悬架设计

一、悬架的静挠度

悬架的静扰度 是指汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c 之比，即

fc?Fw/c

货车的悬架与其簧上质量组成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一。因汽车的质量分配系数近似等于1，因此货车车轴上方车身两点的振动不存在联系。货车的车身的固有频率n,可用下式来表示：

n=c/m/2?

式中，c为悬架的刚度（N/m）,m为悬架的簧上质量（kg） 又静挠度可表示为：

fc?mg/c

g：重力加速度（g?9810mm/s2）,代入上式得到：

n=15.77/

fc

n: Hz

fc: mm

分析上式可知：悬架的静挠度直接影响车身的振动频率，因此欲保证汽车有良好的行驶平顺性，就必须正确选择悬架的静挠度。

又因为不同的汽车对平顺性的要求不相同，货车的前悬架偏频要求在

1.50～2.10Hz之间，因为货车主要以载货为主，所以选取频率为：1.8Hz.

由 n=15.77/

fc 得， fc=76.7mm，取fc=77mm

二、 悬架的动挠度

悬架的动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构容许的最大变形时，车轮中心相对车架的垂直位移。通常货车的动挠度的选择范围在6～9cm.。本设计选择：

fd=80mm

三、 悬架的弹性特性

悬架的弹性特性有线性弹性特性和非线性弹性特性两种。由于货车在空

载和满载时簧上质量变化大，为了减少振动频率和车身高度的变化，因此选用刚度可变的非线性悬架。

kg，由此可kg。簧下部分荷重Gu1?1220 已知满载静止时负荷G1?9340计算出单个钢板弹簧的载荷：

Fw2?(G2?Gu2)g/2?(9340?1220)*9.8/2?39788N 因为Fw2?(G2?Gu2)g/2，fc?Fw/c，fc?mg/c

fc?77mm

代入公式，可得

C=516.7N/mm

4.2.1满载弧高 ：

满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端连线间的高度差。常取fa=10～20mm.在此取：

fa?15mm

4.2.2钢板弹簧长度L的确定：

（1） 选择原则：

钢板弹簧长度是弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。货车前悬架：L=(0.26～0.35)轴距，后悬架：L=(0.35～0.45)轴距。

（2） 钢板弹簧长度的初步选定：

根据经验L=0.35X轴距=0.35X5300=1855mm，并结合国内外货车资料，初步选定主簧主片的长度为Lm?1855mm 。

4.2.3钢板弹簧断面尺寸的确定：

（1） 钢板弹簧断面宽度

b的确定：

有关钢板弹簧的刚度，强度可按等截面的简支梁计算，引入挠度增大系数?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的总惯性距J0。对于对称式钢板弹簧

J0?(L?kS)3c?/48E 式中： S——U形螺栓中心距（mm）

?? k——U形螺栓夹紧(刚性夹紧，k取0.5)； c——钢板弹簧垂直刚度（N/mm）,c=FW/fc; ?——为挠度增大系数。 挠度增大系数?的确定：

先确定与主片等长的重叠片数n1，再估计一个总片数n0，??n1/n0，然后?=1.5/?1.04(1?0.5?)?，初定?。

对于弹簧：

L=1855mm k=0.5 S=200mm

n1=3 n0=10

??310 ?=1.5/?1.04(1?0.5?)?=1.5/???1.04?(1?0.5?3?10)??=1.25

E=2.1?105N/mm4

计算主簧总截面系数W0：

W0??FW(L?kS)?/4??W?

求得

式中??w?为许用弯曲应力。??w?的选取：前弹簧和平衡悬架弹簧为350~450MPa。后主簧为450～550N/mm2，后副簧为220～250 N/mm2。

Fw=Fm=39788N L=1855mm k=0.5 S=200mm

??w?=450 N/mm2.

