钢板弹簧设计说明书.pdf

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1、精心打造 未来1 目录 一、确定断面尺寸及片数-2 二、确定各片钢板弹簧的长度-3 三、钢板弹簧的刚度验算-5 四、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算。-6 1.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高0H-6 2.钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定-7 五、钢板弹簧总成弧高的核算-9 六、钢板弹簧的强度验算-10 二、（修改）确定各片弹簧长度-11 三、（修改）钢板弹簧的刚度验算-13 四、（修改）钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算-14 五、（修改）钢板弹簧总成弧高的核算-15 六（修改）钢板弹簧的强度验算-16 七、钢板弹簧各片应力计算-17 八，设计结果-18 九、参考文献

2、-19 二、确定各片钢板弹簧的长度-20 计算过程与步骤 精心打造 未来2 条件参数：总重=13100 N 自重=6950 N 空车轴载荷=4250 N =2700 N 满载轴载荷=5750 N =7350 N 非簧载质量=690 N =2010 N 钢板弹簧长度 L=10001100nn 满载时偏颇 n=1.5-1.7Hz 弹性模量 E=2.06N/S=8-15%L 叶片端部形状：压延 一、确定断面尺寸及片数 有关钢板弹簧 的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计算，但需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要的总惯性矩0J。对于对称钢板弹簧：3048J

3、LkscE 1 式中，s 为 U 形螺栓中心距（mm）；k 为考虑 U 形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取 k=0.5，挠性夹紧，取 k=0）；c 为钢板弹簧垂直刚度（N/mm），/wccFf；为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数1n，再估计一个总片数0n,求得10nn，然后用1.51.04 10.5初定）E 为材料的弹性模量。，其中，)85.01(04.1 5.11n，取11n，则105.15.1，去 L=1050mm 取 k=0.5，精心打造 未来3 取满载偏颇 n=1.6HZ 且 =()/2=2670N,=97.66mm ，则/wccFf=27.34N/mm 将其代入求

4、得205.3725mmNJ；)4/()(0WWksLFW=66.1331)5004/()1055.01050(2670MPammN；初取mmWJhp59.566.13315.3725/200，取 b=9ph=50.13mm.片宽 b 对汽车性能的影响：1）.增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。2）.前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦弹簧的总厚 3）.推荐片宽与片厚的比值 b/ph在 610 范围内选取。4）.推荐 h 在（1+0.1）范围左右取，取 h=6mm。查表：b 和 h 应符合国产型材规格尺寸

5、，选取 b=65mm，h=6mm。二、确定各片钢板弹簧的长度 有作图法如图 1.得出：且.单位：mm 精心打造 未来4 图 1.各片弹簧长度 应尽可能将钢板弹簧取长些,原因如下：1,增加钢板弹簧长度 L 能显著降低弹簧应力，提高使用寿命降低弹簧刚度，改善汽车平顺性。2,在垂直刚度 c 给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。3,刚板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。4,增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形。各片弹簧长度,如表 1.表 1：单位：mm 序列号 单边 L/2 取整 圆整 双边 L 1 525 525 5

6、25 1050 2 525 525 525 1050 3 457.2 458 460 920 精心打造 未来5 4 389.2 390 390 780 5 322.9 323 325 650 6 254.6 255 255 510 7 187.5 188 190 380 8 120.0 120 120 240 三、钢板弹簧的刚度验算 在此之前，有关挠度增大系数、总惯性矩0J、片长和叶片端部形状等的确定都不够准确，所以有必要验算刚度。用共同曲率法计算刚度的前提是，假定同一截面上各片曲率变化值相同，各片所承受的弯矩正比于其惯性矩，同时该截面上各片的弯矩和等于外力所引起的弯矩。刚度验算公式为 nkk

7、kkYYaEc1131)(6 1 其中，)(111kklla；kiikJY11；1111kiikJY。式中，为经验修正系数，0.900.94；E 为材料弹性模量；1l、1kl为主片和第(1k)片的一半长度。则当,k=1，=0 k=2，=525-460=65mm k=3，=525-390=135mm k=4，=525-325=200mm k=5，=525-255=270mm k=6，=525-190=335mm k=7,=525-120=409mm 精心打造 未来6 k=8,=525-0=525mm 其中：kY-1kY=kiiJ11111kiiJ 当 k=1，=k=2，k=3，=k=4，=k=5

8、，k=6，k=7，=k=8，=代入数据可得：)(1131kknkkYYa=18355.7 取=0.93 因此，mmNmmNYYaEcnkkkk/135.30/6.62)(61131（符合）四、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0H 钢板弹簧各片装配后，在预压缩和 U 形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端(不包括卷耳孔半径)连线间的最大高度差（图 2），称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高精心打造 未来7 0H，用下式计算 )(0fffHac 1 式中，cf为静挠度；af为满载弧高；f为钢板弹簧总成用 U 形螺栓夹紧后引起的弧高变化，22)(3(LffsL

