悬架螺旋弹簧的设计精.ppt
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1、悬架螺旋弹簧的设计第1页,本讲稿共26页 1.1.前言前言前言前言 当今乘用车大多数悬架系统的弹性元件都采用螺旋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、可靠弹簧。它具备结构简单、制造容易、成本低廉、可靠耐用等优点。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,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。都有别于其他机械上的螺旋弹簧。为此,本
2、文将详尽介绍如下。为此,本文将详尽介绍如下。第2页,本讲稿共26页 螺旋弹簧可分为线性弹簧(刚度螺旋弹簧可分为线性弹簧(刚度螺旋弹簧可分为线性弹簧(刚度螺旋弹簧可分为线性弹簧(刚度ksks为常数)和非线性弹簧(刚度为常数)和非线性弹簧(刚度为常数)和非线性弹簧(刚度为常数)和非线性弹簧(刚度ksks为变量)两种。非线性弹簧可通过采用锥簧、变螺距、锥形为变量)两种。非线性弹簧可通过采用锥簧、变螺距、锥形为变量)两种。非线性弹簧可通过采用锥簧、变螺距、锥形为变量)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变截面钢丝等手段来实现,卷制前钢丝的形状见图变截
3、面钢丝等手段来实现,卷制前钢丝的形状见图变截面钢丝等手段来实现,卷制前钢丝的形状见图1 1。图图图图1 1第3页,本讲稿共26页 C 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,例如实现,其制造成本猛增,例如实现,其制造成本猛增,例如实现,其制造成本猛增,例如Audi 100Audi 100轿车前悬架弹簧便是如此。轿车前悬架弹簧便是如此。轿车前悬架弹簧便是如此。轿车前悬架弹簧便是如此。其目的在
4、于提高端圈的刚度,避免端圈与邻圈接触后(在其目的在于提高端圈的刚度,避免端圈与邻圈接触后(在其目的在于提高端圈的刚度,避免端圈与邻圈接触后(在其目的在于提高端圈的刚度,避免端圈与邻圈接触后(在A A点)增加额外的接触应力,引起应力集中,从而降低弹簧点)增加额外的接触应力,引起应力集中,从而降低弹簧点)增加额外的接触应力,引起应力集中,从而降低弹簧点)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,见图的疲劳寿命,见图的疲劳寿命,见图的疲劳寿命,见图2 2。端圈墩粗长度应大于端圈墩粗长度应大于端圈墩粗长度应大于端圈墩粗长度应大于DD0 0 D D0 0 弹簧中径弹簧中径弹簧中径弹簧中
5、径 mmmm 用锥形钢丝绕制的变刚度弹簧用锥形钢丝绕制的变刚度弹簧用锥形钢丝绕制的变刚度弹簧用锥形钢丝绕制的变刚度弹簧 其紧凑性好,弹簧圈内可装减其紧凑性好,弹簧圈内可装减其紧凑性好,弹簧圈内可装减其紧凑性好,弹簧圈内可装减 震器、缓冲块和烛式悬架导向震器、缓冲块和烛式悬架导向震器、缓冲块和烛式悬架导向震器、缓冲块和烛式悬架导向 柱。柱。柱。柱。图图图图2 2 第4页,本讲稿共26页 弹簧端部型式是个重要因素,汽车行驶时,弹簧端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
6、弹簧端头相对支托盘的适当形状,可保证切成直角的弹簧端头相对支承不动,承不动,C类弹簧总成本最低,弹簧端并紧并磨削成平类弹簧总成本最低,弹簧端并紧并磨削成平面是比较昂贵的结构型式(面是比较昂贵的结构型式(A型),以型),以A型为基准,定义型为基准,定义型为基准,定义型为基准,定义它为它为它为它为100%100%,对其它结构型式进行成本,对其它结构型式进行成本,对其它结构型式进行成本,对其它结构型式进行成本比较,见图比较,见图比较,见图比较,见图3,4。A A型弹簧具有制造简单的优点;弹簧端型弹簧具有制造简单的优点;弹簧端型弹簧具有制造简单的优点;弹簧端型弹簧具有制造简单的优点;弹簧端面向内卷曲的
