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1、 汽车设计课程设计指导书车 辆 工 程 专 业 交通工程学院2014年12月课程设计任务书一、课程设计的性质、目的、题目和任务本课程设计是学生在完成基础课、技术基础课和大部分专业课学习后的一个教学环节，是培养学生应用已学到的理论知识来解决实际工程问题的一次训练，并为毕业设计奠定基础。1、课程设计的目的是：（1）进一步熟悉汽车设计理论教学内容；（2）培养学生理论联系实际的能力；（3）训练学生综合运用知识的能力；（4）引导学生培养独立分析问题、解决问题的能力和自学能力。2、设计题目:载货汽车纵置钢板弹簧设计(1) 纵置钢板弹簧的已知参数序号弹簧满载载荷（N）静挠度(mm)伸直长度(mm)U型螺栓中
2、心距(mm)1198009411806021950092120060320000951200604196009312006551920092116060620200961200607188009011406081970093102061920300941150601019600921150621120100931150651320000921150601419600921170601518000951180601618000901150581718500901150551817000951150503、课程设计的任务：（1）由已知参数确定钢板弹簧的其他主要参数；（2）计算钢板弹簧中主要零件的参
3、数；二、课程设计的内容及工作量根据所学机械设计、汽车构造、汽车理论、汽车设计以及力学和工艺等课程，完成下述涉及内容： 1学习钢板弹簧设计的基本内容2选择、确定钢板弹簧的主要参数3撰写设计说明书设计要求：1. 设计说明书设计说明书是存档文件，是设计的理论计算依据。说明书的格式如下：（1）统一稿纸，正规书写；（2) 竖订横写，每页右侧画一竖线，留出25mm空白，在此空白内标出该页中所计算的主要数据；（3) 附图要清晰注上必要的符号和文字说明，不得潦草；2. 说明书的内容及计算说明项目(1)封面；（2）目录；（3）原始数据及资料；（4）对设计课题的分析；（5）汽车纵置钢板弹簧简图；（6）设计计算；（
4、7）参考文献；（8）设计小结（设计特点及补充说明，个人体会等）。4.设计对象（钢板弹簧）所选用的弹簧材料必须符合国标GB1222-84，并尽量用优选系列；所设计的板簧应符合JB523-85汽车钢板弹簧技术条件和JB4040-85汽车钢板弹簧性能要求。参考资料1汽车设计吉林大学编；第四版2008年。2最新汽车设计实用手册 黑龙江人民出版社，2005年3汽车工程手册 机械工业出版社，2000年4汽车理论清华大学编，机械工业出版社，第五版5.汽车构造吉林大学编，机械工业出版社，第五版6.常用工程材料的材料性能（部分材料性能见附录）课程设计指导书一、参数选择及计算0前言钢板弹簧的使用可以追溯到比汽车更
5、早的马车时代。当时的安装方法是在如现代汽车所用的纵置钢板弹簧之上再倒置一与之相同的纵置钢板弹簧，且使这两组板簧的主片带有一定的曲率，上下板簧的两端分别相连形成近似椭圆的板簧组。因此人们习惯性地将汽车上采用的板簧按其安装方式不同称为“半椭圆”或“四分之一椭圆”板簧，但实际上现代大多数汽车的钢板弹簧在其设计载荷下都近似于平直，不再有明显的“椭圆”曲率。由于钢板弹簧具有结构简单，制造、维修方便；除了作为弹性元件外，还可兼起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用；在车架或车身上两点支承，受力合理；可实现变刚度特性等一些特点而得到了广泛应用。但钢板弹簧也有其明显的不足，即单位质量的储能量较小，对于传统的多片
6、簧而言当其最大许用应力取1100Mpa时，单位质量储能量约为94J/kg。相比之下，在1100Mpa应力下，螺旋弹簧的储能量为510J/kg。而扭杆弹簧在965MPa应力下为390J/kg。这就意味着在同样的使用条件下，钢板弹簧要重一些。在设计和使用钢板弹簧时，必须注意尽量发挥其优点以弥补不足。近年来轿车上采用钢板弹簧作为弹性元件的已越来越少，但在载货汽车上钢板弹簧仍是首选的弹性元件。 板簧的结构形式、材料、加工制造手段和设计方法一直在进步和发展。目前已有传统的多片簧、少片变截面簧和渐变刚度板簧可以适应不同的需要。近年来，有人开发出中、低碳系列的弹簧钢代替原先一直采用的高碳弹簧钢以提高可加工性
