0.75吨级商用车纵置钢板弹簧非独立悬架设计

课程设计说明书
学生姓名：学号：
学院（系）：机械工程系
专业：车辆工程
题目：0.75吨级商用车纵置钢板弹簧非独立
悬架设计
起迄日期：2020年12月14日～2020年12月31日课程设计地点：
指导教师：
系主任：
目 录
1.课程设计任务书 (1)
1.1课程设计的性质、目的、题目和任务 (1)
1.2课程设计的内容及工作量 (1)
2.计算过程与步骤 (2)
2.1钢板弹簧片数取为10，确定其宽度b 的计算： (2)
2.1.1钢板断面宽度b 的确定 (2)
2.1.2钢板弹簧片厚h 的选择 (3)
2.1.3钢板断面形状 (3)
2.1.4叶片的端部结构 (4)
2.1.5钢板弹簧片数n (4)
2.1.6钢板弹簧端部的支承型式 (4)
2.1.7吊耳及钢板弹簧销的结构 (4)
2.1.8少片弹簧 (4)
2.2确定各片钢板长度： (5)
2.3钢板弹簧刚度验算： (5)
2.4总成自由状态下的弧高： (6)
2.5钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定： (7)
2.6各片弹簧的弧高)8(2
i i i R l H ，将各数据代入求得弧高为： (8)
2.7钢板弹簧总成弧高的核算： (8)
2.8钢板弹簧卷耳内径的确定： (8)
设计参考资料 (10)
1.课程设计任务书
1.1课程设计的性质、目的、题目和任务
本课程设计是我们在完成基础课、技术基础课和大部分专业课学习后的一个教学环节，是培养我们应用已学到的理论知识来解决实际工程问题的一次训练，并为毕业设计奠定基础。

1.1.1课程设计的目的是：
（1）进一步熟悉汽车设计理论教学内容；
（2）培养我们理论联系实际的能力；
（3）训练我们综合运用知识的能力以及分析问题、解决问题的能力。

1.1.2设计题目:
设计载货汽车的纵置钢板弹簧
1.1.3课程设计的任务：
（1）由已知参数确定汽车悬架的其他主要参数；
（2）计算悬架总成中主要零件的参数；
（3）绘制悬架总成装配图。

1.2课程设计的内容及工作量
根据所学的机械设计、汽车构造、汽车理论、汽车设计以及金属力学性能等课程，完成下述涉及内容：
1．学习汽车悬架设计的基本内容
2．选择、确定汽车悬架的主要参数
3．确定汽车悬架的结构
4．计算悬架总成中主要零件的参数
5．撰写设计说明书
6．绘制悬架总成装配图、零部件图。

设计要求：
1.3 设计说明书
设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。

说明书的格式如下：
（1）统一稿纸，正规书写；
（2) 竖订横写，每页右侧画一竖线，留出25mm空白，在此空白内标出该页
中所计算的主要数据；
（3) 附图要清晰注上必要的符号和文字说明，不得潦草；
1.3.1. 说明书的内容及计算说明项目
(1)封面；（2） 目录；（3）原始数据及资料；（4） 对设计课题的分析；（5）
汽车纵置钢板弹簧简图；（6） 设计计算；（7） 设计小结（设计特点及补充说明，
鉴别比较分析，个人体会等）；（8） 参考文献。

1.3.2设计图纸
1） 装配总图、零件图；
要求如下：
a. 图面清晰，比例正确；
b. 尺寸及其标注方法正确；
c. 视图、剖视图完整正确；
d. 注出必要的技术条件。

1.4.设计对象
（悬架）所选用的弹簧材料必须符合国标GB1222-84，并尽量用优选系列；
所设计的板簧应符合JB523-85,JB4040-85。

2.计算过程与步骤
2.1钢板弹簧片数取为10，确定其宽度b 的计算：
2.1.1钢板断面宽度
b 的确定有关钢板弹簧 的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计
算，但需引入挠度增大系数δ加以修正。

因此，可根据修正后的简支梁公式计算
钢板弹簧所需要的总惯性矩0J 。

对于对称钢板弹簧：()()
3048J L ks c E σ⎡⎤=-⎣⎦式中，s 为U 形螺栓中心距（mm ）；k 为考虑U 形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系
数（如刚性夹紧，取k=0.5，挠性夹紧，取k=0）；c 为钢板弹簧垂直刚度（N/mm ），
/w c c F f =；δ为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数1n ，再估计一个
总片数0n ,求得10n n η=
，然后用()1.51.0410.5ση=+⎡⎤⎣⎦初定δ）E 为材料的弹性
模量。

其中，)]105.01(04.1[5
.11n ⨯++=δ ，取11=n ，则092
.15.1=δ，将其代入求得mm J 36.5124490=
])[4/('0W W L F W σ==357371)4504/(151468208mm MPa mm N =⨯⨯； 初取mm mm
mm W J h p 9.175737136.512449*2/234
00≈==，取b=8p h =143mm. 片宽b 对汽车性能的影响：
1.增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。

