對(duì)懸架鋼板彈簧結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新構(gòu)思

楊建衛(wèi)，楊京芳

( 山西大運(yùn)汽車制造有限公司，山西運(yùn)城044000)

0 引言

鋼板彈簧是汽車零部件中處于最復(fù)雜應(yīng)力條件下、在最惡劣環(huán)境中服役的主要部件之一，優(yōu)化該部件的設(shè)計(jì)，對(duì)延長(zhǎng)其壽命周期、保證汽車的行駛平順性至關(guān)重要。

懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架(或車身)與車軸(或車輪) 彈性地連接起來。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架(或車身) 之間的一切力和力矩; 緩和路面?zhèn)鹘o車架(或車身) 的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車的行駛平順性; 保證車輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。

因此對(duì)懸架提出了設(shè)計(jì)要求有［1］：

(1) 保證汽車有良好的行駛平順性;

(2) 具有合適的衰減振動(dòng)的能力;

(3) 保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性;

(4) 汽車制動(dòng)或加速時(shí)，要保證車身穩(wěn)定，減少車身縱傾，轉(zhuǎn)彎時(shí)車身側(cè)傾角要合適;

(5) 有良好的隔聲能力;

(6) 結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸要小;

(7) 可靠地傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩，在滿足零部件質(zhì)量要小的同時(shí)，還要保證有足夠的強(qiáng)度和壽命。

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)整車的人機(jī)工程設(shè)計(jì)越來越重視，對(duì)整車底盤懸架彈性元件來說，緊急制動(dòng)與啟動(dòng)時(shí)的鋼板彈簧應(yīng)力變化對(duì)整車平順性設(shè)計(jì)要求越來越高，同時(shí)這兩個(gè)工況也對(duì)鋼板彈簧強(qiáng)度壽命也至關(guān)重要，首先對(duì)鋼板彈簧的強(qiáng)度進(jìn)行分析(如圖1 所示)。

1 緊急制動(dòng)時(shí)［2］

前鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的后半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力σmax用下式計(jì)算

式中： G1為作用在前輪上的垂直靜負(fù)荷;

m'1為制動(dòng)時(shí)前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)： 轎車： m'1=1.2 ～1.4; 貨車： m'1=1.4 ～1.6;

l1、l2為鋼板彈簧前、后段長(zhǎng)度;

φ 為道路附著系數(shù)，取0.8;

W0為鋼板彈簧總面系數(shù);

c 為彈簧固定點(diǎn)到路面的距離。

2 汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)［2］

后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)最大應(yīng)力σmax用下式計(jì)算

式中： G2為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷;

m'2為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)： 轎車： m'2=1.25 ～1.30; 貨車： m'2=1.1 ～1.2;

φ 為道路附著系數(shù);

b 為鋼板彈簧片寬;

h1為鋼板彈簧主片厚寬。目前，國內(nèi)重卡的板簧都設(shè)計(jì)為前后對(duì)稱，即板簧的前后工作有效長(zhǎng)度相等，在整車緊急制動(dòng)和啟動(dòng)時(shí)由于板簧前后部位的應(yīng)力不同，帶來的駕駛員及乘客感官不舒服，針對(duì)此現(xiàn)象對(duì)板簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下方案優(yōu)化：

方案1： 根據(jù)公式(1)、(2) 及制動(dòng)時(shí)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，將同一件板簧設(shè)計(jì)為前后長(zhǎng)度尺寸不對(duì)稱，比如寬度100 mm，厚度25 mm，長(zhǎng)度為1 800 mm 的板簧：

前橋板簧設(shè)計(jì)為： l1=1.4l2，即前半段板簧l1長(zhǎng)度為1 050 mm，后段板簧l2長(zhǎng)度為750 mm，將會(huì)降低板簧后半段8% ～10%的強(qiáng)度應(yīng)力。

后橋板簧設(shè)計(jì)為： 1.2l1=l2，即前半段板簧l1長(zhǎng)度為818 mm，后段板簧l2長(zhǎng)度為982 mm，將會(huì)降低板簧前半段4% ～6%的強(qiáng)度應(yīng)力。

評(píng)價(jià)： 雖然此方案可以改變整車平順性，提高板簧的強(qiáng)度壽命，但對(duì)整車可能造成以下影響：

(1) 軸距變化，影響汽車轉(zhuǎn)向或輪胎異常磨損;

(2) 前橋主銷后傾角在整車狀態(tài)下變化，會(huì)造成整車工況下發(fā)抖或輪胎異常磨損。

方案2： 將同一件板簧設(shè)計(jì)為前后截面尺寸不對(duì)稱，比如寬度100 mm，厚度25 mm，長(zhǎng)度為1 800 mm 的板簧，根據(jù)公式(1)、(2) 比較。

