汽车钢板弹簧设计.doc

汽车钢板弹簧设计1、 结构优缺点分析，决定设计的结构方案。2、 确定钢板弹簧材料许应力，根据静挠度fc用材料力学简支梁挠度公式，初步确定钢板截面尺寸、形状、惯性矩、片数。3、 根据已知的板簧支点距离，U型螺栓距离、片数，用作图法求得各片钢板弦长，作图比例1:1，长度单位cm，或根据作图法的几何关系算出各片弦长。4、 验证钢板弹簧总成挠度和刚度，分两种状态验算。A. 钢板弹簧总成在U型螺栓夹紧时的挠度、刚度、频率是否满足设计要求，若不满足则重新决定钢板弹簧片的尺寸和片数后再来验算。B. 前一状态满足后，就计算钢板弹簧总成没有用U型螺栓夹紧时，即钢板弹簧总成在自由状态下的挠度，作为总成出厂检验用，应在图纸上标明。以上两种状态计算方法，均按【汽车设计】表9-4进行。5、 钢板弹簧各片强度计算，可按【汽车设计】表9-6进行6、 确定各片的预应力，钢板弹簧在未受到外载荷作用时，钢板弹簧的任何截面中，各片预应力所造成的弯矩之代数和等于0.7、 钢板弹簧总成在U型螺栓夹紧下，空载时的弧高计算和钢板弹簧总成在自由状态下弧高计算。8、 计算钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径R0.9、 计算各片钢板在自由状态下的曲率半径Ri，直至接近为止。10、 计算各片钢板弧长（各片钢板在支承点之间的实际长度）。11、 绘图：在各片钢板处于伸直状态下绘制总成图。制图符合常规要求外，图上还需要列表注明各片钢板实际长度、曲率半径、总成检验弧高。12、 钢板弹簧总成在极限工况下的长度验算。13、 钢板弹簧卷耳和销轴的验算。14、 卷耳衬套的设计和验算。I0:根部惯性矩I0=bh312W0:根部断面系数W0=bh26C=1*48EI0L3汽车多片钢板弹簧主要设计算计式与参数表对称钢板弹簧不对称钢板弹簧参数许用值（推荐）刚度Cj=48EI0/(L-S/2)3 S：平直段长度Cj=3EL2I0L12(L2-S/4)2+L22(L1-S/4)2 弹性模量E=2.058*105N/mm2弹性极限 e=90kg/mm2=882N/mm2屈服极限s=120-125kg/mm2 =1176-1225N/mm2抗拉强度b=125-130kg/mm2 =1225-1274N/mm2s和B详见弹簧钢标准比应力：前后簧=4.41-5.39N/mm2/mm副簧=7.35-8.33N/mm2/mm平衡簧=6.37-7.84N/mm2/mm静挠度Fj=pm(L-S/2)3/(48EI0)Fj=【L12(L2-s/4)2+L22(L1-S/4)2】pm /(3EL2I0)静应力=比应力=12EI0/(L-S/2) 2各片厚度相同时I0/W0=a形状系数=3（1-）3【12-2+2（32-ln）】各片厚度相同时=1.5/1.04【1+1/（2）】静应力：前簧=343-441N/mm2后簧=441-539 N/mm2副簧=196-245 N/mm2平衡簧=343-441 N/mm2卷耳应力：35kg/mm2=343 N/mm2静挠度阻力系数：满载负荷Pm=Cjm/验证负荷Pe= Cje/预压负荷Ps= Cjs/各片长度Li=(Lz/2-Ld/2)h3/hi3 等厚度时LI=(Lz/2-Ld/2)/nLz/Ld作用长/短片长 n小于Lz的片数：满载自振频率：Nm=300/Fj1/2(次/分，Fj-cm)前簧Nm=100-110（次/分）(FJ=74.5-90mm)后簧Nmm=110-125mm（Fj=57.5-74.5mm）根部极限应力：max=(Fj+Fd)一般簧max882-980N/mm2平衡簧maxb1323 N/m动挠度FdFd= dFj1/2城市用车辆d=2-2.5公路用车辆d=2.5-3.5越野车辆d3.5曲率半径弧长计算：1、根据H/L查表.Q值 R=L/Q 2、R=L2/(8H) （近似计算）弦长计算：R=H2+（L/2）2/（2H） H=R-(R2-L2/4)1/2知各弧高求总弧高知总弧高求单弧高片间间隙D=【（Rn+Sn-Hn+1）2+2Hn+1(Rn+Sn-Rn+1)】1/2-(Rn+Sn-Hn+1)Rn曲率半径 Sn片厚 Hn+1下片弧高等截面板簧的设计要点与思路一、 钢板弹簧设计的已知条件1、总成类型： a前簧、后簧、副簧或平衡簧； b等截面簧、变截面簧或复合簧。