某車型前螺旋彈簧設(shè)計(jì)

范廣龍

摘 要：文章根據(jù)整車的技術(shù)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算分析，為車輛選擇合適的螺旋彈簧，并校核。

關(guān)鍵詞：技術(shù)參數(shù);計(jì)算分析;螺旋彈簧;校核

中圖分類號(hào)：U463.33 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）09-77-03

The design of the front helix spring of the vehicle

Fan Guanglong

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.?Ltd.， Shaanxi Xian 710200）

Abstract：?According?to the technical parameter of the vehicle，?through calculation and?analysis to choose?the advisable helix spring?for the vehicle， then check out its performance.

Keywords： Technical parameter;?Calculation and?analysis;?Helix spring;?check out

CLC NO.： U463.33 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）09-77-03

1?概述

圓柱螺旋彈簧作為彈性元件，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便及有高的比能容量，因此在現(xiàn)代汽車的懸架中應(yīng)用相當(dāng)普遍。通過(guò)采用變節(jié)距、用變直徑的彈簧鋼絲繞制，或兩者同時(shí)采用的彈簧結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)變剛度特性。

2?彈簧結(jié)構(gòu)型式選擇

螺旋彈簧在其軸向載荷P作用下的變形f為：

式中：

D_m—彈簧中徑，mm;

d—彈簧鋼絲直徑，mm;

i—彈簧工作圈數(shù);

G—彈簧材料的剪切彈性模量，取7.9×10⁴MPa。

因此彈簧剛度：

為提高車輪下跳時(shí)的接地性能，本車采用變剛度圓柱螺旋彈簧。彈簧要改變剛度，一般是通過(guò)以下三種途徑實(shí)現(xiàn)的：

（1）改變彈簧的絲徑與中徑;

（2）改變彈簧的節(jié)距;

（3）同時(shí)改變彈簧的絲徑、中徑與節(jié)距，即所謂的三變簧。

其原理是將彈簧看作有多個(gè)單圈彈簧串聯(lián)所組成的串聯(lián)簧組。通過(guò)改變彈簧的節(jié)距，使彈簧在壓縮過(guò)程中，先有一部分彈簧并圈，使其成為死圈，不再參與彈性變形，通過(guò)改變串聯(lián)的彈簧個(gè)數(shù)引起彈簧剛度的改變。

對(duì)于僅改變節(jié)距的彈簧來(lái)說(shuō)，先是節(jié)距小的幾圈彈簧并圈，整體彈簧的剛度為折線。若改變彈簧的絲徑以及中徑，彈簧會(huì)從剛度最弱的單圈首先開始逐漸并圈，則彈簧剛度在這時(shí)開始變大，而且是圓滑過(guò)渡;同樣的情形也適用于改變中徑或者中徑和絲徑同時(shí)改變。對(duì)于三變簧來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)三個(gè)變量的組合，獲得所需的彈簧剛度。

在MAN軍用汽車中，其彈簧中徑D_m的改變是通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)的：僅改變彈簧的絲徑d，用來(lái)繞制彈簧的芯軸直徑D₁=D_m-d是不變的，彈簧的中徑D_m隨d變化。中徑D_m的變化量。

考慮到在車輪跳動(dòng)過(guò)程中懸架剛度突然變化會(huì)影響到整車的平順性，因此本方案MAN軍車的三變簧結(jié)構(gòu)型式。通過(guò)合適調(diào)節(jié)節(jié)距與絲徑，使彈簧的剛度具有較為合理的曲線。

3?懸架偏頻的選擇

理論分析證明：若汽車以較高車速駛過(guò)單個(gè)路障，前后偏頻比<1時(shí)的車身縱向角振動(dòng)要比前后偏頻比>1時(shí)小。同時(shí)結(jié)合越野汽車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步將懸架系統(tǒng)的偏頻定為：

前懸架??????n₁=1.4

中后橋懸架??n₂=1.4

考慮到由此確定的各橋懸架線剛度為經(jīng)驗(yàn)值，因此將在以后的整車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性分析中加以驗(yàn)證：

（1）如整車的操縱穩(wěn)定性不能夠滿足使用要求，首先增加橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行調(diào)整。若穩(wěn)定桿的幾何尺寸超過(guò)了實(shí)際設(shè)計(jì)的可能，則重新調(diào)整懸架系統(tǒng)的前后橋偏頻;

（2）在整車的平順性仿真計(jì)算中，首先通過(guò)調(diào)整懸架系統(tǒng)的阻尼來(lái)優(yōu)化整車的直線行駛平順性，若不能夠滿足使用要求，再調(diào)整系統(tǒng)的偏頻，并綜合考慮車輛的操縱穩(wěn)定性以及穩(wěn)定桿工程設(shè)計(jì)的可能性。

3.1?前橋螺旋彈簧的設(shè)計(jì)

懸架系統(tǒng)的固有頻率n （亦稱偏頻）可用下式表示：

式中：

C₁—懸架的線剛度;

m_s—懸架的簧上質(zhì)量。

前橋滿載軸荷為：?m₁=7803kg

前橋非簧載質(zhì)量：

前橋單邊簧載質(zhì)量：

根據(jù)式（3）可得，前橋1/2懸架線剛度：

前懸架在滿載平衡位置時(shí)：

螺旋彈簧剛度初始定為251N/mm

彈簧工作載荷為P_n=31865N

3.1.1?彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1.1?主圈部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

