钢板弹簧设计课程设计说明书.doc

- 1 设计专用纸 page 1 目录目录 一、确定断面尺寸及片数一、确定断面尺寸及片数-2 二、确定各片钢板弹簧的长度二、确定各片钢板弹簧的长度-4 三、钢板弹簧的刚度验算三、钢板弹簧的刚度验算-5 四、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算。四、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算。-7 1.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高钢板弹簧总成在自由状态下的弧高-7 0 h 2.钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定-8 五、钢板弹簧总成弧高的核算五、钢板弹簧总成弧高的核算-10 六、钢板弹簧的强度验算六、钢板弹簧的强度验算-11 二、二、 （修改）确定各片弹簧长度（修改）确定各片弹簧长度 -12 三、三、 （修改）钢板弹簧的刚度验算（修改）钢板弹簧的刚度验算 -14 四、四、 （修改）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算（修改）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算-15 五、五、 （修改）钢板弹簧总成弧高的核算（修改）钢板弹簧总成弧高的核算-17 六（修改）钢板弹簧的强度验算六（修改）钢板弹簧的强度验算-18 七、钢板弹簧各片应力计算七、钢板弹簧各片应力计算-18 八，设计结果八，设计结果-20 九、参考文献九、参考文献-21 十、附总成图十、附总成图-21 - 2 设计专用纸 page 2 计算过程与步骤计算过程与步骤 条件参数：条件参数： 总重=13100 n 自重=6950 n 0 空车轴载荷=4250 n =2700 n 01 02 满载轴载荷=5750 n =7350 n 1 2 非簧载质量 =690 n =2010 n 钢板弹簧长度 l=10001100nn 满载时偏颇 n=1.5-1.7hz 弹性模量 e=2.06n/ s=8-15%l 1052 叶片端部形状：压延 一、确定断面尺寸及片数一、确定断面尺寸及片数 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 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。对于对称钢板弹簧： 0 j 1 3 0 48jlksce 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） ， ； 为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数，再估计一个总片/ wc cff 1 n 数,求得，然后用初定 ）e 为材料的弹性模量。 0 n 1 0 n n 1.5 1.04 10.5 ， 其中， ， 取，则， ) 8 5 . 01 (04. 1 5 . 1 1 n 1 1 n 105 . 1 5 . 1 去 l=1050mm 取 k=0.5， - 3 设计专用纸 page 3 取满载偏颇 n=1.6hz 且 =()/2=2670n, =97.66mm ， 2 2 = （ 5 ） 2 则=27.34n/mm/ wc cff 将其代入求得； 2 0 5 . 3725mmnj =) 4/()( 0ww kslfw66.1331)5004/()1055 . 01050(2670mpammn ； 初取，取 b=9=50.13mm.mmwjhp59 . 5 66.1331 5 .3725 /2 00 p h 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/在 610 范围内选取。 p h 4）.推荐 h 在（1+0.1）范围左右取，取 h=6mm。 查表：b 和 h 应符合国产型材规格尺寸，选取 b=65mm，h=6mm。 二、确定各片钢板弹簧的长度二、确定各片钢板弹簧的长度 有作图法如图 1.得出：且. 1 =2 单位：mm - 4 设计专用纸 page 4 图 1. 各片弹簧长度 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。 各片弹簧长度,如表 1. 表表 1 1：单位：mm 序列号 单边 l/2取整圆整 双边 l 1 525 525 525 1050 - 5 设计专用纸 page 5 2 525 525 525 1050 3 457.2 458 460 920 4 389.2 390 390 780 5 322.9 323 325 650 6 254.6 255 255 510 7 187.5 188 190 380 8 120.0 120 120 240 三、钢板弹簧的刚度验算三、钢板弹簧的刚度验算 在此之前，有关挠度增大系数、总惯性矩、片长和叶片端部形状等的确定 0 j 都不够准确，所以有必要验算刚度。用共同曲率法计算刚度的前提是，假定同一截 面上各片曲率变化值相同，各片所承受的弯矩正比于其惯性矩，同时该截面上各片 的弯矩和等于外力所引起的弯矩。刚度验算公式为 1 n k kkk yya e c 1 1 3 1 )( 6 其中，；。)( 111 kk lla k i i k j y 1 1 1 1 1 1 k i i k j y 式中，为经验修正系数，0.900.94；e 为材料弹性模量；、为主片和 1 l 1k l 第()片的一半长度。