钢板弹簧悬架系统设计规范--完整版

钢板弹簧悬架系统设计规范
1 范围
本规范适用于传统结构的非独立悬架系统，主要针对钢板弹簧和液力筒式减振器等主要部件设计参数的选取、计算、验证等作出较详细的工作模板。

2 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。

凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。

QC/T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件
QCn 29035-1991 汽车钢板弹簧技术条件
QC/T 517-1999 汽车钢板弹簧用U形螺栓及螺母技术条件
GB/T 4783-1984 汽车悬挂系统的固有频率和阻尼比测定方法
3 符号、代号、术语及其定义
GB 汽车和挂车类型的术语和定义
GB/T 道路车辆质量词汇和代码
GB/T 汽车和挂车的术语及其定义车辆尺寸
QC/T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件
GB/T 12549-2013 汽车操纵稳定性术语及其定义
GB 7258-2017 机动车运行安全技术条件
GB 13094-2017 客车结构安全要求
QC/T 480-1999 汽车操纵稳定性指标限值与评价方法
QC/T 474-2011 客车平顺性评价指标及限值
GB/T 12428-2005 客车装载质量计算方法
GB 1589-2016 道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值
GB/T 道路车辆分类与代码机动车
JTT 325-2013 营运客车类型划分及等级评定
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。

4 悬架系统设计对整车性能的影响
悬架是构成汽车的总成之一，一般由弹性元件（弹簧）、导向机构（杆系或钢板弹簧）、减振装置（减振器）等组成，把车架（或车身）与车桥（或车轮）弹性地连接起来。

主要任务是传递作用在车轮与车架之间的一切力与力矩，缓和由不平路面传给车架的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的
悬架是整车的承载系统之一，其钢板弹簧设计能力的大小,直接关系到整车的承载能力。

设计中保证一定的使用寿命，重量轻，安全可靠。

汽车平顺性（乘坐舒适性）是汽车设计开发中的重要性能指标。

悬架是影响整车行驶平顺性的主要系统。

悬架弹性特性、系统阻尼和非簧载质量是影响汽车平顺性的主要因素。

在悬架设计中,力求保持整车承载载荷范围内，固有频率变化尽可能小，具有适当的阻尼衰减振动,减小非簧载质量避免高频共振。

悬架结构形式对汽车行驶稳定性有一定影响。

悬架的布置要使整车具有不足转向特性，导向机构与转向拉杆运动协调，前悬架的布置与刚度设计要考虑主销后倾角，避免前钢板弹簧在制动力作用下产生S 变形。

同时尽量提高前后悬架的侧倾角刚度，降低侧倾中心高度，以利于提高汽车行驶稳定性。

5 悬架设计流程概述
设计输入→整车设计目标→物理边界确定→主要部件性能指标确定→结构设计
6 悬架的评价指标
客车行驶平顺性的评价指标：用测点位置垂直振动的等效均值eq L 来评价。

公式中：eq L 为等效均值（dB ）;σ为一定测量时间内的加权加速度均方根（m/s 2）。

评价指标限值如表1所示：
表1 QC/T 474-2011 客车平顺性等效均值限值 （单位：分贝）
6
-eq 10log
20L ω
σ=
7 设计输入
主要获取信息：
a) 产品市场定位及用户目标，使用区域，平原/山区
b) 产品承载能力范围，整备质量、满载质量、超载质量
c) 耐久性要求（可靠性里程）
d) 平顺性及操稳性要求
e) 标杆车型及悬架
表4 标杆样车公告参数表
8 悬架系统设计目标
a) 承载性目标
b) 平顺性目标
c) 安全性目标
d) 成本目标
e) 总成重量目标
f) 整车姿态目标
g) 整车动行程目标
9 悬架系统结构参数的确定
a) 前、后悬架系统结构形式（主要部件构成明细）
b) 安装尺寸的确定
c) 前后钢板弹簧最大工作空间确定(静挠度+动行程)
d) 减振器工作行程范围确定
e) 车架结构与悬架元件的物理接口
f) 前后桥与悬架元件的物理接口
g) 整车动行程确定(发动机油底壳与工字梁,前软垫与车架、后软垫与车架)
h) 其他
附件：典型前悬架结构——附图1
典型后悬架结构——附图2
表9 后悬架安装尺寸的确定
10 钢板弹簧设计
前板簧：
从上面的设计目标与安装尺寸中已得知质量参数、安装尺寸、板簧刚度，下面需进行板簧具体结构设计。

首先根据使用状况确定采用哪种板簧（少片簧、渐变刚度簧、多片簧），确定后用现有板簧设计软件进行初步设计计算，结果如下表：
表10 前悬架钢板弹簧计算
后板簧和副簧：
从上面的设计目标与安装尺寸中已得知质量参数、安装尺寸、板簧刚度，需进行板簧具体结构设计。