再计算主簧平均厚度：

(L?kS)2???w? =17.85mm hp?2J0/W0?6Efc有了以hp后，再选钢板弹簧的片宽b。推荐片宽和片厚的比值在b/hp在6～10范围内选取。

b?7hp?7*17.85?124.95mm ，取整为125mm。

通过查手册可得钢板截面尺寸b和h符合国产型材规格尺寸。

（3）钢板断截面形状的选择： 本设计选取矩形截面。 （4） 钢板弹簧片数的选择：

片数n少些有利于制造和装配，并可以降低片与片之间的干摩擦，改善汽车的行驶平顺性。但片数少了将使钢板弹簧与等强度梁的差别增大，材料的利用率变坏。多片钢板弹簧一般片数在6～14片之间选取，重型货车可达

20片。用变截面少片弹簧时，片数在1～4选取。

根据货车的载荷并结合国内外资料初步选取本货车弹簧的片数为10片，

4.2.4 钢板弹簧各片长度的确定

先将各片的厚度hi的立方值hi按同一比例尺沿纵坐标绘制在图上，再沿横坐标量出主片长度的一半L/2和U型螺栓中心距的一半s/2，得到A,B两点，连接A，B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为各片的长度。如果存在与主片等长的重叠片，就从B点到最后一个重叠片的上侧边断点连一直线，此直线与各片上侧边的交点即为各片长度。各片实，际长度尺寸需经圆整后确定。 各片厚度相等，用计算法计算：

因为弹簧主片长2120mm，第1、2、3片等长，共10片，各片等厚，U型螺栓夹紧距S=200mm，所以按比例计算出其余各片长度。 第1、2、3等长，L1?L2?L3?2120mm

第4片长：L4?(L?S)7/8?S?(1855?200)7/8?200?1648mm

3L5?(L?S)6/8?S?(1855?200)6/8?200?1441mm同理 L6?(L?S)5/8?S?(1855?200)5/8?200?1234mm

L7?(L?S)4/8?S?(1855?200)4/8?200?1027mm L8?(L?S)3/8?S?(1855?200)3/8?200?821mm

L9?(L?S)2/8?S?(1855?200)2/8?200?614mm

第10片长：L10?(L?S)1/8?S?(1855?200)1/8?200?407mm

4.4 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算

（1）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0

钢板弹簧总成在自由状态下的弧高H0，用下式计算：

H0?(fc?fa??f) 式中，fc为静挠度；fa为满载弧高；?f为钢板弹簧总成用U型螺栓夹紧后引起的弧高变化，?f?板弹簧主片长度。

S(3L?S)(fa?fc)200*(3*1855?200)*(15?77)??14.34mm

2L22*18552S(3L?S)(fa?fc)；S为U型螺栓的中心距。L为钢22L ?f?则H0?(fc?fa??f)?77?15?14.34?106.34mm （2）钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径的确定：

钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径：

2R0?L2/8H0?1590/8*104.61?3020mm

3）钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定

矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定

Ri?R0/?1?(2?0iR0)/Ehi?

式中，Ri为第i片弹簧自由状态下的曲率半径（mm），R0为钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径（mm）?0i为各片钢板弹簧预应力（N/mm2）；E为材料的弹性模量N/mm2，取E为2.1?105 N/mm2；hi为第i片的弹簧厚度

（mm）。 在

已

知

R0和各片弹簧的预应力?0i的条件下，可以用式Ri?R0/?1?(2?0iR0)/Ehi?计算出各片钢板弹簧自由状态下的曲率半径Ri。

对于片厚相同的钢板弹簧，各片弹簧的预应力值应不宜选取过大；推荐主片在根部的工作应力与预应力叠和后的合成应力应在300～350N/mm2内选取。1～4片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。预应力从长片由负值逐渐递增为正值。

在确定各片预应力时，理论上应满足各片弹簧在根部处的预应力所造成的弯矩Mi之代数和等于零，即：

?Mi?0

i?1n或 ??0iWi?0

i?1n 下面计算各片在自由状态下曲率半径的： 各片的预应力及其他参数如下： i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -2.3 -1.8 -1.3 -0.8 0 0.5 1 1.5 2.0 2.5 ?0i R0?3020mm E=2.1?105 N/mm2 hi=12mm 然后用上述公式计算各片在自由状态下曲率半径，结果见下表：

