汽车钢板弹簧悬架设计.docx

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1、汽车钢板弹簧悬架设计(1)、钢板弹簧种类汽车钢板弹簧除了起弹性元件作用之外，还兼起导向作用，而多片弹簧片间磨擦还起系统阻尼作用。由于钢板弹簧结构简单，使用维修、保养方便，长期以来钢板弹簧在汽车上得到广泛应用。目前汽车使用的钢板弹簧常见的有以下几种。通多片钢板弹簧，如图l-a所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大型客车上，弹簧弹性特性如图2-a所不，呈线性特性。b)3.5。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，因此弹簧满载弧高值之应根据整车和悬架性能要求给出适当值，一般取（50 =10- 30mm。有的车辆为得到良好的操纵稳定性，满载弧高取负值。3.2钢板

2、弹簧刚度和应力关于钢板弹簧刚度和应力计算，基于不同的假设计算方法而异。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。实际钢板弹簧往往不完全符合这两种假设中的任一种，因此有些学者提出折衷方法，同时兼用上述的两种假设，这种计算分析方法有一定的实用性。这里仅对多年来一直采用的上述两种假设计算方法进行讨论。3.1.1共同曲率法共同曲率法是假设钢板弹簧在任何负荷下，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，组成一个新的单片弹簧（图3.1、图3.2）。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

3、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3.1）,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3.5）。3.2.1.1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。1）梯形单片弹簧变形q图3.1图3.1所示的梯形单片弹簧可以看成是一个由几个相同的片宽和厚度/2的簧片组成，如果弹簧伸直长度为2/ ,弹簧中部作用的负荷为2 ,计算弹簧变形时，可以近似的认为用整个长度2/计算出的值与长度是/端部作用负荷是p的板簧变形是相同的，这样，整个的梯形单片弹簧的计算可以用一端固定，另一端

4、受力的梯形悬臂梁来代替。下面用单位载荷法（莫尔定理）计算板簧在负荷作用点的变形3：s = ii MjJd（3.3）o EI A式中： M p：距端点工处的力矩，Mp=P-x单位力距端点x处的力矩，Mx =x/v：梯形单片弹簧距端点%处的惯性矩bX4二卡=/。（1-0 + 夕7（3.4）久：梯形单片弹簧距端点工处的宽度/0:梯形单片弹簧在根部的惯性矩nbh3/o=lF/?：钢板弹簧形状系数h：梯形单片弹簧各片宽度h：梯形单片弹簧各片厚度Z：梯形单片弹簧主片伸直长度之半，/ = L/2总片数/;1：等长的主片数E：材料拉伸弹性模数，取E = 2.1x104(3.3)式积分后，经整理：P/3S =

5、k3琪(3.5)式中:3 311k = (1)2 ln(l /?)(3.6)k,：挠度增大系数。梯形单片簧的变形可以看成厚度是，宽度是泌的矩形板簧变形乘以挠度增大系数匕O需要说明一点的是，上面计算公式只适用于等厚多片弹簧，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，再按上式计算。图3.2是钢板弹簧形状系数/?与挠度增大系数占关系曲线。如果钢板弹簧形状系数时，由(3.6)式，挠度增大系数占=1.5,此时弹簧变形由(3.5)式得:Pl36 = 2EImm(3.7)该式为三角形等截面梁在力P作用下的变形表达式(图3.3)。图3.3三角形钢板弹簧当/? = 0时，挠度增

6、大系数匕值为：首先把(3.6)式中ln(l-夕)一项展开成夕的幕级数，求力二。时的极限。r 3,311 八 2/介伊 心 1lim-+ (1) (Z? + + )J = 1夕2 B B23当 =0时，匕=1,由(3.5)式，弹簧变形P13、8 = mm(3.8)3EI该式是矩形板簧在力P作用下的变形表达式(图3.4)。图3.4矩形钢板弹簧梯形单片板簧的形状系数0夕V1。为计算方便，有的文献推荐用下式计算挠度增大系数。(3.9),1.44234 2 =h表3.1是用(3.6)式和(3.9)式计算出的板簧挠度增大系数片, k2O表3.1n9/n1Z31/41/51/61/71/81/91/10Vi

7、l1/1217131/141.2361.2831.34213381.35613701.3821.3911.399L4061.4121.417k21.2361.2821.31113311.346135713661.37313801.3851.3891.393riln2/32/42/52/6in2/82/92/102/112/122/132/14AL0971.15912031.23612621.283130013151327133813481356k?L0811.1541.2021.23612621.2821298131113221331133913462）梯形单片弹簧刚度弹簧刚度K：2P48E/

8、。以2*48E/。dk、kgf / mm(3-10)由于弹簧变形K和负荷P之间是线性关系（图5.1直线1）,故弹簧刚度是一常数。3）钢板弹簧应力梯形单片弹簧在根部（或中心螺栓处）应力(3.11)”24%弹簧比应力（单位变形应力）或CT =12%)k2L?W()(312)式中：%:梯形单片弹簧在根部的断面系数卬。=bh2n63mm按（3.11）, （3.12）式，计算出应力和比应力是平均应力和平均比应力，它不能反映各片的确实受力情况。对于片厚不等的弹簧，用下面方法计算各片弹簧应力。根据共同曲率假设，任意负荷时同一截面上各片曲率半径相等条件，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

9、用在各片弹簧上的力矩。Mk =QLIk4/。kgf - mm(3.13)式中 M K 一作用在第K簧片上的力矩，kgf - mm4一第K片弹簧惯性矩，mm4/。一弹簧各片惯性矩之和，mm4n hhK=1K=1 1 4展一第K片弹簧片厚，mm第K片弹簧在根部的应力Ok和比应力分 为:Mk _ QLIk4/此kgf/nvn2(3.14)式中第K片弹簧断面系数,mm3kgf!I mm(3.15)321.2阶梯形单片弹簧1）阶梯形单片弹簧变形o图3. 5阶梯形单片弹簧变形计算和梯形单片弹簧一样，不同之处是这种弹簧的断面惯性矩沿长度变化不能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。

10、用单位载荷法求负荷P作用点处弹簧变形5 （图3.6）。p图3.6b - axJ Ek6 px2y .(/”&2y2 . 竹 Px2Yn .8 =+ +-dxJo E 九-4) EJ(/1T3 E上式经整理后得：6 = -Ya+i(YK-YK+)mm(3.16)式中：aK+l = /1 -，K+1/,：阶梯形单片弹簧主片长度之半，/.=/2；lK+l ：阶梯形单片弹簧第K +1片长度之半；lx ：阶梯形单片弹簧距端点x处的惯性矩；：第1片至第K片弹簧惯性矩之和的倒数YK =-1 / mm4ELi=l/：阶梯形单片弹簧第i片惯性矩,bh3i4I： = 1TUTI112%：阶梯形单片弹簧第i片厚度，“b：阶梯