2、性能参数：轴空载负荷、轴满载负荷、轴非簧载负荷（一般不考虑），静挠度Fj(一般先给一个范围)，动挠度Fa，满载弧高H0,弹簧固定点至路面距离c，满载时汽车总重量。满载负荷Pm=(轴满载负荷-轴非簧载负荷)/2.3、装车尺寸：作用长度. 前半段长度.钢板弹簧宽度B. 装车结构及尺寸（主片/末片）. 骑马螺栓夹紧距离s.4其它要求：材料及截面形状. 配套件. 油漆及颜色. 标识。二、 钢板弹簧的设计计算公式参数名称对称钢板弹簧不对称钢板弹簧刚度Cj=48EI0/(L-s/2) 3或=Pm/FjCj=3EL2I0/(L12(L2-S/4)3+L22(L1-S/4)3 )或=Pm/Fj静挠度Fj=Pm(L-S/2)3/(48EI0)或=m/Fj=L12(L2-S/4)3+L22(L1-S/4)3 pm/（3EL2I0）或=m/根部静应力m=Pm(L-S/2)/(4W0)m=PmL1(L2-S/2)/(LW0)或=Pm L2(L1-S/2)/(LW0)P1=PL2/(L1+L2) P2=PL1/(L1+L2)Pm=P1+P2Cj=(L1C1+L2C2)/(L1+L2)比应力 =12EI0/(L-S/2)2 W0各片厚度相同时I0/W0=a 或=m /Fj=m/Fj最大应力max=6Eh(Fj+Fd)/(L-S/2) 2m=PmL1(L2-S/2)h1/(2I0L)或=PmL2(L1-S/2)h1/(2I0L)h1最厚片厚度形状系数=3/（1-）3【1/2-2+2（3/2-ln）】各片厚度相同时=1.5/1.04【1+1/（2）】满载负荷 Pm=Cjm/验证负荷Pe= Cje/预压负荷Ps= Cjs/各片长度Li=（LZ/2-Ld/2）h3/hi3等厚度时Li=（Lz/2-Ld/2）/nLz/Ld作用长/短片长n小于Lz的片数利用左面公式，分别计算前、后半段的长度主片厚度h=(L-S/2) 2/6EFj)H=2(L1-S/4)(L2-S/4) /(3EFj)片宽度6B/h12惯性矩厚度相同时：I0=（L-S/2）3Pm /(48EFJ)厚度相同时：I0=(L1-S/4)2(L2-S/4) Pm/3E(L-S/2)Fj厚度不同，利用求和公式计算厚度不同，利用求和公式计算片数曲率半径弧长计算：1、根据H/L查表.Q值 R=L/Q 2、R=L2/(8H) (近似计算)弦长计算：R=【H2+(L/2)2】/(2H) H=R-(R2-L2/4)1/2知单片弧高求总成弧高厚度相同：H=L2*(HiLi)/li厚度不同时：H=(L2/8)*(IiLiRi)/IiLi知总成弧高求单片弧高Hi=（Li2/8）(1/R0+20i/Ehi)R0总成自由曲率半径。 0i第i片装配预应力片间间隙D=(Ri+Si-Hi+1)+2Hi+1(Ri+Si-Ri+1)1/2-(Ri+Si-Hi+1) R曲率半径 Si片厚 Hi+1下片弧高三、 钢板弹簧的设计步骤与设计计算1、 刚度、片数、片厚、片长、和工作应力的计算 A、初算刚度. 根据Ci=Pm/Fj (Fj取中间值) B、计算I0 C、初选厚度，计算I（公式见附3：与钢板弹簧有关的计算公式） D、计算片数n. E、按“钢板弹簧的设计计算公式”，计算根部应力m、比应力和最大应力max F、依据“附1：钢板弹簧的设计参数许用值”，综合考虑.确定片厚和片数。 G、计算片长：正确选择各片的片长，可使应力在片间和片长中分布合理，以达到各片等寿命的目的：通常对板簧设计人员而言，主片长度（作用长度）及端部结构为已知。主片长度确定之后，其它各片长度、可按各片的惯性矩来确定（本文介绍展开作图法）：横坐标为片长，纵坐标为等效宽度（即hi3）,从U型螺栓夹紧距之半（下侧边）到主片叠片的最后一片的端点（上侧点）连一直线，此直线与各片的上侧边交点即为各片长度（末片长度为已知时，按给定长度设计）（如图1）。 用公式计算时：II=(LZ/2-Ld/2)h3/hi3, 等厚时 II=(Lz/2-Ld/2)/n. Lz/Ld作用长/短片长 n小于里Lz的片数（含末片）。 H、精确计算静挠度Fj，从而精确计算刚度Cj2、弧高计算 A、计算公式 总成自由弧高H0=Hm+Fj+ 总成自由曲率半径R0=L2/(8H0) 夹紧弧高变化量=【L2/(L-S/2)2-1】H B：符号说明 Hm：满载弧高 Fj：静挠度 :夹紧弧高变化量 R0:曲率半径 H：总成夹紧无载弧高附1.