结构·设计 悬架设计（下） 长春汽车研究所 四、其它型式弹性元件悬架的设计 汽车悬架除采用钢板弹簧之外，还可以采用其它型式的弹性元件（如螺旋弹簧、扭杆弹 簧、空气弹簧和油气弹簧等)。用这些弹性元件制的悬架，由于元件只能承受垂直力，因此需 要加装导向机构来承受除垂直力以外的力和力矩。 这些悬架，除油气弹簧本身又起液力减震器的作用外，其它弹性元件均无阻尼作用，因 此需要加装适当阻力的减震器。 (一)弹性元件的设计与计算 1,螺旋弹簧的设计与计算 设计螺旋弹簧时，与设计钢板弹簧一样，其基本参数也应由总布置给定，之后才能进行 螺旋弹簧各参数的计算。为计算方便，将所有计算代号列入表8。 表8 参数名称 代号单 位参数名称 代号单位 弹簧丝直径 d 毫米 弹簧间距 毫米 弹簧中径 D 毫米 弹簧最大负荷下的间距 61 毫米 弹簧外径 D外 凳米 弹簧静变形 f静 念米 弹簧内径 D内 毫米 弹簧动变形 f动 完米 弹簧静载荷 P静 公斤 弹簧工作圈数 弹簧动戟荷 P动 公斤 弹簧总圈数 台 弹簧静应力 T静 }公斤/毫米2 弹簧螺旋角 弹簧动应力 动 公斤/毫米2 曲度系数 弹簧静变形时的长度 毫米 弹簧指数 c 弹簧动变形时的长度 1动 毫米 弹簧刚度 公斤/毫米 弹簧自出长度 1自 凳米 弹簧材料比重 i 公斤/毫米3 弹簧并紧时的长度 1最小 密米 弹重量 公厅 弹簧展开长度 凳米 剪切弹性模数 G 公斤/毫米2 弹篮节距 t 毫米 材料的允许应力 〔r〕 【公斤/毫米2 （1)弹簧主要参数的确定 计算弹簧主要参数之前，应根据作用在车轮上的静载荷P悬静，求出弹簧的静载荷P静；根 据悬架的静变形悬静，求出弹簧的静变形静，之后，便可以计算弹簧的主要参数了。螺旋弹 簧的基本计算公式有两个： -1一 00 China Aeademic Joumal Publishing House.All rights reserved.hup://ww.nk
结构 · 设计 悬 架 设 计 下 长 春 汽 车 研 究 所 四 、 其 它型式弹性元件悬 架 的设 计 汽 车悬架 除采用钢板 弹簧之外 , 还可 以采用其它 型式 的弹性元 件 如 螺旋 弹簧 、 扭杆弹 簧 、 空气 弹簧和 油气 弹簧等 。 用这些 弹性元件 制的悬架 , 由于元件只 能承 受垂直 力 , 因此需 要加装导 向机构来承 受除垂直 力以外 的力和 力矩 。 这些 悬架 , 除油气 弹簧本 身又起液 力减震器 的作用 外 , 其它弹性元件均无 阻尼作用 , 因 此需要加 装适 当阻力的减 震器 。 一 弹性 元件的 设计 与计 算 螺旋 弹 簧的设计 与计算 设计螺旋 弹簧时 , 与设计钢板 弹簧一样 , 其基本参 数也应 由总 布置 给定 , 之后才能进行 螺旋 弹簧各参数的计算 。 为计算方便 , 将所 有计算代 号 列人 表 。 表 一 计算弹簧 弹 主 簧主 要参 要参 数 数 之前 的确 , 应 定 根据作用 在车轮 分 上 的静 载荷 . 悬静 , 求 出 一 弹簧的静载荷 静 根 据 悬架 的静变形 悬 静 , 求 出弹簧的静变形 静 , 之后 , 便 可以计算弹簧的主 要参 数了 。 螺旋弹 簧的基本计算公式有两个
应力公式w=K8部-K89 (64) 变形公式0=82P,82 (65 将上式改写，得： d=/9 (66) acap (67) 式中C=,一般取值为4~7。 用式(66)和(67)求得弹簧丝直径及工作圈数以后，应进行圆整，但还不能最后确 定，还要看结构布置的情况是否允许，如初步计算结果在结构布置上有问题，就要进行适当 的调整，直到合适时为止。当最后确定了弹簧丝直径及工作图数后，就可以求出螺旋弹簧的 全部参数。 i总=i+(1.5~2.5) 式中1.5~2.5为支承图（死圈）数。 