轿车悬架螺旋弹簧的设计www.jzq5.cn1. 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1C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D0D0 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，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42. 已知参数1) 弹簧刚度 Ks N/mm2) 空载时,弹簧作用负荷 Go N3) 满载时,弹簧作用负荷 Gm N4) 弹簧可能的中径 Do mm5) 满载时,车轮上跳动行程反应到弹簧上的 挠度 fr mm3. 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54. 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65. 计算参数符号k 车轮处的悬架刚度， N/mmks 弹簧刚度 N/mmd 弹簧钢丝直径 mmDo 弹簧中径 mmf1 车轮压缩行程 mmf1s 弹簧压缩行程 mmf2 车轮拉伸行程 mmf2s 弹簧复原行程 mmG 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 mmLw 预加载荷Fw下的弹簧长度 mmLB 弹簧并圈时的长度 mmLn 最小工作长度 mmSu 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 MPa6. 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 0.0510 20 0.0820 28 0.10 28 0.15 1) 根据弹簧中径D0计算=Do/d 和系数 :先初步设定d值，求出后根据图6查得系数。2）查出弹簧所用材料的屈服极限s 和抗拉强度b MPa取弹簧钢的扭转屈服极限约为=0.63 s ,为了能在 充分 利用材料能力的条件下制造出轻量结构,应该选取 强度贮备系数=1.05-1.10 ,则许用扭转应力为:=0.63 s b0/根据钢丝直径d，许用应力上限值的降低曲线(图7)查出 系数b0值.则：汽车悬架弹簧一般采用60Si2MnA弹簧钢丝冷卷而成，其抗拉强度 b=1600-1850 MPa屈服极限 s=1450 MPa取=1.1 按d=11.5mm,查图7得b0=0.98则=0.63 s b0/=0.6314500.98/1.1=812 MPa当曲率影响的系数=1.1时,理想的弹簧扭转剪切应力 ii=/=812/1.1=740 MPa许用应力幅是最大极限强度的函数,并在=1.1 b1=0.99以及=1.1的条件下计算其值:iA=0.24bminb1/()=0.2416000.99(1.11.1)= 314 MPa3）计算作用于弹簧上的力Fs、弹簧压缩行程f1s、 弹簧复原行程f2s和弹簧刚度ks Fs=Gwiy Gw 单轮上的质量（抛去非悬架质量） Niy车轮与弹簧之间的力传动比 f1s=f1/ iX f1车轮压缩行程 f2s=f2/ iX f2 车轮拉伸行程ks=kiXiy k车轮处的悬架刚度 作用于弹簧上的最大力Fsmax=Fs+F1=Fs+ksf1/iX 弹簧在压缩行程时受力值F1=ksf1s=ksf1/iX 弹簧在全行程内的平均承受力FaFa= 0.9ks（f1s+ f2s）/24） 根据以上计算而得的力 Fsmax、 Fa及刚度ks，然后根据这些值计算 比值y1及y2：y1=Fsmax/iy2=Fa/iA 5） 用y值中较大的一个来计算最小钢丝直径dmin将求得的钢丝直径dmin与初步确定的钢丝直径dmin进行比较，如果理想的 图8剪切应力比较小时，则要求重复计算。用开始算得的理想应力与重新算得的理想应力相比的方法，可以很容易地将上面所得到的较 大（或小）的钢丝直径进行修正。确定钢丝平均直径时，应考虑尺寸允许偏差，作下一步 计算将用到平均直径。