汽车平衡悬架钢板弹簧设计

60CrMnBA 钢适合于大吨位汽车和变截面少片弹簧使用。由于 Cr − Mn − B 钢含有多种合金元素，钢材
价格较贵。 表2 钢种 各种弹簧钢材化学成分 化学成分（%） 牌号 C 0.56Si-Mn 60Si2Mn 0.64 60Si2Mn A 0.560.64 2.0 1.52.0 0.9 1.01.3 0.35 ≤ 0.35
V (%) 25 20 30 20 20 35 45 45 45 20
46 厂 生 产 的 少 片 前 簧 2912ZB6-010 ， 用 于 EQ4196 车 型 ， 钢 板 弹 簧 材 料 （ 各 单 片 ） 为 60CrMnBA(GB1222-84)，钢板弹簧各单片全部经过应力喷丸处理，钢板弹簧各单片在装配前涂防锈漆层： H06-4 环氧富锌底漆+表面黑漆 QC-6 甲，按 EQY-乙。钢板弹簧总成装配前端部间接触表面涂以石墨钙基润 滑脂：3#-SHO369-92。 46 厂生产的前簧 2912ZB3A-010 （共九片） ， 用于 EQ3286 车型， 钢板弹簧材料为 55SiMnVB(GB1222-84)， 钢板弹簧各单片全部经过应力喷丸处理。 46 厂生产的后钢板弹簧总成 2913ZB3C-010（共九片） ，用于 EQ3286、EQ3386 车型，钢板弹簧材料为 55SiMnVB(GB1222-84)，钢板弹簧各单片全部经过应力喷丸处理。 5. 钢板弹簧表面强化 弹簧表面质量对弹簧使用寿命影响较大，因此除了在弹簧生产中严桥控制表面质量外，还采取了喷丸 和塑性压缩处理等表面强化技术处理。 1) 弹簧喷丸强化 喷丸能提高弹簧使用寿命，是因为喷丸过程使弹簧在受拉表面产生一个残压应力层，弹簧工作时，使 弹簧受拉表面拉应力相应减少。一般说材料屈服极限越高，喷丸后得到的残余压应力也越大。 弹簧喷丸处理分自由喷丸和应力喷丸两种方式。前者是弹簧片处于自由状态下进行喷丸，后者是弹簧 片受拉表面在拉力状态进行喷丸。自由喷丸在金属表面产生的残余压应力约为 550 ~ 650 N / mm ，应力 喷丸可达 1100 ~ 1350 N / mm 。试验表明，弹簧经应力喷丸后疲劳寿命可提高 2 ~ 7 倍。
SAE 9260 ，日本的 SUP7 材料。 60 Si2 MnA 弹簧钢含碳量在 0.5% ~ 0.7% 左右，由于材料中含有硅、锰
元素，经调质处理后明显提高了钢的弹性极限、屈强化及疲劳强度。由于该种材料价格便宜，因此
60 Si2 MnA 弹簧钢在国内外得到广泛应用。 Si − Mn 钢存在的主要问题是由于钢中硅的含量较高，增加了
料形成奥氏体组织；然后放入油中快速冷却，使奥氏体组织全部转换为马氏体组织，淬火后材料硬度大于 或等于 HRC 59 。由于马氏体组织硬度高，而且很脆，以及淬火过程中由奥氏体转变为马氏体时发生体积 膨胀而产生较大应力，因此弹簧淬火后应进行回火处理，以得到回火屈氏体组织并消除内应力。为了提高 弹 簧 钢 的 弹 性 极 限 ， 回 火 温 度 控 制 在 350 ~ 450°C 。 如 果 想 得 到 高 的 疲 劳 极 限 ， 回 火 温 度 应 为
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Si 1.5-
Mn 0.6-
Cr ≤
Mo
Ni
V
B
S ≤ 0.035 ≤ 0.035
P ≤ 0.035 ≤ 0.035
55SiMnV B 60CrMnB A Cr-MnB
0.520.6 0.56-
0.17 -1.0 0.17
1.01.3 0.7-
≤ 0.35 0.71.0
0.08-0 .16
0.0005-0 .0035 0.0005-0
450 ~ 500°C ，淬火回火后弹簧硬度为 HRC 40 ~ 47 。
表3 各种弹簧钢材料热处理工艺及机械性能