小=di 1动=(d+8:)i总 1鹊=(d+δ)i总 1自=1静+f静=1静+「动+的 t=l是~di总 1 L=2Die cosa Q-L (2)材料与许用应力 为了使弹簧可靠地工作，制造螺旋弹簧的材料必须具有较高的弹性极限和疲劳强度，同 时应具备足够的韧性和塑性。汽车悬架螺旋弹簧常用的材料有：60SiMnA,7 MnMoVNb、 50CrVA,60Si2CrVA,其中57 MnMo VNb是我国发展的新钢种。上述几种常用材料的机械 性能见表9。 常用弹簧材料的机械性能 表9 热处理 机 械 性 能 得度回得度 冷却剂屈服强度抗拉强度「延伸率丁收缩事 (公斤/米2)（公斤/毫米2）(% () 60SiMnA 800 460 油1140 160 5 20 57MnMoVNb 880900 430 145 160 8,5 50CrVA 850 620 油 110 130 10 45 60SiCrVA 850 410 170 190 5 20 一2 194-2009 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
应 力公 式 静 二 静 ‘ 下到, 一 、 一 飞 一 一 互、 二二 万下一 兀 , 几 变 形 公式 静 二 静 静 将上式 改写 , 得 丫作鸽旦 静 静 。 , 。 、 、, , , 双 甲 七 “ 一了一 , 一取 肚 且刀 一 ‘ 。 用式 和 求得 弹簧丝直 径及 工作 圈数以后 , 应进行 圆整 , 但还不 能 最 后 确 定 , 还要 看结构 布置 的情况是 否允许 , 如 初步计算结果在结构 布置上 有问题 , 就要进行适 当 的调整 , 直 到合适时 为止 。 当最后 确定 了 弹簧丝直径及工作 圈数后 , 就可 以求 出螺 旋弹簧的 全 部参 数 。 总 二 一 式 中 为支承 圈 死 圈 数 。 最小 二 · 总 动 十 乙 总 静 占 总 怕 静 十 静 静 十 动 挣 一 二鳖二 当鱼 兀 草 二 — 一‘ 二 ‘ 且 材料 与许 用应力 — 为 了使 弹簧可靠地工作 , 制造螺旋 弹簧的材料必须 具 有较高的弹性极限和 疲劳强度 , 同 时应具备足 够 的韧性和 塑性 。 汽车 悬架 螺旋 弹簧常用 的材料 有 、 、 、 , 其中 是我 国发展 的新钢种 。 上 述 几种常用 材料 的机械 性能见表 。 常 用弹簧材料 的机械性能 表 二 卜众才俞一 潺.菊蒸扩护零 一币孟甲 丽一丁几刃 一 油 。 . 。 . 。 “ 卜 。 ‘ 。 油 . “ . ‘“ . · 】 。 油 “ 。 . ‘ 。 . ‘ ‘ “ ‘ “ 】 ‘ 油 . ‘ . ‘ . ”
螺旋弹簧因受刷烈的交变载荷作用而发生疲劳破坏。若直接进行疲劳强度计算，须建立 在大量的试验工作的基础上，但到目前为止，还没有这种全面系统的工作，所以玻劳强度计 算还有一定的困难。故只计算弹簧的静强度，在选取〔静〕时，考虑拔劳的影响即可。一般 推荐〔r静】=1200~1300V骑。 （3)绘制工作图 绘制螺旋弹簧工作图（图44），应按机械工业通用指导性技术文件(J265一60)规定的典 型工作图进行，其技术要求可参考气门弹簧的技术要求（汽24一63）或参照有关汽车悬架螺 旋弹簧图纸。 技术要求 1.弹簧材 2.展开长度L(毫米)： 4工作图数i(圈) 5,总西数i总（图）包括公差 6,热处 7.表面处理 图44弹簧工作图 8,造，试脸和验收的技术条件。 2.扭杆弹簧的设计与计算 扭杆弹簧按其断面形状可分为：圆形、管形、片状和组合式等几种。下面对几种断面形 状的扭杆弹簧加以分析、比较： 圆形扭杆制造简单、应用很广，管形扭杆材料利用较合理，由圆形和管形组成的组合扭 杆，可以大大缩短弹性元件的长度，有利于结构布置，由儿片固定在四方孔套筒内的扁钢组 成的片状扭杆，亦可大大减短弹簧的长度。