钢板弹簧的设计参数许用值设计参数许用值（推荐）弹性模量E=2.058*105N/mm弹性极限e=90kg/mm2=882N/mm2屈服极限s=120-125kg/mm2 =1176-1225N/mm2抗拉强度b=125-130kg/mm2=1225-1274N/mm2s和B详见弹簧钢标准比应力：前后簧：=4.41-5.39N/mm2/mm副簧：=7.35-8.33N/mm2/mm平衡簧: = 6.37-7.84N/mm2/mm静应力：前簧=343-441N/mm2后簧=441-539 N/mm2副簧=196-245 N/mm2平衡簧=343-441 N/mm2卷耳应力：35kg/mm2=343 N/mm2静挠度阻力系数：满载自振频率：Nm=300/Fj1/2(次/分，Fj-cm)前簧Nm=100-110（次/分）(FJ=74.5-90mm)后簧Nmm=110-125mm（Fj=57.5-74.5mm）根部极限应力：max=(Fj+Fd)一般簧:max882-980N/mm2平衡簧:maxb1323 N/m动挠度FdFd= dFj1/2城市用车辆d=2-2.5公路用车辆d=2.5-3.5越野车辆d3.5附录2：钢板弹簧总成类型的参数许用值参数名称许用值参数名称许用值前簧静应力（N/mm2）340-450后簧静应力（N/mm2）430-550比应力（N/mm2/mm）4.35-5.5比应力（N/mm2/mm）4.3-5.5工作应力（N/mm2）540工作应力（N/mm2）540工作极限应力（N/mm2）1000工作极限应力（N/mm2）1000卷耳应力（N/mm2）350卷耳应力（N/mm2）350制动应力（N/mm2）1000制动应力（N/mm2）1000静挠度（mm）50-110静挠度（mm）50-110动挠度（mm）35-110动挠度（mm）35-110付簧动挠度（mm）190-250平衡簧动挠度（mm）330-450比应力（N/mm2/mm）7.3-8.5比应力（N/mm2/mm）6.3-7.9工作应力（N/mm2）540工作应力（N/mm2）540工作极限应力（N/mm2）1000工作极限应力（N/mm2）1000卷耳应力（N/mm2）（无）卷耳应力（N/mm2）350制动应力（N/mm2）1000制动应力（N/mm2）1000静挠度（mm）50-110静挠度（mm）动挠度（mm）35-110动挠度（mm）附录3：与钢板弹簧有关的计算公式参数名称平板截面单面双槽截面惯性矩（mm4）I=Bh3/12-0.02368h或I=（B-0.15h）h3/12中性层a(mm)A=h/2A=0.5Bh-(1.5b2h-0.73096bh2+0.08601h3)/(2b-0.57735h)/(B-b+0.201725h)(至受拉面.b双槽宽度)断面系数W(mm3)W=I/a=I/h/2=2I/h(3个惯性矩I)受拉面Wmax=I/a受拉面Wmin=I/（h-a）面积（mm2）F=(B-0.15h)hF=(B-b+0.201725h)h附录4：钢板弹簧的参数常用符号与计量单位C:刚度（N/mm） E:弹性模数2.058*105N/mm22.1*104kg/mm2Fj:静挠度(mm) I0:根部惯性矩 I=Bh03/12(mm4)Fd:动挠度（mm） W0:根部断面系数.W0=Bh02/6(mm3)m：根部应力（N/mm2） B:根部宽度（mm）：比应力（单位变形所对应的根部应力）（N/mm2/mm） h:根部厚度（mm）：形状系数（挠度增大系数） ：端部与根部惯性矩比值. =I1/I0(各片厚度相同时，=n1/n0)max：最大应力（N/mm2） n1:主片数 n0:总片数 a:中性层（mm）Pm: 满载负荷（N） b:弹簧双槽宽度（mm）Pe：验证负荷（N） Px：沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力 Ps：预压负荷（N） D：卷耳内径L:作用长度. L=L1+L2(mm) B h 板簧的宽度和厚度弹簧销验算：计算公式：P=Pm/4=P/(B*d)3-4N/mm2 (材料为20或20Cr钢并经渗碳处理的弹簧销，其许用挤压应力【】7-9N/mm2符号说明：P：满载静止时，钢板弹簧端部承受的载荷。d:板簧销直径钢板弹簧的强度设计验算一、 钢板弹簧极限工况验算1、制动时，后半段最大应力max 计算公式 前簧：1max =M1*GW1*(L1+*C)*L2/(L1+L2)*W0 1000N/mm2后簧：2max=【