9、sfca；s 为 U 形螺栓中心距；L 为钢板弹簧主片长度。钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径0208/HLR。取af=20mm，则22)(3(LffsLsfca15.6mm )(0fffHac=97.66+20+15.6=133.26mm 因此，0208/HLR=1034.16mm 2.钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同(图 47)，装配后各片产生预应力，其值确定了自由状态下的曲率半径iR各片自由状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴紧，减少主片工作应力，使各片寿命接近。图 2 钢板弹簧各片自由状态下的曲率

10、半径 矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定 )2(1000REhRRiii (4-1)1 式中，iR为第 i 片弹簧自由状态下的曲率半径(mm)；0R为钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径(mm)；i0为各片弹簧的预应力(N2mm)；正为材料弹性模量(N精心打造 未来8 2mm)。在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径0R和各片弹簧预加应力i0的条件下，可以用式(41)计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径iR。选取各片弹簧预应力时，要求做到：装配前各片弹簧片间间隙相差不大，且装配后各片能很好贴和；为保证主片及与其相邻的长片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。为此，选取各片

11、预应力时，可分为下列两种情况：对于片厚相同的钢板弹簧，各片预应力值不宜选取过大。推荐主片在根部的工作应力与预应力叠加后的合成应力在300350N2mm内选取。14 片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。预应力从长片到短片由负值逐渐递增至正值。在确定各片预应力时，理论上应满足各片弹簧在根部处预应力所造成的弯矩iM之代数和等于零，即 niiM1 1 或 iniiW10 因此取各片预应力i0，得：)2(1001101REhRR=1128.59mm 同理：=1098.50mm =1069.97mm =1034.16mm =1017.17mm =1000.68mm =984.73mm =961.74

12、mm 如果第 i 片的片长为iL，则第 i 片弹簧的弧高为 iiiRLH8/2 1 则，mmRLH1.122)11280598/(10508/21211 精心打造 未来9 mmH5.125)5.10988/(105022 mmH9.98)97.10698/(920/23 4Hmm5.73)16.10348/(7802 mmH51.9)17.17108/(650/25 mmH32.5)1000.688/(510/26 mmH18.3)984.738/(380/27 mmH7.5)961.748/(240/28 五、钢板弹簧总成弧高的核算 由于钢板弹簧叶片在自由状态下的曲率半径是经选取预应力后用式

13、(41)计算，受其影响，装配后钢板弹簧总成的弧高与用式计算的结果会不同。因此，需要核算钢板弹簧总成的弧高。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为 niiniiiLRLR1101 （5-1）1 式中，iL为钢板弹簧第 i 片长度。其中，niiiRL1=59.11281050+5.10981050+97.1069920+16.1034780+17.1017650+68.1000510+73.984380+2844.574.961240 niiL1=1050+1050+920+780+650+510+380+240=5580 mm 精心打造 未

14、来10 因此，01R=55802844.5，得，0R=1055.94 mm=0R（符合）钢板弹簧总成弧高为 028/RLH=mmmm26.1335.130)94.10558/(10502=（符合）六、钢板弹簧的强度验算(1)紧急制动时，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 0211211max)()(WllcllmG （6-1）1 式中，1G为作用在前轮上的垂直静负荷；1m为制动时前轴负荷转移系数，轿车：1m1.21.4，货车：1m1.41.6；1l、2l为钢板弹簧前、后段长度；为道路附着系数，取 0.8；0W为钢板弹簧总截面系数；c 为弹簧固定点到路面的距离如

15、下图。其中，取 c=300mm，=1.20，=0.8 则0211211max)()(WllcllmG=Mpa6.8326658)525525()3008.0525(52520.1575062 1000Mpa （不符合）问题：钢板弹簧的强度验算时，最大应力超标。二、（修改）确定各片弹簧长度 修改：重选材料规格，取 h=7mm，b=70 mm 由作图法如图 4，确定各片长度，且.精心打造 未来12 图 4.各片弹簧长度 各片弹簧长度如表 2 表 2.序列号 单边 L/2 取整 圆整 双边 L 1 525 525 525 1050 2 525 525 525 1050 3 457.5 458 460

16、 920 4 390.0 390 390 780 5 322.5 323 325 650 6 255.0 255 255 510 7 187.5 188 190 380 8 120.0 120 120 240 精心打造 未来13 三、（修改）钢板弹簧的刚度验算 由更改后的参数得 nkkkkYYaEc1131)(6 1 其中，)(111kklla；kiikJY11；1111kiikJY。式中，为经验修正系数，0.900.94；E 为材料弹性模量；1l、1kl为主片和第(1k)片的一半长度。则当,k=1，=0 k=2，=525-460=65mm k=3，=525-390=135mm k=4，=52

17、5-325=200mm k=5，=525-255=270mm k=6，=525-190=335mm k=7,=525-120=409mm k=8,=525-0=525mm 由 kY-1kY=kiiJ11111kiiJ 当 k=1，=k=2，k=3，=k=4，=精心打造 未来14 k=5，k=6，k=7，=k=8，=代入数据可得：)(1131kknkkYYa=10535.98 取=0.93 因此，mmNmmNYYaEcnkkkk/135.30/1.10998.1053520600093.06)(61131 （符合）四、（修改）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