1k 则当, k=1， =0 21 2 k=2， =525-460=65mm 31 3 k=3， =525-390=135mm 41 4 k=4， =525-325=200mm 51 5 k=5， =525-255=270mm 61 6 k=6， =525-190=335mm 71 7 k=7, =525-120=409mm 81 8 - 6 设计专用纸 page 6 k=8, =525-0=525mm 91 9 其中： -= k y 1k y k i i j 1 1 1 1 1 k i i j = 12 3 12 （ + 1）3 当 k=1， = 1 2 6 3 k=2， 2 3= 2 3 k=3， = 3 4 1 33 k=4， = 4 5 3 53 k=5， 5 6= 2 53 k=6， 6 7= 2 73 k=7， = 7 8 3 143 k=8， = 8 9 12 83 代入数据可得： =18355.7)( 1 1 3 1 kk n k k yya 取 =0.93 - 7 设计专用纸 page 7 因此， （符合）mmnmmn yya e c n k kkk /135.30/6 .62 )( 6 1 1 3 1 四、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算。四、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算。 1.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 0 h 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（图 2） ，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧 高，用下式计算 0 h 1 )( 0 fffh ac 式中，为静挠度；为满载弧高；为钢板弹簧总成用 u 形螺栓夹紧后引起的 c f a ff 弧高变化，；s 为 u 形螺栓中心距；l 为钢板弹簧主片长度。 2 2 )(3( l ffsls f ca 钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径。 0 2 0 8/ hlr 取=20mm ， 则15.6mm a f 2 2 )(3( l ffsls f ca =97.66+20+15.6=133.26mm)( 0 fffh ac 因此， =1034.16mm 0 2 0 8/ hlr 2.钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定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(图 47)，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各片自由状态下做成不同曲率半径 i r 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。 - 8 设计专用纸 page 8 图 2 钢板弹簧各片自由状态下的曲率半径 矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定 (4-1) 1 )2(1 00 0 r ehr r i i i 式中，为第 i 片弹簧自由状态下的曲率半径(mm)；为钢板弹簧总成在自由状态 i r 0 r 下的曲率半径(mm)；为各片弹簧的预应力(n)；正为材料弹性模量(n i0 2 mm )。 2 mm 在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径和各片弹簧预加应力的条件下， 0 r i0 可以用式(41)计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径。选取各片弹簧预应力时， i r 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 主片及与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。 为此，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。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 300350n内选取。14 片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。 2 mm 预应力从长片到短片由负值逐渐递增至正值。 在确定各片预应力时，理论上应满足各片弹簧在根部处预应力所造成的弯矩 之代数和等于零，即 i m 1 n i i m 1 - 9 设计专用纸 page 9 或 i n i iw 1 0 因此取各片预应力， i0 01= 5002= 35 03= 2004= 0 05= 1006= 20 07= 3008= 45 得： =1128.59mm )2(1 001 10 1 r ehr r 同理：=1098.50mm =1069.97mm =1034.16mm 234 =1017.17mm =1000.68mm =984.73mm 567 =961.74mm 8 如果第 i 片的片长为，则第 i 片弹簧的弧高为 i l 1 iii rlh8/ 2 则，mmrlh 1 . 122)11280598/(10508/ 2 1 2 11 mmh5 .125) 5 . 