汽车悬架构件设计计算，钢板弹簧悬架发展与形式

时间：2023-10-13 理论教育 版权反馈

【摘要】：前面已经谈过，纵置对称式的普通钢板弹簧悬架是结构简单、成本低、维修方便、寿命较长的悬架。悬架形式的发展钢板弹簧悬架除纵置板簧外，还有横置板簧，如图1-24所示。单片弹簧的摩擦功为零，此时tanα=tanα0。由于弹簧受压缩力时，在大负荷下悬架频率剧增。

1.普通钢板弹簧悬架

钢板弹簧悬架是开发得最早的悬架，在有汽车之前，马车上就已采用了“半椭圆”式钢板弹簧悬架。前面已经谈过，纵置对称式的普通钢板弹簧悬架是结构简单、成本低、维修方便、寿命较长的悬架。它不仅能够承载、导向，还能传递力和力矩，提供纵向、横向角刚度等。它是开发得最早、用得最为广泛、至今还在使用的一种基础悬架。

（1）悬架形式的发展

钢板弹簧悬架除纵置板簧外，还有横置板簧，如图1-24所示。除主簧外，还有主副簧结合的悬架，如图1-25所示；除对称簧外，还有非对称板簧悬架，如图1-23所示。

（2）板簧自身结构的发展

①长度由短变长。板簧主片长度由原先的1m左右，发展到1.45m以上。弹簧变长能使在同等变形下降低应力，提高寿命；在同等应力下，能增大变形提高平顺性；在同等刚度下，增大自身纵向角刚度，抵抗车桥角位移，减少制动时的S形路线。须知，自身角刚度C_θ=CL²/4，显然，它是和主片长度的平方成正比的。

②宽度由窄变宽。板簧宽度由原先的4cm发展到了今天的6～10cm。增加宽度，不仅使卷耳的刚度增加，而且使弹簧自身的横向角刚度和车辆的横向角度增大，并使惯性矩等比增大。

③厚度由薄变厚。随着淬火工艺的提高，板簧厚度也逐步加大。最初的板簧厚度只有4mm，如今可以淬透30mm。增加宽度和厚度不仅为减少片数打下了基础，且可大大提高总惯性矩I₀，I₀和板簧厚度h的三次方成正比，即

I₀=nbh³/12

④片数由多变少。我国212轻型指挥车的板簧最初是14片，而当今的轻型指挥车板簧一般为1～3片，如图1-42所示。

图1-42 单片簧和少片簧

a）单片弹簧 b）少片弹簧

少片簧是在变宽、变厚的基础上，并将等断面改为变断面后实现的，如图1-43所示。

少片簧除了结构简单、维修方便之外，其最大优点就是减小了片间摩擦力，也就是减小了所谓的库仑摩擦力，提高了小幅振动的平顺性，如图1-44所示。

由图1-44可知，悬架在满载载荷P₀点作小幅振动时，也就是在良好路面行驶时，它所做的功是面积abcd，对应的悬架刚度是tanα，而tanα＞tanα₀。tanα的大小一是取决于振幅Δf的大小，这是客观使用条件；二是取决于示功图的“肥瘦”。“肥”就代表弹簧片多，摩擦功大；而“瘦”却代表弹簧片少，摩擦功小。单片弹簧的摩擦功为零，此时tanα=tanα₀。

为消除库仑摩擦，设计人员在片间增装青铜、塑料或尼龙卡垫，它们按120°的方位开设了三个槽，如图1-45所示。

图1-43 单片变断面簧

图1-44 板簧的变形量f与载荷P的关系曲线

图1-45 片间卡垫

随着我国碳纤维材料技术的突破，单片簧的应用将更加广泛。

⑤各种截面形状。板簧有等截面和变截面之分。变截面簧主要是为了节约材料，同时尽可能向等应力梁靠近，除此之外，截面形状还有很多的变化。由于常用板材为扁钢，上下表面平坦，中性轴在其对称面上，四棱为圆角，半径r=0.65～0.85h。因扁钢的疲劳破坏总是始于受拉伸的上表面，故下表面常采用抛物线侧边（图1-46b）或采用单面单槽（图1-46c）或采用单面双槽（图1-46d），从而使中性轴上移，以减少拉伸应力。一般认为许用压应力应为许用拉应力的1.27～1.30倍。采用图1-46b、c、d所示截面与采用传统的图1-46a所示的截面相比，材料可节约10%～14%，疲劳寿命可提高30%。

图1-46 钢板弹簧的截面形状

a）标准型 b）抛物线侧边 c）单面单槽 d）单面双槽

⑥叶片的端部结构。叶片端部由矩形（图1-47a）发展为梯形（片端切角）、椭圆形（片端压延）和片端压延切断，分别如图1-47b、c、d所示。其中矩形成本最低，但效果最差，与椭圆形相比，在片端区域内传力较大，较集中，片端摩擦和磨损加剧，同时也离板簧的“等应力”机理相去甚远，导致板簧质量增大。

