钢板弹簧设计

钢板弹簧设计：1。钢板弹簧布置方案：2。板簧主要参数的确定：3。钢板弹簧长度的测定：4。钢板弹簧刚度验算：5。自由状态下板簧组件的弧高和曲率半径的计算：6。板簧组件弧高的校核计算：7。钢板弹簧强度校核计算：8。更少的板簧：1。钢板弹簧的布置方案：钢板弹簧可以垂直或水平放置在汽车上。后者仅用于少数轻型和微型汽车，因为它必须配备额外的导向力传递装置来传递纵向力，这使得结构复杂且质量增加。纵向板簧可以传递各种力和力矩，结构简单，因此在汽车中得到了广泛的应用。纵向板簧分为对称型和非对称型。如果轴(桥)上钢板弹簧中部的固定中心与钢板弹簧两端的螺旋凸耳中心之间的距离相等，则为对称钢板弹簧；如果它们不相等，它们被称为不对称板簧。在大多数情况下，汽车使用对称的钢板弹簧。由于车辆布局的原因，或者当钢板弹簧在车辆上的安装位置不固定，需要改变轴距或改变轴距以达到改善轴重分配的目的时，采用非对称钢板弹簧。2.板簧主要参数的确定。在计算钢板弹簧之前，应了解以下初始条件：汽车满载和静止时，前后轴(桥)的载荷G1和G2，以及汽车簧下部分的载荷Gu1和Gu2。在此基础上，应计算单个板簧的载荷：Fw1=(G1Gu1)/2和Fw2=(G2Gu2)/2、悬架的静态挠度fc和动态挠度fd、汽车轴距等。1.满载弧高fa满载弧高fa是指当钢板弹簧安装在轴(桥)上时，当汽车满载时，钢板弹簧主板的上表面和连接两端的线之间的最大高度差(不包括耳簧孔的半径)(图6-11)。Fa用于确保汽车具有给定的高度。当fa=0时，板簧在对称位置工作。为了在框架高度受限时获得足够的动态挠度值，通常采用fa=10 20 mm。2。钢图6-11自由状态下钢板弹簧组件的弧高钢板弹簧长度l的测定，2。钢板弹簧长度l的确定钢板弹簧长度l指的是弹簧拉直后两个线圈耳中心之间的距离。增加钢板弹簧的长度L可以显著降低弹簧应力，延长使用寿命。降低弹簧刚度，提高车辆乘坐舒适性；在给定的垂直刚度C下，钢板弹簧的纵向角刚度可以明显增加。板簧的纵向角刚度是指当板簧产生单位纵向角时，作用在板簧上的纵向力矩值。在增加钢板弹簧纵向角刚度的同时，可以减少车轮扭矩引起的弹簧变形。选择一个较长的钢板弹簧会给汽车的安装带来困难。原则上，当总体布置可行时，片簧应该尽可能长。建议钢板弹簧的长度在以下范围内选择：汽车：l=(0.40 0.55)轴距；卡车前悬架：l=(0.26 0.35)轴距，后悬架：l=(0.35 0.45)轴距。钢板弹簧截面尺寸和数量的确定(1)钢板弹簧截面宽度b的确定钢板弹簧的刚度和强度可以根据等截面简支梁的计算公式计算，但需要引入挠度增加系数进行修正。因此，板簧所需的总惯性矩J0可根据修正的简支梁公式计算。对于对称板簧J0=(LKS) 3/48E (6-5)，S是U形螺栓的中心距离(mm)；k为考虑U型螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数(如刚性夹紧，k=0.5，柔性夹紧，k=0)；c是板簧的垂直刚度(n/mm)，c=fw/fc；是偏转增加系数(首先确定与主切片长度相同的重叠切片的数量n1，然后估计总数n0以获得=n1/n0，然后使用=1.5/1.04(10.5)来初始确定)；e是材料的弹性模量。总计c增加薄片的宽度可以增加耳朵的强度，但是当身体被侧向力倾斜时，弹簧的扭转应力增加。前悬架的宽弹簧片会影响方向盘的最大转角。如果板的宽度太窄，必须增加板的数量，从而增加板之间的摩擦和弹簧的总厚度。建议板宽与板厚之比b/hp选择在6 10的范围内。(2)片簧厚度H的选择矩形截面等厚片簧的总惯性矩J0通过以下公式J0=NBH3/12 (6-8)计算，其中n是片簧的数量。