2.前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。

片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦弹簧的总厚
3.推荐片宽与片厚的比值b/p h 在6~10范围内选取。

本设计中取b=60mm
2.1.2钢板弹簧片厚h 的选择 根据12
30nbh J =得：mm nb J h 26.161431036.5124491212330≈⨯⨯==； 片厚h 选择的要求：
1）.增加片厚h ，可以减少片数n
2）.钢板弹簧各片厚度可能有相同和不同两种情况，希望尽可能采用前者但因为主片工作条件恶劣，为了加强主片及卷耳，也常将主片加厚，其余各片厚度稍薄。

此时，要求一副钢板弹簧的厚度不宜超过三组。

3.）为使各片寿命接近又要求最厚片与最薄片厚度之比应小于1.5。

4.）钢板断面尺寸b 和h 应符合国产型材规格尺寸。

查表确定b 和h 的值，使其符合国产型材规格尺寸，又因为MnA Si 260的厚度一般不超过16mm ，故取b=150mm , h=16mm 。

2.1.3钢板断面形状
钢板断面形状矩形断面结构简单，制造容易，变截面少片钢板弹簧多采用矩
形断面结构
2.1.4叶片的端部结构
叶片的端部可以按其形状和加工方式分为矩形（片端切角）、椭圆形（片端压延）和片端压延切断四种。

其中矩形为制造成本最低的一种（由于对片端部作任何加工）。

本设计中采用矩形端部结构。

2.1.5钢板弹簧片数n
片数n少些有利于制造和装配，并可以降低片间的干摩擦，改善汽车行驶平顺性。

但片数少了将使钢板弹簧与等强度梁的差别增大，材料利用率变坏。

多片钢板弹簧一般片数在6～14片之间选取，重型货车可达20片。

用变截面少片簧时，片数在1～4片之间选取。

n=3
2.1.6钢板弹簧端部的支承型式
以板簧端部的支承型式而言，可以大致分为卷耳和滑板两大类。

滑板型式多见于两极式主副簧悬架中副簧的支承和平衡悬架中板簧的支承。

卷耳根据其相对板簧上平面的位置可以分为上卷耳、平卷耳和下卷耳三类。

本设计中采用上卷耳。

2.1.7吊耳及钢板弹簧销的结构
大多数板簧的支承方式为一端采用固定的卷耳，另一端采用摆动的吊耳。

摆动吊耳的结构可以用C形、叉形以及分体式等。

弹簧销的支承、润滑可用螺纹式、自润滑式、滑动轴承、橡胶支承或者将板簧支承在橡胶座内。

自润滑式多用于轿车及轻型载货汽车，具有不必加润滑脂及噪声小的优点。

本设计中采用自润滑式弹簧销结构。

2.1.8少片弹簧
少片弹簧在轻型车和轿车上得到越来越多的应用。

其特点是叶片由等长、等宽、变截面的1～3片叶片组成。

利用变厚断面来保持等强度特性，并比多片弹簧减少20％～40％的质量。

片间放有减摩作用的塑料垫片，或做成只在端部接触以减少片间摩擦。

如图4.2所示单片变截面弹簧的端部CD段和中间夹紧部分AB段是厚度为1h和2h的等截面形，BC段为变厚截面。

BC段厚度可按抛物线形或线性变化。

2.2确定各片钢板长度：
钢板弹簧长度L 是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离,在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。

在下列范围内选用钢板弹簧的长度：
轿车：L=（0.40~0.55）轴距；
货车:前悬架：L=（0.26~0.35）轴距； 后悬架：L=（0.35~0.45）轴距。

应尽可能将钢板弹簧取长些,原因如下：
1,增加钢板弹簧长度L 能显著降低弹簧应力，提高使用寿命降低弹簧刚度，改善汽车平顺性。

2,在垂直刚度c 给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。

3,刚板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。

4,增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形。

本设计中L=0.4×3800mm=1520mm
设主簧片长为1l ，按钢板叠放顺序他们的长度依次1l 、2l 、3l …10l ，则由于1l =2l ，且各簧片等厚，其长度成等差数列，即a i l l i )2(2--=，]10,0[∈i 。

其中a s l +=10，将mm l mm s 1520,1802==代入得mm a 9
1340=，mm l 9/296010=，
则各板长度为：1l =1520mm,2l =1520mm 、3l =12340/9mm,4l =11000/9mm 、
5l =3320/3mm 、6l =8320/9mm 、7l =6980/9mm 、8l =1880/3mm 、9l =4300/9mm 、10l =2960/9mm 。