当钢丝直径小于20mm时，允许偏差 为0.08mm 即:d 0.08mm 6) 计算弹簧工作圈数i0根据旋绕比=Do/d 、Do、d（单位为cm）、fs可求得弹 簧工作圈数i0将工作圈数i0精确到小数点1位即可，同时在弹簧两端 各加上3/4圈，就可得到弹簧总圈数igig= i0+1.5 7) 求对汽车姿态有影响的有关参数: 预加载荷Fw下的弹簧长度 Lw。 Lw下限值取决于最小 工作高度Ln ，即略大于弹簧并圈长度LB 。确定Ln时，应 利用钢丝最大直径dmax=d+0.08(上偏差)。此时需要验算缓冲块 是否完全被压缩至2H/3（H为缓冲块自由高度）；弹簧压 缩后的高度不应小于Ln 。弹簧并圈长度LB= igdmaxLn= LB+Sa Sa 是螺旋间的最小间隙Sa=dmax i0 可根据旋绕比=Do/d 由图9中查得。图98） 弹簧稳定系数：即载荷下的弹簧纵向弯曲度。 =L0/D0稳定系数与弹簧相对变形的关系见图10。在曲线A区域是不稳定 区，在给定的相对变形（L0-LB）/L0条件下，超过允许值时，弹簧将丧失稳定性。图10 如果按值计算出相对变形（L0-LB）/L0的值与图10所查得的值不同 且落入A区，就必需增大弹簧中径Do ，否则弹簧将发生纵向弯曲， 处于不稳定状态。 9）再一次验算以下弹簧参数：a）弹簧刚度 N/mmb）最大应力 N/mc） 应力幅 mm应主意：弹簧刚度的改变导致力Fsmax 或 Fa 的增加或减少，因而 将影响应力值。 10）弹簧图纸上需标明的参数：a）载荷Fw下的弹簧长度 Lw（安装高度）。 安装高度的检查，是在规定的高度条件下，用计量簧载的办法 实现。因而，必须对检验载荷给出偏差，通常将预加载荷Fw作为检 验载荷。对于大量生产的弹簧，预加力Fw的允差Tp 约为 5% Fw。可 计算如下：Tp=0.51.5mm+0.03(L0-LB)ks+0.01Fw将数字圆整后在图纸上标注为:当载荷为Fw Tp时,弹簧高度为Lw当小批量生产弹簧时,公差可放宽到10%Fw.弹簧高度公差Tw= Tp/ks若将Tw乘以传递比 i x即可得到车轮和车身之间测得的弹簧行程变化量f= Tw i x , 它将导致汽车高度减少或增加,从而响应地减小拉伸或压缩行程. 此外,当一侧弹簧是正偏差而另一侧弹簧 出现负偏差时,这种安装会引起左右高低不一致的不良后果.为避免类似现象,可将弹簧分组涂上相应的标记, 应按实际尺寸在公差 带范围内的分布情况进行分组,一般按载荷的变化量分为上、中、下三级。b） 弹簧刚度 ks N/mm弹簧刚度同样有公差，其值推荐为：当工作圈数i04时，公 差为7%Ks，当 i04时，为5%ks 。c） 测量用的弹簧外径 D=D0+d mmd） 弹簧总圈数ig、工作圈数i0、螺旋方向e） 弹簧特性曲线11）弹簧的热处理硬度：通常使用60Si2MnA 制造弹簧。经热处理后 的硬度为HRc42-4812）提高弹簧使用寿命的有效措施:汽车悬架螺旋弹簧使用寿命较其它大多数零部件要低，这是由于以 下因素的影响造成的。因制造过程产生表面遗留的裂痕、摺迭、凹痕、发裂、脱碳等缺陷 造成应力集中，使材料的耐疲劳极限急剧降低引起先期损坏。研究人员通过喷丸处理和塑性压缩等方法，使弹簧表面达到强化目 的，较大幅度地提高弹簧的使用寿命。a）喷丸处理：过去老式喷丸使用的是0.4-2mm的铁丸，喷丸速度 达到60-80米/秒。近代都采用喷钢丸，这些钢丸用0.8mm弹簧钢 丝,在自动机上切成0.8mm的圆柱体，掺入旧钢丸中，经抛丸机以 12米/秒的速度打击弹簧表面，形成硬化效果。圆柱形钢丸经多次 击打后就变成球形了。喷丸处理的冷作强化：工作时，弹簧表面受拉应力之作用而损坏 ，经喷丸处理后的弹簧表面产生一层具有残余压应力的薄壳，钢在 压缩状态下的耐疲劳极限，要比拉伸状态下的耐疲劳极限高出两倍 多。由于喷丸压应力的存在，可以抵消弹簧表面的部分工作拉应力， 同时抹去了弹簧表面的制造缺陷，消除了应力集中，从而大大提高 了疲劳寿命。b）塑性压缩强化：强化性质基本与喷丸处理相似。弹簧经热处理 及喷丸后，进行压缩弹簧令它的工作应力接近疲劳极限，造成弹簧 表面产生残余压应力以达到提高疲劳寿命的目的。这种工艺过程， 有些制造商称为“弹簧立定试验”，也有人称为“沉压试验”。