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热处理 钢牌号 淬火温度 淬火剂 （℃） 60Si2Mn 60Si2MnA 55SiMnVB 60CrMnBA 60CrMnA 45CrNiMoVA 42CrMo 40Cr 50CrVA 60Si2CrVA 例如： 870 870±20 860 830-860 830-860 860 850 850 850 850 油 油 油 油 油 油 油 油 油 油 （℃） 480±20 440±30 460 460-520 450-520 460 560 520 520 410 回火温度
≤ 0.035
≤ 0.035
-0.3 0.64 7 0.17 0.5660CrMnA 0.64 7 0.17 CrNiMo V 45CrNiM oVA 0.42-0.3 0.49 7 0.17 0.38CrMo 42CrMo 0.45 7 0.17 0.37Cr 40Cr 0.44 7 0.17 0.47CrV 50CrVA 0.54 9 60Si2Cr SiCrV VA 4. 热处理 0.64 1.8 0.7 1.2 0.35 .20 0.561.40.40.9≤ 0.10-0 -0.3 0.8 1.0 .20 0.50.80.10-0 -0.3 0.8 1.1 0.50.8-0.3 0.8 1.2 5 0.50.9-0.2 0.15 0.8 1.1 0.3 1.8 .20 0.50.80.21.30.10-0 -0.3 1.0 1.0 0.70.71.0 .0040
汽车平衡悬架钢板弹簧设计
东风德纳车桥有限公司 一、 钢板弹簧作用和特点 a. 结构简单，制造、维修方便； b. 弹性元件作用； c. 导向作用； d. 传递侧向、纵向力和力矩的作用； e. 多片弹簧片间摩擦还起系统阻尼作用； f. 在车架或车身上两点支承，受力合理； g. 可实现变刚度特性； h. 相比螺旋弹簧和扭杆弹簧而言， 单位质量的储能量较小， 在同样的使用条件下钢板弹簧要重一些。 二、 钢板弹簧的种类、材料热处理及弹簧表面强化 1. 目前，汽车上使用的钢板弹簧常见的有以下几种： 1) 2) 3) 4) 普通多片钢板弹簧； 少片变截面钢板弹簧； 两级变刚度复式钢板弹簧； 渐变刚度钢板弹簧 2005 年 9 月 15 日
2. 钢板弹簧材料的一般要求 钢板弹簧与其它弹性元件一样，弹簧使用寿命与材料及制造工艺有很大关系，因此选用弹簧材料时应 考虑以下几个方面因素 1) 弹性极限 弹簧在弹性极限范围内变形时，希望弹簧储存的弹性变形能要大，而弹簧在单位
中单位体积内储存的弹性变形能是与材料的弹性极限平方成正比，而与弹性模量与反比，因此从提高材料 贮存的弹性变形能角度看，希望提高材料的弹性极限。一般说材料抗拉强度高，弹性极限也高。弹性极限 与材料的化学成分和金相组织有较大关系，在弹簧钢中如果提高碳、硅、锰元素含量，可以提高材料弹性 极限。弹簧采用中温回火处理，能够得到具有较高弹性极限的回火屈氏体组织。 2) 弹性模量 弹性模量有两种，即拉伸弹性模量 E 和剪切弹性模量 G 。材料弹性模量愈小，
5
车型
静挠度 f c (mm ) 前悬架 6-11 12-24 后悬架 6-9 8-11
σb ） 。
1
4)
淬透性
对于断面较厚的或变截面钢板弹簧，希望用淬透性较好的材料。材料如不能淬透，
淬火组织中将含有较多的非马氏体组织，使淬火后硬度降低。虽然可以通过降低回火温度来达到所需要的 硬度，但其机械性能较差。为保证材料在整个截面内具有相同的机械性能，要求淬火时不仅表面而且心部 也能淬透，且淬火后表面硬度和心部硬度相差不能太大。 综上所述，汽车钢板弹簧材料应具有较高的抗拉强度、屈服极限、疲劳强度及一定冲击韧性。此外要 求材料具有良好的淬透性，热处理不易脱碳等性能。 3. 钢板弹簧材料 目前国内使用最多的弹簧钢板材料是钢 Si − Mn ，如 60 Si2 Mn 和 60 Si 2 MnA 该钢种相当于美国
4
2 2
