空气弹簧刚度计算
1． 载荷与气压关系式：
)A p (p P a -= ----(1) 式中： P 载荷
p 气囊内绝对气压
A 气囊有效承压面积
a p 标准大气压，其值与运算单位有关： 采用N 、mm 时，a p ＝0.0981≈0.1N/mm 2 采用kgf 、cm 时，a p ＝1 kgf/cm 2
采用1b 、in 时，a p ＝14.223 lb/in 2(psi)
2． 气压与容积变化关系式―――气体状态方程式
m )V
V (p p 00= 式中： p 任一位置气囊内气体的绝对气压 V 任一位置气囊内气体容积 0p 静平衡位置气囊内气体的绝对气压 0V 静平衡位置气囊内气体容积
m 多变指数，静态即等温过程 m =1; 动态即绝热过程 m =1.4; 一般状态，可取 m =1.33。
3． 刚度：弹性特性为弱非线性，取其导数，即
dx
dP K = 式中： K 任一位置的刚度
P 载荷
x 气囊变形量即行程
即： dx
)A]p d[(p K a -= dx
)A]p V V d[(p a m m
00-= dx dV V V Amp dx dA )p V V (p 1m m 00a m m 00?--=+ ----(2)
当气囊处在平衡位置时，
V =0V ， p =0p , dx
dV =-A , 即： 020a 00V A mp dx dA )p (p K +-= ----(3)
在平衡位置时之偏频：
0a 000)V p (p mgA p dx dA A g 2π1n -+?=
(Hz) ----(4)
式中：dx
dA 称为有效面积变化率； g 重力加速度。 可见，降低dx
dA 、增大0V ，可降低0n ，提高平顺性。 P.S.有时采用相对气压p 1来运算更为方便:
p 1 =p -a p ----(5) 代入式(1)即P = p 1
A
或：0p = a 10p p +
代入式(3) 即：02a 10100V A )p m(p dx dA p K ++= ----(6) 0
10a 100V mgA p p p dx dA A g 2π1n ?++?= (Hz) ----(7) 又∵2
D 4πA = D 为有效直径，
∴
dx
dD 2πD dx dA ?= 代入式(6) 0
2
a 10100V A )p m(p dx dD 2πDp K ++?= ----(8) 式中： dx
dD 称为有效直径变化率。 dx dD 或dx
dA 由空气弹簧制造商提供数据或曲线， 对囊式空气弹簧，一般dx
dD =0.2--0.3， 对膜式空气弹簧，一般dx
dD =0--0.2， 甚至有dx dD =-0.1，取决于活塞形状。
汽车钢板弹簧的性能、计算和试验 东风汽车公司技术中心陈耀明 1983年3月初稿 2005年1月再稿
目录 前言（2） 一．钢板弹簧的基本功能和特性（3） 1.汽车振动系统的组成（3） 2.悬架系统的组成和各元件的功能（6） 3.钢板弹簧的弹性特性（7） 4.钢板弹簧的阻尼特性（12） 5.钢板弹簧的导向特性（14） 二．钢板弹簧的设计计算方法（17） 1.单片和少片变断面弹簧的计算方法（17） 2.多片钢板弹簧的刚度和工作应力计算（24） 3.多片弹簧各单片长度的确定（32） 4.多片弹簧的弧高计算（36） 5.钢板弹簧计算中的几个具体问题（43）三．钢板弹簧的试验（46） 1.钢板弹簧的静刚度测定（46） 2.钢板弹簧的动刚度测定（50） 3.钢板弹簧的应力测定（52） 4.钢板弹簧单片疲劳试验（53） 5.钢板弹簧总成疲劳试验（54）
前言 本文是为汽车工程学会悬架专业学组所办的“减振器短训班”撰写的讲义，目的是让汽车减振器的专业人员对钢板弹簧拥有一些基本知识，以利于本身的工作。内容分为三部分：钢板弹簧的基本功能和特性，设计计算方法，以及试验等。因为这部分内容非本次短训班的重点，所以要求尽量简单扼要，也许有许多不全面的地方，只供学习者参考。有关钢板弹簧较详细的论述，可参考本学组所编的“汽车悬架资料”。
一．钢板弹簧的基本功能和特性 1.汽车振动系统的组成 汽车在道路上行驶，由于路面存在不平度以及其它各种原因，必然引起车体产生振动。从动态系统的观点来看，汽车是一个多自由度的振动系统。其振源主要来自路面不平度的随机性质的激振，此外还有发动机、传动系统以及空气流动所引起的振动等等。 为改善汽车的平顺性，也就是为减小汽车的振动，关键的问题是研究如何对路面不平度的振源采取隔振措施，这就是设计悬架系统的根本目的。换言之，就是在一定的道路不平度输入情况下，通过悬架系统的传递特性，使车体的振动输出达到最小。 当研究对象仅限于悬架系统时，人们往往把车体当为一个刚体来看待。即使这样，汽车仍然是一个很复杂的多自由度系统，见图1。如果不涉及汽车的横向振动和角振动，可以将左右悬架合并，使汽车振动系统进一步简化，见图2。在一定条件下，也就是当质量分配系数等于1，即前后悬架的输出与输入各自的相干特性达到最大值时，就可以将前、后悬架分开，单独看成一个两自由度振动系统。这时，组成每一个振动系统的元素就是质量（簧载质量与非簧载质量），弹性元件（悬架弹簧和轮胎）和阻尼元件（悬架阻尼元件和轮胎阻尼），见图3。
汽车悬架构件的设计计算 前言 第一章汽车悬架的基本知识 第一节汽车悬架构件 一、导向机构 二、弹性元件 三、梯形机构 四、阻尼元件 五、稳定装置 第二节汽车悬架型式 一、悬架的基本要求 二、悬架的分类 (一)按功能原理划分 (二)按导向机构划分 (三)按弹性元件划分 第三节汽车悬架型式的发展 一、导向机构悬架型式的发展 (一)单臂悬架的发展 (二)从单臂到双臂 (三)麦弗逊悬架 (四)平衡悬架 二、弹性元件悬架型式的发展 (一)钢板弹簧悬架 (二)螺旋弹簧悬架 (三)扭杆弹簧悬架 (四)空气弹簧悬架 (五)油气弹簧悬架 第二章汽车悬架的基础理论 第一节汽车悬架术语和力矩中心 一、特定术语 二、力矩中心 (一)定义 (二)相关定理 (三)悬架的侧倾力矩中心 (四)悬架的纵倾力矩中心 第二节多轴汽车的特性参数 一、特性参数 (一)外心距 (二)组合线刚度 (三)中性面 (四)内心距 (五)换算线刚度