10988/(10502 2 mmh9 .98)97.10698/(920 /2 3 4 hmm 5 . 73)16.10348/(7802 mmh51.9)17.17108/(650 /2 5 mmh32.5)1000.688/(510 /2 6 mmh18.3)984.738/(380 /2 7 - 10 设计专用纸 page 10 mmh7.5)961.748/(240 /2 8 五、钢板弹簧总成弧高的核算五、钢板弹簧总成弧高的核算 由于钢板弹簧叶片在自由状态下的曲率半径是经选取预应力后用式(41)计 算，受其影响，装配后钢板弹簧总成的弧高与用式计算的结果会不同。 0= 2/(80) 因此，需要核算钢板弹簧总成的弧高。 根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态， 由此可求得等厚叶片弹簧的为 0 （5-1） 1 n i i n i i i l r l r 1 1 0 1 式中，为钢板弹簧第 i 片长度。 i l 其中， =+ n i i i r l 1 59.1128 1050 5 . 1098 1050 97.1069 920 16.1034 780 17.1017 650 68.1000 510 73.984 380 +2844 . 5 74.961 240 =1050+1050+920+780+650+510+380+240=5580 mm n i i l 1 因此，=， 得，=1055.94 mm=（符合） 0 1 r5580 2844 . 5 0 r 1034.16 0 r 钢板弹簧总成弧高为 = （符合） 0 2 8/ rlh mmmm26.133 5 . 130)94.10558/(10502 0 六、钢板弹簧的强度验算六、钢板弹簧的强度验算 (1)紧急制动时，前钢板弹簧承受的载荷最大，在它的后半段出现的最大应力 - 11 设计专用纸 page 11 用下式计算 max （6-1） 1 021 12 11 max )( )( wll cllmg 式中，为作用在前轮上的垂直静负荷；为制动时前轴负荷转移系数，轿车： 1 g 1 m 1.21.4，货车：1.41.6；、为钢板弹簧前、后段长度；为道路附 1 m 1 m 1 l 2 l 着系数，取 0.8；为钢板弹簧总截面系数；c 为弹簧固定点到路面的距离如下图。 0 w 其中，取 c=300mm， =1.20， =0.8 1 则= 1000mpa （不符合） 问题：钢板弹簧的强度验算时，最大应力超标。问题：钢板弹簧的强度验算时，最大应力超标。 二、（修改）确定各片弹簧长度二、（修改）确定各片弹簧长度 修改修改：重选材料规格，取 h=7mm， b=70 mm 由作图法如图 4，确定各片长度，且. 1 =2 图 4. 各片弹簧长度 - 13 设计专用纸 page 13 各片弹簧长度如表 2 表表 2. 序列号 单边 l/2取整圆整 双边 l 1 525 525 525 1050 2 525 525 525 1050 3 457.5 458 460 920 4 390.0 390 390 780 5 322.5 323 325 650 6 255.0 255 255 510 7 187.5 188 190 380 8 120.0 120 120 240 三、（修改）钢板弹簧的刚度验算三、（修改）钢板弹簧的刚度验算 由更改后的参数得 1 n k kkk yya e c 1 1 3 1 )( 6 其中，；。)( 111 kk lla k i i k j y 1 1 1 1 1 1 k i i k j y 式中，为经验修正系数，0.900.94；e 为材料弹性模量；、为主片和 1 l 1k l 第()片的一半长度。1k 则当, k=1， =0 21 2 k=2， =525-460=65mm 31 3 k=3， =525-390=135mm 41 4 k=4， =525-325=200mm 51 5 k=5， =525-255=270mm 61 6 k=6， =525-190=335mm 71 7 - 14 设计专用纸 page 14 k=7, =525-120=409mm 81 8 k=8, =525-0=525mm 91 9 由 -= k y 1k y k i i j 1 1 1 1 1 k i i j = 12 3 12 （ + 1）3 当 k=1， = 1 2 6 3 k=2， 2 3= 2 3 k=3， = 3 4 1 33 k=4， = 4 5 3 53 k=5， 5 6= 2 53 k=6， 6 7= 2 73 k=7， = 7 8 3 143 k=8， = 8 9 12 83 代入数据可得： =10535.98)( 1 1 3 1 kk n k k yya 取 =0.93 - 15 设计专用纸 page 15 因此， mmnmmn yya e c n k kkk /135.30/1 .10998.1053520600093. 06 )( 6 1 1 3 1 （符合）（符合） 四、（修改）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算四、（修改）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 1.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 。 0 h 取=20mm ， 则15.6mm a f 2 2 )(3( l ffsls f ca =97.66+20+15.6=133.26mm)( 0 fffh ac 因此， =1034.16mm 0 2 0 8/ hlr 2.钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 取各片预应力， i0 01= 5002= 35 03= 2004= 0 05= 1006= 20 07= 3008= 45 代入 )2(1 00 0 r ehr r i i i 得： =1114.06mm )2(1 001 10 1 r ehr r 同理：=1088.82mm =1064.71mm =1034.16mm 234 =1019.54mm =1005.32mm =991.50mm 567 - 16 设计专用纸 page 16 =970.464mm 8 3.计算各片弧高：计算各片弧高： iii rlh8/ 2 则，mmrlh70.123)11280598/(10508/ 2 1 2 11 mmh57.126) 5 . 10988/(10502 2 mmh37.99)97.10698/(920 /2 3 4 hmm54.73)16.10348/(7802 mmh51.8)17.17108/(650 /2 5 mmh32.34)1000.688/(510 /2 6 mmh18.20)984.738/(380 /2 7 mmh7.41)961.748/(240 /2 8 五、（修改）钢板弹簧总成弧高的核算五、（修改）钢板弹簧总成弧高的核算 根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态， 由此可求得等厚叶片弹簧的为 0 n i i n i i i l r l r 1 1 0 1 式中，为钢板弹簧第 i 片长度。 i l 代入数据得， =5.3003 n i i i r l 1 =1050+1050+920+780+650+510+380+240=5580 mm n i i l 1 - 17 设计专用纸 page 17 因此，=， 得，=1052.77 mm=（符合） 0 1 r5580 3003 . 5 0 r 1034.16 0 r 钢板弹簧总成弧高为 = （符合） 0 2 8/ rlh mmmm26.13390.130)77.10528/(10502 0 六（修改）钢板弹簧的强度验算六（修改）钢板弹簧的强度验算 1.紧急制动时，前钢板弹簧承受的载荷最大，在它的后半段出现的最大应力 用下式计算 max 021 12 11 max )( )( wll cllmg 其中，取 c=300mm， =1.20， =0.8 1 则=1000mpa 021 12 11 max )( )( wll cllmg mpa09.577 6 708 )525525( )3008 . 0525(52520. 15750 7 2 (符合符合) 2.汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力用下 max 式计算 1 22 021 21 22 max )( )( bh mg wll cllmg 其中，取=1.25 ，. 2 = 0.8 则= 1 22 021 21 22 max )( )( bh mg wll cllmg 707 8 . 025 . 1 7350 6 708 )525525( )3008 . 0525(52525 . 1 7350 7 2 =783.4mpa 1000mpa （符合） - 18 设计专用纸 page 18 七、钢板弹簧各片应力计算七、钢板弹簧各片应力计算 由应力计算公式 2 （7-1） = 1( 1 ) 1 1 ( ) (7-2) + 1= (7-3) =( + 11)/() 上式中， 片长的一半； p作用在各片上力的大小，即载荷； 单片截面系数； 修正系数。 （主片 0.60.8，第二片 0.70.9，其他 1.0） 其中 ， =, = 2 6 = 70 72 6 = 571.7 1 2 = 1335 1= 2 , 1= 2, 1= 2 因此，取1 = 0.6 =（525-460） 1335/（571.7 0.6）=253.0 mpa 2=(2 3)1/(11) =1335 (525-0.5 105)-253.0 571.7/(460-0.5 105)=1193 n 3 =（460-390） 1193/（571.7 0.7）=208.7 mpa 3 =1193 (460-0.5 105)-208.7 571.7/(390-0.5 105)=1086.9 n 4 =（390-325） 1086.9/（571.7 1.0）=123.6 mpa 4 =1086.9 (390-0.5 105)-123.6 571.7/(325-0.5 105)=1086.9 n 5 - 19 设计专用纸 page 19 =（325-255） 1086.9/（571.7 1.0）=133.1 mpa 5 =1086.9 (325-0.5 105)-133.1 571.7/(42550.5 105)=1086.9n 6 =（325-190） 1086.9/（571.7 1.0）=123.6 mpa 6 =1086.9 (255-0.5 105)-123.6 571.7/(190-0.5 105)=1086.8 n 7 =（190-120） 1086.8/（571.7 1.0）=133.1 mpa 7 =1086.8 (190-0.5 105)-133.1 571.7/(120-0.5 105)=1086.6 n 8 =（120-0） 1086.6/（571.7 1.0）=228.1 mpa 8 八，设计结果八，设计结果 表表 3 参 数 钢板 序号 长度 （mm i l ） 宽度 （m i b m） 厚度 （m