 相比螺旋弹簧和扭杆弹簧而言，单位质量的储能量较小，在同样的使用条件下，钢板弹簧要重一些。二、 钢板弹簧的种类、材料热处理及弹簧表面强化1. 目前，汽车上使用的钢板弹簧常见的有以下几种：1) 普通多片钢板弹簧；2) 少片变截面钢板弹簧；3) 两级变刚度复式钢板弹簧；4) 渐变刚度
2、钢板弹簧2. 钢板弹簧材料的一般要求钢板弹簧与其它弹性元件一样，弹簧使用寿命与材料及制造工艺有很大关系，因此选用弹簧材料时应考虑以下几个方面因素1) 弹性极限 弹簧在弹性极限范围内变形时，希望弹簧储存的弹性变形能要大，而弹簧在单位中单位体积内储存的弹性变形能是与材料的弹性极限平方成正比，而与弹性模量与反比，因此从提高材料贮存的弹性变形能角度看，希望提高材料的弹性极限。一般说材料抗拉强度高，弹性极限也高。弹性极限与材料的化学成分和金相组织有较大关系，在弹簧钢中如果提高碳、硅、锰元素含量，可以提高材料弹性极限。弹簧采用中温回火处理，能够得到具有较高弹性极限的回火屈氏体组织。2) 弹性模量 弹性模量
3、有两种，即拉伸弹性模量和剪切弹性模量。材料弹性模量愈小，材料变形和贮存的弹性变形能愈大。从这个角度看，国外采用了弹性模量较低的增强树脂材料弹簧（FRP弹簧）。3) 疲劳强度 由于弹簧多在交变载荷下工作，所以要求材料应有较高的疲劳极限，疲劳强度与材料抗拉强度和屈服强度成正比，因此为了提高弹簧的疲劳强度，应设法提高材料的抗拉强度和屈服强度与抗拉强度之比（）。4) 淬透性 对于断面较厚的或变截面钢板弹簧，希望用淬透性较好的材料。材料如不能淬透，淬火组织中将含有较多的非马氏体组织，使淬火后硬度降低。虽然可以通过降低回火温度来达到所需要的硬度，但其机械性能较差。为保证材料在整个截面内具有相同的机械性能，
4、要求淬火时不仅表面而且心部也能淬透，且淬火后表面硬度和心部硬度相差不能太大。综上所述，汽车钢板弹簧材料应具有较高的抗拉强度、屈服极限、疲劳强度及一定冲击韧性。此外要求材料具有良好的淬透性，热处理不易脱碳等性能。3. 钢板弹簧材料目前国内使用最多的弹簧钢板材料是钢，如和该钢种相当于美国，日本的材料。弹簧钢含碳量在左右，由于材料中含有硅、锰元素，经调质处理后明显提高了钢的弹性极限、屈强化及疲劳强度。由于该种材料价格便宜，因此弹簧钢在国内外得到广泛应用。钢存在的主要问题是由于钢中硅的含量较高，增加了材料表面脱碳倾向，并容易形成较多硅酸盐夹杂物，影响弹簧使用寿命。、弹簧钢适用于和生产厚度在以下的钢板弹
5、簧。为了提高弹簧钢材性能，新推出的弹簧钢。由于该材料中减少了硅元素含量和加入了微量硼和少量钢元素，改善了钢的淬透性和回火稳定性，并起到细化晶料作用，从而提高了材料强度和韧性。钢表面质量、淬透性能和脱碳敏感性均明显好于弹簧钢，可适合生产厚度以下的钢板弹簧。钢因含硼元素，对钢材冶炼工艺要求较严。另外由于这种材料含合金元素比多，所以材料价格较高。除了钢之外，使用较多的还有钢，如钢（相当于美，日本的）和钢（相当于美，日本的）。这种弹簧钢不易脱碳，表面质量及淬透性能比较好，和弹簧钢相比，有较好的断裂韧度和缺口抗拉强度，这种弹簧钢特别是钢适合于大吨位汽车和变截面少片弹簧使用。由于钢含有多种合金元素，钢材价
6、格较贵。表2 各种弹簧钢材化学成分钢种牌号化学成分（%）CSiMnCrMoNiVBSPSi-Mn60Si2Mn0.56-0.641.5-2.00.6-0.90.350.0350.03560Si2MnA0.56-0.641.5-2.01.0-1.30.350.0350.03555SiMnVB0.52-0.60.17-1.01.0-1.30.350.08-0.160.0005-0.00350.0350.035Cr-Mn-B60CrMnBA0.56-0.640.17-0.370.7-1.00.7-1.00.0005-0.00400.030.0360CrMnA0.56-0.640.17-0.370.7