二、角刚度与角刚度比 (一)角刚度 (二)角刚度比 第三节汽车平顺性的评价指标 一、IS0263l标准 二、常用评价指标 第四节汽车操纵稳定性的评价指标 一、定义及研究对象 二、评价指标 三、车身稳定性 第三章汽车悬架构件的设计计算 第一节汽车导向机构 一、车轮定位参数 (一)轮距 (二)车轮外倾角 (三)前束 二、麦弗逊悬架的导向机构 (一)悬架中心和力矩中心 (二)换算线刚度和角刚度 (三)受力分析 三、半拖臂悬架的导向机构 (一)相关参数 (二)线刚度与角刚度 (三)设计要点 四、双横臂悬架的导向机构 (一)空间模型 (二)运动学特性 (三)弹性元件受力 (四)换算线刚度与角刚度 (五)摆臂临界角 五、单纵臂悬架的导向机构 六、钢板弹簧悬架的导向机构 (一)对称板簧的运动特性 (二)非对称板簧的运动特性 (三)中心扩展法的作图步骤及其修正方法 (四)两点偏转法的作图步骤及其修正方法第二节汽车弹性元件 一、钢板弹簧 (一)普通钢板弹簧 (二)变断面钢板弹簧 (三)渐变刚度钢板弹簧 (四)非对称钢板弹簧 二、螺旋弹簧 (一)普通压缩螺旋弹簧
汽车平衡悬架钢板弹簧设 计 东风德纳车桥有限公司 2005年9月15日
一、 钢板弹簧作用和特点 a. 结构简单，制造、维修方便； b. 弹性元件作用； c. 导向作用； d. 传递侧向、纵向力和力矩的作用； e. 多片弹簧片间摩擦还起系统阻尼作用； f. 在车架或车身上两点支承，受力合理； g. 可实现变刚度特性； h. 相比螺旋弹簧和扭杆弹簧而言，单位质量的储能量较小，在同样的使用条件下，钢板弹簧要重一些。 二、 钢板弹簧的种类、材料热处理及弹簧表面强化 1. 目前，汽车上使用的钢板弹簧常见的有以下几种： 1) 普通多片钢板弹簧； 2) 少片变截面钢板弹簧； 3) 两级变刚度复式钢板弹簧； 4) 渐变刚度钢板弹簧 2. 钢板弹簧材料的一般要求 钢板弹簧与其它弹性元件一样，弹簧使用寿命与材料及制造工艺有很大关系，因此选用弹簧材料时应考虑以下几个方面因素 1) 弹性极限 弹簧在弹性极限范围内变形时，希望弹簧储存的弹性变形能要大，而弹簧在单位中单位体积内储存的弹性变形能是与材料的弹性极限平方成正比，而与弹性模量与反比，因此从提高材料贮存的弹性变形能角度看，希望提高材料的弹性极限。一般说材料抗拉强度高，弹性极限也高。弹性极限与材料的化学成分和金相组织有较大关系，在弹簧钢中如果提高碳、硅、锰元素含量，可以提高材料弹性极限。弹簧采用中温回火处理，能够得到具有较高弹性极限的回火屈氏体组织。 2) 弹性模量 弹性模量有两种，即拉伸弹性模量E 和剪切弹性模量G 。材料弹性模量愈小，材料变形和贮存的弹性变形能愈大。从这个角度看，国外采用了弹性模量较低的增强树脂材料弹簧（FRP 弹簧）。 3) 疲劳强度 由于弹簧多在交变载荷下工作，所以要求材料应有较高的疲劳极限，疲劳强度与材料抗拉强度b 和屈服强度s σ成正比，因此为了提高弹簧的疲劳强度，应设法提高材料的抗拉强度b σ和屈服强度与抗拉强度之比（b s σσ）。 4) 淬透性 对于断面较厚的或变截面钢板弹簧，希望用淬透性较好的材料。材料如不能淬透，淬火组织中将含有较多的非马氏体组织，使淬火后硬度降低。虽然可以通过降低回火温度来达到所需要的硬度，但其机械性能较差。为保证材料在整个截面内具有相同的机械性能，要求淬火时不仅表面而且心部也能淬透，且淬火后表面硬度和心部硬度相差不能太大。 综上所述，汽车钢板弹簧材料应具有较高的抗拉强度、屈服极限、疲劳强度及一定冲击韧性。此外要求材料具有良好的淬透性，热处理不易脱碳等性能。 3. 钢板弹簧材料 目前国内使用最多的弹簧钢板材料是钢Mn Si -，如Mn Si 260和MnA Si 260该钢种
《JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范》 桩基土弹簧计算方法 根据地基基础规范中给出的m法计算桩基的土弹簧： 基本公式： K=ab 1 mz ③ 式中： a：各土层厚度 b 1 ：桩的计算宽度 m：地基土的比例系数 z：各土层中点距地面的距离 计算示例： 当基础在平行于外力作用方向由几个桩组成时， b1=0.9×k(d + 1) ① h1=3×(d+1) ∵ d=1.2 ∴ h1=6.6 L1=2m L1＜0.6×h1＝3.96M ∴ k＝b′＋((1－b′)/0.6)×L1/h1 ② 当n1=2时，b′＝0.6 代入②式得：k= 当n1=3时，b′＝0.5 代入②式得：k=0.92087542 当n1≥4时，b′＝0.45 带入②式得：k=0.912962963 将k值带入①式可求得b1， 对于非岩石类地基，③式中m值可在规范表P.0.2-1中查到 对于岩石类地基，③式中m值可由下式求得： m=c/z 其中c值可在表P.0.2-2中查得 将a、b1、m、z带入③可求得K值 m 同时，《08抗震细则》，第6.3.8中规定，对于考虑地震作用的土弹簧， M 动=（2~3倍）M 静 。
桥梁的地震反应分析研究中，考虑桩-土共同作用时，在力学图式中作如下处理。 假定土介质是线弹性的连续介质，等代土弹簧刚度由土介质的动力m 值计算。“m -法”是我国公路桥梁设计中常用的桩基静力设计方法。在此采用的动力m 值最好以实测数据为依据。由地基比例系数的定义可表示为 z zx x z m ??=σ 式中，zx σ是土体对桩的横向抗力，z 为土层的深度，z x 为桩在深度z 处的横向位移(即该处土的横向变位值)。 由此，可求出等代土弹簧的刚度为s K z m b a x x z m b a x A x P K p z z p z zx z s s ???=????===)()(σ 式中，a 为土层的厚度，p b 为该土层在垂直于计算模型所在平面的方向上的宽度，m 值见表1。
