悬架螺旋弹簧的设计
26页1、轿车悬架螺旋弹簧的设计 ,1. 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1,C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Audi 100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D0 D0 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,
2、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 。,A B C D E F 图3,图4,2. 已知参数 1) 弹簧刚度 Ks N/mm 2) 空载时,弹簧作用负荷 Go N 3) 满载时,弹簧作用负荷 Gm N 4) 弹簧可能的中径 Do mm 5) 满载时,车轮上跳动行程反应到弹簧上的挠 度 fr mm 3. 在弹簧绕制过程中,钢丝将产生变形,内侧产生压缩(见图5 A区),由此产生最高的扭转应力,其大小取决于旋绕比值=Do/d,图5,A,4. 计算扭转应力时应考虑螺旋曲率影响的系数,比其许用扭应力值要低,即:扭转应力=/ 设计弹簧时,往往将视为许用 应力上限值的函数。 Do越小则旋绕比越小值越 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
3、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6,5. 计算参数符号 k 车轮处的悬架刚度, N/mm ks 弹簧刚度 N/mm d 弹簧钢丝直径 mm Do 弹簧中径 mm f1 车轮压缩行程 mm f1s 弹簧压缩行程 mm f2 车轮拉伸行程 mm f2s 弹簧复原行程 mm G 剪切弹性模数(G=8104MPa) 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 钢丝弯曲时的应力降低系数 Lo 弹簧自由长度 mm Lw 预加载荷Fw下的弹簧长度 mm LB 弹簧并圈时的长度 mm Ln 最小工作长度 mm Su 弹簧螺线之间的间隙之和 mm =Do/d 旋绕比 弹簧的稳定系数 考虑钢丝弯曲的允许剪切应力 MPa,6. 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:d10mm 0.05 1
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