燕山大学车辆与能源学院汽车设计钢板弹簧设计说明书

1、燕山大学课程设计说明书题目： CA1051K26L4载货汽车后悬架设计学院（系）： 车辆与能源学院 年级专业： 09 车辆二班 学 号： 090113030032 学生姓名： 付海东 指导教师： 韩宗奇 教师职称： 教授 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目设计技术参数设计要求工作量工作计划参考资料指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日 指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日答辩小组评语：成绩： 评阅人： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日燕山大学

2、课程设计评审意见表一、参数选择及计算方法1、 选择悬架主要参数：、（1）满载偏频：满载偏频对汽车平顺性影响很大，在设计悬架初期就要先定义满载偏频的范围。建议取：货车满载后悬架偏频的推荐范围nc=1.702.17Hz，这里选为nc=1.91Hz。（2）满载静挠度： 悬架的静挠度会直接影响到车身振动的满载偏频，因此，要保证汽车具有良好的行驶平顺性，必须正确选取悬架的静挠度。在选定偏频后可以依据下面的公式计算后悬架的静挠度代入数据（3）板簧线刚度悬架的线刚度指的是车轮保持在地面上而车厢做垂直运动时，单位车厢位移下，悬架系统给车厢的总弹簧恢复力。钢板弹簧作为悬架中的弹性元件，它自身的线刚度会影响到悬架

3、的线刚度，从而影响车厢的位移量，这里用如下的公式计算板簧的线刚度。Cs = Fw/fc代入数据（4）空载时的偏频及挠度计算出满载时的偏频和静挠度后，还需要通过空载情况下的静载荷求出此时的偏频及挠度。计算公式如下带入数据， 2、钢板弹簧结构尺寸确定（1）板簧总长板簧的长度为弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。一般由设计人员确定，确定板簧的总长时要从以下几方面考虑。a）增加钢板弹簧的长度能明显降低弹簧应力，提高使用寿命；b）板簧长度增加能降低弹簧刚度，改善汽车行驶的平顺性；c）在垂直刚度给定的条件下，板簧长度增加又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度;因此，原则上，在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取

4、长些。对于货车的后悬架推荐在如下的范围内选择：轴距。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。最后选择的钢板弹簧的长度为（2）满载静止弧高满载静止弧高是装配到汽车上之后的板簧弧高，一般后悬架为，考虑到钢板弹簧安装好后有足够的上跳动挠度，将满载静止弧高取为15mm。（3）跳动挠度 悬架弹簧的动挠度与其限

5、位行程有关，二者应适当配合，否则会增加行驶中撞击限位的概率，使平顺性变坏。动挠度过大则板簧的最大应力增大，过小则容易碰撞限位块。带入相关数据得出这里设计的后悬架的跳动挠度范围(6-9)cm，考虑到悬架弹簧的动挠度与其限位行程很好的配合，将上跳动挠度定为7.5cm。3.板簧片数及断面参数选择板簧片数 初选总片数和主片数，后簧取，。片数少些有利于制造和装配，并可以降低片之间的干摩擦，改善汽车行驶平顺性。但片数少了将使钢板弹簧与等强度梁的差别增大，材料利用率变坏。综合考虑此客车的行驶平顺性与静载荷，将板簧总片数定为7，主片数定为1。(2)断面宽度与高度在研究钢板弹簧时，常将其抽象成简支梁。因此可利用

6、简支梁的挠度公式计算板簧的总惯性矩 ：挠度系数； S：骑马螺栓距离；K：非工作长度系数，表征骑马螺栓的夹紧程度；这里K= 0.5为刚性夹紧。查国标GB122284选取簧片的断面参数，即宽度b，厚度h，将截面形状定为矩形，则惯性矩为： 计算出的JJ与计算的比较，应大致相等，否则调整片数或断面参数，直至满意为止（相对误差小于5%）。其中各参数的取值如下；S =125mm；K= 0.5；b=90mm；h=9mm；由公式计算，J0=7775.23mm4由公式计算可得，J0=8018.35mm4二者的相对误差 ，符合要求。4.板簧的应力校核(1)平均应力 抽象成简支梁的板簧在承受载荷Fw、变形为fc时，