7、结构(例如面向内卷曲的结构(例如面向内卷曲的结构(例如面向内卷曲的结构(例如D),它安装简单,价格便宜,外),它安装简单,价格便宜,外),它安装简单,价格便宜,外),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,部,部,部,F F结构型式是个折衷方案结构型式是个折衷方案结构型式是个折衷方案结构型式是个折衷方案 。第5页,本讲稿共26页 A B C D E F 图图图图3 3 3 3 第6页,本讲稿共26页
8、图图图图4 4 4 4第7页,本讲稿共26页 2.2.已知参数已知参数 1)1)弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度 Ks N/mmKs N/mmKs N/mmKs N/mm 2)2)空载时空载时空载时空载时,弹簧作用负荷弹簧作用负荷 Go NGo N 3)3)满载时满载时满载时满载时,弹簧作用负荷弹簧作用负荷 Gm NGm N 4)4)4)4)弹簧可能的中径弹簧可能的中径 Do mmDo mmDo mmDo mm 5)5)5)5)满载时满载时满载时满载时,车轮上跳动行程反应到弹簧上的挠车轮上跳动行程反应到弹簧上的挠 度度 fr mmfr mm 3.3.3.3.在弹簧绕制过程中在弹簧绕制过程中,钢
9、丝将产生变形钢丝将产生变形钢丝将产生变形钢丝将产生变形,内侧产生压缩内侧产生压缩内侧产生压缩内侧产生压缩(见图(见图(见图(见图5 A5 A区),由此产生最高的扭转应力区),由此产生最高的扭转应力区),由此产生最高的扭转应力区),由此产生最高的扭转应力,其大小,其大小,其大小,其大小取决于旋绕比值取决于旋绕比值取决于旋绕比值取决于旋绕比值=Do/d=Do/d第8页,本讲稿共26页 图图图图5 5第9页,本讲稿共26页 4.4.计算计算计算计算扭转应力扭转应力扭转应力扭转应力时应考虑螺旋曲率影响的系数时应考虑螺旋曲率影响的系数时应考虑螺旋曲率影响的系数时应考虑螺旋曲率影响的系数,比其许用扭应力比
10、其许用扭应力比其许用扭应力比其许用扭应力值要低值要低值要低值要低,即即即即:扭转应力扭转应力扭转应力扭转应力=/=/=/=/设计弹簧时设计弹簧时设计弹簧时设计弹簧时,往往将往往将往往将往往将视为许用视为许用视为许用视为许用 应力上限值的函数。应力上限值的函数。应力上限值的函数。应力上限值的函数。DoDoDoDo越小则旋绕比越小越小则旋绕比越小越小则旋绕比越小越小则旋绕比越小值越值越值越值越 大。因此,弹簧能承受的应力大。因此,弹簧能承受的应力大。因此,弹簧能承受的应力大。因此,弹簧能承受的应力 将降低,材料的利用性变坏,将降低,材料的利用性变坏,将降低,材料的利用性变坏,将降低,材料的利用性变
11、坏,承载后,弹簧的稳定性变坏。承载后,弹簧的稳定性变坏。承载后,弹簧的稳定性变坏。承载后,弹簧的稳定性变坏。因此,在允许的条件下,弹簧因此,在允许的条件下,弹簧因此,在允许的条件下,弹簧因此,在允许的条件下,弹簧 中径中径中径中径DoDoDoDo应尽可能地取值大一些应尽可能地取值大一些应尽可能地取值大一些应尽可能地取值大一些 是合理的。见图是合理的。见图是合理的。见图是合理的。见图6 6 6 6 图图图图6 6 6 6第10页,本讲稿共26页5.计算参数符号计算参数符号 k k k k 车轮处的悬架刚度,车轮处的悬架刚度,车轮处的悬架刚度,车轮处的悬架刚度,N/mmN/mmN/mmN/mm k
12、s ks ks ks 弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度弹簧刚度 N/mmN/mmN/mmN/mm d d d d 弹簧钢丝直径弹簧钢丝直径弹簧钢丝直径弹簧钢丝直径 mmmmmmmm Do Do Do Do 弹簧中径弹簧中径弹簧中径弹簧中径 mmmmmmmm f f f f1 1 1 1 车轮压缩行程车轮压缩行程车轮压缩行程车轮压缩行程 mmmmmmmm f f f f1 1 1 1s s s s 弹簧压缩行程弹簧压缩行程弹簧压缩行程弹簧压缩行程 mmmmmmmm f f f f2 2 2 2 车轮拉伸行程车轮拉伸行程车轮拉伸行程车轮拉伸行程 mmmmmmmm f f f f2 2 2 2s s s s
