汽车钢板弹簧的性能、计算和试验

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1、汽车钢板弹簧的性能、计算和试验东风汽车公司技术中心陈耀明1983年3月初稿2005年1月再稿５７目录前言（2）一．钢板弹簧的基本功能和特性（3）1.汽车振动系统的组成（3）2.悬架系统的组成和各元件的功能（6）3.钢板弹簧的弹性特性（7）4.钢板弹簧的阻尼特性（12）5.钢板弹簧的导向特性（14）二．钢板弹簧的设计计算方法（17）1.单片和少片变断面弹簧的计算方法（17）2.多片钢板弹簧的刚度和工作应力计算（24）3.多片弹簧各单片长度的确定（32）4.多片弹簧的弧高计算（36）5.钢板弹簧计算中的几个具体问题（43）三．钢板弹簧的试验（46）1.钢板弹簧的静刚度测定（46

2、）2.钢板弹簧的动刚度测定（50）3.钢板弹簧的应力测定（52）4.钢板弹簧单片疲劳试验（53）5.钢板弹簧总成疲劳试验（54）５７前言本文是为汽车工程学会悬架专业学组所办的“减振器短训班”撰写的讲义，目的是让汽车减振器的专业人员对钢板弹簧拥有一些基本知识，以利于本身的工作。内容分为三部分：钢板弹簧的基本功能和特性，设计计算方法，以及试验等。因为这部分内容非本次短训班的重点，所以要求尽量简单扼要，也许有许多不全面的地方，只供学习者参考。有关钢板弹簧较详细的论述，可参考本学组所编的“汽车悬架资料”。５７一．钢板弹簧的基本功能和特性1.汽车振动系统的组成汽车在道路上行驶，由于路

3、面存在不平度以及其它各种原因，必然引起车体产生振动。从动态系统的观点来看，汽车是一个多自由度的振动系统。其振源主要来自路面不平度的随机性质的激振，此外还有发动机、传动系统以及空气流动所引起的振动等等。为改善汽车的平顺性，也就是为减小汽车的振动，关键的问题是研究如何对路面不平度的振源采取隔振措施，这就是设计悬架系统的根本目的。换言之，就是在一定的道路不平度输入情况下，通过悬架系统的传递特性，使车体的振动输出达到最小。当研究对象仅限于悬架系统时，人们往往把车体当为一个刚体来看待。即使这样，汽车仍然是一个很复杂的多自由度系统，见图1。如果不涉及汽车的横向振动和角振动，可以将左右悬

4、架合并，使汽车振动系统进一步简化，见图2。在一定条件下，也就是当质量分配系数等于1，即前后悬架的输出与输入各自的相干特性达到最大值时，就可以将前、后悬架分开，单独看成一个两自由度振动系统。这时，组成每一个振动系统的元素就是质量（簧载质量与非簧载质量），弹性元件（悬架弹簧和轮胎）和阻尼元件（悬架阻尼元件和轮胎阻尼），见图3。５７５７这些元素的组合，形成了振动系统的主要参数，如系统的自振（固有）频率，相对阻尼系数，悬架上、下质量比等等。这些参数对悬架系统的传递特性（频响特性）有明显的影响，设计悬架时，必须适当地选择这些参数，才能获得良好的悬架性能。表征车体振动的主要特征是车体加

5、速度对路面不平度输入的频响特性。为了分析悬架的动载以及轮胎的附着状态，还应了解悬架动行程以及轮胎动负荷对路面不平度输入的频响特性。这三方面，成为评价悬架性能好坏的主要指标。５７对于一个线性系统，可以比较容易地建立两自由度系统的数学模型，并且用计算的方法，求出各个参数对频响特性的影响。简单说，簧载质量的自振频率降低，可以使车体加速度的幅频特性明显改善。相对阻尼系数增大，可以使共振区的幅值下降，但却使非共振区的幅值增大。簧载与非簧载质量之比增大，可以使车轮对路面的动载系数减小，改善车轮对路面的附着，见图4。如果不考虑轮胎的弹性，可以进一步将悬架系统当为单自由度系统来分析，见图5

6、。这个最简单系统的基本特性，也可以粗略表达该悬架系统的基本性质。1.悬架系统的组成和各元件的功能汽车悬架系统是将车体（或车架）和车轮（或车轴）弹性地连接起来的隔振装置。它由弹性元件、阻尼元件和导向元件组成，与汽车的其它部分（簧载与非簧载两大部分）构成一个完整的振动系统。５７弹性元件由各类弹簧担任，承受簧载质体的重量，是构成弹性连接的主要部件。阻尼元件由液力减振器（粘性阻尼）或摩擦元件（库伦阻尼）所组成，使系统成为有阻尼的振动系统。导向元件由各种导向杆系所组成，使车体与车轮之间有确定的运动关系，并传递弹性元件所传递之外的力和力矩。这三大元件可以由某些单独的部件分别承担，也可以

7、由某些部件综合兼任。例如，钢板弹簧主要是悬架系统的弹性元件，又可以兼起导向元件的作用，多片弹簧有较大的摩擦阻尼，可以兼起阻尼元件的作用。由此可见，钢板弹簧可以兼作三大元件之用，因而使悬架系统结构简单，成本降低，这是其它弹性元件难以比美的。因此，从汽车问世以来，钢板弹簧一直被应用着，而且今后仍有相当强的生命力。1.钢板弹簧的弹性特性钢板弹簧承受垂直载荷，成为悬架系统的弹性元件，这时，就其弹性特性而言，可以分为线性和非线性两大类。一般的钢板弹簧，如果没有特殊的结构措施，其非线性程度非常小，可以看成是线性的，即负荷对变形