图1-47 钢板弹簧片端形状

a）矩形 b）梯形 c）片端压延 d）片端压延切断

梯形结构较矩形有所改善，成本略有增加。椭圆形更接近于理想的“等应力”梁，且在接触区内压力分布得更为均匀，片间摩擦减少。压延切断型结构成本最高，但效果也最好。

⑦板簧端部支撑形式。板簧端部支撑形式有卷耳、滑板和橡胶包头三种类型。

卷耳型可分为上卷式、平卷式（柏林式）和下卷式三种，如图1-48a、b、c所示。上卷式是当前广泛采用的结构形式，制造工艺性好，但卷耳内应力较平卷式大。平卷式纵向力可直接传给主片，可减少附加给主片的卷耳力矩，但制造工艺性差。下卷式可用于对板簧安装位置有特殊要求的情况（如保证不足转向趋势），但无法实现加强的双主片，如图1-48c所示。加强片可保主片断裂后的支撑和在悬架反弹时吊载非簧载质体。加强片在卷耳外制作一个包耳，叶片变形时为不致发生干涉，卷耳和包耳之间留有一定的间隙，如图1-48d、e所示。长圆式卷耳孔内装有刚度方向异型胶块，以缓解悬架的水平冲击，如图1-48f所示。

图1-48 板簧两端的支撑形式

a）上卷式 b）平卷式 c）下卷式 d）上卷包耳式 e）平卷包耳式 f）长圆式 g）滑板式

滑板式多见于平衡悬架板簧的支撑和主副簧结构的副簧支撑，如图1-48g所示。这种形式结构、工艺简单，重量轻，拆卸方便，省去了润滑点，并减少了主片的附加应力，延长了弹簧寿命。

包头型采用橡胶块支撑的结构，两端装在橡胶座内，通过胶块将力传给支架。它改善了主片的受力状况，为提高强度采用了双主片结构。胶块具有较大的挠性，减少了主片的扭曲应力，同时也减少了润滑点和噪声。

⑧吊耳的布置方案。吊耳已发展有4种布置方案，如图1-49所示。

图1-49 吊耳的布置方案

a）、b）常规布置 c）、d）非常规布置

4种方案都无外是用铰链和吊耳将板簧两端固定在车架上。图1-49a、b所示为常规布置，图1-49c、d所示为出于位置需要的非常规布置。吊耳的倾角和长度都是有一定要求的，它们对悬架刚度和车架高度均有影响。

吊耳可与板簧成锐角布置（图1-49a），也可以成钝角布置（图1-49b）。成锐角布置的水平分力拉伸板簧，成钝角布置的水平分力压缩弹簧。由于弹簧受压缩力时，在大负荷下悬架频率剧增。无论吊耳倾角α是锐角还是钝角，随着α的增大，作用于板簧的水平分力F_x都将增大，致使板簧引起较大的附加应力。正因如此，故希望α值越小越好。但又不能过小，否则在大负荷下将有可能出现“反耳”现象。一般将吊耳角α取为30°左右。

车辆在行驶过程中，吊耳将以车架上的支点为圆心，以其自身长度为半径作圆弧运动。这个圆弧运动将使板簧在垂直方向和纵向上产生位移。在同等悬架位移下，为减小吊耳转角，降低簧端纵向位移和垂直位移，现代汽车都加长了吊耳，相对于早期汽车，几乎加长了50%～100%。

⑨吊耳及弹簧销的结构。钢板弹簧的固定，一般一端为固定卷耳，另一端为活动的吊耳（摆耳）。前面已经介绍了吊耳的布置方案，此处着重介绍吊耳及弹簧销的结构。当今吊耳结构已发展有C形、叉形以及分体式等，分别如图1-50a、b、c所示。

图1-50 吊耳及弹簧销的结构(www.daowen.com)

a）、b）螺纹式 c）自润滑式 d）滑动轴承式 e）橡胶支撑式 f）橡胶包头式

弹簧销的支撑、润滑则已发展如图1-50a和b所示的螺纹式、图1-50c所示的自润滑式、图1-50d所示的滑动轴承式、图1-50e所示的橡胶支撑式和图1-50f所示的橡胶包头式数种。

螺纹式的好处在于可同时承受垂向及侧向载荷，卷耳侧面不必加工。螺纹可起储存润滑剂和防尘的作用。螺纹表面渗碳具有一定硬度，其挤压应力约为7MPa。

自润滑式多用于轿车及轻型载荷汽车，具有不必加注润滑脂及噪声小的优点。

滑动轴承式多用于重型载货车，一般采用铜合金或粉末冶金衬套。工作挤压应力为3.5～7.0MPa。在这种结构中，卷耳两侧必须加工至规定宽度，以便于支架或吊耳配合传递侧向力。