在断面面积和最大剪应力相同时，组合扭杆的扭 角比圆形或管形的大得多，在保持悬架有必要的变形值时，组合扭杆较短，有利于布置；从 重量方面比较，也比片状扭杆轻，但组合扭杆的制造工艺较复杂。 扭杆弹簧计算所用的代号列入表10。 表10 参数名称代号 位 数名称代号单位 作用于杠杆管端的力 公斤 片状扭杆矩形断面长边 b 毫米 臂端的线刚度 C 公厅/毫米 受力P时，杠杆柠与水平线夹舟 臂端的变形 米 无负付时，杠杆与水平线夹角 杠杆臂长度 毫米 扭转应力 公斤/毫米2 扭冠 M 公斤毫米 剪切弹性恢数 G !公斤/毫米2 扭特刚度 C年 公斤毫米/红度片状扭杆的应力系数 02 知 弧度 片状扭杆的刚度系数 13 扭杆有效长度 亮兴 较荷系数 粗杆直径 d 毫米 比例系数 9 片伏扭杆矩形断面短边 毫米 静变形系数 C3 -3一 194-2009 China Academic Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
螺旋弹簧因受剧烈 的交 变载荷作用而发生疲劳破 坏 。 若直接 进行 疲劳强度计算 , 须建立 在大量 的试验 工作的基础上 , 但到 目前 为止 , 还没有这种全面 系统 的工作 , 所 以疲劳强度计 算还 有一定的 困难 。 故 只 计算 弹簧的静强度 , 在选 取 〔静 〕时 , 考虑疲劳 的影响 即可 。 一般 推荐 〔静 〕二 一 侧曝 。 绘 制工作 图 绘 制螺旋 弹簧工作 图 图 , 应按机械 工业通 用 指导性技术 文件 一 规定 的典 型 工作 图进行 , 其技术 要求 可参 考气 门 弹簧 的技 术要 求 汽 一 或参照 有关汽车 悬架螺 , 八 八 击 — 八 八 产 一八钾 ’ 酉 一 八叭 ‘ 叭 曰 如认 ’ 旋 弹簧 图纸 技术要求 弹簧材料 展开长度 毫米 图 弹簧工作图 旋间 工作圈 数 圈 总圈数 总 圈 包括公差 热处 理 表而处理 制造 、 试验和 验收 的技术条件 。 扭 杆 弹簧 的设 计 与计算 扭杆弹簧按其断面形 状可 分为 圆形 、 管形 、 片状和组合式 等 几种 。 下 面对 几种断 面形 状 的扭杆 弹簧加 以分析 、 比较 圆形扭杆制造 简单 、 应 用 很广 管形 扭杆材料 利用 较合理 由圆形和管形组成 的组合扭 杆 , 可 以大 大缩短弹性元件 的长度 , 有利 于结构 布置 由儿 片 固定在四 方孔 套筒 内的扁钢组 成 的片状 扭杆 , 亦可 大大减短 弹簧的长度 。 在断面面积和最大剪应 力相 同时 , 组合 扭杆的扭 角比 圆形或 管形 的大得 多 , 在保 持悬架有必要 的变形值时 , 组合 扭杆较短 , 有利 于布置 从 重量方面 比较 , 也 比 片状 扭杆轻 , 但 组合 扭杆 的制 造工艺较复杂 。 扭杆 弹簧计 算所 用 的代号列入表 。 表 代号 单 位 . 遥多 数 “ 称 代 一 号 曰 月工 作用 于杠杆臂端的 力 臂端的线 刚度 臂端的 变形 杠杆臂长度 扭矩 扭转 刚度 扭 角 扭杆有效长 度 扭杆直径 片状扭杆矩形 断 面短边 公斤 公斤 毫米 毫米 毫米 公斤 毫米 公斤毫米 弧度 弧度 毫米 毫米 毫米 片状扭杆矩形断面长边 受 力 时 , 杠杆臂与水平线夹角 无 负荷时 , 杠杆臂与水平线夹角 扭转应 力 剪 切 弹性模数 片状扭杆的应 力系数 片状 扭杆的 刚度系数 载荷系 数 比例系 数 静变形系 数 . 毫米 下 弧度 弧度 公斤 毫米 公斤 毫米 伽甲
