轿车悬架螺旋弹簧的设计

1、轿车悬架螺旋弹簧的设计 轿车悬架螺旋弹簧的设计 com 1 前言 当今乘用车大多数悬架系统的弹性元件都采用螺旋弹簧它具备结构简单制造容易成本低廉可靠耐用等优点 虽然在通用机械上的螺旋弹簧计算已相当成熟但是车辆用的螺旋弹簧因其恶劣的使用环境和路面随机的动载荷使它在设计方法上和制造工艺上都有别于其他机械上的螺旋弹簧 为此本文将详尽介绍如下 螺旋弹簧可分为线性弹簧刚度 ks 为常数和非线性弹簧刚度 ks 为变量两种非线性弹簧可通过采用锥簧变螺距锥形变截面钢丝等手段来实现卷制前钢丝的形状见图1 图 1 C 型弹簧钢丝单端逐渐变粗也有两端的采取复杂的墩粗工艺来实现其制造成本猛增例如 Audi 100 轿

2、车前悬架弹簧便是如此其目的在于提高端圈的刚度避免端圈与邻圈接触后在A点增加额外的接触应力引起应力集中从而降低弹簧 的疲劳寿命见图2 端圈墩粗长度应大于 D0 D0 弹簧中径 mm 用锥形钢丝绕制的变刚度弹簧 其紧凑性好弹簧圈内可装减 震器缓冲块和烛式悬架导向 柱 图 2 弹簧端部型式是个重要因素汽车行驶时弹簧端部相对支承产生转动常会产生不愉快的噪音弹簧托盘的适当形状可保证切成直角的弹簧端头相对支承不动C类弹簧总成本最低弹簧端并紧并磨削成平面是比较昂贵的结构型式A型以A型为基准定义它为 100 对其它结构型式进行成本 比较见图34 A 型弹簧具有制造简单的优点弹簧端面向内卷曲的结构例如D它安装简

3、单价格便宜外廓长度较小但其缺点是不能将减震器或缓冲块装在弹簧内部F结构型式是个折衷方案 A B C D E F 图 3 图 4 2 已知参数 1 弹簧刚度 Ks Nmm 2 空载时弹簧作用负荷 Go N 3 满载时弹簧作用负荷 Gm N 4 弹簧可能的中径 Do mm 5 满载时车轮上跳动行程反应到弹簧上的挠 度 fr mm 3 在弹簧绕制过程中钢丝将产生变形内侧产生压缩见图 5 A 区由此产生最高的扭转应力其大小取决于旋绕比值 Dod 图 5 4 计算扭转应力时应考虑螺旋曲率影响的系数 比其许用扭应力值要低即扭转应力 设计弹簧时往往将视为许用 应力上限值的函数 Do 越小则旋绕比越小值越 大

4、因此弹簧能承受的应力 将降低材料的利用性变坏 承载后弹簧的稳定性变坏 因此在允许的条件下弹簧 中径 Do 应尽可能地取值大一些 是合理的见图 6 图 6 5 计算参数符号 k 车轮处的悬架刚度 Nmm ks 弹簧刚度 Nmm d 弹簧钢丝直径 mm Do 弹簧中径 mm f1 车轮压缩行程 mm f1s 弹簧压缩行程 mm f2 车轮拉伸行程 mm f2s 弹簧复原行程 mm G 剪切弹性模数 G8×104MPa ix 车轮与弹簧之间的行程传动比 iy 车轮与弹簧之间的力传动比 io 弹簧工作圈数 ig 弹簧总圈数 钢丝弯曲时的应力降低系数 Lo 弹簧自由长度 mm Lw 预加载荷

5、Fw 下的弹簧长度 mm LB 弹簧并圈时的长度 mm Ln 最小工作长度 mm Su 弹簧螺线之间的间隙之和 mm Dod 旋绕比 弹簧的稳定系数 考虑钢丝弯曲的允许剪切应力 MPa 6 计算顺序 首先确定钢丝的公差以便用最小的直径 dmin 进行计算因为直径在很窄的公差带内变动就会导致弹簧刚度显著改变例如直径为 20mm 的钢丝若采用 ±02mm 的公差即 ±1 时刚度变化可达 ±4 公差制定过严将导致成本上升根据经验数据推荐公差如下 1 根据弹簧中径 D0 计算 Dod 和系数 先初步设定d值求出后根据图6查得系数 2 查出弹簧所用材料的屈服极限 s 和抗拉

6、强度 b MPa 取弹簧钢的扭转屈服极限约为 063 s 为了能在充分 利用材料能力的条件下制造出轻量结构应该选取强度贮备系数 105-110 则许用扭转应力为 063 s b0 根据钢丝直径d许用应力上限值的降低曲线图 7 查出系数 b0 值 则 汽车悬架弹簧一般采用 60Si2MnA 弹簧钢丝冷卷而成 其抗拉强度 b1600-1850 MPa 屈服极限 s1450 MPa 取 11 按 d115mm 查图7得 b0098 则 063 s b0063×1450×09811812 MPa 当曲率影响的系数 11 时理想的弹簧扭转剪切应力 i i81211740 MPa 许用

