悬架螺旋弹簧的设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,轿车悬架螺旋弹簧的设计,1,1. 前言,当今乘用车大多数悬架系统的弹性元件都采用螺旋弹簧。它具备结构简单、制造容易、成本低廉、可靠耐用等优点。,虽然在通用机械上的螺旋弹簧计算已相当成熟，但是，车辆用的螺旋弹簧因其恶劣的使用环境和路面随机的动载荷，使它在设计方法上和制造工艺上都有别于其他机械上的螺旋弹簧。,为此，本文将详尽介绍如下。,2,螺旋弹簧可分为线性弹簧（刚度ks为常数）和非线性弹簧（刚度ks为变量）两种。非线性弹簧可通过采用锥簧、变螺距、锥形变截面钢丝等手段来实现，卷制前钢丝的形状见图1。,图1,3,C型弹簧钢丝单端逐渐变粗（也有两端的）采取复杂的墩粗工艺来实现，其制造成本猛增，例如Audi 100轿车前悬架弹簧便是如此。其目的在于提高端圈的刚度，避免端圈与邻圈接触后（在A点）增加额外的接触应力，引起应力集中，从而降低弹簧,的疲劳寿命，见图2。,端圈墩粗长度应大于D,0,D,0,弹簧中径 mm,用锥形钢丝绕制的变刚度弹簧,其紧凑性好，弹簧圈内可装减,震器、缓冲块和烛式悬架导向,柱。 图2,4,弹簧端部型式是个重要因素，汽车行驶时，弹簧端部相对支承产生转动，常会产生不愉快的噪音。弹簧托盘的适当形状，可保证切成直角的弹簧端头相对支承不动，C类弹簧总成本最低，弹簧端并紧并磨削成平面是比较昂贵的结构型式（A型），以A型为基准，定义它为100%，对其它结构型式进行成本,比较，见图3，4。 A型弹簧具有制造简单的优点；弹簧端面向内卷曲的结构（例如D），它安装简单，价格便宜，外廓长度较小，但其缺点是不能将减震器或缓冲块装在弹簧内部，F结构型式是个折衷方案 。,5,A B C D E F,图3,6,图4,7,2.,已知参数,1) 弹簧刚度 Ks N/mm,2) 空载时,弹簧作用负荷 Go N,3) 满载时,弹簧作用负荷 Gm N,4) 弹簧可能的中径 Do mm,5) 满载时,车轮上跳动行程反应到弹簧上的挠,度 fr mm,3. 在弹簧绕制过程中,钢丝将产生变形,内侧产生压缩（见图5 A区），由此产生最高的扭转应力，其大小取决于旋绕比值=Do/d,8,图5,9,4.,计算,扭转应力,时应考虑螺旋曲率影响的系数,比其许用扭应力值要低,即:,扭转应力,=/,设计弹簧时,往往将视为许用,应力上限值的函数。,Do越小则旋绕比越小值越,大。因此，弹簧能承受的应力,将降低，材料的利用性变坏，,承载后，弹簧的稳定性变坏。,因此，在允许的条件下，弹簧,中径Do应尽可能地取值大一些,是合理的。见图6 图6,10,5. 计算参数符号,k 车轮处的悬架刚度， N/mm,ks 弹簧刚度 N/mm,d 弹簧钢丝直径 mm,Do 弹簧中径 mm,f,1,车轮压缩行程 mm,f,1,s,弹簧压缩行程 mm,f,2,车轮拉伸行程 mm,f,2,s,弹簧复原行程 mm,G 剪切弹性模数（G=8,10,4,MPa）,ix 车轮与弹簧之间的行程传动比,iy 车轮与弹簧之间的力传动比,11,io 弹簧工作圈数,ig 弹簧总圈数,钢丝弯曲时的应力降低系数,L,o 弹簧自由长度 mm,Lw 预加载荷Fw下的弹簧长度 mm,L,B,弹簧并圈时的长度 mm,L,n,最小工作长度,mm,Su 弹簧螺线之间的间隙之和 mm,=Do/d 旋绕比, 弹簧的稳定系数, 考虑钢丝弯曲的允许剪切应力 MPa,12,6. 计算顺序,首先确定钢丝的公差,以便用最小的直径d,min,进行计算。因为直径在很窄的公差带内变动，就会导致弹簧刚度显著改变。例如直径为20mm的钢丝，若采用0.2mm的公差(即1%)时，刚度变化可达4%。