华晨汽车工程研究院 编号：HI-B15.031-2016-1.0 PAGE PAGE 2 华晨汽车工程研究院 编号：HI-B15.031-2016-1.0 编制部门：质量项目管理室 管理部门：流程信息处 华晨汽车工程研究院 钢板弹簧设计手册 编制： 马增辉 审核： 批准： 底盘部门 201X-XX-XX发布 版本：V0 PAGE 13 编制部门：质量项目管理室 管理部门：流程信息处 前 言 本设计手册规定的XXXX产品的要求，和国家相关标准规定而制定。 本设计手册由汽车工程研究院XXXX负责起草； 本设计手册由汽车工程研究院XXXX来管理和解释； 本设计手册主要起草人员： 变更记录 版本号 修订内容 修订者 修订日期 批准 日期 目 录 TOC \o 1-1 \h \z \u 1.概述 1 1.1定义 1 1.2基本功能和原理 1 1.3钢板弹簧的布置方案 3 2.钢板弹簧材质 4 3.钢板弹簧生产的基本工艺 4 4.钢板弹簧的参数设计 4 4.1满载弧高fa 4 4.2钢板弹簧长度L的确定 5 4.3钢板弹簧断面尺寸及片数的确定 6 4.4钢板弹簧片数n 8 4.5钢板弹簧各片长度的确定 8 4.6钢板弹簧刚度的验算 9 4.7钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 10 4.8钢板弹簧总成弧高的核算 11 4.9钢板弹簧的强度验算 12 5.钢板弹簧设计阶段潜在失效模式 13 6钢板弹簧台架试验 14 华晨汽车工程研究院 钢板弹簧设计手册 1.概述 1.1定义 钢板弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，它是由若干片等宽但不等长（厚度可以相等，也可以不相等）的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁，作用是支撑车体，缓和由路面传来的振动和冲击载荷。 图1 钢板弹簧 1.2基本功能和原理 当钢板弹簧安装在汽车悬架中，所承受的垂直载荷为正向时，各弹簧片都受力变形，有向上拱弯的趋势。这时，车桥和车架便相互靠近。当车桥与车架互相远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和变形便逐渐减小，有时甚至会反向。 图2 钢板弹簧与车桥简图 钢板弹簧第一片称为主片，其两端弯成卷耳，内装青铜或塑料、橡胶、粉末冶金制成的衬套，以便使用弹簧销与固定在车架上的支架或吊耳作销链连接。钢板弹簧中部一般用U形螺栓固定在车桥上。中心螺栓用以连接各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。中心螺栓距两端卷耳的距离可以相等，（称为对称式钢板弹簧）；也可以不相等（称为非对称式钢板弹簧）。当钢板弹簧安装在汽车悬架中，所承受的垂直载荷为正向时，各弹簧片都受力变形，有向上拱弯的的趋势。这时车桥和车架便相互靠近。当车桥与车架相互远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和变形都逐渐减小，有时甚至反向。 主片卷受力严重，是薄弱处，为改善主片卷耳的受力情况，常将第二片末端也弯成卷耳，包在主片卷耳的外面（亦称包耳）。为了使得在弹簧片变形时各片有相对滑动的可能。在主片卷耳与第二片包耳之间留有较大的空隙。有些悬架中的钢板弹簧两端不做卷耳，而采用两端插入厚壁的橡胶支承垫中，靠橡胶变形保证弹簧变形时两端的相移动。纵向力侧向力直接由橡胶支承垫传至车架，采用这种结构的优点是主片不会非常容易损坏，无需润滑，有良好的消除噪音能力，但钢板弹簧的纵向移动量受到限制，因此这种结构只在较长而且刚度较大的钢板弹簧上采用。 连接各片的构件，除中心螺栓外，还有若干个弹簧夹（亦称加弹夹）其最大的作用是当钢板弹簧反向变形（即反跳）时，使保片不致相互分开，以免主片单独承载。此外，开可防止各片横向错动。弹簧夹用铆钉铆接在与之相连的最下面弹簧片的顶端。弹簧夹的两边用螺栓连接，在螺栓上有套管顶住弹簧夹的两边，以免将弹簧片夹得过紧。在螺栓套管与弹簧片之间有一定间隙（不小于1.5mm）。以保证弹簧变形时，各片可以相互滑动。 钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间有相对滑动而产生摩擦。能够在一定程度上促进车架振动的衰减。促进各片间的干摩擦，将使车轮所受的冲击在很大的程度上传给车架，即降低了悬架缓和冲击的能力，并使弹簧各片加速磨损，这是不利的，为减少弹簧片的磨损，在装和钢板弹簧时每个片间必须涂上较稠的润滑剂（石墨润滑脂）并在定时进行保养。为了在使用期间长期储存润滑脂和防止污染，有时将钢板弹簧装在护套内。 