7、-1.00.7-1.00.030.03CrNiMoV45CrNiMoVA0.42-0.490.17-0.370.5-0.80.8-1.10.2-0.31.3-1.80.10-0.20CrMo42CrMo0.38-0.450.17-0.370.5-0.80.9-1.20.15-0.25Cr40Cr0.37-0.440.17-0.370.5-0.80.8-1.1CrV50CrVA0.47-0.540.17-0.390.5-0.80.8-1.00.10-0.20SiCrV60Si2CrVA0.56-0.641.4-1.80.4-0.70.9-1.20.350.10-0.200.030.034. 热处
8、理热处理工艺一般是淬火加工中温回火。淬火是把弹簧片坯料加热到以上,如、钢淬火温度控制在；在该温度下保温足够时间，使簧片整个断面材料形成奥氏体组织；然后放入油中快速冷却，使奥氏体组织全部转换为马氏体组织，淬火后材料硬度大于或等于。由于马氏体组织硬度高，而且很脆，以及淬火过程中由奥氏体转变为马氏体时发生体积膨胀而产生较大应力，因此弹簧淬火后应进行回火处理，以得到回火屈氏体组织并消除内应力。为了提高弹簧钢的弹性极限，回火温度控制在。如果想得到高的疲劳极限，回火温度应为，淬火回火后弹簧硬度为。表3 各种弹簧钢材料热处理工艺及机械性能钢牌号热处理机械性能（不小于）淬火温度（）淬火剂回火温度（） (N/m
9、m) (N/mm) (%)V (%)60Si2Mn870油480201176127452560Si2MnA87020油440301372156852055SiMnVB860油4601225137253060CrMnBA830-860油460-5201078132592060CrMnA830-860油450-5201078122592045CrNiMoVA860油4601323147073542CrMo850油5609311078124540Cr850油52078498094550CrVA850油52010781274104560Si2CrVA850油41016661862520例如：46厂生产
10、的少片前簧2912ZB6-010，用于EQ4196车型，钢板弹簧材料（各单片）为60CrMnBA(GB1222-84)，钢板弹簧各单片全部经过应力喷丸处理，钢板弹簧各单片在装配前涂防锈漆层：H06-4环氧富锌底漆+表面黑漆QC-6甲，按EQY-乙。钢板弹簧总成装配前端部间接触表面涂以石墨钙基润滑脂：3#-SHO369-92。46厂生产的前簧2912ZB3A-010（共九片），用于EQ3286车型，钢板弹簧材料为55SiMnVB(GB1222-84)，钢板弹簧各单片全部经过应力喷丸处理。46厂生产的后钢板弹簧总成2913ZB3C-010（共九片），用于EQ3286、EQ3386车型，钢板弹簧材料
11、为55SiMnVB(GB1222-84)，钢板弹簧各单片全部经过应力喷丸处理。5. 钢板弹簧表面强化弹簧表面质量对弹簧使用寿命影响较大，因此除了在弹簧生产中严桥控制表面质量外，还采取了喷丸和塑性压缩处理等表面强化技术处理。1) 弹簧喷丸强化喷丸能提高弹簧使用寿命，是因为喷丸过程使弹簧在受拉表面产生一个残压应力层，弹簧工作时，使弹簧受拉表面拉应力相应减少。一般说材料屈服极限越高，喷丸后得到的残余压应力也越大。弹簧喷丸处理分自由喷丸和应力喷丸两种方式。前者是弹簧片处于自由状态下进行喷丸，后者是弹簧片受拉表面在拉力状态进行喷丸。自由喷丸在金属表面产生的残余压应力约为，应力喷丸可达。试验表明，弹簧经应
12、力喷丸后疲劳寿命可提高倍。另外，喷丸处理使弹簧片面产生大约的硬化层，因而能消除或改善弹簧片的表面缺陷，从而提高弹簧疲劳寿命。2) 弹簧塑性压缩处理塑性压缩处理是对喷丸后听弹簧总成预加一定载荷，使弹簧表面产生残余压应力，当去掉载荷后，弹簧有一定塑性变形。经塑性压缩处理的弹簧，在使用过程中能保持总成弧高不变，不再发生塑性变形。此外，塑性压缩处理和弹簧喷丸处理一样，可以使弹簧表面产生一个残余压应力层。弹簧塑性压缩处理时施加在弹簧上的载荷，应使弹簧表面产生的拉应力接近材料的屈服强度。三、 钢板弹簧设计的已知参数1. 弹簧载荷根据整车布置给定的空、满载质量减去估算的非簧载质量，得到在每副弹簧上的承载质量