7、根部应力为： 为许用静应力，经应力喷丸处理的弹簧钢:后簧:=450550 MPa代入相应数据得(2)比应力 比应力，即单位板簧变形对应的应力。它与载荷及变形无关，是衡量强度利用程度及使用寿命的一个很好的参数： 在4.55.0 MPa/mm较好。代入相应数据符合要求。(3)最大应力 最大应力即板簧产生最大变形时的应力：代入相关数据<900Mpa符合要求。上述三种应力有任一个不能满足要求时，应调整参数，再行计算直至满意为止。5.各片长度的确定 簧片长度是指其各片的伸直长度。有两种设计方法，一是等差级数法，二是作图法。这里采用作图法确定钢板弹簧各片的长度，做出的图如下图所示，然后将各片长度进行

8、圆整即可。最终确定各片长度为：,6、板簧的刚度校验一般用共同曲率法进行计算，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。验算钢板弹簧实际刚度公式为：其中：，,为第一片到第片处所有叶片的惯性矩之和。式中为经验修正系数，；E为材料弹性模量；、为主片和第片的一半长度。主簧刚度计算：为计算方便，在进行设计时，通常采用列表法计算。刚度公式中部分计算见下表：liLaJiYkL1（mm）5751150012600.000793651L2（mm）5751150012600.000396825L3（mm）49098

9、08512600.00026455L4（mm）40581017012600.000198413L5（mm）31563026012600.00015873L6（mm）23046034512600.000132275L7（mm）14529043012600.00011337957512600选择修正系数，将数据代入刚度公式，得后主簧实际总成自由刚度。，符合要求。7各片应力计算下面用共同曲率法，根据假设，在悬臂梁模型根部，各片所承受的弯矩与其惯性矩成正比，即： i = 1n ，分别为根部的总弯矩和总惯性矩。且 =，故有： 根部应力： 代入数据有满足要求。8.预应力及其选择板簧在工作中，以主片断裂最常

10、见。断裂的部位常发生在卷耳附近；骑马螺栓附近；下片的端部。因此，在设计板簧时，适当加强主片的强度，对提高板簧的寿命和可靠性很有必要。加强主片的措施有以下几种：一是多主片（二片或三片），二是主片的厚度大于其他片，三是置预应力。在设计板簧时，有意识地将各片设计成自由状态下的曲率半径不等，自上而下，曲率半径逐渐减小，如图7（b）所示，当中心螺栓装配成总成后，各片便紧密贴合，具有近似相等的曲率半径。如图7（a）所示，这时，虽然外载荷，但由于各片之间的相互作用，各片都产生了一定的应力。很明显，主片及靠近主片的几片，曲率半径变小，上表面有了负应力（压应力）；而下面几片的上表面都有了正应力（拉应力）。这种由

11、于各片之间自由曲率半径不等而相互作用产生的应力叫预应力。设置预应力不仅能够充分利用材料，提高板簧寿命和可靠性，而且可以使片间贴合更紧，防止泥沙进入片间。 图4 （a） 图4 （b） 图4 中心螺栓装配前后的钢板弹簧合理的各片根部预应力分布如图8所示。主片及靠近主片的几片取负预应力。（上表面受压），下面几片取正预应力（上表面受拉），负预应力最大值一般不超过150MPa，正预应力最大值一般不超过6080Mpa。但在板簧悬臂梁模型根部，由预应力产生的弯矩之和应相等：（）（+）图5 各片预应力分布 为各片上表面的预应力，为各片抗弯截面系数。由于所有板簧具有相同的厚度和宽度，则只需要。表1即各个板簧预应