前已述及，钢板弹簧本身还能兼起导向结构的作用，并且由于弹簧各片之间的摩擦而起到一定的减振作用。为了能够更好的保证在弹簧片间产生定值摩擦里以及消除噪声，可选在弹簧片之间夹入塑料垫片。如某些高级轿车后钢板弹簧即采用次种结构。 1.3钢板弹簧的布置方案 钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。 后者因为要传递纵向力， 必须设置附加的导向传力装置，使结构较为复杂、质量加大，所以只在少数轻、微型车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构相对比较简单，故在汽车上得到普遍应用。 纵置钢板弹簧又有对称式与不对称式之分。钢板弹簧中部在车轴(桥)上的固定中心至钢板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等，则为对称式钢板弹簧；若不相等，则称为不对称式 钢板弹簧。多数情况下汽车采用对称式钢板弹簧。由于整车布置上的原因，或者钢板弹簧在汽车上的安装的地方不动，又要改变轴距或者通过变化轴距达到改善轴荷分配的目的时， 采用不对称式钢板弹簧。 2.钢板弹簧材质 钢板弹簧常用材质为60Si2Mn和50CrVAr等。 3.钢板弹簧生产的基本工艺 不同厂家依照产品的不同，会对工艺做调整。 表1 钢板弹簧生产工序 工序号 工序名称 设备 1 下料 剪切机 2 校直 3 冲中孔、端孔 冲床 4 切边 5 折弯、卷耳，包耳 折弯机 6 整形 7 加热 高温炉 8 成形 9 淬火（油） 10 回火 11 冷却（水） 12 喷丸 喷完机 13 喷漆 14 组装，烘干 15 入库 4.钢板弹簧的参数设计 在进行钢板弹簧计算之前，应当知道下列初始条件：满载静止时汽车前、后轴(桥)负荷G1、G2和簧下部分荷重Gu1、Gu2 ，并据此计算出单个钢板弹簧的载荷：Fw1 =(G1?Gu1)/2和Fw2 =(G2?Gu2)/2，悬架的静挠度fc和动挠度fd，汽车的轴距等。 4.1满载弧高fa 满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴(桥)上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端(不 包括卷耳孔半径)连线)。fa用来保证汽车具有给定的高度。当fa＝0时，钢板弹簧在对称位置上工作。为了在车架高度已限定时能得到足够的动 挠度值，常取fa＝10～20mm。 图3 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 4.2钢板弹簧长度L的确定 钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离。增加钢板弹簧长度L能显著 降低弹簧应力，提高常规使用的寿命；降低弹簧刚度，改善汽车平顺性；在垂直刚度c给定的条件 下， 又能显著增加钢板弹簧的纵向角刚度。钢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。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；选用长些的钢板弹簧，会在汽车上布置时产生困难。原则上在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。 推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度： 轿车：L＝(0.40～0.55)轴距； 货车前悬架：L＝(0.26～0.35)轴距，后悬架：L＝(0.35～0.45)轴距。 4.3钢板弹簧断面尺寸及片数的确定 4.3.1钢板断面宽度b的确定 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δ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J0。 对于对称钢板弹簧J0=[(L?ks)3cδ]/（48E） (4-1) 式中，s为U形螺栓中心距(mm)；k是为考虑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)，c=Fw/fc；δ为挠度增大系数(先确定与主片等长的重叠片数n1，再估计一个总片数n0，求得η= n1/n0，然后用δ =1.5/[1.04(1+ 0.5η)]初定δ)；E为材料的弹性模量。 钢板弹簧总截面系数W0用下式计算 W0≥[Fw(L?ks)]/4[σw] (4-2) 式中，[σw]为许用弯曲应力。对于55SiM

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