44螺旋弹簧悬架设计.doc

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44螺旋弹簧悬架设计

4.4螺旋弹簧悬架设计 螺旋弹簧作为弹性元件,由于其结构简单、制造方便及有高的比能容量,因此在现代轻型以下汽车的悬架中应用相当普遍,特别是在轿车中,由于要求良好的乘坐舒适性和悬架导向机构在大摆动量下仍具有保持车轮定位角的能力,因此螺旋弹簧悬架早就取代了钢板弹簧。螺旋弹簧在悬架布置中可在弹簧内部安装减振器、行程限位器或导向柱使结构紧凑。通过采用变节距的或用变直径弹簧钢丝绕制的或两者同时采用的弹簧结构,可以实现变刚度特性。 1.螺旋弹簧的刚度及应力计算 螺旋弹簧在其轴向载荷作用下的变形为 (4-26) 式中——弹簧中径,mm ; ——弹簧钢丝直径,mm; ——弹簧工作圈数; ——弹簧材料的剪切弹性模量,取MPa。 因此弹簧刚度 (4-27) 弹簧在压缩时其工作方式与扭杆类似,都是靠材料的剪切变形吸收能量,弹簧钢丝表面的剪应力为 Mpa (4-28) 式中——弹簧指数(旋绕比),; ——曲度系数,为考虑簧圈曲率对强度影响的系数,。(4-29) 对于前面讨论的直的扭杆,其表面的剪应力呈均匀分布,而螺旋弹簧钢丝表面的剪应力则相对复杂。在静载状态下,这种截面内的应力分布不均匀可以忽略不计,但在承受动载时,由于弹簧内侧应力水平较高并且应力变化幅值也更大,导致螺旋弹簧的失效总是发生在内侧。为了在设计时考虑内侧应力的增大,引入修正系数。 一般情况下,弹簧钢的许用剪应力与许用拉应力成比例关系,通常情况下,可以取=0.63。 2.弹簧端部形状 螺旋弹簧端部可以碾细、并紧,直角切断或向内弯曲,典型结构如图4—15所示。其中(a)为两端碾细,亦即在绕制弹簧之前先将钢丝两端碾细,碾细部分长度在绕后约占240°,末端厚度为钢丝直径的1/3左右,绕成后末端几乎贴紧相邻一圈弹簧。必要时,两端都要磨平。这种结构的优点是节约材料,占用垂向空间小,特别是由于两端都平整,安装时可以任意转动,因而设计时弹簧的圈数可以取任意值,不必限于整数。其缺点是碾细需要专门工序和设备,增加了制造成本。(b)为直角切断型,其中一端并紧形成与弹簧轴线垂直的平面。这种结构的优点在于绕制简单,成本低,其缺点是增大了垂向尺寸和材料消耗,安装时需要一定方向并且需与之相配套的弹簧座,若两端都未整平,则修改设计时,弹簧圈数必须按整数增减。(c)为端部向内弯曲并形成与弹簧轴线垂直的平面,这种结构常用于和弹簧座配合起定位作用,若两端都内弯,则需要专用设备。 图4-15螺旋弹簧的端部结构 表4—1列出了不同端部结构时弹簧总圈数与有效圈数以及弹簧完全并紧时的高度间的关系,其中公式中的系数1.01为考虑螺旋角的补偿系数,为端部碾细时的末端厚度。 表4-1螺旋弹簧不同端部结构时的总圈数及并紧高度 总圈数完全并紧时的高度两端碾细+2两端切断+1.33两端内弯+1.50一端碾细一端切断+1.67一端碾细一端内弯+1.75一端切断一端内弯+1.423.螺旋弹簧的设计计算 螺旋弹簧的设计计算分以下几步: (1)根据总布置要求及悬架的具体结构型式求出需要的弹簧刚度,设计载荷时弹的受力,及弹簧高度,悬架在压缩行程极限位置时弹簧高度。 (2)初步选择弹簧中径D。,端部结构型式及所用的材料。 (3)参考相关标准确定台架试验时伸张及压缩极限位置相对于设计载荷位置的弹簧变形量,,并确定要想达到的寿命 (循环次数)。 (4)初选钢丝直径d,并由相关材料标准查出许用拉应力。 (5)由式(4-27)解出,用表4—1中的相应公式求出。 (6)由,,及可求出弹簧在完全压紧时的载荷,台架试验伸张、压缩极限位置对应的载荷,,以及工作压缩极限位置的载荷分别为 (4-30) (4-31) (4-32) (4-33) (7)按弹簧指数及的表达式(见式(4-29)下的说明)求得,运用式(4—28)求出载荷,,以及所对应的剪切应力,,以及 (计算出的>,但是悬架工作时弹簧实际对应的最大剪应力,对应悬架的极限压缩状态)。 (8)校核是否小于=0.63,若不成立,则返回第(4)步重新选择钢丝直径d;若余量很大,则视第(9)步寿命校核结果决定是否重新选取较小些的直径d。 (9)校核台架试验条件下的寿命。给定试验条件下的循环次数n,可按下式估算: (4-35) 式中 若算出的小于预期的台架寿命,则返回第(4)步重新选择d;若有较大余量,则与第(8)步的结果综合考虑是否选择更小的钢丝直径以节约材料,减小质量。 (10)得到合适的d以后,可以进一步确定弹簧的自由高度和最小工作高度: (4-36) (4-37) 式中——与弹簧指数有关的系数。 弹簧???总圈数可由表8—1中求出。 (11)稳定性校核

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