彈簧在滿載狀態(tài)時(shí)，變節(jié)距與變絲徑部分（以下簡(jiǎn)稱小圈部分）已經(jīng)并死，不參與工作，此時(shí)的彈簧剛度即為K_s。初選結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

d=38mm ?D=218mm??i=8

則滿載位置的彈簧剛度為：

為保證車輪在滿載平衡位置經(jīng)常跳動(dòng)的±50mm范圍內(nèi)懸架系統(tǒng)的偏頻不發(fā)生變化，同時(shí)保證彈簧經(jīng)常并圈的部分不經(jīng)常的并圈和分開，所以彈簧在車輪從平衡位置到下跳h₁=40mm時(shí)，彈簧不應(yīng)該并圈。此時(shí)彈簧工作載荷為：

P₁=P_n-K_sh₁=21945N ???????????????????????????（5）

考慮到車輪上跳行程為150mm，此時(shí)彈簧壓縮量為h₂=150mm。因此，彈簧最大工作載荷為：

P_s=P_n+k_sh₂=71545N ???????????????????????????（6）

3.1.1.2小圈部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

為提高車輪的接地壓力與行程，考慮到彈簧結(jié)構(gòu)的工藝性，將彈簧的總?cè)?shù)定為：

i₁=i+i₂=13 ???????????????????????????????????（7）

式中：i₂=5—小圈部分的圈數(shù)。

將小圈部分的圈數(shù)分配到主圈的兩端，下端部分的圈數(shù)為i_2x=3，上端部分的圈數(shù)為i_2s=3。

在小圈部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到絲徑的變化，各圈的節(jié)距應(yīng)有所不同，因此需分別計(jì)算各圈的剛度，然后將各圈彈簧的串聯(lián)剛度作為小圈部分的剛度。

在計(jì)算單圈彈簧剛度時(shí)，假設(shè)簧絲直徑與中徑從起始位置到終了位置均勻過(guò)渡，將彈簧假設(shè)為若干段不同絲徑與中徑的彈簧段串聯(lián)，通過(guò)求串聯(lián)彈簧段的總體剛度，求得此圈的剛度。

將小圈參數(shù)定為：

簧絲兩端起始直徑分別為下端d_x=32mm和上端d_s= 34mm。

則下端三圈的單圈剛度分別為：

上端兩圈的單圈剛度分別為：

則彈簧未并圈時(shí)的彈簧剛度為：

當(dāng)彈簧剛度從k_s1變化到k_s時(shí)，存在一個(gè)剛度過(guò)渡區(qū)域，即彈簧漸次并圈。在并圈過(guò)程中，隨著參與變形部分的減少，彈簧剛度急劇增大，彈簧變形量主要是未并圈部分。參考MAN三變簧以及前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，過(guò)渡區(qū)域一般為h₃=15mm，并且彈簧剛度近似于線形變化。

則從剛度變化起到剛度變化終了彈簧壓力變化為：

則開始并圈時(shí)的彈簧壓力為：

則彈簧未并圈部分的行程為：h₄=140mm

彈簧小圈部分下端第1圈的節(jié)距為：

圓整為t₁=49mm。

彈簧小圈部分下端第2圈的節(jié)距為：

圓整為t₂=48mm。

彈簧小圈部分下端第3圈的節(jié)距為：

圓整為t₃=48mm。

彈簧小圈部分上端第1圈的節(jié)距為：

圓整為t₄=48mm。

彈簧小圈部分上端第2圈的節(jié)距為：

圓整為t₅=48mm。

正常工作部分的節(jié)距應(yīng)為：

圓整為t₆=73mm。

螺旋彈簧端部采用兩端鍛平的結(jié)構(gòu)如圖1所示。亦即在繞制彈簧之前先將鋼絲兩端鍛平，碾細(xì)部分長(zhǎng)度在繞制后約占270°，末端厚度為鋼絲直徑的1/3左右，繞成后末端幾乎貼緊相鄰一圈彈簧。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約材料，占用垂向空間小，特別是由于兩端都平整，安裝時(shí)可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，便于安裝調(diào)試。

則彈簧兩端的鍛平部分為i₃=0.75圈。

彈簧的自由長(zhǎng)度為：

彈簧剛度曲線如圖2所示。

3.1.2?彈簧穩(wěn)定性校核

本車彈簧的安裝方式為兩端固定式。

彈簧高徑比：b=f/D=3.89

根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)，兩端固定式彈簧當(dāng)高徑比小于5.3時(shí)不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，因此彈簧的穩(wěn)定性能夠滿足使用要求。

3.1.3?彈簧的強(qiáng)度校核

彈簧在壓縮時(shí)其工作方式與扭桿類似，都是靠材料的剪切變形吸收能量，彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力為：

式中：

C—彈簧指數(shù)（旋繞比），?C=D_m/d;

K'—曲度系數(shù)，為考慮簧圈曲率對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù)。

計(jì)算得：

螺旋彈簧鋼絲表面的剪應(yīng)力比較復(fù)雜，在靜載狀態(tài)下，這種截面內(nèi)的應(yīng)力分布不均勻可以忽略不計(jì)，但在承受動(dòng)載時(shí)，由于彈簧內(nèi)側(cè)應(yīng)力水平較高并且應(yīng)力變化幅值也更大，導(dǎo)致螺旋彈簧的失效總是發(fā)生在內(nèi)側(cè)。為了在設(shè)計(jì)時(shí)考慮內(nèi)側(cè)應(yīng)力的增大，引入修正系數(shù)K'。一般情況下，彈簧鋼的許用剪應(yīng)力[τ]與許用拉應(yīng)力[σ]成比例關(guān)系，通常情況下，可以取[τ]=0.63[σ]。

彈簧材料采用，查材料手冊(cè)可知，其抗拉強(qiáng)度為，則。所以彈簧強(qiáng)度滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.5.

[2] 王望予.汽車設(shè)計(jì)（第4版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.8.