公差制定过严将导致成本上升，根据经验数据推荐公差如下：,允许偏差：,d,10mm,0.05,10,20,0.08,20,28,0.10,28,0.15,13,1) 根据弹簧中径D,0,计算,=Do/d 和系数 :,先初步设定d值，求出后根据图6查得系数。,2）查出弹簧所用材料的屈服极限s 和抗拉强度,b,MPa,取弹簧钢的扭转屈服极限约为=0.63 s ,为了能在充分 利用材料能力的条件下制造出轻量结构,应该选取强度贮备系数=1.05-1.10 ,则许用扭转应力为:,=0.63 s,b,0,/,根据钢丝直径d，许用应力上限值的降低曲线(图7)查出系数,b,0,值.,14,15,则：,汽车悬架弹簧一般采用60Si2MnA弹簧钢丝冷卷而成，,其抗拉强度,b,=1600-1850 MPa,屈服极限,s,=1450 MPa,取,=1.1 按d=11.5mm,查图7得,b,0,=0.98,则,=0.63 s,b,0,/,=0.63,14500.98/1.1=812 MPa,当,曲率影响的系数=1.1时,理想的弹簧扭转剪切应力,i,i,=,/,=,812/1.1=740 MPa,许用应力幅是最大极限强度的函数,并在,=1.1 b1=0.99以及=1.1的条件下计算其值:,iA,=0.24,b,min,b,1,/(,)=0.24,16000.99(1.11.1),= 314 MPa,16,3）计算作用于弹簧上的力Fs、弹簧压缩行程f,1s、,弹簧复原行程f,2s,和弹簧刚度ks, Fs=Gw,i,y,Gw 单轮上的质量（抛去非悬架质量） N,i,y,车轮与弹簧之间的力传动比,f,1s,=f,1,/ i,X,f,1,车轮压缩行程,f,2s,=f,2,/ i,X,f,2,车轮拉伸行程,ks=k,i,X,i,y,k车轮处的悬架刚度, 作用于弹簧上的最大力,Fs,max,=Fs+F,1,=Fs+ks,f,1,/i,X,弹簧在压缩行程时受力值,F,1,=,ksf,1s,=,ks,f,1,/i,X,17, 弹簧在全行程内的平均承受力Fa,Fa= 0.9ks（,f,1,s+,f,2,s）/2,4） 根据以上计算而得的力,Fs,max、,Fa及刚度ks，然后根据这些值计算比值y,1,及y,2,：,y,1,=,Fsmax/i,y,2,=,Fa/i,A,5） 用y值中较大的一个来计算,最小钢丝直径d,min,将求得的钢丝直径d,min,与初步确定的,钢丝直径d,min,进行比较，如果理想的,图8,剪切应力比较小时，则要求重复计算。,用开始算得的理想应力与重新算得的,18,理想应力相比的方法，可以很容易地将上面所得到的较大（或小）的钢丝直径进行修正。,确定钢丝平均直径时，应考虑尺寸允许偏差，作下一步计算将用到平均直径。当钢丝直径小于20mm时，允许偏差为,0.08mm 即:d 0.08mm,6) 计算弹簧工作圈数i,0,根据旋绕比=Do/d 、Do、d（单位为cm）、fs可求得弹簧工作圈数i,0,19,将,工作圈数,i,0,精确到小数点1位即可，同时在弹簧两端各加上3/4圈，就可得到弹簧总圈数ig,ig=,i,0,+1.5,7) 求对汽车姿态有影响的有关参数:, 预加载荷Fw下的弹簧长度 Lw。 Lw下限值取决于最小 工作高度L,n,，即略大于弹簧并圈长度L,B,。确定L,n,时，应利用钢丝最大直径d,max=,d,+0.08,(上偏差),。此时需要验算缓冲块是否完全被压缩至2H/3（H为缓冲块自由高度）；弹簧压缩后的高度不应小于L,n,。,弹簧并圈长度L,B,= ig,d,max,L,n,= L,B,+Sa Sa 是螺旋间的最小间隙,Sa=d,max,i,0, 可根据旋绕比=Do/d 由图9中查得。