姜永晴，肖冰，趙萍

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710000）

關(guān)鍵字：汽車(chē)鋼板彈簧；參數(shù)匹配；強(qiáng)度；剛度

前言

汽車(chē)鋼板彈簧是汽車(chē)懸掛系統(tǒng)中重要的彈性元件，起著連接車(chē)輪和車(chē)架的作用，主要用來(lái)傳遞車(chē)輪與車(chē)架之間的力和力矩，緩和由路面不平引起的沖擊載荷和振動(dòng)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修保養(yǎng)方便，制造成本低，而在商用車(chē)中得到了廣泛使用…。對(duì)于鋼板彈簧在轉(zhuǎn)向懸架中的應(yīng)用，應(yīng)使其獲得最佳的平順性和良好的操縱穩(wěn)定性，因此必須保證鋼板彈簧轉(zhuǎn)向懸架具有良好的參數(shù)匹配特性和全面的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性校核。

1 鋼板彈簧設(shè)計(jì)之初參數(shù)確定

1.1 鋼板彈簧的載荷

通常在一個(gè)新車(chē)型設(shè)計(jì)之初，先對(duì)其市場(chǎng)定位、用途、行駛工況等具體目標(biāo)對(duì)車(chē)輛各大總成進(jìn)行對(duì)標(biāo)匹配，各大總成的質(zhì)量可以從總成廠家得到，結(jié)構(gòu)件可以從三維模型總算出，同時(shí)根據(jù)整車(chē)的總布置估計(jì)附加重量，估算出整車(chē)的整體質(zhì)量，然后再按照總布置給出的整車(chē)車(chē)軸的布置位置對(duì)軸荷進(jìn)行初始估算。一般將前、后軸，車(chē)輪、制動(dòng)鼓及轉(zhuǎn)向節(jié)等總成視為非簧載質(zhì)量。估算出的滿載質(zhì)量減去估算出的非簧載質(zhì)量得到簧載質(zhì)量，再分配到各車(chē)軸上得到單個(gè)鋼板彈簧的載荷。

1.2 鋼板彈簧的伸直長(zhǎng)度

鋼板彈簧的長(zhǎng)度受很多方面的影響，從鋼板彈簧的工作應(yīng)力、剛度、縱向角剛度和因扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的應(yīng)力等方面來(lái)講，都要求鋼板彈簧盡可能長(zhǎng)一些。還有一個(gè)影響因素就是鋼板彈簧在車(chē)輛上的布置位置，所以總的來(lái)講，在滿足車(chē)身布置位置的情況下，鋼板彈簧能越長(zhǎng)越好。

根據(jù)整車(chē)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推薦在下列范圍內(nèi)選用鋼板彈簧的長(zhǎng)度：貨車(chē)前懸架，L=（0.26～0.35）軸距，后懸架L=（0.50～0.45）軸距。

1.3 前、后懸架靜撓度的選擇

汽車(chē)前、后懸架與其簧上質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，是影響汽車(chē)行駛平順性的主要參數(shù)之一，汽車(chē)前、后部分車(chē)身的固有頻率n1和n2（亦稱(chēng)偏頻）與前、后懸架靜撓度的關(guān)系是：

懸架的靜撓度f(wàn)c直接影響車(chē)身振動(dòng)的偏頻n，因此，欲保證汽車(chē)有良好的行駛平順性，必須正確選擇懸架的靜撓度。對(duì)于貨車(chē)而言，考慮到前、后軸荷的差別和駕駛員的乘坐舒適性，取前懸架的靜撓度大于后懸架的靜撓度，推薦。

1.4 前后懸架動(dòng)撓度的選擇

要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。因此，在車(chē)輛鋼板彈簧布置空間允許的范圍內(nèi)，動(dòng)撓度越大越好。

對(duì)于貨車(chē)而言，fd取6～9cm。

1.5 滿載弧高fc

滿載弧高fc用來(lái)保證汽車(chē)具有給定的高度。一般希望它等于零，可使彈簧滿載時(shí)在對(duì)稱(chēng)位置工作，但考慮到試用期間鋼板彈簧塑性變形的影響和為了在車(chē)架高度已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值，常取fc=10～20mm。

2 鋼板彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇與計(jì)算

2.1 鋼板斷面寬度b的確定

有關(guān)鋼板彈簧的剛度、強(qiáng)度等，可按等截面簡(jiǎn)支梁的公式計(jì)算，但需引入撓度增大系數(shù)δ加以修正。因此，可根據(jù)修正后的簡(jiǎn)支梁公式計(jì)算鋼板彈簧所需要的總慣性矩J0，對(duì)于對(duì)稱(chēng)鋼板彈簧：

鋼板彈簧總截面系數(shù)W0用下式計(jì)算：

鋼板彈簧的平均厚度：

有了hp以后，再選鋼板彈簧的片寬b。推薦片寬與平均片厚的比值不b/hp在6～10范圍內(nèi)選取。

2.2 鋼板彈簧片厚h的選擇

式中，n為鋼板彈簧的片數(shù)，且多片鋼板彈簧一般片數(shù)在6～14片之間選取。

以上各步驟計(jì)算完成以后，根據(jù)鋼板彈簧片數(shù)的多少，選取2～3種不同的厚度，然后根據(jù)圖解法，計(jì)算出鋼板彈簧各片的長(zhǎng)度。