从方程(6-8)可以看出，改变板数n、板宽b和板厚h中的一个会影响总惯性矩J0的变化；结合等式(6-5)，可以看出总惯性矩J0的变化将影响片簧的垂直刚度C的变化，这将影响汽车的乘坐舒适性。其中，钢板厚度h的变化对钢板弹簧的总惯性矩J0影响最大。增加板厚h可以减少板数n。每个板簧的厚度可以相同或不同，希望尽可能采用前者。然而，由于主膜的苛刻工作条件，为了加强主膜和耳朵，主膜通常被加厚，而其它膜稍微变薄。此时，要求一对板簧的厚度不得超过三组。最厚的薄板与最薄的薄板之比应小于1.5，以使每块薄板的使用寿命接近。最后，钢板的截面尺寸b和h应符合国内型材的规格和尺寸。图6-12叶片截面形状a)矩形截面b)T形截面c)截面d)在一侧具有抛物线边缘的截面d)在一侧具有双凹槽的截面d)较少数量的片簧片n有利于制造和组装，并且可以减少片之间的干摩擦并提高车辆乘坐舒适性。然而，板的数量越少，板簧和同等强度的梁之间的差异就越大，材料利用率就越差。通常，多个板簧的数量在6到14之间，重型卡车的数量可以达到20。当使用变截面较少的钢板弹簧时，钢板弹簧的数量应选择在1和4之间。3.确定每个钢板弹簧的长度。厚度不变、宽度连续变化的单片弹簧是等强度的菱形梁(两个三角形)。由两块三角形钢板组成的板簧被分成若干个等宽的板，然后按照不同的长度顺序排列堆叠在一起，形成接近实用价值的板簧。事实上，片簧不能是三角形的，因为为了将片簧的中间部分固定到轴(桥)上并确保力在两个滚动耳上的可靠传递，它们必须具有一定的宽度。因此，用具有矩形中间部分的双梯形板簧代替三角形板簧具有实际意义(图6-13)。这种板簧的每一片都有相同的宽度，但长度不同。首先，假设每块板的厚度不同，具体步骤如下：首先，在图(图6-14)上按相同的比例沿纵坐标画出每块板厚度的立方值，然后沿横坐标测得主件长度的一半l/2和u形螺栓中心距离的一半s/2，得到两点a和b， 通过连接a和b得到三角形片簧展开图。AB线与每个叶片上侧的交点即为每个叶片的长度。 如果有与主纸张长度相同的重叠纸张，则从B到最后一个重叠纸张上侧的终点连接一条直线，该直线与每张纸张上侧的交点即为每张纸张的长度。每件的实际长度和尺寸应在四舍五入后确定。图6-13双梯形片簧图6-14确定各片簧长度的绘图方法和4片簧刚度的校核计算。在此之前，挠度增加系数、总惯性矩J0、叶片长度和叶片端部形状的确定不够准确，因此有必要检查刚度。刚度校验公式为(6-9)，其中为经验公式5、自由状态下片簧总成的弧高和曲率半径的计算，(1)自由状态下片簧总成的弧高H0在每个片簧件组装后，在预压和U形螺栓夹紧之前，其主件上表面与两端连接线之间的最大高度差(图6-11)(不包括耳簧孔半径)称为自由状态下片簧总成的弧高H0，H0=(fc FA F) (6-10)按下式计算，其中fc为静挠度；Fa为满载弧高；f是用U形螺栓夹紧钢板弹簧组件引起的弧高变化，f=s(3ls)(fafc)/2 L2；s是u形螺栓的中心距；l是片簧主片的长度。自由状态下板簧组件的曲率半径R0=L2/(8H0)。(2)自由状态下板簧曲率半径的确定由于自由状态下和装配后板簧的曲率半径不同，所以在自由状态下制造不同曲率半径的板簧的目的是为了使相同厚度的板簧在装配后粘接良好，降低主片的工作应力，使各片的使用寿命接近。图6-15自由状态下板簧的曲率半径装配前，矩形截面的每个板簧的曲率半径由以下公式确定：Ri=R0/1 (2 0Ir0)/(EHI) (6-11)，其中Ri是自由状态下第一个板簧的曲率半径(mm)；R0是自由状态下板簧组件的曲率半径(mm)；0i是每个弹簧的预应力(MpA)；e是材料的弹性模量(兆帕)，取e=2.1105兆帕；Hi是第一个板的弹簧厚度(mm)。