对于主副簧结构，首先确定副簧起作用点，一般按平均载荷法和比例中项法。

对于平顺性要求较高的车型用比例中项法，对于经常超载的车型用平均载荷法。

具体数值的确定应核算主簧和副簧的应力，使他们有尽量相当的寿命。

表11 后主簧计算
表12 后副簧计算
钢板弹簧销
钢板弹簧销的强度在弹簧设计时同步得到校核，同时确定钢板弹簧卷耳直径。

现在钢板弹簧销材料一般选用45#、40Cr。

钢板弹簧衬套
钢板弹簧卷耳内的衬套有:金属、橡胶、聚氨酯、塑料等几种。

双金属衬套一般适合中重型车，配合油脂润滑系统；橡胶衬套广泛用于小型车辆，承受力不大但能很好地吸收振动；聚氨酯衬套随着改良性能的提高，其承载能力和弹性性能都能很好的满足使用要求，进几年在轻卡上广泛应用；塑料衬套由于成本较低，在低速汽车上大量应用。

11 悬架系统验证与试验项目
输入:
输出:
整车性能试验项目与可靠性试验项目试验任务书内容:
钢板弹簧台架试验项目
试验任务书内容:
减振器台架试验项目
试验任务书内容:
悬架软垫台架试验项目
试验任务书内容:
输出参数表
在整车各子系统中，悬架系统的型式、布置、性能参数的不同，对整车的各种性能尤其是行驶平顺性有着直接地影响。

汽车虽然是一个多质量的复杂振动系统，在理论计算时，我们可利用限制振动质量的部分位移方法，将其简化成一个自由度的振动系统，此时求得的频率为复杂振动之偏频，公式为：
ω1=C1L / M1（L2+εL1）
ω2=C2L / M2（L1+εL2）
式中C1、C2——前、后悬架刚度；M1、M2——前、后悬架簧载质量；L——汽车轴距；L1、L2——质量重心至前后轴距离；ε——质量分配系数；
ε=1时,前后轴上车身点的振动不存在联系,此时的偏频为ω1=C1 / M1 、ω2=C2 / M2 。

车身振动固有频率n以每周多少赫兹表示,则n=
1
2π C / M 公式(2-1)
从上述公式中可以看出,车身振动固有频率n，主要由簧载质量M、悬架刚度C决定。

在悬架设计中,通常把力和变形的关系曲线,称为悬架的弹性特性曲线。

图1中a)所示的曲线特性为线性弹性特性，即悬架变形与所受载荷成正比，因此其悬架刚度C是常数。

由公式(2-1)可知，车身振动的频率随载荷而变化，一般的前悬架采用普通钢板弹簧时，弹性特性即如此。

图1 弹性特性曲线
图1中b)所示的弹性特性曲线，为变刚度悬架的非线性弹性特性，由于刚度C随载荷而改变，可以使得在载荷变化时，保持车身的固有频率不变，从而获得良好的汽车行驶平顺性。

这时，在曲线上任意点M满足：
P/C M=fc
式中P——特性曲线上任意点M的载荷；C M——任意点M的悬架刚度；fc——在静载荷Pc时，为良好平顺性所要求的悬架静挠度。

需要说明的是，理想的弹性特性曲线上任意点M的静挠度fc是相等的，车身的固有频率不变；这种等频特性，在主动控制悬架系统中（如空气悬架、油气悬架）由电脑系统智能控制是可以实现的。