13、 弹簧复原行程弹簧复原行程弹簧复原行程弹簧复原行程 mmmmmmmm G G G G 剪切弹性模数(剪切弹性模数(剪切弹性模数(剪切弹性模数(G=8G=8G=8G=810104 4MPaMPa)ix ix 车轮与弹簧之间的行程传动比车轮与弹簧之间的行程传动比车轮与弹簧之间的行程传动比车轮与弹簧之间的行程传动比 iy iy 车轮与弹簧之间的力传动比车轮与弹簧之间的力传动比车轮与弹簧之间的力传动比车轮与弹簧之间的力传动比第11页,本讲稿共26页 io io 弹簧工作圈数弹簧工作圈数弹簧工作圈数弹簧工作圈数 ig ig 弹簧总圈数弹簧总圈数弹簧总圈数弹簧总圈数 钢丝弯曲时的应力降低系数钢丝弯曲时的应
14、力降低系数钢丝弯曲时的应力降低系数钢丝弯曲时的应力降低系数 L L L Lo o o o 弹簧自由长度弹簧自由长度弹簧自由长度弹簧自由长度 mmmmmmmm Lw Lw Lw Lw 预加载荷预加载荷预加载荷预加载荷FwFwFwFw下的弹簧长度下的弹簧长度下的弹簧长度下的弹簧长度 mmmmmmmm L L L LB B B B 弹簧并圈时的长度弹簧并圈时的长度弹簧并圈时的长度弹簧并圈时的长度 mmmmmmmm L L L Ln n n n 最小工作长度最小工作长度最小工作长度最小工作长度 mmmmmmmm Su Su Su Su 弹簧螺线之间的间隙之和弹簧螺线之间的间隙之和弹簧螺线之间的间隙之和
15、弹簧螺线之间的间隙之和 mmmmmmmm =Do/d =Do/d =Do/d =Do/d 旋绕比旋绕比旋绕比旋绕比 弹簧的稳定系数弹簧的稳定系数弹簧的稳定系数弹簧的稳定系数 考虑钢丝弯曲的允许剪切应力考虑钢丝弯曲的允许剪切应力考虑钢丝弯曲的允许剪切应力考虑钢丝弯曲的允许剪切应力 MPaMPaMPaMPa第12页,本讲稿共26页 6.6.计算顺序计算顺序计算顺序计算顺序 首先确定钢丝的公差首先确定钢丝的公差首先确定钢丝的公差首先确定钢丝的公差,以便用最小的直径以便用最小的直径以便用最小的直径以便用最小的直径d dminmin进行计算。因为进行计算。因为进行计算。因为进行计算。因为直径在很窄的公差
16、带内变动,就会导致弹簧刚度显著改变。例如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。例如直径为直径为直径为直径为20mm20mm的钢丝,若采用的钢丝,若采用的钢丝,若采用的钢丝,若采用0.2mm0.2mm的公差的公差的公差的公差(即即即即1%)1%)时,刚度变时,刚度变时,刚度变时,刚度变化可达化可达化可达化可达4%4%。公差制定过严将导致成本上升,根据经验数据。公差制定过严将导致成本上升,根据经验数据。公差制定过严将导致成本上升,根据经验数据。公差制定过严将导致成本上升,根
17、据经验数据推荐公差如下:推荐公差如下:推荐公差如下:推荐公差如下:允许偏差:允许偏差:d d10mm 0.05 10 20 0.08 20 28 0.10 28 0.15 第13页,本讲稿共26页 1)1)根据弹簧中径根据弹簧中径根据弹簧中径根据弹簧中径D D0 0计算计算计算计算=Do/d=Do/d=Do/d=Do/d 和系数和系数和系数和系数:先初步设定先初步设定先初步设定先初步设定d d d d值,求出值,求出值,求出值,求出后根据图后根据图后根据图后根据图6 6 6 6查得系数查得系数查得系数查得系数。2 2 2 2)查出弹簧所用材料的屈服极限)查出弹簧所用材料的屈服极限)查出弹簧所用
18、材料的屈服极限)查出弹簧所用材料的屈服极限s s s s 和抗拉强度和抗拉强度和抗拉强度和抗拉强度b b b b MPa MPa MPa MPa 取弹簧钢的扭转屈服极限约为取弹簧钢的扭转屈服极限约为取弹簧钢的扭转屈服极限约为取弹簧钢的扭转屈服极限约为=0.63 s,=0.63 s,=0.63 s,=0.63 s,为了能在充分为了能在充分为了能在充分为了能在充分 利用材料能力的条件下制造出轻量结构利用材料能力的条件下制造出轻量结构利用材料能力的条件下制造出轻量结构利用材料能力的条件下制造出轻量结构,应该选取强度贮备应该选取强度贮备应该选取强度贮备应该选取强度贮备系数系数系数系数=1.05-1.1