2.3钢板弹簧刚度验算：
])([61131∑=++-=n k k k k Y Y a E c α，其中9.0,1),(211111==-=∑=++αk i i
k k k J
Y l l a ；其中，
]56)5634()8()3423()7()23712()6()7122()5()2512()4()5123()3()34()2()46([81)(333333333311
31X a a a a a a a a bh Y Y a k k n
k k +-+-+-+-+-+-+-+-=-+=+∑
装配刚度时X=9a ，代入数据可求得装配刚度c=1140mm N /mm N /60
68208≈
; 检验刚度时X=1l ,代入数据可求得检验刚度c=1124mm N /.
2.4总成自由状态下的弧高：
(1) 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高0H
钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U 形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差（如图4.3），称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高0H
用下式计算： ()0c a H f f f =++∆
式中，c f 为静挠度；a f 为满载弧高；f ∆为钢板弹簧总成用U 形螺栓夹紧后
引起的弧高变化. ()()2
32a c s L S f f f L -+∆=,s 为U 形螺栓中心距；L 为钢板弹簧主片长度。

钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径2
00
8L R H =. 取mm f a 20= ，
将mm L mm s mm f c 1520,60,60===代入求得=0H 84.67mm; 钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径)8(020H L
R ==3410.7mm. 然后由0
208R l H i i =求出各钢板在装配总成中的弧高，其值如下：mm H 67.8401=、mm H 67.8402=、mm H 9.6803=、mm H 7.5404=、mm H 2.4205=、mm H 3.3106=、mm H 0.2207=、mm H 4.1408=、mm H 4.809=、mm H 0.4010=。

2.5钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定：
因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同，装配后各片产生预应力，其值确定了自由状态下的曲率半径i R 。

各片自由状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴紧，减少主片工作应力，使各片寿命接近。

矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定
()()
00012/i i i R R R Eh σ=+
式中，i R 为第i 片弹簧自由状态下的曲率半径（mm ）；0R 为钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径（mm ）；0i σ为各片弹簧的预应力（2/N mm ）；E 为材料弹性模量（2/N mm ），取123541R R R mm ===；i h 为第i 片的弹簧厚度（mm ）。

()()()()
0500183654112/1218781836/ 2.061014i i i i R R mm R Eh σ===++⨯⨯⨯⨯ 123541R R R mm ===
在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径0R 和各片弹簧预加应力0i σ的条件下，计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径i R 。

选取各片弹簧预应力时，要求做到：装配前各片弹簧片间间隙相差不大，且装配后各片能很好贴和；为保证主片及其相邻的长片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。

这此，选取各片预应力时，可分为下列两种情况：对于片厚相同的钢板弹簧，各片预应力值不宜选取过大；对于片厚不相同的钢板弹簧，厚片预应力可取大些。

推荐主片在根部的工作应力与预应力叠加后的合成应力在300-350N/mm2内选取。

1-4片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。

预应力从长片到短片由负值逐渐递增至正值。

取主片的预应力MPa 8001-=σ，最短片的预应力为MPa 40010=σ，由于是
矩形叶片，且其厚度相等，故由式0 (222022)
101=+++k k h h h σσσ得
0...0100201=+++σσσ，按01001σσ→依次增大的规律，分配各预应力如下：MPa 8001-=σ、MPa 5002-=σ、MPa 3003-=σ、MPa 004-=σ、MPa 1005=σ、MPa 2006=σ、MPa 2507=σ、MPa 3008=σ、MPa 3509=σ、MPa 40010=σ。

又由])(21[000i i i Eh R R R σ+=求得各片自由状态下的曲率如下：mm R 40751≈、mm R 37932≈、mm R 36263≈、mm R 34014≈、mm R 33335≈、mm R 32676≈、mm R 32357≈、mm R 32038≈、mm R 31739≈、mm R 314210≈。

2.6各片弹簧的弧高)8(2
i i i R l H =，将各数据代入求得弧高为：
mm H 711≈、mm H 762≈、mm H 653≈、mm H 544≈、mm H 435≈、mm H 336≈、mm H 3.337≈、mm H 158≈、mm H 0.99≈、mm H 3.410≈。

2.7钢板弹簧总成弧高的核算：
∑∑===n i n i i i i l R l R 111=
9830
323596980326798320333333220340191100036269123403793152040751520⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+++ 9830
314292960317394300320331880⨯+⨯+⨯ 9830
71724.2≈ 从而解出：R 07.34106.3617R mm mm =≈≈;
02
267.848.797
.341081520)8(H R L H =≈≈⨯==
2.8钢板弹簧卷耳内径的确定：
取路面附着系数7.0=ϕ，则X F 的最大值为N N F W 6.47745682087.0=⨯=ϕ,取许用应力MPa 350][=σ，则bh F bh h D F X X ++=)/()](3[2σ][σ≤。

将mm b mm h N F X 150,16,6.47745===代入上式求得mm D 0.19≤。

根据以上计算结果，钢板弹簧各项参数如下表：
设计参考资料
1 王望予汽车设计（第4版）机械工业出版社 2001
2 陈家瑞汽车构造（第2版）人民交通出版社 1997
3 余志生汽车理论（第4版）机械工业出版社 1996 4《机械设计手册》第3卷化学工业出版社 2002 5《汽车工程手册》设计篇人民交通出版社 2001 6《弹簧设计手册》机械工业出版社 1996。