轿车悬架螺旋弹簧的设计

轿车悬架螺旋弹簧的设计

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。

状见图1。

图1

应力集中，从而降低弹簧

端圈墩粗长度应大于πD0

D0弹簧中径mm

用锥形钢丝绕制的变刚度弹簧

震器、缓冲块和烛式悬架导向

柱。图2

为基准，定义它为100%，对其它结构型式进行成本

结构型式是个折衷方

案。

A B C D E F 图3

图4

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τ，其大小取决于旋绕比值ξ=Do/d

图5

计算扭转应力τ时应考虑螺旋曲率影响的系数δ,比其许应力上限值的函数。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628

7451ξξλ++=

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 1s 弹簧压缩行程mm

f 2车轮拉伸行程mm

f 2s 弹簧复原行程

mm

G 剪切弹性模数（G=8×104MPa ）

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

io 弹簧工作圈数

ig 弹簧总圈数

δ 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

ξ=Do/d 旋绕比

λ 弹簧的稳定系数

τ 考虑钢丝弯曲的允许剪切应力MPa

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

先初步设定d值，求出ξ后根据图6查得系数δ。

2）查出弹簧所用材料的屈服极限σs 和抗拉强度σb MPa 取弹簧钢的扭转屈服极限约为τ=0.63 σs ,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υ=1.05-1.10 ,则许用扭转应力为:

τ=0.63 σs b0/υ

系数b0值.

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

σb =1600-1850 MPa 屈服极限

σs =1450 MPa

取υ=1.1 按d=11.5mm,查图7得b 0=0.98

则τ=0.63 σs b 0/υ=0.63×1450×0.98/1.1=812 MPa

当曲率影响的系数δ=1.1时,理想的弹簧扭转剪切应力τi τi =τ/δ=812/1.1=740 MPa

许用应力幅是最大极限强度的函数,并在υ=1.1 b1=0.99以及δ=1.1的条件下计算其值:

τiA =0.24σb min b 1/(υδ)=0.24×1600×0.99(1.1×1.1)

= 314 MPa

×

—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=f1/ i X f1车轮压缩行程f2s=f2/ i X f2 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

弹簧在压缩行程时受力值

F1=ksf1s=ks×f1/i X

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

y 2=Fa/τi A 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。

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0min 55.2y D d =

算将用到平均直径。当钢丝直径小于20mm时，允许偏差为3/d d ττ=0D k i S =

将工作圈数i0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= i0+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=χd max i0

χ 可根据旋绕比ξ=Do/d 由图9中查得。