板簧设计教材(200802)

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）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

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。

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

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（1H Z~1.6H Z）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

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

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。