6102型客车多片弹簧悬架设计

1钢板弹簧悬架设计计算1板簧设计计算过程初始设计参数如下：表1整车主要参数参数名称数值参数名称数值最大总质量/kg17500轴距/mm5000前轴质量/kg6000前轴簧下质量/kg500后轴质量/kg11500后轴簧下质量/kg1000kg前悬U型螺栓中心距/mm116前悬U型螺栓中心距/mm1841.1确定偏频悬架静扰度是指汽车满载静止时悬架上的载荷wF与此时悬架刚度c之比，即cFfwc。因现代汽车的质量分配系数近似等于1，故汽车前、后轴上方车身两点的振动不存在联系。因此，汽车前、后部分车身的固有频率1n和2n可用下式表示11121mcn；22221mcn（1）式中，1c－前悬架的刚度，cmN/2c－后悬架的刚度，cmN/1m－前悬架的簧载质量，kg2m－后悬架的簧载质量，kg当采用弹性特性为线性变化的悬架时，前、后悬架的静扰度表示为cgmfc11；222cgmfc（2）式中，g－重力加速度，981g2/scm将1cf、2cf带入式（1）则有115cfn；225cfn（3）2悬架的静扰度直接影响车身振动的偏频。因此，欲保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确选取悬架的静扰度。在选取前、后悬架的静扰度值时，应当使之接近，并希望后悬架的静扰度比前悬架的静扰度小些。表2给出了客车悬架的静扰度及偏频的取值范围。表2客车悬架的静挠度cf和偏频n车型/mmn/Hz推荐值70~1501.3~1.8根据表2及实际工况，前、后悬架偏频取1.4Hz和1.5Hz。1.2计算静挠度cf前悬架：76.124.125252211nfc(cm)后悬架：11.115.125252222nfc(cm)1.3计算动挠度df悬架的动扰度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。要求悬架应有足够大的动扰度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。客车动扰度常取0.8cf，则有前悬架：21.1076.128.08.011cdff(cm)后悬架：78.711.117.07.022cdff(cm)1.4确定簧载质量根据是否有悬架弹簧支撑，汽车总质量分为簧载质量和非簧载挂质量两部分。非簧载质量包括车轮，转向节，前、后轴（非独立悬架），半轴等。此外，还应包括车轮车桥与车身或者车架之间各连接件质量的一半，比如导向机构的摇臂、弹簧、减震器、横向推力杆、转向拉杆、传动轴等。为了获得良好的平顺性3和操纵稳定性，非簧载质量尽量小。该车非簧载质量见表1.1.5估算钢板弹簧刚度211276.1228.95006000111cfGc（cmN/）＝211.2mmN/463111.1128.9100011500222cfGc（cmN/）＝463.1mmN/1.6钢板弹簧主要参数确定1.6.1钢板弹簧长度的确定钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。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，改善汽车行驶平顺性；在垂直刚度c给定的条件下，又能显著增加钢板弹簧的纵向角刚度。钢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。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；选用长些的钢板弹簧，会在汽车上布置时产生困难。原则上，在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。本设计中：前悬架L=1600mm；后悬架取L=1650mm。1.6.2钢板弹簧断面尺寸及片数的确定1）钢板弹簧断面宽度b的确定有关钢板弹簧的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计算，但需引入扰度增大系数加以修正。因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总贯性矩0J。对于对称钢板弹簧EcksLJ48305.6.13130481481ksLJEksLEJcknk5.6.2式中，s-U形螺栓中心距，k－考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（刚性夹紧：5.0k；挠性夹紧：0k）c－钢板弹簧垂直刚度4－扰度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数1n，再估计一个总片数0n，求得01nn，然后用321ln5.125.03）E－材料的弹性模量kJ－第k片的贯性矩，4302368.012kkkhbhJ。当各片厚度相等时，则nJJ1，101JnJknk。钢板弹簧总截面系数0W用下式计算wWksLFW40式中，0－许用弯曲应力。对于60Si2Mn，表面经喷丸处理后，推荐取值范围：前弹簧：350～450MPa；后主簧：450～550MPa钢板弹簧的平均厚度phcpEfksLWJh620200根据ph，再选钢板弹簧的片宽。增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角；片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦和弹簧的总厚。推荐片宽与片厚的比值phb在6～10范围内选取。