7、应力幅是最大极限强度的函数并在 11 b1099 以及 11 的条件下计算其值 iA024bminb1024×1600×09911×11 314 MPa 3 计算作用于弹簧上的力 Fs 弹簧压缩行程 f1s 弹簧复原行程 f2s 和弹簧刚度 ks FsGw×iy Gw 单轮上的质量抛去非悬架质量 N iy 车轮与弹簧之间的力传动比 f1sf1 iX f1 车轮压缩行程 f2sf2 iX f2 车轮拉伸行程 ksk×iX×iy k 车轮处的悬架刚度 作用于弹簧上的最大力 FsFsF1Fsks×f1iX 弹簧在压缩行程时受力值

8、F1ksf1sks×f1iX 弹簧在全行程内的平均承受力 Fa Fa 09ks f1s f2s 2 4 根据以上计算而得的力 Fs Fa 及刚度 ks 然后根据这些值计算比值 y1 及 y2 y1Fsi y2FaiA 5 用y值中较大的一个来计算 最小钢丝直径 dmin 将求得的钢丝直径 dmin 与初步确定的 钢丝直径 dmin 进行比较如果理想的 图 8 剪切应力比较小时则要求重复计算 用开始算得的理想应力与重新算得的 理想应力相比的方法可以很容易地将上面所得到的较大或小的钢丝直径进行修正 确定钢丝平均直径时应考虑尺寸允许偏差作下一步计算将用到平均直径当钢丝直径小于 20mm 时

9、允许偏差为 ±008mm 即 d ±008mm 6 计算弹簧工作圈数 i0 根据旋绕比 Dod Do d单位为 cm fs 可求得弹簧工作圈数 i0 将工作圈数 i0 精确到小数点1位即可同时在弹簧两端各加上 34 圈就可得到弹簧总圈数 ig ig i015 7 求对汽车姿态有影响的有关参数 预加载荷 Fw 下的弹簧长度 Lw Lw 下限值取决于最小 工作高度 Ln 即略大于弹簧并圈长度 LB 确定 Ln 时应利用钢丝最大直径 dd008 上偏差此时需要验算缓冲块是否完全被压缩至 2H3 H为缓冲块自由高度弹簧压缩后的高度不应小于 Ln 弹簧并圈长度 LB ig×

10、d Ln LBSa Sa 是螺旋间的最小间隙 Sad i0 可根据旋绕比 Dod 由图9中查得 图 9 8 弹簧稳定系数即载荷下的弹簧纵向弯曲度 L0D0 稳定系数与弹簧相对变形的关系见图 10 在曲线A区域是不稳定区在给定的相对变形 L0-LB L0 条件下 超过允许值时弹簧将丧失稳定性 图 10 如果按值计算出相对变形 L0-LB L0 的值与图 10 所查得的值不同且落入A区就必需增大弹簧中径 Do 否则弹簧将发生纵向弯曲处于不稳定状态 9 再一次验算以下弹簧参数 a 弹簧刚度 Nmm b 最大应力 Nm c 应力幅 mm 应主意弹簧刚度的改变导致力 Fs 或 Fa 的增加或减少因而将影

11、响应力值 10 弹簧图纸上需标明的参数 a 载荷 Fw 下的弹簧长度 Lw 安装高度 安装高度的检查是在规定的高度条件下用计量簧载的办法实现因而必须对检验载荷给出偏差通常将预加载荷 Fw 作为检验载荷对于大量生产的弹簧预加力 Fw 的允差 Tp 约为 5 Fw 可计算如下 Tp± 0515mm003L0-LBks001Fw 将数字圆整后在图纸上标注为当载荷为 Fw± Tp 时弹簧高度为 Lw 当小批量生产弹簧时公差可放宽到 10Fw 弹簧高度公差 Tw Tpks 若将 Tw 乘以传递比 i x 即可得到车轮和车身之间测得的弹簧行程 变化量 f Tw× i x 它将

12、导致汽车高度减少或增加从而响应地 减小拉伸或压缩行程 此外当一侧弹簧是正偏差而另一侧弹簧出 现负偏差时这种安装会引起左右高低不一致的不良后果为避免 类似现象可将弹簧分组涂上相应的标记 应按实际尺寸在公差带 范围内的分布情况进行分组一般按载荷的变化量分为上中 下三级 b 弹簧刚度 ks Nmm 弹簧刚度同样有公差其值推荐为当工作圈数 i04 时公差 为 ±7Ks 当 i0 4时为 ±5ks c 测量用的弹簧外径 DD0d mm d 弹簧总圈数 ig 工作圈数 i0 螺旋方向 e 弹簧特性曲线 11 弹簧的热处理硬度通常使用 60Si2MnA 制造弹簧经热处理后的硬度为 HRc42-48 12 提高弹簧使用寿命的有效措施 汽车悬架螺旋弹簧使用寿命较其它大多数零部件要低这是由于以下因素的影响造成的 因制造过程产生表