,20,图9,21,8） 弹簧稳定系数：,即载荷下的弹簧纵向弯曲度。,=L,0,/D,0,稳定系数与弹簧相对变形的关系见图10。在曲线A区域是不稳定区，在给定的相对变形（L,0,-L,B,）/L,0,条件下，,超过允许值时，弹簧将丧失稳定性。,图10,22,如果按值计算出相对变形（L,0,-L,B,）/L,0,的值与图10所查得的值不同且落入A区，就必需增大弹簧中径Do ，否则弹簧将发生纵向弯曲，处于不稳定状态。,9）再一次验算以下弹簧参数：,a）弹簧刚度 N/mm,b）最大应力,N/,m,c） 应力幅,mm,应主意：弹簧刚度的改变导致力Fsmax 或 Fa 的增加或减少，因而将影响应力值。,10）弹簧图纸上需标明的参数：,a）载荷Fw下的弹簧长度 Lw（安装高度）。,安装高度的检查，是在规定的高度条件下，用计量簧载的办法实现。因而，必须对检验载荷给出偏差，通常将预加载荷Fw作为检验载荷。对于大量生产的弹簧，,预加,力Fw的允差T,p 约为 5%,Fw。可计算如下：,Tp,=,0.51.5mm+0.03(L,0,-L,B,)ks+0.01F,w,将数字圆整后在图纸上标注为:当载荷为,F,w,Tp,时,弹簧高度为L,w,23,当小批量生产弹簧时,公差可放宽到10%F,w,.,弹簧高度公差T,w,= Tp/ks,若将T,w,乘以传递比 i,x,即可得到车轮和车身之间测得的弹簧行程,变化量f= T,w,i,x, 它将导致汽车高度减少或增加,从而响应地,减小拉伸或压缩行程. 此外,当一侧弹簧是正偏差而另一侧弹簧出,现负偏差时,这种安装会引起左右高低不一致的不良后果.为避免,类似现象,可将弹簧分组涂上相应的标记, 应按实际尺寸在公差带,范围内的分布情况进行分组,一般按载荷的变化量分为上、中、,下三级。,b） 弹簧刚度 ks N/mm,弹簧刚度同样有公差，其值推荐为：当工作圈数i,0,4时，公差,为7%Ks，当 i,0,4时，为5%ks 。,c） 测量用的弹簧外径 D=D,0,+d mm,d） 弹簧总圈数ig、工作圈数i,0,、螺旋方向,e） 弹簧特性曲线,24,11）弹簧的热处理硬度：通常使用60Si,2,MnA 制造弹簧。经热处理后的硬度为HRc42-48,12）提高弹簧使用寿命的有效措施:,汽车悬架螺旋弹簧使用寿命较其它大多数零部件要低，这是由于以下因素的影响造成的。,因制造过程产生表面遗留的裂痕、摺迭、凹痕、发裂、脱碳等缺陷造成应力集中，使材料的耐疲劳极限急剧降低引起先期损坏。,研究人员通过喷丸处理和塑性压缩等方法，使弹簧表面达到强化目的，较大幅度地提高弹簧的使用寿命。,a）喷丸处理：过去老式喷丸使用的是0.4-2mm的铁丸，喷丸速度达到60-80米/秒。近代都采用喷钢丸，这些钢丸用0.8mm弹簧钢丝,在自动机上切成0.8mm的圆柱体，掺入旧钢丸中，经抛丸机以12米/秒的速度打击弹簧表面，形成硬化效果。圆柱形钢丸经多次击打后就变成球形了。,喷丸处理的冷作强化：工作时，弹簧表面受拉应力之作用而损坏，经喷丸处理后的弹簧表面产生一层具有残余压应力的薄壳，钢在压缩状态下的耐疲劳极限，要比拉伸状态下的耐疲劳极限高出两倍多。,25,由于喷丸压应力的存在，可以抵消弹簧表面的部分工作拉应力，同时抹去了弹簧表面的制造缺陷，消除了应力集中，从而大大提高了疲劳寿命。,b）塑性压缩强化：强化性质基本与喷丸处理相似。弹簧经热处理及喷丸后，进行压缩弹簧令它的工作应力接近疲劳极限，造成弹簧表面产生残余压应力以达到提高疲劳寿命的目的。这种工艺过程，有些制造商称为“弹簧立定试验”，也有人称为“沉压试验”。,26,