钢板弹簧设计ppt课件

板簧设计教材(200802)汽车钢板弹簧设计第一节悬架的定义、功能及其组成悬架是现代汽车上的主要总成之一，它能够把车架（车身）与车轴（车轮）弹性的连接起来，其主要任务是传递作用在与车架和车轮之间的一切力和力矩，并且缓和由于路面不平而传给车身的冲击载荷，衰减由于冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的正常行驶。

悬架通常由弹性元件、导向机构及减振装置组成。

弹性元件主要有：钢板弹簧，螺旋弹簧，橡胶弹簧，空气弹簧及油气弹簧等。

在长期的发展过程中，由于钢板弹簧具有结构简单，制造成本较低，占用空间小，维修方便等一系列特点，因此目前在世界各国仍都在大量的采用钢板弹簧。

第二节．钢板弹簧的种类一、按力学性能特点分：分为等刚度、两极刚度复式钢板弹簧、渐变刚度钢板弹簧。

二、按截面形状分：分为等截面板簧和变截面板簧第三节．钢板弹簧的截面形状目前国内钢板弹簧的截面形状有：a矩形截面b单面双槽截面c带凸肋的截面弹簧在设计成不对称形状，目的是把断面的中性轴移近受拉表面，减少弹簧的拉应力。

此种材料也存在缺点（1）槽内容易储存泥沙加剧表面腐蚀。

（2）轧制后在沟槽的对应拉面上，表面质量较差，双槽的比单槽的更严重。

这种表面缺陷成为疲劳起源点。

注：在钢板弹簧的设计过程中应优先选择GB1222-84《弹簧钢》所规定的规格。

第四节．钢板弹簧的主要元件结构一、第一片卷耳形式钢板弹簧的卷耳形式一般有3种结构，上卷耳、下卷耳和平卷耳（柏林耳）。

上卷耳使用的比较多，采用下卷耳主要是为了协调钢板弹簧与转向系的运动，下卷耳在载荷作用下容易张开。

平卷耳可以减少卷耳的应力，因为纵向力作用方向和弹簧主片断面的中心线重合，对于不能增加主片厚度但又要保证主片卷耳强度的弹簧多采用平卷耳。

但是平卷耳制造上比上述两种卷耳复杂，一般轿车多采用平卷耳或下卷耳。

二、第二片包耳汽车在使用条件恶劣的情况下，需要采用加强卷耳的措施。

常见的是将第二片作成包耳形式以保护主片。

轻型车与箱式客车多采用1/4包耳，而大型载货汽车和大型客车多采用3/4包耳或装配式包耳。

精心整理汽车钢板弹簧设计1、 结构优缺点分析，决定设计的结构方案。

2、 确定钢板弹簧材料许应力，根据静挠度f c 用《材料力学》简支梁挠度公式，初步确定钢板截面尺寸、、形状、惯性矩、片数。

3、 根据已知的板簧支点距离，U 型螺栓距离、片数，用作图法求得各片钢板弦长，4、 5、 6、7、 态下弧高计算。

8、 计算钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径R 0.9、 计算各片钢板在自由状态下的曲率半径R i ，直至接近为止。

10、 计算各片钢板弧长（各片钢板在支承点之间的实际长度）。

11、 绘图：在各片钢板处于伸直状态下绘制总成图。

制图符合常规要求外，图上还需要列表注明各片钢板实际长度、曲率半径、总成检验弧高。

12、钢板弹簧总成在极限工况下的长度验算。

13、钢板弹簧卷耳和销轴的验算。

14、卷耳衬套的设计和验算。

I0:根部惯性矩I0=W0:根部断面系数W0=C=*汽车多片钢板弹簧主要设计算计式与参数表对称钢板弹簧不对称钢板弹簧参数许用值刚度C j=48EI0/[(L-S/2)3δ]S：平直段长度C j=3EL2I0[L12(L2-S/4)2+L22(L1-S/4)2]δ弹性模量E=2.058*105N/mm2弹性极限σe=90kg/mm2=882N/mm2屈服极限σs=120-125kg/mm2静挠度F j=p m(L-S/2)3δ/(48EI0)F j=【L12(L2-s/4)2+L22(L1-S/4)2】δp m/(3EL2I0)静应力σ=形状系数δ=【-2η+η2（-lnη）】各片厚度相同时δ=1.5/1.04【1+1/（2η）】静应力：前簧σ=343-441N/mm2后簧σ=441-539N/mm2副簧σ=196-245N/mm2平衡簧σ=343-441N/mm2满载负荷Pm=Cjσm/δ验证负荷Pe=Cjσe/δ预压负荷Ps=Cjσs/δ各片长度L i=(L z/2-L d/2)h3/等厚度时L I=(L z/2-L d/2)/nL z/Ld…作用长/短片长n…小于L z的片数：满载自振频率：N m=300/Fj1/2(次/分，Fj-cm前簧N m=100-110（次/分）(F J=74.5-90mm)后簧N mm=110-125mm（F j=57.5-74.5mm）根部极限应力：σmax=δ(F j+F d)曲率半径弧长计算：1、根据H/L查表..Q值—R=L/Q2、R=L2/(8H)（近似计算）弦长计算：R=[H2+（L/2）2]/（2H）H=R-(R2-L2/4)1/2知各弧高求总等截面板簧的设计要点与思路一、钢板弹簧设计的已知条件1、总成类型：a前簧、后簧、副簧或平衡簧；b等截面簧、变截面簧或复合簧。