將板簧受應(yīng)力部位的截面設(shè)計(jì)為： 寬度100 mm，厚度35 mm 的截面(如圖2 所示)，由于抗彎截面系數(shù)增加，根據(jù)公式：

式中： b 為板簧厚度;

h 為板簧寬度。

得： 原方案： W0=10 416.666，新方案： W'0=20 416.66，同時(shí)考慮變截面段占板簧后半段工作長(zhǎng)度的20% ～30%，最終得到新方案：

在前橋板簧后半段會(huì)降低10% ～15%的強(qiáng)度應(yīng)力;在后橋板簧前半段會(huì)降低7% ～10%的強(qiáng)度應(yīng)力。

評(píng)價(jià)： 此方案可以改變整車平順性，提高板簧的強(qiáng)度壽命，無軸距變化，不會(huì)影響整車結(jié)構(gòu)及相關(guān)部件。此方案理論上可行，但是對(duì)于多片簧，由于存在變截面的因素，造成各片板簧曲度不同，無法貼緊，實(shí)際上卻不能實(shí)現(xiàn)。此時(shí)就引進(jìn)少片彈簧的設(shè)計(jì)概念。

由n 片組成少片彈簧時(shí)，其總剛度為各片剛度之和，其應(yīng)力則按各片所承受的載荷分量計(jì)算。少片彈簧的寬度，在布置允許的情況下盡可能取寬些，以增強(qiáng)橫向剛度，常取75 ～100 mm。厚度h1＞8 mm，以保證足夠的抗剪強(qiáng)度并防止太薄而淬裂。h2取12 ～20 mm。

另外還可以從以下幾點(diǎn)對(duì)少片鋼板彈簧進(jìn)行優(yōu)化：

(1) 盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些。

鋼板彈簧長(zhǎng)度L 的確定：

鋼板彈簧長(zhǎng)度L 是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離;

在總布置可能的條件下，應(yīng)盡可能將鋼板彈簧取長(zhǎng)些。

推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長(zhǎng)度：

乘用車： L= (0.40 ～0.55) 軸距;

貨車： 前懸架： L = (0.26 ～0.35) 軸距; 后懸架： L =(0.35 ～0.45) 軸距。

鋼板彈簧取長(zhǎng)些的原因：

增加鋼板彈簧長(zhǎng)度L 能顯著降低彈簧應(yīng)力，提高使用壽命;

降低彈簧剛度，改善汽車平順性;

在垂直剛度c 給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度;

鋼板彈簧的縱向角剛度，系指鋼板彈簧產(chǎn)生單位縱向轉(zhuǎn)角時(shí)，作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值;

增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時(shí)，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形。

(2) 鋼板彈簧工作特性

根據(jù)在整車緊急制動(dòng)和啟動(dòng)時(shí)由于板簧前、后部位應(yīng)力不同的現(xiàn)象，改變少片板簧的拱形，如圖5 所示。

變拱形鋼板彈簧的剛度隨著動(dòng)載荷變化幅度的增加而非線性增加(工作特性參考圖6)，當(dāng)動(dòng)載荷增至3 ～4 倍靜載荷時(shí)，剛度的增加既保證了動(dòng)擾度變化不超過fd，又改善了整車平順性。

(3) 鋼板斷面形狀

矩形斷面鋼板彈簧的中性軸，在鋼板斷面的對(duì)稱位置上(如圖7 中(a))。工作時(shí)，一面受拉應(yīng)力，另一面受壓應(yīng)力作用，而且上、下表面的名義拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的絕對(duì)值相等。因材料的抗拉性能低于抗壓性能，所以在受拉應(yīng)力作用的一面首先產(chǎn)生疲勞斷裂。除矩形斷面以外的其他斷面形狀(如圖7 中(b)、(c)、(d)) 的葉片，其中性軸均上移，使受拉應(yīng)力作用的一面的拉應(yīng)力絕對(duì)值減小，而受壓應(yīng)力作用的一面的壓應(yīng)力絕對(duì)值增大，從而改善了應(yīng)力在斷面上的分布狀況，提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度并節(jié)約近10%的材料。

3 結(jié)束語

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)整車的人機(jī)工程設(shè)計(jì)越來越重視，即對(duì)底盤懸架彈性元件來說要求越來越高，希望通過上述結(jié)構(gòu)的改變，滿足整車使用工況，改善整車平順性，同時(shí)降低鋼板板簧的應(yīng)力及重量，延長(zhǎng)鋼板彈簧強(qiáng)度壽命。

【1】余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

【2】王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010：291 -294.

【3】張洪欣. 汽車設(shè)計(jì)［M］. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1995：149 -152，169-171.