油气弹簧刚度计算公式 1． 载荷与气压关系式： A p p P a )(?= ----------(1) 式中： P 载荷 p 气室内绝对气压也是油缸内油液绝对压力 A 油缸活塞面积 a p 标准大气压，其值与运算单位有关： 采用N 、mm 时， 2/1.00981.0mm N p a ≈= 采用kgf 、cm 时，2/1cm kgf p a = 采用lb 、in 时， ()psi in lb p a 2/223.14= 2． 气压与容积变化关系式―――气体状态方程式 m V V p p ?? ????=00 ----------(2) 式中： p 任一位置气室内气体的绝对气压 V 任一位置气室内气体的容积 0p 静平衡位置气室内气体的绝对气压 0V 静平衡位置气室内气体的容积 m 多变指数，对于氮气，一般状态下，可取 25.1=m 3． 刚度和偏频 可认为弹性特性为弱非线性，对于微幅振动，取其导数为刚度： dx dP K = 式中： K 任一位置的刚度 P 载荷 x 活塞行程 将式(2)代入式(1)，得： A p V V p P a m ??????????? ????=00，对x 求导 dx A p V V p d K a m m ?????????????????=00
dx dV V V Amp dx dA p V V p m m a m m ????? ??????=+10000 ----------(3) 当活塞上、下运动时，活塞承压面积不变，即 0=dx dA 活塞处于平衡位置时： 0V V = ， 0p p = ，A dx dV ?= 即： 0 020V mp A K = ----------(4) 令A V H 00= 称为静平衡位置时的气体折算高度，则 00H A mp K = ----------(5) 这时的偏频： 0 00021 H mg p p p n a ??=π ----------(6) 式中 g 重力加速度 可见，增大折算高度0H ，亦即加大气室容积，可以降低偏频， 改善平顺性。由于油气弹簧的压力比较高，通常为5—7a Mp ，有的高达20a Mp （a Mp cm kgf 1.0/12=），所以100≈?a p p p 。当载荷增加后，0H 变小，偏频增大。这种振动频率随载荷增加而增大的特性， 恰与空气弹簧或一般线性弹簧相反。为了得到较好的弹性特性，可采用带有反压气室的油气弹簧或采用两级气室的结构。 为了方便计算，也可改用相对气压1p 来表述： a p p p ?=1 ----------(7) a p p p ?=010 ----------(8) 代入式（5）、（6），得： ()0100H A p p m K a += ----------(9) 0 1010021 H mg p p p n a ?+=π ----------(10) 陈耀明 2006年3月
钢板弹簧悬架系统设计规范 1 范围 本规范适用于传统结构的非独立悬架系统，主要针对钢板弹簧和液力筒式减振器等主要部件设计参数的选取、计算、验证等作出较详细的工作模板。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，然而，鼓励根据本规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。 QC/T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件 QCn 29035-1991 汽车钢板弹簧技术条件 QC/T 517-1999 汽车钢板弹簧用U形螺栓及螺母技术条件 GB/T 4783-1984 汽车悬挂系统的固有频率和阻尼比测定方法 3 符号、代号、术语及其定义 GB 3730.1-2001 汽车和挂车类型的术语和定义 GB/T 3730.2-1996 道路车辆质量词汇和代码 GB/T 3730.3-1992 汽车和挂车的术语及其定义车辆尺寸 QC/T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件 GB/T 12549-2013 汽车操纵稳定性术语及其定义 GB 7258-2017 机动车运行安全技术条件 GB 13094-2017 客车结构安全要求 QC/T 480-1999 汽车操纵稳定性指标限值与评价方法 QC/T 474-2011 客车平顺性评价指标及限值 GB/T 12428-2005 客车装载质量计算方法 GB 1589-2016 道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值 GB/T 918.1-1989 道路车辆分类与代码机动车 JTT 325-2013 营运客车类型划分及等级评定 凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范，凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。 4 悬架系统设计对整车性能的影响 悬架是构成汽车的总成之一，一般由弹性元件（弹簧）、导向机构（杆系或钢板弹簧）、减振装置（减振器）等组成，把车架（或车身）与车桥（或车轮）弹性地连接起来。主要任务是传递作用在车轮与车架之间的一切力与力矩，缓和由不平路面传给车架的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的
