汽車鋼板彈簧的設(shè)計與懸架性能分析

姜永晴，肖冰，趙萍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710000）

關(guān)鍵字：汽車鋼板彈簧；參數(shù)匹配；強度；剛度

前言

汽車鋼板彈簧是汽車懸掛系統(tǒng)中重要的彈性元件，起著連接車輪和車架的作用，主要用來傳遞車輪與車架之間的力和力矩，緩和由路面不平引起的沖擊載荷和振動，因其結(jié)構(gòu)簡單，維修保養(yǎng)方便，制造成本低，而在商用車中得到了廣泛使用…。對于鋼板彈簧在轉(zhuǎn)向懸架中的應(yīng)用，應(yīng)使其獲得最佳的平順性和良好的操縱穩(wěn)定性，因此必須保證鋼板彈簧轉(zhuǎn)向懸架具有良好的參數(shù)匹配特性和全面的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性校核。

1 鋼板彈簧設(shè)計之初參數(shù)確定

1.1 鋼板彈簧的載荷

通常在一個新車型設(shè)計之初，先對其市場定位、用途、行駛工況等具體目標對車輛各大總成進行對標匹配，各大總成的質(zhì)量可以從總成廠家得到，結(jié)構(gòu)件可以從三維模型總算出，同時根據(jù)整車的總布置估計附加重量，估算出整車的整體質(zhì)量，然后再按照總布置給出的整車車軸的布置位置對軸荷進行初始估算。一般將前、后軸，車輪、制動鼓及轉(zhuǎn)向節(jié)等總成視為非簧載質(zhì)量。估算出的滿載質(zhì)量減去估算出的非簧載質(zhì)量得到簧載質(zhì)量，再分配到各車軸上得到單個鋼板彈簧的載荷。

1.2 鋼板彈簧的伸直長度

鋼板彈簧的長度受很多方面的影響，從鋼板彈簧的工作應(yīng)力、剛度、縱向角剛度和因扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的應(yīng)力等方面來講，都要求鋼板彈簧盡可能長一些。還有一個影響因素就是鋼板彈簧在車輛上的布置位置，所以總的來講，在滿足車身布置位置的情況下，鋼板彈簧能越長越好。

根據(jù)整車設(shè)計經(jīng)驗，推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長度：貨車前懸架，L=（0.26～0.35）軸距，后懸架L=（0.50～0.45）軸距。

1.3 前、后懸架靜撓度的選擇

汽車前、后懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一，汽車前、后部分車身的固有頻率n1和n2（亦稱偏頻）與前、后懸架靜撓度的關(guān)系是：

懸架的靜撓度fc直接影響車身振動的偏頻n，因此，欲保證汽車有良好的行駛平順性，必須正確選擇懸架的靜撓度。對于貨車而言，考慮到前、后軸荷的差別和駕駛員的乘坐舒適性，取前懸架的靜撓度大于后懸架的靜撓度，推薦。

1.4 前后懸架動撓度的選擇

要求懸架應(yīng)有足夠大的動撓度，防止在壞路面上行駛時經(jīng)常碰撞緩沖塊。因此，在車輛鋼板彈簧布置空間允許的范圍內(nèi)，動撓度越大越好。

對于貨車而言，fd取6～9cm。

1.5 滿載弧高fc

滿載弧高fc用來保證汽車具有給定的高度。一般希望它等于零，可使彈簧滿載時在對稱位置工作，但考慮到試用期間鋼板彈簧塑性變形的影響和為了在車架高度已限定時能得到足夠的動撓度值，常取fc=10～20mm。

2 鋼板彈簧設(shè)計參數(shù)的選擇與計算

2.1 鋼板斷面寬度b的確定

有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強度等，可按等截面簡支梁的公式計算，但需引入撓度增大系數(shù)δ加以修正。因此，可根據(jù)修正后的簡支梁公式計算鋼板彈簧所需要的總慣性矩J0，對于對稱鋼板彈簧：