在采用图1-50e所示的橡胶支撑式时，必须充分考虑它对悬架特性的影响。

图1-50f所示的橡胶包头式结构多用于重型车。该种结构允许的纵向移动量有限，因此，板簧必须具有足够的长度，且应工作在平直位置附近。

（3）提高寿命的措施

钢板弹簧工作条件极其恶劣，加之采用一般方法生产表面，难免留下裂痕、皱纹和凹痕等，因此在受载时易导致表面应力集中，从而急剧降低材料的疲劳极限引起早期损坏。为提高板簧使用寿命，逐步摸索出提高表面质量、改进热处理工艺和改进弹簧材料三个方面的措施。

1）提高表面质量。提高表面质量，采取了喷丸处理、预压缩处理、减少表面脱碳层深度和表面抛光四项措施。

①喷丸处理。喷丸处理是使表面强化的一种方法。采用抛丸机将金属丸粒（直径为0.4～1.2mm）高速地打向叶片的凹面，使之产生塑性变形造成残余的压应力。部分抵消因工作负荷引起的拉应力，从而提高疲劳强度；喷丸还使金属分子晶体排列改变，从而提高表面强度。

目前有两种喷丸工艺：一般喷丸和应力喷丸。一般喷丸是叶片在自由状态下的喷丸，它使钢板弹簧所能形成的最大残余压应力为550～650MPa，约为屈服极限的一半。应力喷丸是叶片在预变形的状态下进行的，它可使最大残余压应力达到1100～1300MPa。应力喷丸时，预加应力在700～900MPa较为适宜。如果预加应力过大，则虽强化了叶片表面，但同时也增加了叶片深部的应力，反而使疲劳强度降低。

②预压缩处理。预压缩处理（塑性压缩）是指将板簧加载变形，使叶片正常工作时受拉表面的拉应力达到材料的屈服极限，载荷去掉后造成受拉表面的残余压应力，即通过材料的塑性变形强化金属表面。其表面强化的实质基本上与喷丸处理相同，从而提高弹簧的耐久性。

③减少表面脱碳层深度。由于表面脱碳，在金属表面易形成“软点”，这些“软点”可能成为疲劳损坏的起点。表面脱碳和淬火时间与钢材有关，一般淬火时间越长，脱碳层就越深。减少钢板在炉内停放的时间，不仅可大大减少脱碳深度，还可细化晶粒，改善塑性。在相同热处理条件下，60Si₂Mn脱碳较为严重，60Si₂ MnA次之，如果在硅锰钢中加入硼元素，则大大减少脱碳，而且脱碳分散度也小。为了减少脱碳，还可采用渗碳方法补偿。

④表面抛光。表面抛光可以除去叶片表面的脱碳层及其他表面缺陷，能大大提高疲劳强度，但耗费工时多，产品成本高，所以一般只对高级轿车板簧进行抛光。

2）改进热处理工艺。目前在制造板簧时，采用了形变热处理和高温快速回火等热处理新工艺，大大提高了板簧的使用寿命。

①形变热处理。形变热处理是在叶片加热之后，在辊压机上进行的一次热变形压轧，然后再在油中淬火。由于叶片在热变形中压轧，使金属组织细化，马氏体的长度和宽度都减小；同时因使用了保护气体，减少了脱碳，提高了表面质量。

②高温快速回火。提高回火温度，缩短回火时间，可使淬火马氏体加速转变成回火屈氏体。由于回火时间短，碳化物的聚集和长大受到限制，将得到碳化物弥散度很大且均匀的回火屈氏体，提高了材料的强度、塑性和冲击韧性，从而提高了疲劳强度，当然也提高了生产率。

3）改进板簧材料。板簧材料直接影响弹簧强度和使用寿命。钢板弹簧材料一直采用硅锰钢，如60Si₂Mn和55Si₂Mn等。但经研究，在硅锰钢中加入硼（B）之后，就能增加淬透性和减少表面脱碳，使疲劳寿命提高15%～40%。现已用55Si₂MnB代替55Si₂Mn。特别在加入合金元素稀土、硼、钒、铬等之后，出现了60Si₂ MnBRe、60Si₂MnVB、60Si₂MnRe、55SiMnVB、50CrVA及38SiMnVB等弹簧钢。据了解，50CrVA的许用应力已达到1500～1750MPa，38SiMnVB已达到1800～2000MPa。

2.非对称板簧悬架

非对称钢板弹簧悬架是对称钢板弹簧悬架的一个发展，它也是客观需要的产物。非对称板簧在一定的轴距下，可以调整汽车前、后悬架的长度，调整轴荷分配，可以改变接近角和离去角的大小，协调车桥和发动机的位置矛盾，躲过蓄电池、油箱和轮胎等。特别地，非对称板簧还有着许多如下所述的独特性能（详见第三章）。

（1）非对称度

非对称度y是长边l_l和短边l_s之比，即