钢板弹簧是什么?刚度和分析 前言 钢板弹簧是汽车中广泛应用的弹性元件，刚度是其重要的物理参量。因此，在产品试制出来之前，如何更准确的计算其实际刚度就成为大家共同关心的问题。传统的计算方法，如“共同曲率法”和“集中载荷法”等均存在一定的局限性，在计算中往往需要加入经验修正系数来调整计算结果。随着计算机的发展，有限元法因其精度高、收敛性好、使用方便等优点逐渐被应用到板簧的设计中。邹海荣等应用有限元法分析了某渐变刚度钢板弹簧的异常断裂问题，提出了避免此种断裂的改进措施。胡玉梅等针对某汽车后悬架的钢板弹簧应用Ansys软件分析了其静态强度特性，给出了钢板弹簧在不同载荷作用下的应力分布，计算结果与试验符合的较好。谷安涛则讨论了应用有限元法设计钢板弹簧的一般流程，给出了设计的示例。 有限元法的最大优点之一就是可以仿真设计对象的实际工作状态，因而可以部分代替试验，指导精确设计。汽车钢板弹簧存在非线性和迟滞特性。应用有限元法进行分析时需要考虑大变形及接触，即需要同时考虑几何非线性和状态非线性，这将使得计算不容易收敛，因而需要较高的求解技巧及分析策略。 本文采用Nastran的非线性分析模块分析了某钢板弹簧的刚度特性，讨论了摩擦对其性能的影响，其分析流程及结果可以为同类型产品的设计提供参考。 2 钢板弹簧刚度的计算方法 传统的计算方法有“共同曲率法”和“集中载荷法”。此外，国内学者郭孔辉针对共同曲率法中存在的固有缺陷，提出了一种称为主片分析法的计算方法，田光宇等则针对集中载荷法的固有缺陷，提出了改进的集中载荷法。这些方法的出发点都是把板簧各片看成是等截面的悬臂梁，不考虑板簧各片之间的摩擦和板簧变形过程中的大变形特性，采用经典梁公式计算第1叶片的端点挠度，进而求得板簧的刚度。 2.1共同曲率法 共同曲率法由前苏联的帕尔希洛夫斯基提出，其基本假设为板簧受载后各叶片在任一截面上都有相同的曲率，即把整个板簧看成是一变截面梁，由此推出对称板簧的刚度计算公式如下： 2.2集中载荷法 集中载荷法的基本假设为板簧各叶片仅在端部相互接触，即假定第i片与第i-1片之间仅有端部的一个接触点，接触力为Pi，并且在接触点处两相邻叶片的挠度相等。其中P1为第1片所受外载荷。因此，系统中的未知力为P2，P3，?，Pn共n-1个，由接触点处挠度相等可得到n-1个方程，求解此方程组可得到未知作用力P2，P3，?，Pn，再根据第1片所受
空气弹簧刚度计算公式 1． 载荷与气压关系式： )A p (p P a -= ----(1) 式中： P 载荷 p 气囊内绝对气压 A 气囊有效承压面积 a p 标准大气压，其值与运算单位有关： 采用N 、mm 时，a p ＝0.0981≈0.1N/mm 2 采用kgf 、cm 时，a p ＝1 kgf/cm 2 采用1b 、in 时，a p ＝14.223 lb/in 2(psi) 2． 气压与容积变化关系式―――气体状态方程式 m )V V (p p 00= 式中： p 任一位置气囊内气体的绝对气压 V 任一位置气囊内气体容积 0p 静平衡位置气囊内气体的绝对气压 0V 静平衡位置气囊内气体容积 m 多变指数，静态即等温过程 m =1; 动态即绝热过程 m =1.4; 一般状态，可取 m =1.33。 3． 刚度：弹性特性为弱非线性，取其导数，即 dx dP K = 式中： K 任一位置的刚度 P 载荷 x 气囊变形量即行程 即： dx )A]p d[(p K a -= dx )A]p V V d[(p a m m 00-= dx dV V V Amp dx dA )p V V (p 1m m 00a m m 00?--=+ ----(2)
当气囊处在平衡位置时， V =0V ， p =0p , dx dV =-A , 即： 020a 00V A mp dx dA )p (p K +-= ----(3) 在平衡位置时之偏频： 0a 000)V p (p mgA p dx dA A g 2π1n -+?= (Hz) ----(4) 式中： dx dA 称为有效面积变化率； g 重力加速度。 可见，降低dx dA 、增大0V ，可降低0n ，提高平顺性。 P.S.有时采用相对气压p 1来运算更为方便: p 1 =p -a p ----(5) 代入式(1)即P = p 1 A 或：0p = a 10p p + 代入式(3) 即：02a 10100V A )p m(p dx dA p K ++= ----(6) 0 10a 100V mgA p p p dx dA A g 2π1n ?++?= (Hz) ----(7) 又∵2 D 4πA = D 为有效直径， ∴dx dD 2πD dx dA ?= 代入式(6) 0 2 a 10100V A )p m(p dx dD 2πDp K ++?= ----(8) 式中： dx dD 称为有效直径变化率。 dx dD 或dx dA 由空气弹簧制造商提供数据或曲线， 对囊式空气弹簧，一般dx dD =0.2--0.3， 对膜式空气弹簧，一般dx dD =0--0.2， 甚至有dx dD =-0.1，取决于活塞形状。