（1)扭杆的设计计算 各种断面扭杆设计计算公式见表11。 表11 形 计 算 公 式 扭 应 为 -2是-20 -8 甲-G器4两=站 32ML =8M=9 =6“ nG 式中 :、门3的数值可从图45的曲线中查得 扭杆弹簧受力情况见图46，从图中可以得出： M=PR cosa P-RMia9段.gC M (68) K=R-Colt8)t@2.g器C (69) f=R=Rcosa一=RC3 (70) a+日+tga 图45 图6扭杆弹簧受力图 4 94-009 China Academie Joual Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
扭杆的设计计算 各 种断 面 扭杆设计计算公式 见表 。 表 算 公 式 断 面 形 状 计 扭 角 应 力 咖 一 嘴 ︸ , 少 一红止 甲 下 兀 二二二 甲 、藉翼耸丙 丫 。 甲 二 一 ‘ 命 印 月 一 月 月 二 二 月 一 月 印 刀 式 中 月 、 月 的数 值可从 图 的 曲线 中查得 。 扭杆 弹簧受 力情况 见图 , 从 图 中可以得 出 二 人左 印 助 卫生 , 尺 二 甲 〔 日 〕 卫坠 尺 一 ‘ 一土 一 一 一一 一 厂一 一门 一 「—了 , 厂一二二二二 浏尸沪一 一 尸 户 一 , 一 一 沪 尸 川州厂 刁戒 二 灭呈 日冈 曰 阴 一 四 口 图 图 扭杆弹簧受力图
上述公式中的C1,C、C3数值可分别由图 47、48、49中查得。 当确定了悬架设计参数（静载背P、静变 形静、杠杆臂端的线刚度C、杠杆的初始位置、 杠杆长度)后，可按下述程序进行计算： ①根据公式f=RCa,求出C3: ②按5与C3曲线（图19），查得， ③按是与曲线（图48），查得C2) ④根据公式K=C器C,求出Ce, ⑥，根据杠杆初始位置与静变形值，求出a, 近而根据单a+B,求出p @根据M=Ce(a+),求出M: ⑦当选用材料的许用应力确定后，根据， 【=,求出d,并进行圆整： 色根据。-船衣L 图？与C的关系曲线 图48R与C2的关系曲器 4)与C3的关系曲2 0China Acdemie Jouma Elecro Pbisn House.ll righs resevedp
上述 公式 中的 , 、 、 数值可分别 由图 了 、 魂 、 中查得 。 当确定 了悬架设计参 数 静载荷 静 、 静变 形 静 、 杠 杆臂端 的线刚度 、 杠杆 的初始位置 、 杠 杆长度 后 , 可 按下述程 序进行计算 ① 根 据公式 , 求 出 按 青 与 曲线 ‘图 , , 查得 日, 按 真 与日曲线 图‘ , , 查得 , 根据 公式 一 争 , 求 出 、 ②③④ ⑤ 根据杠杆初始位 置与静变形 值 , 求 出 ’ 进而根据 甲 十 日 , 求 出叨 ⑥ 根据 二 甲 印 , 求 出 ⑦ 当选 用材料 的许 用应 力确定后 , 根据 , 究 , 求 出 , 井进 行 圆整 ‘ 哪 ’ 一. 门 乃洲 , 、 乃 盯 一 刀 厂 ’ ‘ 召 ‘叨 犷 犷 刀 , ’ 阵 刀平 脚 派 介 厂 厂叨 一 尸沪脚尹 建母户找 公绮 , 丘 、 抓 一丁 飞 万 几 月匹 , 、 产 、 扩 二 一 成 、 洲 冷井 ‘ 分尸 哈厂 ’ 价石 不 , 几 、 、 ’ , 达于守 ’“ 、 啊 图 与 的 关系曲线 ⑧根据 甲 蕊刁压己 , 求 出 。 轰 丁竹尸 ’ ’ 一 乒 。 口 卿刃 巴 纷 , 毛分 八、 ‘ 乌义 . ’ 一 赫价 叭 甲 同 ‘ 扎 笋卜 、 一 价一试又葬创叮 叹 冲 · 时 之拿扩 一 一 。 “ 汉” 才花平一 叉 一 洲 乡 一 株 小刚监一 一 月 子二 尸 一 一 一 一 一 狱 丫 父执 最小护纽度 晰长 材鼓大静挠度 丫 、 口二 仁 才 一 介哩 井洪 介 , — 达 、 交 一尹 六协 , 少 引月卜瓶之准兔 一 孔石爪 .丁入于 一 门 , 睽 临口 一 〕一 火 火 、匕 巨 厂 一 从 、 厂厂 丁球不 火 卜 ’ 今 图魂 牛 与 的关系曲线 找 图 升 与 、 关系 曲乡‘