鋼板彈簧總截面系數(shù)W0用下式計算：

鋼板彈簧的平均厚度：

有了hp以后，再選鋼板彈簧的片寬b。推薦片寬與平均片厚的比值不b/hp在6～10范圍內(nèi)選取。

2.2 鋼板彈簧片厚h的選擇

式中，n為鋼板彈簧的片數(shù)，且多片鋼板彈簧一般片數(shù)在6～14片之間選取。

以上各步驟計算完成以后，根據(jù)鋼板彈簧片數(shù)的多少，選取2～3種不同的厚度，然后根據(jù)圖解法，計算出鋼板彈簧各片的長度。

3 懸架性能設(shè)計

3.1 懸架的剛度驗算

在此之前，有關(guān)撓度增大系數(shù)δ、慣性矩J0、片長等的確定都不夠準確，所以有必要驗算剛度。剛度的驗算公式為：

其中

式中，α為經(jīng)驗修正系數(shù)，α=0.90～0.94；E為材料彈性模量；11、1k+1為主片和第k+1片的一半長度。

上式中主片的一半11，如果用中心螺栓到卷耳中心間的距離代入，求得的剛度值為鋼板彈簧總成的自由剛度cj；如果用有效長度，即1′1=(11-0.51ks)，求得的剛度值是鋼板彈簧總成的加緊剛度cZ。

3.2 懸架的強度驗算

3.2.1 緊急制動時

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)力為：

式中，G1是作用在前輪上的垂直靜載荷；m′1是制動時前軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車在1.40～1.60之間取值；11、12分別是鋼板彈簧前、后段的長度；φ是道路附著系數(shù)，取0.8；W0是鋼板彈簧總截面系數(shù)；c是彈簧固定點到路面的距離。

3.2.2 汽車驅(qū)動時

后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力為：

式中，G2為作用在后輪上的垂直靜載荷；m′2為制動時后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車在1.10～1.20之間取值；φ為道路附著系數(shù)，取0.8；b為鋼板彈簧片寬；h1為鋼板彈簧竹片厚度。

3.2.3 鋼板彈簧卷耳與彈簧銷的強度核算

卷耳處所受應(yīng)力σ是由彎曲應(yīng)力和拉（壓）應(yīng)力合成的應(yīng)力，即

式中，F(xiàn)X為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；D為卷耳內(nèi)徑；b為鋼板彈簧寬度；h1為主片厚度。許用應(yīng)力[σ]取為350MPa。

對鋼板彈簧銷，要驗算鋼板彈簧受靜載荷時它受到的擠壓應(yīng)力 σZ=Fs/(bd)。其中，F(xiàn)s為滿載靜止時鋼板彈簧端部的載荷；b為卷耳處葉片寬；d為鋼板彈簧銷直徑。

3.3 懸架的彈性特性

懸架的彈性特性是指懸架受到的垂直外力F與懸架的變形之間的關(guān)系曲線，其切線的斜率就是懸架的剛度，該曲線表征的也就是懸架剛度的變化。當該曲線為一天直線時，稱該彈性特性為線性彈性特性，此時懸架剛度為常數(shù)。當該曲線為一條彎曲的線時，則懸架的剛度是變化的。

懸架變化的剛度，可以使車輛在有限的動撓度內(nèi)獲得比線性懸架更多的動容量。使車輛在不同的載重情況下，懸架提供不同的剛度來緩沖路面為車輛帶來的沖擊。

按照汽車的設(shè)計要求，設(shè)計師可以為車輛懸架選擇不同剛度的主、副簧進行剛度匹配，從而達到滿足汽車設(shè)計要求的懸架彈性特性曲線。

3.4 后懸架主、副簧剛度的分配

關(guān)于汽車的平順性，要求懸架剛度要小，減震速度要快，小概率碰撞懸架限位塊以及車廂側(cè)傾既要能讓駕駛員感知路面狀況，又要不能側(cè)傾過于嚴重，使駕駛員及乘客失去乘坐安全感。原則上，要求車身從空載到滿載時振動頻率要小，以保證汽車有良好的平順性，還要求副簧參加工作前、后的懸架振動頻率變化不大。

本文的研究對象是載貨汽車，其使用工況主要是滿載工況，所以使用比例中項法對后懸架主、副簧的剛度進行分配。

1）副簧開始起作用時的懸架撓度fa等于汽車空載時懸架的撓度F0，即Fa=F0；

2）副簧開始起作用前一瞬間的撓度 fk等于滿載時懸架的撓度fc，即fk=Fc。

ca為副簧剛度，cm為主簧剛度。

4 結(jié)論

汽車轉(zhuǎn)向懸架的設(shè)計有不少制約因素，要設(shè)計出一款合理匹配的鋼板彈簧懸架，必須從布置尺寸、參設(shè)設(shè)定、強度與剛度校核等方面設(shè)計完成后，再進行車輛平順性及轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的分析，包括車輛前、后懸架的剛度分配和左、右輪懸架側(cè)傾角剛度的分配，保證車輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)響應(yīng)趨向于轉(zhuǎn)向不足，提高車輛的行車安全性能。