空气弹簧是一种在柔性密闭橡胶气囊中冲入压缩空气,利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件,它的的振动固有频率较低,且不同载荷下几乎保持不变,是一种隔振性能优良的隔振器。担架支架是伤员运送车辆在行驶途中承载、固定卧姿伤病员担架的主要设备。担架支架的隔振系统设计在很大程度上决定了伤病员在运送途中的乘卧舒适性。性能优异的担架支架隔振系统能有效提高伤员运送车辆的运送能力。空气弹簧是较为合适的可用于担架支架系统的隔振器,它是利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件。作为隔振元件,空气弹簧具有非线性变刚度特性,通过内压的调整,可以得到不同的承载能力;承受轴向载荷和径向载荷,可产生相对较好的缓冲隔振效果;还具有结构简单、安装高度低、更换方便、工作可靠、质量轻、单位质量储能量高等优点。将空气弹簧增加附加气室能显著降低空气弹簧的刚度及固有频率。本文对应用于急救车担架支架装置的空气弹簧隔振器的动态特性进行了理论分析、实验测试、实验建模等方面的研究,为今后进一步研究半主动控制的空气弹簧隔振系统提供了参考依据。本文首先介绍了空气弹簧的研究与发展现状,对空气弹簧的性能和优缺点进行了比较。并对空气弹簧的动力学特性进行研究,推导了空气弹簧动刚度计算公式,分析了其动力学特性的影响因素,建立了带附加气室与不带附加气室空气弹簧的力学模型。其次做了空气弹簧的动力学特性实验,得到如下结论:不带附加气室时,当初始气压、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加;当激振频率增加时,空气弹簧的动刚度随之减小。空气弹簧的固有频率几乎保持不变。而带附加气室空气弹簧在节流孔孔径4-7mm范围内,当孔径增大时,空气弹簧动刚度随之减小;当初始气压、激振频率、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加。在高频(8Hz)左右时,振幅、频率的变化对动刚度的改变已不明显。在低频率时,带附加气室能显著降低空气弹簧的动刚度,而在较高频率时,带附加气室会使空气弹簧的动刚度增加。最后对带附加气室空气弹簧力学模型进行了简化,通过实验数据运用最小二乘法对模型参数进行了识别,并用四个指标对模型拟合精度进行了评价。分析结果表明误差较小,模型能够比较准确的反映出应用空气弹簧隔振器的力学特性。
。 1.1单个钢板弹簧的载荷 已知汽车满载静止时汽车前轴荷G1=3000kg，非簧载质量Gu1=285kg，则据此可计算出单个钢板弹簧的载荷: Fw1=（G1－Gu1）／２＝1357.5 kg （１） 进而得到： Pw1=Fw1×9.8=13303.5 N （２） 1.2钢板弹簧的静挠度 钢板弹簧的静挠度即静载荷下钢板弹簧的变形。前后弹簧的静挠度都直接影响到汽车的行驶性能[1]。为了防止汽车在行驶过程中产生剧烈的颠簸（纵向角振动），应力求使前后弹簧的静挠度比值接近于1。此外，适当地增大静挠度也可减低汽车的振动频率，以提高汽车的舒适性。但静挠度不能无限地增加（一般不超过240 ｍｍ），因为挠度过大，即频率过低，也同样会使人感到不舒适，产生晕车的感觉。此外，在前轮为非独立悬挂的情况下，挠度过大还会使汽车的操纵性变坏。一般汽车弹簧的静挠度值通常如表1[2]所列范围内。 本方案中选取fc1=80 ｍｍ。 1.3钢板弹簧的满载弧高 满载弧高指钢板弹簧装到车轴上，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）连线间的最大高度差[3]。当H0=0时，钢板弹簧在对称位置上工作。考虑到使用期间钢板弹簧塑性变形的影响和为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取H0∈10－20ｍｍ。本方案中H01初步定为１8ｍｍ。 1.4钢板弹簧的断面形状 板弹簧断面通常采用矩形断面，宜于加工，成本低。但矩形断面也存在一些不足。矩形断面钢板弹簧的中性轴，在钢板断面的对称位置上。工作时，一面受拉应力，一面受压应力作用，而且上、下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等。因材料的抗拉性能低于抗压性能，所以在受拉应力作用的一面首先产生疲劳断裂。除矩形断面以外的其它断面形状的叶片，其中性轴均上移，使受拉应力的一面的拉应力绝对值减小，而受压应力作用的一面的压应力绝对值增大，从而改善了应力在断面上的分布情况，提高了钢板弹簧的疲劳强度并节约了近10%的材料。本方案中选用矩形断面。 1.5钢板弹簧主片长度的确定
弹簧刚度计算 压力弹簧 · 压力弹簧的设计数据，除弹簧尺寸外，更需要计算出最大负荷及变位尺寸的负荷； · 弹簧常数：以k表示，当弹簧被压缩时，每增加1mm距离的负荷(kgf/mm)； · 弹簧常数公式（单位：kgf/mm）： G=线材的钢性模数：碳钢丝G=79300 ；不锈钢丝G=697300，磷青铜线G=4500 ，黄铜线G=350 d=线径 Do=OD=外径 Di=ID=内径 Dm=MD=中径=Do-d N=总圈数 Nc=有效圈数=N-2 拉力弹簧 拉力弹簧的 k值与压力弹簧的计算公式相同 ·拉力弹簧的初张力：初张力等于适足拉开互相紧贴的弹簧并圈所需的力，初张力在弹簧卷制成形后发生。拉力弹簧在制作时，因钢丝材质、线径、弹簧指数、静电、润滑油脂、热处理、电镀等不同，使得每个拉力弹簧初始拉力产生不平均的现象。所以安装各规格的拉力弹簧时，应预拉至各并圈之间稍为分开一些间距所需的力称为初张力。
· 初张力=P-（k×F1）=最大负荷-（弹簧常数×拉伸长度） · 拉力弹簧的设计数据，除弹簧尺寸外，更需要计算出最大负荷及变位尺寸的负荷； · 弹簧常数：以k表示，当弹簧被拉伸时，每增加1mm距离的负荷(kgf/mm)； · 弹簧常数公式（单位：kgf/mm）： G=线材的钢性模数：碳钢丝G=79300 ；不锈钢丝G=697300，磷青铜线G=4500 ，黄铜线G=350 d=线径 Do=OD=外径 Di=ID=内径 Dm=MD=中径=Do-d N=总圈数 扭力弹簧 · 弹簧常数：以 k 表示,当弹簧被扭转时，每增加1°扭转角的负荷 (kgf/mm). · 弹簧常数公式（单位：kgf/mm）: E=线材之钢性模数：琴钢丝E=21000 ,不锈钢丝E=19400 ,磷青铜线E=11200，黄铜线E=11200 d=线径 Do=OD=外径 Di=ID=内径 Dm=MD=中径=Do-d N=总圈数