18、态下的弧高0H。取af=20mm，则22)(3(LffsLsfca15.6mm)(0fffHac=97.66+20+15.6=133.26mm 因此，0208/HLR=1034.16mm 2.钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 取各片预应力i0，精心打造 未来15 代入)2(1000REhRRiii 得：)2(1001101REhRR=1114.06mm 同理：=1088.82mm =1064.71mm =1034.16mm =1019.54mm =1005.32mm =991.50mm =970.464mm 3.计算各片弧高：iiiRLH8/2 则，mmRLH70.123)11280598

19、/(10508/21211 mmH57.126)5.10988/(105022 mmH37.99)97.10698/(920/23 4Hmm54.73)16.10348/(7802 mmH51.8)17.17108/(650/25 mmH32.34)1000.688/(510/26 mmH18.20)984.738/(380/27 mmH7.41)961.748/(240/28 五、（修改）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为 niiniiiLRLR1101 精心打造 未来16 式中，iL为钢板弹簧第 i 片长度

20、。代入数据得，niiiRL1=5.3003 niiL1=1050+1050+920+780+650+510+380+240=5580 mm 因此，01R=55803003.5，得，0R=1052.77 mm=0R（符合）钢板弹簧总成弧高为 028/RLH=mmmm26.13390.130)77.10528/(10502=（符合）六（修改）钢板弹簧的强度验算 1.紧急制动时，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 0211211max)()(WllcllmG 其中，取c=300mm，=1.20，=0.8 则0211211max)()(WllcllmG=Mpa09.5

21、776708)525525()3008.0525(52520.15750721000Mpa (符合)2.汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力max用下式计算 1220212122max)()(bhmGWllcllmG 其中，取=1.25 ，.精心打造 未来17 则1220212122max)()(bhmGWllcllmG=7078.025.173506708)525525()3008.0525(52525.1735072 =783.4Mpa 1000Mpa （符合）七、钢板弹簧各片应力计算 由应力计算公式 2 （7-1）(7-2)(7-3)上式中，片长的一半；P作用在

22、各片上力的大小，即载荷；单片截面系数；修正系数。（主片 0.60.8，第二片 0.70.9，其他 1.0）其中 ，=,因此，取 =（525-460）1335/（571.7 0.6）=253.0 Mpa =1335(525-0.5 105)-253.0 571.7/(460-0.5 105)=1193 N =（460-390）1193/（571.7 0.7）=208.7 Mpa =1193(460-0.5 105)-208.7 571.7/(390-0.5 105)=1086.9 N =（390-325）1086.9/（571.7 1.0）=123.6 Mpa =1086.9(390-0.5 1

23、05)-123.6 571.7/(325-0.5 105)=1086.9 N 精心打造 未来18 =（325-255）1086.9/（571.7 1.0）=133.1 Mpa =1086.9(325-0.5 105)-133.1 571.7/(42550.5 105)=1086.9N =（325-190）1086.9/（571.7 1.0）=123.6 Mpa =1086.9(255-0.5 105)-123.6 571.7/(190-0.5 105)=1086.8 N =（190-120）1086.8/（571.7 1.0）=133.1 Mpa =1086.8(190-0.5 105)-13

24、3.1 571.7/(120-0.5 105)=1086.6 N =（120-0）1086.6/（571.7 1.0）=228.1 Mpa 八，设计结果 表 3 参数 钢板 序号 长度il（mm）宽度ib（mm）厚度ih（mm）预应力i0（MPa）自由曲率iR（mm）自由弧高iH（mm）总成曲率0R（mm）总成弧高iH0（mm）载荷 P(N)应力i（Mpa）1 号 1050 70 7-50 1114.06 123.70 1052.77 123.5 1335 253.0 2 号 1050-35 1088.82 126.57 123.5 1335 253.0 3 号 920-20 1064.71

25、99.37 99 1193 208.7 4 号 780 0 1034.16 73.54 77.3 1086.9 123.6 5 号 650 10 1019.54 51.80 58.2 1086.9 133.1 6 号 510 20 1005.32 32.34 41.8 1086.9 123.6 7 号 380 35 991.50 18.20 28.1 1086.8 133.1 精心打造 未来19 8 号 240 45 971.46 7.41 17.2 1086.6 228.1 九、参考文献 1 王望予 汽车设计 第四版 机械工业出版社 2004 2 刘维信 汽车设计 第一版 机械工业出版社 精

26、心打造 未来20 二、确定各片钢板弹簧的长度 有作图法如图 1.得出：且.单位：mm 图 1.各片弹簧长度 应尽可能将钢板弹簧取长些,原因如下：1,增加钢板弹簧长度 L 能显著降低弹簧应力，提高使用寿命降低弹簧刚度，改善汽车平顺性。2,在垂直刚度 c 给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。3,刚板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。4,增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形。精心打造 未来21 图 4.各片弹簧长度 各片弹簧长度如表 2 表 2.序列号 单边 L/2 取整 圆整 双边 L 1 525 525 525 1050 2 525 525 525 1050 3 457.5 458 460 920 4 390.0 390 390 780 5 322.5 323 325 650 6 255.0 255 255 510 7 187.5 188 190 380 8 120.0 120 120 240