12、力分配。表1o1-100o2-80o30o450o580o650o70 满足要求。 图6 预应力分布板簧在工作中的实际静应力应为前述的计算应力与预应力的和：即： 9板簧总成自由状态下的弧高及曲率半径计算板簧仅由中心螺栓装配后，应有适当的弧高，否则，就不能保证满载时的弧高fa，因而也就不能保证板簧在适当的状态下工作。总成自由弧高H0可由下式估算：、fa意义同前，为预压缩式的塑性变形，由经验公式计算： 是与板簧总长和骑马螺栓中心矩S有关的附加变形，可用下式估算： 板簧自由状态的曲率半径 与 有图7所示关系:R0H0L图7 板簧长度、曲率半径与弧高的关系故有： 代入数据可得：1.10各片在自由状态下

13、的曲率半径及弧高计算 板簧各片在未装配前的曲率半径和弧高是板簧制造必不可少的参数，由材料力学可知，受弯矩作用的梁： 为曲率，为梁的挠曲线表达式。因此各片在用中心螺栓装配前后由预应力产生的曲率变化为： 其中为由预应力产生的弯矩，R0为装配成总成的曲率半径。但， 因此： 为第i片的自由曲率半径，为第i片厚度。各片在自由状态时的弧高为： 在确定之后，一般还要验算一下板簧总成的曲率半径和弧高是否与上节计算的结果相符，差别较大时，仍要调整参数。 与各片有如下关系：对于各片厚度相等，则可简化为： 总成弧高：代入数据可得验算： 符合要求。 符合要求。1.11板簧的动应力和最大应力 钢簧弹簧叶片的工作状况比较

14、恶劣，在设计时，除对上述静应力进行计算外，还要对动应力和极限应力进行校核。A、动应力是板簧从满载静止变形起，继续变形，直到动行程消失，各片上表面所增加的拉应力。 由于应力与变形（挠度）成正比，因此各片的动应力与静止应力有下述关系： 故： B. 最大应力最大应力为各片静应力与动应力的叠加： 为许用最大应力，取为1000MPa其中最大值，满足要求。1.12板簧的强度验算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为式中，为作用在后轮上的垂直静负荷；为制动时后轴负荷转移系数，货车：；、为钢板弹簧前、后段长度；为道路附着系数，取0.8；为钢板弹簧总截面系数；c为弹簧固定点到路面

15、的距离，取500mm。代入数值有 <1260Mpa 校核通过。2）钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度校核。图8 钢板弹簧主片卷耳受力图 式中，Fx为沿卷耳纵向作用在卷耳中心线的力；D为卷耳内径；b为钢板弹簧宽度；h1为主片厚度。许用应力取350Mpa。对钢板弹簧销，要验算钢板弹簧收静载荷时它受到的挤压应力。式中Fs为满载静止时钢板弹簧端部的载荷；b为卷耳出2叶片宽；d为钢板弹簧销直径。许用挤压应力。取 满足要求。满足要求。2.弹簧销的设计对钢板弹簧销，当钢板弹簧承受静载荷时它受到挤压应力：其中，为满载静止时钢板弹簧端部的载荷；为卷耳处叶片宽度；为钢板弹簧销直径。用30或40钢经液体碳氮共渗处理时，弹簧销挤压应力取为;则 对数据进行圆整，取。3.卷耳尺寸的确定 卷耳处所受应力如图所示，其所受应力是由弯曲应力和拉压合成的应力，钢板弹簧主片卷耳受力图已知 则: 式中，为沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力且；为卷耳内经；为钢板弹簧宽度；为主片厚度。许用应力取为；为作用在车轮上的载荷；为道路附着系数，计算时通常取；为后轴对于后轴驱动的的汽车，一般制动时重量重新分配系数。其具体数值，可按总体布置参数在附着系数为的道路上制动而计算得出的，一般。得：对数据进行圆整，取。L1=1150mmL2=1150mmL3=980mmL4=810mmL5=630mmL6=460mm