空气弹簧刚度计算 1． 载荷与气压关系式： )A p (p P a -= ----(1) 式中： P 载荷 p 气囊内绝对气压 A 气囊有效承压面积 a p 标准大气压，其值与运算单位有关： 采用N 、mm 时，a p ＝0.0981≈0.1N/mm 2 采用kgf 、cm 时，a p ＝1 kgf/cm 2 采用1b 、in 时，a p ＝14.223 lb/in 2(psi) 2． 气压与容积变化关系式―――气体状态方程式 m )V V (p p 00= 式中： p 任一位置气囊内气体的绝对气压 V 任一位置气囊内气体容积 0p 静平衡位置气囊内气体的绝对气压 0V 静平衡位置气囊内气体容积 m 多变指数，静态即等温过程 m =1; 动态即绝热过程 m =1.4; 一般状态，可取 m =1.33。 3． 刚度：弹性特性为弱非线性，取其导数，即 dx dP K = 式中： K 任一位置的刚度 P 载荷 x 气囊变形量即行程 即： dx )A]p d[(p K a -= dx )A]p V V d[(p a m m 00-= dx dV V V Amp dx dA )p V V (p 1m m 00a m m 00?--=+ ----(2)
当气囊处在平衡位置时， V =0V ， p =0p , dx dV =-A , 即： 020a 00V A mp dx dA )p (p K +-= ----(3) 在平衡位置时之偏频： 0a 000)V p (p mgA p dx dA A g 2π1n -+?= (Hz) ----(4) 式中：dx dA 称为有效面积变化率； g 重力加速度。 可见，降低dx dA 、增大0V ，可降低0n ，提高平顺性。 P.S.有时采用相对气压p 1来运算更为方便: p 1 =p -a p ----(5) 代入式(1)即P = p 1 A 或：0p = a 10p p + 代入式(3) 即：02a 10100V A )p m(p dx dA p K ++= ----(6) 0 10a 100V mgA p p p dx dA A g 2π1n ?++?= (Hz) ----(7) 又∵2 D 4πA = D 为有效直径， ∴ dx dD 2πD dx dA ?= 代入式(6) 0 2 a 10100V A )p m(p dx dD 2πDp K ++?= ----(8) 式中： dx dD 称为有效直径变化率。 dx dD 或dx dA 由空气弹簧制造商提供数据或曲线， 对囊式空气弹簧，一般dx dD =0.2--0.3， 对膜式空气弹簧，一般dx dD =0--0.2， 甚至有dx dD =-0.1，取决于活塞形状。
不对称钢板弹簧的刚度计算 东风汽车工程研究院陈耀明 2008年6月15日
不对称钢板弹簧的刚度计算 1、垂直变形的刚度 图1的符号意义如下： f ? 根部变形 1f ? 短端部变形 2f ? 长端部变形 P ? 根部载荷增量 1P ? 短端部载荷增量 2P ? 长端部载荷增量 1l 板簧短端半长 2l 板簧长端半长 θ 板簧倾角变化
从图中的变形关系，可导出： 1 1 2112l f f l l f f ?-?= +?-? ------------------------（1） 从力的平衡关系，有： 1122l P l P ??=?? -----------------------（2） 已知： 1 1 1f P C ??= ----------------------（3） 2 2 2f P C ??= ----------------------（4） 式中1C 、2C 分别为板簧短端、长端的刚度 令：1 2 l l =λ 称为半长比 1 2 C C K = 称为刚度比 定义： f P C ??= ---------------------（5） 称为板簧刚度。 将式（3）、（4）、（5）代入式（1），得： λ+=+=?-??-?11 211 111 22l l l C P C P C P C P ))(1(1 1 1122C P C P C P C P ?-?+=?-?λ -----------------------（6） 从式（2），将λ??=?21P P 代入式（6），得：
))(1(1 2 1222λλλ??-?+=??-?C P C P C P C P 整理后，得： C P C C P ?? +=+??)1()1(1222λλ ---------------------（7） 从平衡条件，有： 21P P P ?+?=? ---------------------（8） 代入式（7）： C P P C C P 21 12 22)1()1(?+??+=+??λλ 2211 2 211P P P C C C ??+??++= λ λ )1(11211 2 2P P C C ??+?++= λλ )1(111 2 2λλλ +?++= C C 2 12 2 1)1(C C ++=λλ ----------------------（9） 若将刚度比1 2 C C K = 代入，则： 22 2 1221)1(1)1(C K C K K C ?++=?+?+=λλλλ ---------------------（10） 此计算式与混合式空气悬架的刚度计算公式完全一样。