13、。一般将前、后轴，车轮，制动鼓及轮毂等总成视为非簧载质量，将传动轴、转向纵拉杆等总成一半也视为非簧载质量。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，弹簧1/4质量为非簧载质量。2. 弹簧伸直长度应根据不同车型要求，由总布置给出弹簧伸直长度的控制尺寸。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。a) 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。b) 在弹簧刚度相同情况下，长的弹簧在车轮上下跳动时，弹簧两卷耳孔距离相对较小，对前悬架来说，主销后倾角变化较小，有利于汽车行驶稳定性。c) 增加弹簧长度可以降低弹
14、簧工作应力和应力幅，从而提高弹簧使用寿命。d) 增加弹簧长度可以选用片厚的弹簧，从而减少弹簧片数，并且片厚的弹簧对提高主片卷耳强度有利。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主要参数。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，见表1。 表1 汽车悬架的偏频、静挠度及动挠度车型满载偏频静挠度动挠度非周期系数前悬架后悬架前悬架后悬架前悬架后悬架货车1.5-2.11.7-2.176-116-96-86-82.0-2.50.2-0.4轻型车普通轿车1.0-1.451.17-1.5812-248-118-1110-141.8-2.0高
15、级轿车0.83-1.130.98-1.320-258-118-1110-141.8-2.0如果知道频率，那么悬架静挠度为： （1）选取悬架静挠度值时，希望后悬架静挠度值小于前悬架静挠度值，并且两值最好接近，一般推荐： （2）为防止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。悬架动挠度值与汽车使用情况和静挠度值有关，一般推荐： （3）城市公用车辆，公路用车辆，越野车辆。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，因此弹簧满载弧值应根据整车和悬架性能要求给出适当值，一般取。有的车辆为得到良好的操纵稳定性，满载弧高取负值。四、 钢板弹
16、簧刚度和应力计算关于钢板弹簧刚度和应力计算，基于不同的假设计算方法各异。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。1. 共同曲率法共同曲率法是假设钢板弹簧在任何载荷下，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，将展成一个平面是，组成一个新的单片弹簧（图1、图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2）。1
17、) 梯形单片弹簧图1 梯形单片弹簧计算梯形单片弹簧变形和应力，可以利用材料力学求小挠度梁方法计算。梯形单片弹簧与等宽简支梁计算公式不同之处是引进了一个挠度系数，梯形单片弹簧刚度、变形、应力和比应力计算公式如下： （4） （5） （6） （7）式中： 梯形单片弹簧刚度，; 梯形单片弹簧变形，; 梯形单片弹簧在根部（或中心螺栓处）应力，; 弹簧比应力（单位变形应力），; 钢板弹簧材料弹性模量，取； 作用在弹簧上的载荷，取,； 梯形单片弹簧长度， ,； 梯形单片弹簧在根部的惯性矩， ; （8） 梯形单片弹簧在根部的断面系数， ; （9） 单片弹簧各片宽度， ； 单片弹簧各片厚度， ； 挠度增大系数，
18、 ； （10） 弹簧总片数； 与主片等长片数。 需要说明一点的是，上面计算公式只适用于等厚片弹簧，对于各片厚度或惯性矩不等的多片弹簧，应按等效惯性矩方法来确定各片的展开宽度。弹簧各片应力和比应力，按下面方法计算。根据共同曲率假设，任意载荷时同一截面上各片曲率半径相等条件下，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。 （11）式中： 作用在第簧片上的力矩，; 第片弹簧惯性矩， ; 弹簧各片惯性矩之和， ; 第片弹簧片厚， 。第片弹簧在根部的应力和比应力为： （12） （13）式中： 第片弹簧断面系数， 。2) 阶梯形单片弹簧图2 阶梯形单片弹簧阶梯形单片弹簧与