精心整理汽车钢板弹簧设计1、 结构优缺点分析，决定设计的结构方案。

2、 确定钢板弹簧材料许应力，根据静挠度f c 用《材料力学》简支梁挠度公式，初步确定钢板截面尺寸、、形状、惯性矩、片数。

3、 根据已知的板簧支点距离，U 型螺栓距离、片数，用作图法求得各片钢板弦长，4、 5、 6、7、 态下弧高计算。

8、 计算钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径R 0.9、 计算各片钢板在自由状态下的曲率半径R i ，直至接近为止。

10、 计算各片钢板弧长（各片钢板在支承点之间的实际长度）。

11、 绘图：在各片钢板处于伸直状态下绘制总成图。

制图符合常规要求外，图上还需要列表注明各片钢板实际长度、曲率半径、总成检验弧高。

12、钢板弹簧总成在极限工况下的长度验算。

13、钢板弹簧卷耳和销轴的验算。

14、卷耳衬套的设计和验算。

I0:根部惯性矩I0=W0:根部断面系数W0=C=*汽车多片钢板弹簧主要设计算计式与参数表对称钢板弹簧不对称钢板弹簧参数许用值刚度C j=48EI0/[(L-S/2)3δ]S：平直段长度C j=3EL2I0[L12(L2-S/4)2+L22(L1-S/4)2]δ弹性模量E=2.058*105N/mm2弹性极限σe=90kg/mm2=882N/mm2屈服极限σs=120-125kg/mm2静挠度F j=p m(L-S/2)3δ/(48EI0)F j=【L12(L2-s/4)2+L22(L1-S/4)2】δp m/(3EL2I0)静应力σ=形状系数δ=【-2η+η2（-lnη）】各片厚度相同时δ=1.5/1.04【1+1/（2η）】静应力：前簧σ=343-441N/mm2后簧σ=441-539N/mm2副簧σ=196-245N/mm2平衡簧σ=343-441N/mm2满载负荷Pm=Cjσm/δ验证负荷Pe=Cjσe/δ预压负荷Ps=Cjσs/δ各片长度L i=(L z/2-L d/2)h3/等厚度时L I=(L z/2-L d/2)/nL z/Ld…作用长/短片长n…小于L z的片数：满载自振频率：N m=300/Fj1/2(次/分，Fj-cm前簧N m=100-110（次/分）(F J=74.5-90mm)后簧N mm=110-125mm（F j=57.5-74.5mm）根部极限应力：σmax=δ(F j+F d)曲率半径弧长计算：1、根据H/L查表..Q值—R=L/Q2、R=L2/(8H)（近似计算）弦长计算：R=[H2+（L/2）2]/（2H）H=R-(R2-L2/4)1/2知各弧高求总等截面板簧的设计要点与思路一、钢板弹簧设计的已知条件1、总成类型：a前簧、后簧、副簧或平衡簧；b等截面簧、变截面簧或复合簧。

4.2 后桥钢板弹簧的设计计算一般载货汽车的后悬架。

由于空、满载时负荷相差很大， 希望采用非线性特性的弹性元件，以获得较好的等频性。

通常采用由主、副簧并联组合的两级刚度复式钢板弹簧，其弹性特性多为一折线。

设计这种弹簧时， 既要考虑满足平顺性的要求，即使悬架从空载到满载的各种载荷的状态下， 固有频率变化尽量小 ，又要考虑到使主、副簧分别满足静强度和疲劳寿命的要求。

4.2.1 按平顺性要求选择主副簧刚度【15】设主、副簧的弹性特性都是线性的,刚度分别为C1、C2副簧与支架开始接触 时 主 簧的静挠度为k f 。

汽车空载时仅主簧工作，这时固有频率为：100300C P N = （4-20）式中 P 0——空载时后悬架负荷。

汽车满载时主副簧都参加工作，这时固有频率为21300C C P N mm += （4—21）式中 P m ——满载时主、副簧总负荷,P m =P 1+P 2（P 1、P 2分别为满载时主、副簧的负荷。