19、0,=1.05-1.10,=1.05-1.10,=1.05-1.10,则许用扭转应力为则许用扭转应力为则许用扭转应力为则许用扭转应力为:=0.63 s =0.63 s =0.63 s =0.63 s b b0 0/根据钢丝直径根据钢丝直径根据钢丝直径根据钢丝直径d d d d,许用应力上限值的降低曲线,许用应力上限值的降低曲线,许用应力上限值的降低曲线,许用应力上限值的降低曲线(图图图图7)7)7)7)查出系数查出系数查出系数查出系数b b0 0值值值值.第14页,本讲稿共26页 第15页,本讲稿共26页 则:则:则:则:汽车悬架弹簧一般采用汽车悬架弹簧一般采用汽车悬架弹簧一般采用汽车悬架弹簧
20、一般采用60Si2MnA60Si2MnA弹簧钢丝冷卷而成,弹簧钢丝冷卷而成,弹簧钢丝冷卷而成,弹簧钢丝冷卷而成,其抗拉强度其抗拉强度其抗拉强度其抗拉强度 b b=1600-1850 MPa=1600-1850 MPa 屈服极限屈服极限屈服极限屈服极限 s s=1450 MPa=1450 MPa 取取取取=1.1 =1.1 =1.1 =1.1 按按按按d=11.5mm,d=11.5mm,d=11.5mm,d=11.5mm,查图查图查图查图7 7 7 7得得得得b b0 0=0.98=0.98 则则则则=0.63 s=0.63 s=0.63 s=0.63 s b b0 0/=0.63=0.63=0
21、.63=0.6314500.98/1.1=812 MPa14500.98/1.1=812 MPa 当当当当曲率影响的系数曲率影响的系数曲率影响的系数曲率影响的系数=1.1=1.1=1.1=1.1时时时时,理想的弹簧扭转剪切应力理想的弹簧扭转剪切应力理想的弹簧扭转剪切应力理想的弹簧扭转剪切应力i i i i i i i i=/=812/1.1=740 MPa812/1.1=740 MPa 许用应力幅是最大极限强度的函数许用应力幅是最大极限强度的函数许用应力幅是最大极限强度的函数许用应力幅是最大极限强度的函数,并在并在并在并在=1.1 b1=0.99=1.1 b1=0.99=1.1 b1=0.99
22、=1.1 b1=0.99以及以及以及以及=1.1=1.1=1.1=1.1的条件下计算其值的条件下计算其值的条件下计算其值的条件下计算其值:iAiAiAiA=0.24=0.24=0.24=0.24b bminminb b1 1/(/()=0.24)=0.24)=0.24)=0.2416000.99(1.11.1)16000.99(1.11.1)=314 MPa=314 MPa第16页,本讲稿共26页 3 3 3 3)计算作用于弹簧上的力)计算作用于弹簧上的力)计算作用于弹簧上的力)计算作用于弹簧上的力FsFsFsFs、弹簧压缩行程、弹簧压缩行程、弹簧压缩行程、弹簧压缩行程f f f f1s1s1
23、s1s、弹簧复弹簧复原行程原行程f f2s2s2s2s和弹簧刚度和弹簧刚度ksks Fs=Gw Fs=Gw i i i iy y y y Gw Gw Gw Gw 单轮上的质量(抛去非悬架质量)单轮上的质量(抛去非悬架质量)单轮上的质量(抛去非悬架质量)单轮上的质量(抛去非悬架质量)N N N N i i i iy y y y车轮与弹簧之间的力传动比车轮与弹簧之间的力传动比 f f1s1s1s1s=f=f=f=f1 1 1 1/i/i/i/iX X X X f f1 1 1 1车轮压缩行程车轮压缩行程 f f f f2s2s2s2s=f=f=f=f2 2 2 2/i/iX X X X f f2
24、2 2 2 车轮拉伸行程车轮拉伸行程 ks=k ks=ki i i iX X X X i i i iy y y y k k车轮处的悬架刚度车轮处的悬架刚度 作用于弹簧上的最大力作用于弹簧上的最大力作用于弹簧上的最大力作用于弹簧上的最大力 Fs Fsmaxmaxmaxmax=Fs+F=Fs+F1 1 1 1=Fs+ks=Fs+ksf f f f1 1 1 1/i/iX X X X 弹簧在压缩行程时受力值弹簧在压缩行程时受力值弹簧在压缩行程时受力值弹簧在压缩行程时受力值 F F F F1 1 1 1=ksfksfksfksf1s1s1s1s=ksksksks f f f f1 1 1 1/i/i/
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