2.2空气弹簧的支撑、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩气体。容积比、气体压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的性能。理想气体状态方程为 绝对压力(Pa) 除以气体密度（kg/m3）等于气体常数(N?m/(kg?K) 乘以绝对温度(K) 或者绝对压力(Pa) 乘以体积 = 气体质量 x 气体常数(N?m/(kg?K)) x绝对温度(K) 不同的气体R值不同，空气的R=287N?m/(kg?K) 当气体质量m为常数时： 绝对压力(Pa)x体积的n次方=const（const为常数） 式中，n----多变常数；当变速过程缓慢时，可将其视为等温过程，则n=1；当变速过程较快时，可视为绝热过程，不同的气体n值不同，空气n=1.4。 理想气体的微分方程为： 绝热过程：体积的n次方x 绝对压力的导数 + n x 绝对压力 x 体积的（n-1）次方的导数=0 等温过程难n=1时： 体积x绝对压力的导数+绝对压力x体积的导数=0 即绝对压力的导数除以绝对压力 = ―体积的导数除以体积 空气弹簧的承载能力： F=变化压力x承载面积变化压力=绝对压力-原来的压力 空气弹簧的理论刚度：空气弹簧的刚度是F对空气弹簧变形量（行程）
s的导数，即 k=承载能力对行程求导=初始压力x承载面积对s的导数+初始承载面积Ae0 x 压力对行程的导数 由以上可知，空气弹簧刚度取决于两部分：式中右边第一项为弹簧的几何变化（有效承载面积的变化）；第二项为空气弹簧内部压力的变化，而且刚度随弹簧的变形速度而变化。 注意到 Ae=体积对行程的导数 当振动频率f﹥0.2 Hz时，可取n=K，此时其刚度可认为是动刚度，即 Kd=初始压力x 有效面积对行程的导数+绝对温度x（初始压力+承载压力）x（有效承载面积的平方 除以 体积） 当振动频率f﹤0.2 Hz时，可取n=1，此时的其刚度可认为是静刚度，即 Kd=初始压力x 有效面积对行程的导数+（初始压力+承载压力）x（有效承载面积的平方 除以 体积） 通过对空气弹簧力学公式的分析可知指数n的选取对空气弹簧刚度有重要影响。n值与空气弹簧的变形速度或振动频率有关。振动频率越高，n值越大。对于等温过程，取n=1；对于绝热过程，取n=1.4。对于汽车常遇到的振动频率范围，空气弹簧的气体变化过程介于等温过程与绝热过程之间。准确的n值通过试验确定。若空气弹簧底座有节流孔与气囊相通。
一、 传动轴如图19-5（a ）所示。主动轮A 输入功率kW N A 75.36=，从动轮D C B 、、输出功率分别为kW N kW N N D C B 7.14,11===，轴的转速为n =300r/min 。试画出轴的扭矩图。 解 （1）计算外力偶矩：由于给出功率以kW 为单位，根据（19-1）式： 1170300 75 .3695509550=?==n N M A A (N ·m ) 351300 11 95509550=?===n N M M B C B (N ·m ) 468300 7 .1495509550=?==n N M D D (N ·m ) （2）计算扭矩：由图知，外力偶矩的作用位置将轴分为三段：AD CA BC 、、。现分别在各段中任取一横截面，也就是用截面法，根据平衡条件计算其扭矩。 BC 段：以1n M 表示截面Ⅰ－Ⅰ上的扭矩，并任意地把1n M 的方向假设为图19-5（b ）所示。根据平衡条件0=∑x m 得： 01=+B n M M 3511-=-=B n M M (N ·m ) 结果的负号说明实际扭矩的方向与所设的相反，应为负扭矩。BC 段内各截面上的扭矩不变，均为351N ·m 。所以这一段内扭矩图为一水平线。同理，在CA 段内： M n Ⅱ＋0=+B C M M Ⅱn M = －B C M M -= －702(N ·m ) AD 段：0=D n M M －Ⅲ 468==D n M M Ⅲ(N ·m ) 根据所得数据，即可画出扭矩图[图19－5（e ）]。由扭矩图可知，最大扭矩发生在CA 段内，且702max =n M N ·m 二、 如图19-15所示汽车传动轴AB ，由45号钢无缝钢管制成，该轴的外径 (a ) (c ) C m (d ) (e ) 图19-5 (b )
空气弹簧动力学特性分析 担架支架是伤员运送车辆在行驶途中承载、固定卧姿伤病员 担架的主要设备。担架支架的隔振系统设计在很大程度上决定了 伤病员在运送途中的乘卧舒适性。性能优异的担架支架隔振系统 能有效提高伤员运送车辆的运送能力。空气弹簧是较为合适的可 用于担架支架系统的隔振器,它是利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件。作为隔振元件,空气弹簧具有非线性变刚度特性,通过内压的调整,可以得到不同的承载能力;承受轴向载荷和径向 载荷,可产生相对较好的缓冲隔振效果;还具有结构简单、安装高 度低、更换方便、工作可靠、质量轻、单位质量储能量高等优 点。将空气弹簧增加附加气室能显著降低空气弹簧的刚度及固有 频率。本文对应用于急救车担架支架装置的空气弹簧隔振器的动 态特性进行了理论分析、实验测试、实验建模等方面的研究,为今后进一步研究半主动控制的空气弹簧隔振系统提供了参考依据。 本文首先介绍了空气弹簧的研究与发展现状,对空气弹簧的性能和优缺点进行了比较。并对空气弹簧的动力学特性进行研究,推导了空气弹簧动刚度计算公式,分析了其动力学特性的影响因素, 建立了带附加气室与不带附加气室空气弹簧的力学模型。 其次做了空气弹簧的动力学特性实验,得到如下结论:不带附 加气室时,当初始气压、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加;当激振频率增加时,空气弹簧的动刚度随之减小。空气弹簧的