）；当副簧刚刚接触支架时，如果用线性方法来计算悬架的固有频率，其值会产生突变。

复合前、后的频率值N 1、N 2为11300C P N k = （4——22）212300C C P N k+= （4——23）式中k P ——副簧接触支架时的负荷，1C f P k k =。

平顺性方面要求的固有频率变化小包含两方面要求，一是在整个负荷变化范围内频率的变化应最小，二是在副簧接触支架前、后的频率突变不要太大。

而这两方面要求是互相矛盾的，从前者考虑，导出了所谓的比例中项法（亦称两点等频率法），从后者考虑,导出了所谓的平均负荷法（亦称一点等频率法）。

采用比例中项法。

用这种方法确定1C 、2C 及k f 值，可使空、满载时的固有频率差值较小，但副簧接触支架前、后的频率突变较大。

对于运输部门使用的载货汽车，因其半载运输状态较少，采用这种方法计算较合适，并能获得较好的空车平顺性。

112-=λC C （4—24）m k P P P 0=（4—25） 10C P P f m k = （4—26）λ——汽车满空载时板簧负荷比。

汽车钢板弹簧设计第一节悬架的定义、功能及其组成悬架是现代汽车上的主要总成之一，它能够把车架（车身）与车轴（车轮）弹性的连接起来，其主要任务是传递作用在与车架和车轮之间的一切力和力矩，并且缓和由于路面不平而传给车身的冲击载荷，衰减由于冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的正常行驶。

悬架通常由弹性元件、导向机构及减振装置组成。

弹性元件主要有：钢板弹簧，螺旋弹簧，橡胶弹簧，空气弹簧及油气弹簧等。

在长期的发展过程中，由于钢板弹簧具有结构简单，制造成本较低，占用空间小，维修方便等一系列特点，因此目前在世界各国仍都在大量的采用钢板弹簧。

第二节．钢板弹簧的种类一、按力学性能特点分：分为等刚度、两极刚度复式钢板弹簧、渐变刚度钢板弹簧。

二、按截面形状分：分为等截面板簧和变截面板簧第三节．钢板弹簧的截面形状目前国内钢板弹簧的截面形状有：a矩形截面b单面双槽截面c带凸肋的截面弹簧在设计成不对称形状，目的是把断面的中性轴移近受拉表面，减少弹簧的拉应力。

此种材料也存在缺点（1）槽内容易储存泥沙加剧表面腐蚀。

（2）轧制后在沟槽的对应拉面上，表面质量较差，双槽的比单槽的更严重。

这种表面缺陷成为疲劳起源点。

注：在钢板弹簧的设计过程中应优先选择GB1222-84《弹簧钢》所规定的规格。

第四节．钢板弹簧的主要元件结构一、第一片卷耳形式钢板弹簧的卷耳形式一般有3种结构，上卷耳、下卷耳和平卷耳（柏林耳）。

上卷耳使用的比较多，采用下卷耳主要是为了协调钢板弹簧与转向系的运动，下卷耳在载荷作用下容易张开。

平卷耳可以减少卷耳的应力，因为纵向力作用方向和弹簧主片断面的中心线重合，对于不能增加主片厚度但又要保证主片卷耳强度的弹簧多采用平卷耳。

但是平卷耳制造上比上述两种卷耳复杂，一般轿车多采用平卷耳或下卷耳。

二、第二片包耳汽车在使用条件恶劣的情况下，需要采用加强卷耳的措施。

常见的是将第二片作成包耳形式以保护主片。

轻型车与箱式客车多采用1/4包耳，而大型载货汽车和大型客车多采用3/4包耳或装配式包耳。

4.2 后桥钢板弹簧的设计计算一般载货汽车的后悬架。

由于空、满载时负荷相差很大， 希望采用非线性特性的弹性元件，以获得较好的等频性。

通常采用由主、副簧并联组合的两级刚度复式钢板弹簧，其弹性特性多为一折线。

设计这种弹簧时， 既要考虑满足平顺性的要求，即使悬架从空载到满载的各种载荷的状态下， 固有频率变化尽量小 ，又要考虑到使主、副簧分别满足静强度和疲劳寿命的要求。

4.2.1 按平顺性要求选择主副簧刚度【15】设主、副簧的弹性特性都是线性的,刚度分别为C1、C2副簧与支架开始接触 时 主 簧的静挠度为k f 。

汽车空载时仅主簧工作，这时固有频率为：10300C P N =（4-20）式中 P 0——空载时后悬架负荷。

汽车满载时主副簧都参加工作，这时固有频率为21300C C P N m m +=（4—21）式中 P m ——满载时主、副簧总负荷,P m =P 1+P 2（P 1、P 2分别为满载时主、副簧的负荷。