2）钢板弹簧片厚h的选择矩形断面等厚钢板弹簧的总贯性矩0J用下式计算1230nbhJ式中，n－钢板弹簧片数3）钢板弹簧片数片数少些有利于制造和装配，并可以降低片间的摩擦，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较大，材料利用率变差。多片钢板弹簧一般片数在6～14之间选取。改变片数、片宽和片厚三者之一，都影响到总贯性矩和弹簧垂直刚5度的变化，增加片宽和片厚，可减少片数。另外，钢板断面尺寸b和h应符合国产型材规格尺寸。4）求解将上述各值代入式5.6.2，变换后得048ln5.125.0311323EJcksLn考虑到n和n应为整数，故不可得到精确解。取132348ln5.125.031EJcksLn4332302368.01248ln5.125.031hbhEcksLn试算如下，当值趋近于零的值为好。前钢板弹簧方案Ⅰ方案Ⅱ方案Ⅲb=90mm,h=11mmb=90mm,h=10mmb=100mm,h=10mmn1077.8n10.7562n9.649111n,2n,n8.28810.1804－2.4681－1.36111n,3n,n8.66610.5584－0.98311n,4n,n9.01280.9051-0.636312n,2n,n8.96850.8608－0.680812n,3n,n9.35461.2469-0.294512n,4n,n9.70921.60150.060113n,2n,n＝9.64761.5399-0.001513n,3n,n10.04111.93340.392613n,4n,n10.40312.2954－0.35310.754后钢板弹簧方案Ⅰ方案Ⅱ方案Ⅲb=100mm,h=14mmb=100mm,h=13mmb=110mm,h=13mmn8.0472n10.0211n9.078412n,2n,n8.96850.9213－1.0525－0.109912n,3n,n9.35461.3074－0.66650.276212n,4n,n9.70921.662－0.31190.630813n,2n,n＝9.64761.6004－0.37350.569213n,3n,n10.04111.99390.0213n,4n,n10.40312.35590.38214n,2n,n＝10.32562.27840.304514n,3n,n10.72592.67870.704814n,4n,n11.09483.04761.0737前钢板弹簧：n＝13；n＝2；＝1.3475后钢板弹簧：n＝13；n＝3；＝1.29471.7计算钢板弹簧刚度31048LJEnC＝自由刚度3103104848ksLJEnLJEnC－＝＝装车刚度前钢板弹簧3435)(116003475.11002368.012101001310065.248＝自由刚度C＝189.0（mmN/）73435)(11165.016003475.11002368.012101001310065.248＝装车刚度C＝211.2（mmN/）后钢板弹簧：3435)(216502947.11302368.012131001310065.248＝自由刚度C＝395.2（mmN/）3435)(21845.016502947.11302368.012131001310065.248＝装车刚度C＝469.4（mmN/）1.8计算满载静扰度前悬架6.1272.21128.9500600011＝－＝装车刚度CFfWc（mm）后悬架6.1094.46928.9100011500222＝－＝装车刚度CFfWc（mm）1.9计算满载偏频前悬架40.176.125511cfn（Hz）；后悬架51.196.105522cfn（Hz）1.10计算比应力弹簧的单位变形应力成为比应力，它对钢板弹簧的疲劳寿命有显著影响。比应力可表达为26ksLEhfpc前钢板弹簧2511165.016003475.11010065.26＝3.87（MPa/mm）8后钢板弹簧2521845.016502947.11310065.26＝5.13（MPa/mm）设计值的选择范围：前、后簧为4.5~5.5MPa/mm，故满足要求。1.11计算满载静应力cf前钢板弹簧6.12787.31＝493.8（MPa）后钢板弹簧6.10913.52＝562.2（MPa）正常范围为350MPa~450MPa。静应力值稍微偏高。1.12计算极限应力dcffmax前钢板弹簧9.8886.12787.38.18.18.0max1cccfff（MPa）后钢板弹簧8.9556.10913.57.17.17.0max2cccfff（MPa）1000~900max（MPa）1.13许用负荷装车刚度许用＝CPmax取1000max前悬架NP4911687.32.2119001＝许用后悬架NP9150013.54.46910002＝许用91.14总成预压缩行程的估算kkf，1300~1250kMPa前悬架9.33587.313001kfmm；修正为kf1336mm后悬架4.25313.513002kfmm；修正为kf2254mm1.15各片长确定首先应确定每一叶片的片场及其在自由状态下的曲率半径，因为这些参数共同决定了板簧每一叶片中的应力状况。在选择各叶片长度时，应尽量使应力在片间和沿片长的分布合理，以达到各片寿命接近并节省材料、减小板簧质量的目的。确定各片长度的方法有作图法和计算法，这里选择作图法来确定各片板簧的长度。作图法是基于实际钢板弹簧叶片厚度的张开图接近梯形形状这一原则来作图的，其具体做法如下图1所示。先将各叶片厚度的立方值按同一比例尺沿纵坐标绘出，再延横坐标绘出主片长度之半（即L/2）和U型螺栓中心距之半（即S/2），得A、B两点。连接这两点就得到三角形的钢板弹簧展开图。AB线与各片上侧边的交点即决定了各片长度。当有与主片登场的重叠片时可将B点与最下一个重叠片的上侧端点相连。图1板簧结构计算