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3038 3032 3029 3026 3020 3016 3012 3009 3006 3001

（4）钢板弹簧总成各片在自由状态下弧高的计算：

如果第i片的片长为Li，则第i 片弹簧的弧高为： Hi?Li/8Ri 则将各片长度和曲率半径代入上式，得弹簧总成各片在自由状态下弧高： i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 104.104.104.82.1 62.6 45.7 31.4 19.8 10.8 4.5 Hi(mm)0 2 3 24.5、 钢板弹簧总成弧高的核算

根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此可求得等厚叶片弹簧的R0为：

1/R0=?(Li/Ri)/?Li

i?1i?1nn式中，Li为钢板弹簧第i片长度。

钢板弹簧的总成弧高为 H?L2/8R0

上式计算的结果应与H0?(fc?fa??f)计算的设计结果相近。如果相差太多，可重新选择各片预应力再行核算。 将弹簧各片的长度和曲率半径代入上述公式可得： R0=3025mm

然后再代入H?L2/8R0 =104.47mm

原设计值为H0=104.61mm，相差不大，符合要求。

五、钢板弹簧强度验算

当货车紧急制动时，货车的前钢板弹簧承受的载荷最大，在它的后半段出现的最大应力?max用下式计算

?max=G1m1'l2(l1??c)/?(l1?l2)w0?

式中，G1为作用在前轮上的垂直静载荷，m1'为制动时前轴负荷转移系数；货车：m1'=1.40~1.60，取1.5；?为道路附着系数，取0.8，l1、l2为钢板弹簧前后段长度；w0为钢板弹簧总截面系数；C为弹簧固定点到路面的距离。

2???用应力取为1000N/mm。 许

??由上式验算弹簧强度：

'Gl1l2?G2m2l2?c4450*1.5*165*(795?0.8*300)?max???653(l1?l2)W0(795?165)*1818653MPa?[?]?1000MPa所以弹簧强度在许用应力范围内，符合强度要求。 验算汽车在不平路面上钢板弹簧的强度。

六、钢板弹簧卷耳的强度的核算

钢板弹簧主片应力σ是由弯曲应力和拉（压）应力合成，即：

??3Fx(D?h1)bh12?Fx bh1其中 Fx?G1m1'??4450*1.5*0.8?5340 为沿弹簧纵向作用力在主片中心线上的力；h1?12mm 为主片、卷耳厚度；D为卷耳内径，取30；b为钢板弹簧宽度。许用应力[σ]取为350MPa。代入上式得：

??3Fx(D?h1)bh12?Fx3*5340*(30?12)5340???53.8 2bh195*1295*12??53.8MPa?[?]?350MPa

主片符合强度要求。

七、钢板弹簧弹簧销的强度的核算

对钢板弹簧销要验算钢板弹簧受静载荷时钢板弹簧销受到的挤压应力

?z?FS/bd。其中FS为满载静止时钢板弹簧端部的载荷，b为主片叶片宽；

d为钢板弹簧直径。用20钢或20Cr钢经渗碳处理或用45钢经高频淬火后，其[?z]≤7—9 N/mm2。

2 FS?G1/2?21805N ?z?FS/bd= 21805/(95*30)?7.65N/mm弹簧销满足强度要求。

??3Fx(D?h1)bh12?Fx3*5340*(30?12)5340???53.8 2bh195*1295*12??53.8MPa?[?]?350MPa

主片符合强度要求。

七、钢板弹簧弹簧销的强度的核算

对钢板弹簧销要验算钢板弹簧受静载荷时钢板弹簧销受到的挤压应力

?z?FS/bd。其中FS为满载静止时钢板弹簧端部的载荷，b为主片叶片宽；

d为钢板弹簧直径。用20钢或20Cr钢经渗碳处理或用45钢经高频淬火后，其[?z]≤7—9 N/mm2。

2 FS?G1/2?21805N ?z?FS/bd= 21805/(95*30)?7.65N/mm弹簧销满足强度要求。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s3xr.html