悬架螺旋弹簧的设计

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1、轿车悬架螺旋弹簧的设计www.jzq5.cn1.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1C型弹簧

2、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Audi100轿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πD0D0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

3、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3，4。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。ABCDEF图3图42.已知参数1)弹簧刚度KsN/mm2)空载时,弹簧作用负荷GoN3)满载时,弹簧作用负荷GmN4)弹簧可能的中径Domm5)满载时,车轮上跳动行程反应到弹簧上的挠度frmm3.在弹簧绕制过程

4、中,钢丝将产生变形,内侧产生压缩（见图5A区），由此产生最高的扭转应力τ，其大小取决于旋绕比值ξ=Do/d图54.计算扭转应力τ时应考虑螺旋曲率影响的系数δ,比其许用扭应力值要低,即:扭转应力τ=[τ]/δ设计弹簧时,往往将τ视为许用应力上限值的函数。Do越小则旋绕比越小δ值越大。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65.计算参数符号k车轮处的悬架刚度，N/mmks弹簧刚度N/mmd弹簧钢丝直径mmD

5、o弹簧中径mmf1车轮压缩行程mmf1s弹簧压缩行程mmf2车轮拉伸行程mmf2s弹簧复原行程mmG剪切弹性模数（G=8×104MPa）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δ钢丝弯曲时的应力降低系数Lo弹簧自由长度mmLw预加载荷Fw下的弹簧长度mmLB弹簧并圈时的长度mmLn最小工作长度mmSu弹簧螺线之间的间隙之和mmξ=Do/d旋绕比λ弹簧的稳定系数τ考虑钢丝弯曲的允许剪切应力MPa6.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

6、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±0.2mm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：允许偏差：d＜10mm±0.0510～20±0.0820～28±0.10＞28±0.151)根据弹簧中径D0计算ξ=Do/d和系数δ:先初步设定d值，求出ξ后根据图6查得系数δ。2）查出弹簧所用材料的屈服极限σs和抗拉强度σbMPa取弹簧钢的扭转屈服极限约为τ=0.63σs,为了能在充分利用材料能力的条件下制造出轻量结构

7、,应该选取强度贮备系数υ=1.05-1.10,则许用扭转应力为:τ=0.63σsb0/υ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σb=1600-1850MPa屈服极限σs=1450MPa取υ=1.1按d=11.5mm,查图7得b0=0.98则τ=0.63σsb0/υ=0.63×1450×0.98/1.1=812MPa当曲率影响的系数δ=1.1时,理想的弹簧扭转剪切应力τiτi=τ/δ=812/1.1=740MPa许用应

8、力幅是最大极限强度的函数,并在υ=1.1b1=0.99以及δ=1.1的条件下计算其值:τiA=0.24σbminb1/(υδ)=0.24×1600×0.99(1.1×1.1)=314MPa×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—Fs=Gw×iyGw单轮上的质量（抛去非悬架质量）Niy车轮与弹簧之间的力传动比—f1s=f1/iXf1车轮压缩行程f2s=f2