固有频率几乎保持不变。而带附加气室空气弹簧在节流孔孔径4-7mm范围内,当孔径增大时,空气弹簧动刚度随之减小;当初始气压、激振频率、激振振幅增加时,空气弹簧动刚度随之增加。在高频(8Hz)左右时,振幅、频率的变化对动刚度的改变已不明显。在低频率时,带附加气室能显著降低空气弹簧的动刚度,而在较高频率时,带附加气室会使空气弹簧的动刚度增加。 最后对带附加气室空气弹簧力学模型进行了简化,通过实验数据运用最小二乘法对模型参数进行了识别,并用四个指标对模型拟合精度进行了评价。分析结果表明误差较小,模型能够比较准确的反映出应用空气弹簧隔振器的力学特性。
钢板弹簧EQ153-G-F的自由刚度K=216.7N/mm,夹紧刚度（K）=238.5N/mm（夹紧距108mm）总成弧高150±6mm (2).EQ153H1-F前钢板弹簧自由刚度计算(片厚15,60Si2Mn) 钢板弹簧EQ153H1-F的自由刚度K=369.8N/mm,夹紧刚度（K）=410N/mm（夹紧距108mm）总成弧高140±5mm
钢板弹簧EQ153H-F的自由刚度K=413.9N/mm,夹紧刚度（K）=455.5N/mm（夹紧距108mm）总成弧高145±5mm (4).EQ153K前钢板弹簧自由刚度计算(片厚13，55CrMnA) 钢板弹簧EQ153K的自由刚度K=319.1N/mm,夹紧刚度（K）=356.2N/mm（夹紧距108mm）总成弧高150±3mm
55CrMnA)(与EQ153K有啥区别？) 钢板弹簧EQ153K-F的自由刚度K=319.1N/mm,夹紧刚度（K）=356.2N/mm（夹紧距108mm）总成弧高150±3mm (6).EQ153D后钢板弹簧自由刚度计算(片厚16,60Si2Mn) 钢板弹簧EQ153D的自由刚度K=575.7N/mm,夹紧刚度（K）=690.4N/mm（夹紧距188mm）总成弧高165±6mm
钢板弹簧EQ153H的自由刚度K=574.7N/mm,夹紧刚度（K）=689N/mm（夹紧距188mm）总成弧高165±6mm(仅比EQ153D少块斜铁) (8).EQ153K后钢板弹簧自由刚度计算(片厚18, 55CrMnA,片宽100) 钢板弹簧EQ153K的自由刚度K=820.2N/mm,夹紧刚度（K）=？N/mm（夹紧距？mm） 总成弧高100±8mm
空气悬架的设计要点 一、采用空气悬架的目的――改善汽车使用性能 1．改善平顺性，减小车轮对地面动载 1）影响平顺性的三个主要系统： （1）轮胎 （2）悬架 （3）座椅 2）影响车轮动载的主要因素： （1）轮胎刚度 （2）悬架刚度与阻尼 （3）簧上质量与簧下质量的比值 2．空气悬架应达到较好的平顺性指标，才有被选用的价值（改善平顺性的同时，也减小了车轮动载） 1）在B级路面，以50km/h匀速行驶，后轴上方座椅的垂直振动加速度响应Leg≤113dB（或按ISO2631计算耐疲劳限达到4－5h）。 2）偏频――单自由度系统自然振动固有频率（客车）： （1）板簧：95－105cpm(1.6-1.75Hz)； （2）气簧： ①现阶段80－85cpm(1.3-1.4Hz)； ②高级阶段（路面不平度进一步提高后）65－70cpm(1.1-1.16Hz)。 3）阻尼――理论上的阻尼比为0.33-0.35 （1）按经验公式选择减振器复原阻力时取上限或超上限值； （2）有条件时，采用可调阻尼减振器，目前可供选择的有电磁流变改变粘度及继电器改变阻尼孔尺寸两种。有手控、自控两类，按载荷及按路面不平度输入来调节。 4）抗侧倾能力，应在0.4g侧向加速度条件下,稳态侧倾角Φ≤5－6゜。 3．充分认识并利用空气悬架的优点 1）较理想的弹性特性 （1）空、满载之间有高度控制阀调节气压，具有较好的等频性； （2）振动时，假定没有充放气，弹性特性曲线呈非线性，增大动容量，防止悬架击穿。若反跳行程由减振器或其它机构实施弹性限位，则弹性特性呈反S形的理想特性。
2）可设计成较低的刚度，提高平顺性，不会因为空、满载之间静挠度变化太大，车高超标而受到限制。 3）高度控制阀除了自动调节设计位置的车身高度不变之外，还可用来调节车身抬高或下降（下跪），以提高车身通过性或方便乘客上、下车。 4）几乎消除了全部库伦阻尼，使悬架系统全部由粘性阻尼消振，其效果是： （1）消除高频微幅振动的锁止作用，改善高频域的传递特性，减小高频动刚度。 （2）消除悬架响声。 但是，若减振器阻尼值不可调节，则阻尼比因载荷变化而变化，无法同时满足空载和满载的要求，只能取折衷值。而库伦阻尼恰与载荷成正比变化，所以像载货车这种后轴负荷变化很大的车型，后悬架采用库伦阻尼值大的多片钢板弹簧，对于保持空、满载阻尼比变化较小是有利的。 二、设计、开发空气悬架的六大技术关键 1．空气弹簧（气簧） 1）类型的选择 （1）囊式（葫芦形），有单曲、双曲、三曲――根据振动行程大小和刚度的要求来选择。目前除轨道车辆和设备基础外很少采用。优缺点： ①橡胶囊的应力小，寿命很长。 ②制造工艺简单，零件数量少，成本低。 ③因有效面积变化率很大，所以空气弹簧的刚度较大，满足不了低偏频车型的要求。 （2）膜片式（活塞式），囊体有全橡胶型和金属壳连接橡胶膜片两种，目前采用前者较多。优缺点： ①弹性特性与活塞形状有关，可以根据需要设计不同轮廓线的活塞。 ②因有效面积变化率较小，一般情况下刚度较低，不必增加辅助气室。活塞内腔可根据刚度要求设计成不储气或储气的。 ③金属件数量较多，制造成本高，特别是产量不大成本更高。 2）空气弹簧的布置及空气悬架分类 （1）全空气悬架：系统垂直振动的弹性作用全部由空气弹簧承担。 （2）复合式空气悬架：系统垂直振动的弹性作用75％以上由空气弹簧承担。 （3）辅助式空气悬架：系统垂直振动的弹性作用75％以下由空气弹簧承担。 注：弹性作用的度量似应以折算静挠度为宜，参阅复合式空气悬架的计算公式，参见附件A。 3）刚度计算公式