3 懸架性能設(shè)計(jì)

3.1 懸架的剛度驗(yàn)算

在此之前，有關(guān)撓度增大系數(shù)δ、慣性矩J0、片長(zhǎng)等的確定都不夠準(zhǔn)確，所以有必要驗(yàn)算剛度。剛度的驗(yàn)算公式為：

其中

式中，α為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，α=0.90～0.94；E為材料彈性模量；11、1k+1為主片和第k+1片的一半長(zhǎng)度。

上式中主片的一半11，如果用中心螺栓到卷耳中心間的距離代入，求得的剛度值為鋼板彈簧總成的自由剛度cj；如果用有效長(zhǎng)度，即1′1=(11-0.51ks)，求得的剛度值是鋼板彈簧總成的加緊剛度cZ。

3.2 懸架的強(qiáng)度驗(yàn)算

3.2.1 緊急制動(dòng)時(shí)

前鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的后半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力為：

式中，G1是作用在前輪上的垂直靜載荷；m′1是制動(dòng)時(shí)前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車(chē)在1.40～1.60之間取值；11、12分別是鋼板彈簧前、后段的長(zhǎng)度；φ是道路附著系數(shù)，取0.8；W0是鋼板彈簧總截面系數(shù)；c是彈簧固定點(diǎn)到路面的距離。

3.2.2 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)

后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)的最大應(yīng)力為：

式中，G2為作用在后輪上的垂直靜載荷；m′2為制動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車(chē)在1.10～1.20之間取值；φ為道路附著系數(shù)，取0.8；b為鋼板彈簧片寬；h1為鋼板彈簧竹片厚度。

3.2.3 鋼板彈簧卷耳與彈簧銷(xiāo)的強(qiáng)度核算

卷耳處所受應(yīng)力σ是由彎曲應(yīng)力和拉（壓）應(yīng)力合成的應(yīng)力，即

式中，F(xiàn)X為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；D為卷耳內(nèi)徑；b為鋼板彈簧寬度；h1為主片厚度。許用應(yīng)力[σ]取為350MPa。

對(duì)鋼板彈簧銷(xiāo)，要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷時(shí)它受到的擠壓應(yīng)力 σZ=Fs/(bd)。其中，F(xiàn)s為滿載靜止時(shí)鋼板彈簧端部的載荷；b為卷耳處葉片寬；d為鋼板彈簧銷(xiāo)直徑。

3.3 懸架的彈性特性

懸架的彈性特性是指懸架受到的垂直外力F與懸架的變形之間的關(guān)系曲線，其切線的斜率就是懸架的剛度，該曲線表征的也就是懸架剛度的變化。當(dāng)該曲線為一天直線時(shí)，稱(chēng)該彈性特性為線性彈性特性，此時(shí)懸架剛度為常數(shù)。當(dāng)該曲線為一條彎曲的線時(shí)，則懸架的剛度是變化的。

懸架變化的剛度，可以使車(chē)輛在有限的動(dòng)撓度內(nèi)獲得比線性懸架更多的動(dòng)容量。使車(chē)輛在不同的載重情況下，懸架提供不同的剛度來(lái)緩沖路面為車(chē)輛帶來(lái)的沖擊。

按照汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)師可以為車(chē)輛懸架選擇不同剛度的主、副簧進(jìn)行剛度匹配，從而達(dá)到滿足汽車(chē)設(shè)計(jì)要求的懸架彈性特性曲線。

3.4 后懸架主、副簧剛度的分配

關(guān)于汽車(chē)的平順性，要求懸架剛度要小，減震速度要快，小概率碰撞懸架限位塊以及車(chē)廂側(cè)傾既要能讓駕駛員感知路面狀況，又要不能側(cè)傾過(guò)于嚴(yán)重，使駕駛員及乘客失去乘坐安全感。原則上，要求車(chē)身從空載到滿載時(shí)振動(dòng)頻率要小，以保證汽車(chē)有良好的平順性，還要求副簧參加工作前、后的懸架振動(dòng)頻率變化不大。

本文的研究對(duì)象是載貨汽車(chē)，其使用工況主要是滿載工況，所以使用比例中項(xiàng)法對(duì)后懸架主、副簧的剛度進(jìn)行分配。

1）副簧開(kāi)始起作用時(shí)的懸架撓度f(wàn)a等于汽車(chē)空載時(shí)懸架的撓度F0，即Fa=F0；

2）副簧開(kāi)始起作用前一瞬間的撓度 fk等于滿載時(shí)懸架的撓度f(wàn)c，即fk=Fc。

ca為副簧剛度，cm為主簧剛度。

4 結(jié)論

汽車(chē)轉(zhuǎn)向懸架的設(shè)計(jì)有不少制約因素，要設(shè)計(jì)出一款合理匹配的鋼板彈簧懸架，必須從布置尺寸、參設(shè)設(shè)定、強(qiáng)度與剛度校核等方面設(shè)計(jì)完成后，再進(jìn)行車(chē)輛平順性及轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的分析，包括車(chē)輛前、后懸架的剛度分配和左、右輪懸架側(cè)傾角剛度的分配，保證車(chē)輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)響應(yīng)趨向于轉(zhuǎn)向不足，提高車(chē)輛的行車(chē)安全性能。