独立悬架系统中可以通过合理选择导向杆系的运动关系，使线性的弹性元件在车轮接地点上转化为非线性的悬架特性。

在非独立悬架结构中，可以采用组合方式构成复式弹簧，或加装橡胶弹簧及限位块等措施，使弹性元件本身具有一定的非线性特性。

表15 前悬架钢板弹簧计算
前悬架钢板弹簧计算：
***** 原始数据*****
--------------------------------------------------------------------
满载前轮轴荷Yjc ( kg ) :
满载簧上载荷Fw ( N ) :
路面附着系数φ: .8
材料弹性模量 E ( MPa) : .21E+06
非工作长度系数k : .50
钢板弹簧截面修正系数δ: .92
满载弧高fa ( mm ) :
钢板弹簧总片数N : 7
与主片等长的片数(包括主片) : 2
板簧宽度 b ( mm ) :
卷耳内径 d ( mm ) :
弹簧销直径d1 ( mm ) :
U 型螺栓中心距S ( mm ) :
弹簧固定点至路面距离hc ( mm ) :
--------------------------------------------------------------------
***** 计算结果*****
板簧各片长度、厚度、自由状态曲率半径和弧高(mm)
--------------------------------------------------------------------
片号长度厚度自由状态曲率半径自由状态弧高--------------------------------------------------------------------
1
2
3
4
5
6
7
--------------------------------------------------------------------
悬架性能
--------------------------------------------------------------------
检验刚度Cj (N/mm) :
装配刚度Cz (N/mm) :
悬架静挠度fc ( mm ) :
偏频 f ( Hz ) :
--------------------------------------------------------------------
钢板弹簧应力
--------------------------------------------------------------------
挠度系数:
静应力( MPa ) :
比应力(MPa/mm):
极限挠度下的最大应力( MPa ) :
极限工况下的最大应力( MPa ) :
钢板弹簧卷耳根部应力( MPa ) :
弹簧销挤压应力( MPa ) :
--------------------------------------------------------------------
钢板弹簧单片应力
--------------------------------------------------------------------
片号预应力(MPa) 固定端应力(MPa) 接触点处力(N) 接触点处应力(MPa) --------------------------------------------------------------------
1 .0
2
3
4
5
6
7
--------------------------------------------------------------------
表17 后副簧计算
***** 原始数据*****
--------------------------------------------------------------------
满载后轮轴荷Yjq ( kg ) :
满载簧上载荷Fw ( N ) :
满载悬架载荷 F ( N ) :
空载悬架载荷F0 ( N ) :
路面附着系数φ: .8
材料弹性模量 E ( MPa) : .21E+06
非工作长度系数k : .50
钢板弹簧截面修正系数δ: .92
满载弧高fa ( mm ) : .0
钢板弹簧总片数N : 7
与主片等长的片数(包括主片) : 2
板簧宽度 b ( mm ) :
卷耳内径 d ( mm ) :
弹簧销直径d1 ( mm ) :
U 型螺栓中心距S ( mm ) :
弹簧固定点至路面距离hc ( mm ) :
--------------------------------------------------------------------
***** 计算结果*****
板簧各片长度,厚度,自由状态曲率半径和弧高(mm)
--------------------------------------------------------------------
片号长度厚度自由状态曲率半径自由状态弧高--------------------------------------------------------------------
1
2
3
4
5
6
7
--------------------------------------------------------------------
悬架性能
--------------------------------------------------------------------
主簧检验刚度Cj (N/mm) :
主簧装配刚度Cz (N/mm) :
悬架装配刚度(N/mm) :
主簧静挠度( mm ) :
悬架静挠度fc ( mm ) :
偏频 f ( Hz ) :
--------------------------------------------------------------------
钢板弹簧应力
--------------------------------------------------------------------
挠度系数:
静应力( MPa ) :
比应力(MPa/mm):
极限挠度下的最大应力( MPa ) :
极限工况下的最大应力( MPa ) :
钢板弹簧卷耳根部应力( MPa ) :
弹簧销挤压应力( MPa ) :
--------------------------------------------------------------------
钢板弹簧单片应力
--------------------------------------------------------------------
片号预应力(MPa) 固定端应力(MPa) 接触点处力(N) 接触点处应力(MPa) --------------------------------------------------------------------
1 .0
2
3
4
5
6
7
--------------------------------------------------------------------
No. 2 后悬架钢板弹簧副簧计算
***** 原始数据*****
--------------------------------------------------------------------
满载后轮轴荷Yjq ( kg ) :
满载簧上载荷Fw ( N ) :
满载悬架载荷 F ( N ) :
空载悬架载荷F0 ( N ) :
路面附着系数φ: .8
材料弹性模量 E ( MPa) : .21E+06
非工作长度系数k : .50
钢板弹簧截面修正系数δ: .92
满载弧高fa ( mm ) : .0
钢板弹簧总片数N : 5
与主片等长的片数(包括主片) : 2
板簧宽度 b ( mm ) :
卷耳内径 d ( mm ) :
弹簧销直径d1 ( mm ) : .0
U 型螺栓中心距S ( mm ) :
--------------------------------------------------------------------
***** 计算结果*****
板簧各片长度,厚度,自由状态曲率半径和弧高(mm)
--------------------------------------------------------------------
片号长度厚度自由状态曲率半径自由状态弧高--------------------------------------------------------------------
1
2
3
4
5
--------------------------------------------------------------------
悬架性能
--------------------------------------------------------------------
副簧检验刚度Cj (N/mm) :
副簧装配刚度Cz (N/mm) :
悬架装配刚度(N/mm) :
副簧静挠度( mm ) :
悬架静挠度fc ( mm ) :
偏频 f ( Hz ) :
--------------------------------------------------------------------
钢板弹簧应力
--------------------------------------------------------------------
挠度系数:
静应力( MPa ) :
比应力(MPa/mm):
极限挠度下的最大应力( MPa ) :
极限工况下的最大应力( MPa ) :
钢板弹簧卷耳根部应力( MPa ) :
弹簧销挤压应力( MPa ) :
--------------------------------------------------------------------
钢板弹簧单片应力
--------------------------------------------------------------------
片号预应力(MPa) 固定端应力(MPa) 接触点处力(N) 接触点处应力(MPa) --------------------------------------------------------------------
1 .0
2
3
4
5
----------------------------------------------------------------。