悬架螺旋弹簧的设计

轿车悬架螺旋弹簧的设计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6287451DodDodDod32)(874515.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mmDo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,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/iXf2车轮拉伸行程ks=k×iX×iyk车轮处的悬架刚度—作用于弹簧上的最大力Fsmax=Fs+F1=Fs+ks×f1/iX弹簧在压缩行程时受力值F1=ksf1s=ks×f1/iX—弹簧在全行程内的平均承受力FaFa=0.9ks（f1s+f2s）/24）根据以上计算而得的力Fsmax、Fa及刚度ks，然后根据这些值计算比值y1及y2：y1=Fsmax/τiy2=Fa/τiA5）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310min55.2yDd310min55.2yDd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，允许偏差为±0.08mm即:d±0.08mm6)计算弹簧工作圈数i0根据旋绕比ξ=Do/d、Do、d（单位为cm）、fs可求得弹簧工作圈数i0321min2min/iidd3054010DkdiS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3/4圈，就可得到弹簧总圈数igig=i0+1.57)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dmax=d+0.08(上偏差)。此时需要验算缓冲块是否完全被压缩至2H/3（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×dmaxLn=LB+SaSa是螺旋间的最小间隙Sa=χdmaxi0χ可根据旋绕比ξ=Do/d由图9中查得。图98）弹簧稳定系数λ：即载荷下的弹簧纵向弯曲度。λ=L0/D0稳定系数λ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，λ超过允许值时，弹簧将丧失稳定性。图10如果按λ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N/mmb）最大应力N/m㎡c）应力幅mm应主意：弹簧刚度的改变导致力Fsmax或Fa的增加或减少，因而将影响应力值。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=±｛0.5[1.5mm+0.03(L0-LB)]ks+0.01Fw｝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Lw30054/10DidkSidDF3min0maxmax/55.2iASiaiaFFmaxmax/9.0当小批量生产弹簧时,公差可放宽到10%Fw.弹簧高度公差Tw=Tp/ks若将Tw乘以传递比ix即可得到车轮和车身之间测得的弹簧行程变化量△f=Tw×ix,它将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ksN/mm弹簧刚度同样有公差，其值推荐为：当工作圈数i0≤4时，公差为±7%Ks，当i0＞4时，为±5%ks。c）测量用的弹簧外径D=D0+dmmd）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HRc42-4812）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。因制造过程产生表面遗留的裂痕、摺迭、凹痕、发裂、脱碳等缺陷造成应力集中，使材料的耐疲劳极限急剧降低引起先期损坏。研究人员通过喷丸处理和塑性压缩等方法，使弹簧表面达到强化目的，较大幅度地提高弹簧的使用寿命。a）喷丸处理：过去老式喷丸使用的是0.4-2mm的铁丸，喷丸速度达到60-80米/秒。近代都采用喷钢丸，这些钢丸用φ0.8mm弹簧钢丝,在自动机上切成0.8mm的圆柱体，掺入旧钢丸中，经抛丸机以12米/秒的速度打击弹簧表面，形成硬化效果。圆柱形钢丸经多次击打后就变成球形了。喷丸处理的冷作强化：工作时，弹簧表面受拉应力之作用而损坏，经喷丸处理后的弹簧表面产生一层具有残余压应力的薄壳，钢在压缩状态下的耐疲劳极限，要比拉伸状态下的耐疲劳极限高出两倍多。由于喷丸压应力的存在，可以抵消弹簧表面的部分工作拉应力，同时抹去了弹簧表面的制造缺陷，消除了应力集中，从而大大提高了疲劳寿命。b）塑性压缩强化：强化性质基本与喷丸处理相似。弹簧经热处理及喷丸后，进行压缩弹簧令它的工作应力接近疲劳极限，造成弹簧表面产生残余压应力以达到提高疲劳寿命的目的。这种工艺过程，有些制造商称为“弹簧立定试验”，也有人称为“沉压试验”。