另外， 喷丸处理使弹簧片面产生大约 0.06 ~ 0.25mm 的硬化层， 因而能消除或改善弹簧片的表面缺陷， 从而提高弹簧疲劳寿命。 2) 弹簧塑性压缩处理 塑性压缩处理是对喷丸后听弹簧总成预加一定载荷，使弹簧表面产生残余压应力，当去掉载荷后，弹 簧有一定塑性变形。经塑性压缩处理的弹簧，在使用过程中能保持总成弧高不变，不再发生塑性变形。此 外，塑性压缩处理和弹簧喷丸处理一样，可以使弹簧表面产生一个残余压应力层。 弹簧塑性压缩处理时施加在弹簧上的载荷，应使弹簧表面产生的拉应力接近材料的屈服强度。 三、 钢板弹簧设计的已知参数 1. 弹簧载荷 根据整车布置给定的空、满载质量减去估算的非簧载质量， 得到在每副弹簧上的承载质量。 一般将前、 后轴，车轮，制动鼓及轮毂等总成视为非簧载质量，将传动轴、转向纵拉杆等总成一半也视为非簧载质量。 如果钢板弹簧布置在车桥上方，弹簧 3/4 的质量为非簧载质量；下置弹簧，弹簧 1/4 质量为非簧载质量。 2. 弹簧伸直长度 应根据不同车型要求，由总布置给出弹簧伸直长度的控制尺寸。在布置可能的情况下，尽量增加弹簧 长度，这主要是考虑以下几个方面原因。 a) 由于弹簧刚度与弹簧长度的三次方成反比， 因此从改善汽车平顺性角度看， 希望弹簧长度长些好。 b) 在弹簧刚度相同情况下，长的弹簧在车轮上下跳动时，弹簧两卷耳孔距离相对较小，对前悬架来 说，主销后倾角变化较小，有利于汽车行驶稳定性。 c) 增加弹簧长度可以降低弹簧工作应力和应力幅，从而提高弹簧使用寿命。 d) 增加弹簧长度可以选用片厚的弹簧，从而减少弹簧片数，并且片厚的弹簧对提高主片卷耳强度有 利。 3. 悬架静挠度 汽车簧载质量与其质量组成的振动系统固有频率是评价汽车行驶平顺性的主要参数。悬架设计时根据 汽车平顺性要求，应给出汽车空、满载时前、后悬架频率范围，见表 1。 表 1 汽车悬架的偏频、静挠度及动挠度 满载偏频 n0 (Hz ) 前悬架 货车 轻型车 1.0-1.45 普通轿车 0.83-1.1 高级轿车 3
材料表面脱碳倾向，并容易形成较多硅酸盐夹杂物，影响弹簧使用寿命。 60 Si 2 Mn 、 60 Si 2 MnA 弹簧钢 适用于和生产厚度在 12mm 以下的钢板弹簧。 为了提高弹簧钢材性能，新推出的 55SiMnVB 弹簧钢。由于该材料中减少了硅元素含量和加入了微量 硼和少量钢元素，改善了钢的淬透性和回火稳定性，并起到细化晶料作用，从而提高了材料强度和韧性。 钢表面质量、淬透性能和脱碳敏感性均明显好于 60 Si 2 Mn 弹簧钢，可适合生产厚度 20mm 以下的钢板弹 簧。55SiMnVB 钢因含硼元素，对钢材冶炼工艺要求较严。另外由于这种材料含合金元素比 60 Si2 Mn 多， 所以材料价格较高。 除了 Si − Mn 钢之外，使用较多的还有钢 Cr − Mn − B ，如 55CrMnA 钢（相当于美 SAE 5160 ，日 。这种弹簧钢不易脱碳， 本的 SUP9 A ）和 60CrMnBA 钢（相当于美 SAE 51B 60 H ，日本的 CUP11A ） 表面质量及淬透性能比较好，和弹簧钢相比，有较好的断裂韧度和缺口抗拉强度，这种弹簧钢特别是
机械性能（不小于）
σs
(N/mm²) 1176 1372 1225 1078 1078 1323 931 784 1078 1666
σb
(N/mm²) 1274 1568 1372 1325 1225 1470 1078 980 1274 1862
δ
(%) 5 5 5 9 9 7 12 9 10 5
≤0.03
≤0.03
≤0.03
≤0.03
≤0.03
≤0.03
热 处 理 工 艺 一 般 是 淬 火 加 工 中 温 回 火 。 淬 火 是 把 弹 簧 片 坯 料 加 热 到 AC 3 以 上 30 ~ 50°C , 如
60 Si2 Mn 、 55CrMnVB 钢淬火温度控制在 840 ~ 880°C ；在该温度下保温足够时间，使簧片整个断面材
材料变形和贮存的弹性变形能愈大。从这个角度看，国外采用了弹性模量较低的增强树脂材料弹簧（FRP 弹簧） 。 3) 疲劳强度 由于弹簧多在交变载荷下工作，所以要求材料应有较高的疲劳极限，疲劳强度与
材料抗拉强度 b 和屈服强度 σ s 成正比，因此为了提高弹簧的疲劳强度，应设法提高材料的抗拉强度 σ b 和 屈服强度与抗拉强度之比（ σ s