）；当副簧刚刚接触支架时，如果用线性方法来计算悬架的固有频率，其值会产生突变。

复合前、后的频率值N 1、N 2为11300C P N k=（4——22）212300C C P N k +=（4——23）式中k P ——副簧接触支架时的负荷，1C f P k k =。

平顺性方面要求的固有频率变化小包含两方面要求，一是在整个负荷变化范围内频率的变化应最小，二是在副簧接触支架前、后的频率突变不要太大。

而这两方面要求是互相矛盾的，从前者考虑，导出了所谓的比例中项法（亦称两点等频率法），从后者考虑,导出了所谓的平均负荷法（亦称一点等频率法）。

采用比例中项法。

用这种方法确定1C 、2C 及k f 值，可使空、满载时的固有频率差值较小，但副簧接触支架前、后的频率突变较大。

对于运输部门使用的载货汽车，因其半载运输状态较少，采用这种方法计算较合适，并能获得较好的空车平顺性。

112-=λC C （4—24）m k P P P 0=（4—25）10C P P f m k =（4—26）λ——汽车满空载时板簧负荷比。

汽车钢板弹簧的设计一、汽车钢板弹簧的基本特性钢板弹簧的主要功能是作为汽车悬架系统的弹性元件，此外多片弹簧的片间摩擦又起作系统的阻尼作用，多数钢板弹簧通过卷耳和支座兼有导向作用。

但就其基本的受力情况及结构特点，钢板弹簧具有以下两个基本特征：1、无论钢板弹簧以什么形式装在汽车上，它都是以梁的方式在工作，也就是说它的主要受力方向垂直于钢板弹簧长度。

同时，由于受变形相对其长度很小，因此可以利用材料力学中有关小挠度梁的理论，即线性原理来进行分析计算。

2、钢板弹簧装在汽车上所承受的弯矩，基本上是单向载荷，因而其弯曲应力也是单向应力。

二、等应力梁的概念椭圆形半椭圆形四分之一椭圆形除早期的汽车采用过椭圆形钢板弹簧，近代汽车绝大多数采用半椭圆形钢板弹簧，只有极少数采用四分之一椭圆形钢板弹簧。

无论何种形式的钢板弹簧，就其总成而言，都是根部支承，端部承爱集中载荷，它都是以梁的方式在工作。

众所周知，理想的梁应该是一根等应力梁，这样才能获得材料的最佳利用。

对于钢板弹簧而言，无论单片或多片，设计者应该努力将它设计成等应力梁或近似于等应力梁。

就单片梁而言，当只有单片承爱集中载荷时，有两种轮廓可以满足等应力梁的要求。

对于等厚度者，宽度应成三角形，对于等宽度者，厚度为抛物线形状。

当然，从理论上讲，只要截面系数沿片长方向与弯矩成比例变化，都可以成为等应力梁。

然而汽车上几乎没有采用同时变厚又变宽的弹簧。

上述轮廓线只是对弯曲应力而言，实际上钢板弹簧端部受剪切强度的要求以及卷耳的存在，第一种轮廓只能是在三角形端部加上等宽的矩形或整个宽度成为梯形，而第二种轮廓只能是抛物线端部接上一段等厚度的矩形或厚度按梯形变化的梁。

为了简化轧制工艺，对于等宽度者，可用梯形代替抛物线。

此外，根部也设计成为平直的，便于与支承座贴合，也就是说，或者由梯形和根部、端部为矩形的三段直线构成。

所以，在实际应用上，只能把弹簧设计成为近似的等应力梁。

由于结构上的原因，没有人在汽车上采用等厚度变宽度的单片钢板弹簧，但等宽度变厚度的单片钢板弹簧早就得到实际的应用。

4.2钢板弹簧设计4.2.1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，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。

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位置不动，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。

4.2.2钢板弹簧主要参数的确定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1G 、2G 和簧下部分荷重1u G 、2u G ，并据此计算出单个钢板弹簧的载荷：2/)(111u W G G F -=和2/)(222u W G G F -=，悬架的静挠度c f 和动挠度d f ，汽车的轴距等。

1.满载弧高a f满载弧高a f 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)连线间的最大高度差(图4—3)。

a f 用来保证汽车具有给定的高度。

当a f ＝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a f ＝10～20mm 。

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，提高使用寿命；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，又能明显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。