19、梯形单片弹簧不同之处是，这种弹簧的断面惯性矩沿片长变化不同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。阶梯形单片弹簧刚度为： （14）式中：； 主片伸直长度一半， ； 第片伸直长度一半， ； 第片惯性矩， ； 第片至第片弹簧惯性矩之和的倒数， ; 第片至第片弹簧惯性矩之和的倒数， ; 弹簧刚度修正系数，取. 利用（11）式计算出的弹簧刚度值，要比实际测得的刚度要大，这主要是由于计算认为弹簧片端部承受了弯矩，这一假设与实际情况不符。另外，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（11）式计算弹簧刚度时，引用一个刚度修正系数，一般弹簧片数多时取下限，片数少时
20、取上限。阶梯形单片弹簧应力与比应力可按式（6）、（7）、（12）、（13）计算。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，因此弹簧片间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较合适的。图3是按这一种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接触。1) 弹簧片端载荷计算假设主片卷耳片处载荷为，其它各片在端点处产生的力为,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载荷。 （15）式中 （16） 为弹簧片端压延变形增加系数。该公式推导是假设片端厚度由h压延成h，压延长度等于相邻两弹簧片的长度，片端压延形
21、状如图4所示。显然，没压延的矩形片端，。图3 集中载荷法计算模型方程组（12）是（n-1）次线性方程组，计算各片端部载荷时，从最后一个方程开始，把值用表示，并代入前面一个方程组，依次代入第一个方程式中，得到只有和的关系式，由此求出作用在各片端部载荷、值。图4 弹簧片端压延形状2) 弹簧刚度计算由于弹簧总成在卷耳处变形等于主片在该点处变形，因此如果知道主片在卷耳孔处变形，就能求出弹簧刚度。主片在、力作用下，在卷耳孔处变形(图5)为： （17）图5 主片受力变形状况弹簧刚度K计算为： （18）式中： 主片断面惯性矩， 。3) 弹簧应力计算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
22、部应力计算公式为： （19）相邻两弹簧片接触处应力为： （20）无论是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。目前弹簧计算比较多的是采用共同曲率法。五、 U形螺栓夹紧时弹簧（平衡悬架钢板弹簧）刚度和应力计算钢板弹簧被U形螺栓夹紧后，部分弹簧长度将不起弹性作用，称之为无效长度。这部分长度除了与U形螺栓夹紧距有关外，还与下列因素有关。a 弹簧底座和盖板的长度和刚度；b 弹簧与底或盖板之间是否有软垫；c U形螺栓夹紧力矩和U形螺栓强度。弹簧无效长度,一般取，弹簧有效长度为： （21）式中： 无效长度系数，一般取； U形螺栓夹紧距，。按式（1）、（
23、11）、（15）计算弹簧刚度时，用伸直长度值计算出的刚度是自由刚度，用有效长度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的。计算弹簧夹紧刚度时，除了按上述公式计算之外，也可以采用下简化公式计算。 （22）式中： 弹簧自由刚度， ； 弹簧夹紧刚度，。 计算弹簧在夹紧状态时应力和比应力时，式（6）、（7）、（12）、（13）中的值应用有效长度值。六、 弹簧许用应力弹簧满载静应力与比应力推荐如下：1) 弹簧满载静应力前弹簧 后主弹簧 后主副簧 平衡悬架弹簧 2) 弹簧比应力载货汽车前、后弹簧 载货汽车后悬架副弹簧 越野车平衡悬架弹簧 3) 弹簧极限应力（与缓冲块相碰时应力）一般弹簧 平衡悬架弹簧 弹簧许用应力与汽车使用条件、悬架结构及弹簧制造艺有关，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。