在自由状态下板簧组件的曲率半径R0和每个板簧的预应力0i已知的情况下，每个板簧在自由状态下的曲率半径Ri可以通过使用等式(6-11)来计算。在选择每个弹簧的预应力时，需要做到以下几点：组装前弹簧片之间的间隙相差不大，组装后每个弹簧片都能很好地配合；为了保证主薄板及其相邻长薄板的足够使用寿命，主薄板及其相邻长薄板的应力应适当降低。因此，在选择每片预应力时，可分为以下两种情况：对于相同厚度的钢板弹簧，每片预应力值不宜过大；对于不同钢板厚度的钢板弹簧，优选厚钢板预应力。建议根部主要构件的工作应力和预应力的组合应力应选择在300 350兆帕范围内。在确定每片预应力时，每片弹簧根部预应力产生的弯矩mi的代数和理论上应等于零，即(6-12)或(6-13)如果第一片弹簧的片长为Li，则第一片弹簧的弧高为hi/(8ri)(6-14)，并计算6片弹簧组件的弧高。由于在选择预应力0i后，通过使用等式(6-11)计算自由状态下板簧叶片的曲率半径ri，组装的板簧组件的弧高和r0受其影响。因此，有必要检查板簧组件的弧高。根据最小势能原理，片簧组件的稳定平衡状态是每个片簧的势能之和最小的状态，因此具有相同厚度的片簧的R0可以获得为(6-15)，其中L1是第一片簧的长度。板簧组件的弧高为h L2/(8r0) (6-16)。等式(6-16)和等式(6-10)计算的结果应该相似。如果有许多差异，可以在重新选择每片预应力后进行计算。7片簧强度计算，(1)紧急制动时，前片簧承受最大载荷，后半部的最大应力max由以下公式(6-17)计算，其中G1是作用在前轮上的垂直静载荷；M1是制动时前轴的载荷传递系数，汽车为M1=1.2 1.4，卡车为1.4 1.6；L1和l2是板簧的前部和后部的长度；道路附着系数取0.8；W0是板簧的总截面系数；c是弹簧固定点到路面的距离(图6-16)。图6-16汽车制动时板簧的受力图，(2)汽车行驶时，后板簧(3)钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度计算。耳部应力是弯曲应力和拉伸(压缩)应力的组合应力。耳朵的应力如图6-17所示。(6-19)，Fx是沿弹簧纵向作用在线圈耳中心线上的力；d是耳线圈的内径；b是板簧的宽度；H1是主版的厚度。容许应力为350兆帕。图6-17钢板弹簧主线圈耳应力图，用于检查钢板弹簧处于静载荷压缩应力Z=Fs/(bd)时的钢板弹簧销。其中Fs是钢板弹簧完全加载和静止时的末端载荷。b是耳朵处的刀刃宽度。d是板簧销的直径。当30钢或40钢经液态碳氮共渗处理时，弹簧销的许用挤压应力Z为3 4兆帕。用20钢或20Cr钢渗碳或用45钢高频淬火后，许用应力z7 9 MpA。钢板弹簧主要由55SiMnVB钢或60Si2Mn钢制成。为了提高钢板弹簧的使用寿命，经常采用表面喷丸工艺和减少表面脱碳层深度的措施。表面喷丸有两种：普通喷丸和应力喷丸。后者会使板簧表面的残余应力比前者大得多。在轻型车辆和汽车中，越来越多的应用越来越少的弹簧。其特征在于叶片由1-3个等长、等宽、变截面的叶片组成(图6-18)。加厚的横截面用于保持等强度特性，与多个弹簧相比，质量减少了20%-40%。具有减摩效果的塑料垫圈放置在板之间，或者只在端部接触，以减少板之间的摩擦。图6-19所示的单件可变截面弹簧的端部CD段和中间夹紧段AB段具有相同的横截面形状，厚度为h1和h2，而BC段具有加厚的横截面。不列颠哥伦比亚省的厚度可以根据抛物线或线性变化。图6-18单件弹簧和小件弹簧图6-19单件变截面弹簧的一半a)单件弹簧b)小件弹簧，(1)根据抛物线变化，厚度hx随长度的变化规律为hx=h2(x/l2)1/2，惯性矩Jx=J2(x/l2)3/2，单件刚度为(6-2