7、，还有的采用复合材料以减轻自重。在加工手段上，则普遍采用了预压和应力喷九等措施提高板簧的疲劳寿命。钢板弹簧的设计也从传统的初选参数试制试验修改设计的模式逐步转向经验设计与优化设计相结合以缩短开发周期，减少浪费。本设计作为汽车设计的基本内容，仍然选用传统设计方法（初选参数试制试验修改设计）进行设计。现在常用的钢板弹簧设计方法（经验设计与优化设计相结合的设计）请同学们课下在本设计的基础上自学涉猎。 广义而言，板簧设计应通过合理选择结构型式和设计参数使板簧能够满足整车总布置所规定的弹性特性和装配要求，在使用中具有足够的疲劳寿命，满足轻量化设计的要求，并且有经济可行的生产成本。 钢板弹簧设计计算大体可
8、以分为三大步。第一、根据总布置给定的载荷、刚度要求以及对板簧长度、宽度的限制条件等初选参数；第二、确定各片的长度和验算钢板弹簧刚度，综合考虑板簧的总成弧高要求和各叶片的工作应力的分布，确定自由状态下的曲率半径；第三、核算钢板弹簧总成弧高，校核极限工况下板簧的应力及卷耳、弹簧销的强度。钢板弹簧已知参数（1）弹簧载荷通常新车设计时，根据整车布置给定的满载轴载质量减去估算的非簧载质量，得到在每副弹簧上的承载质量。已知满载静止时汽车前后轴（桥）负荷G1、G2和簧下部分荷重Gu1、Gu2，则据此可以计算出单个钢板弹簧的载荷：Fw1=（G1- Gu1）/2和Fw1=（G2- Gu2）/2。一般将前、后轴，
9、车轮，制动鼓及转向节等总成视为非簧载质量，将传动轴、转向纵拉杆等总成一半也视为非簧载质量。如果钢板弹簧布置在车桥上方，弹簧3/4的质量为非簧载质量；1/4弹簧质量为非簧载质量。（2）板簧总长L钢板弹簧长度L是指弹簧伸直后两卷耳中心之间的距离，在总布置可能的条件下，应尽可能将钢板弹簧取长些。板簧总长度L一般由总布置人员确定，或由悬架设计人员与总体设计人员协商确定。根据不同车型要求，由总布置给出弹簧伸直长度的控制尺寸。在布置可能的情况下，尽量增加弹簧长度，这主要是考虑以下几个方面原因。1）增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命降低弹簧刚度，改善汽车平顺性。2）在垂直刚度c给定的条件下，
10、又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。3）刚板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。4）增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形。5）增加弹簧长度可以选用片厚的弹簧片，从而减小弹簧片数，并且片厚的弹簧对提高主片卷耳强度有利。在下列范围内选用钢板弹簧的长度：轿车：L=（0.400.55）轴距；货车:前悬架：L=（0.260.35）轴距；后悬架：L=（0.350.45）轴距。车轴可以放在板簧正中间，也可以稍微偏向一端。如前板簧设计时，常将车轴略向前固定卷耳靠近以增大接近角。一般无特殊要求时，常将车轴置于板簧中间，以减少装配时的麻烦。（3）
11、悬架静挠度悬架静挠度是指汽车满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即=Fwc。汽车簧载质量与其质量组成振动系统固有频率是评价汽车行驶平顺性的主要参数。经分析可知（具体分析过程请查阅教材181页）：悬架的静挠度直接影响车身振动的偏频n。因此，欲保证汽车有良好的行驶平顺性，必须正确选取悬架的静挠度。1. 满载弧高Ha和动挠度fd的确定（1）满载弧高Ha 满载弧高fa是指钢板弹簧装到车轴（桥）上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差。由于车身高度、悬架动行程及钢板弹簧导向特性等都与汽车满载弧高有关，因此弹簧满载弧高值应根据整车和悬架性能要求选取合适值，一
12、般取。有的车辆为得到良好的操纵稳定性，满载弧高取负值。（2）动挠度fd 悬架的动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形(通常指缓冲块压缩到其自由高度的12或23)时，车轮中心相对车架(或车身)的垂直位移。要求悬架应有足够大的动挠度，以防止在坏路面上行驶时经常碰撞缓冲块。对轿车，取79cm；对大客车, 取58cm；对货车取69cm。2选择板簧断面尺寸及片数的确定2.1钢板断面宽度的确定在研究钢板弹簧时，常将其抽象成简支梁。因此可利用简支梁的挠度公式计算板簧的总惯性矩J0mm4 (1)式中，s为U形螺栓中心距（mm）；k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取k=0
13、.5，挠性夹紧，取k=0）；c为钢板弹簧垂直刚度（N/mm），；为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数，再估计一个总片数,求得，然后用初定），E为材料的弹性模量（MPa）。 钢板弹簧总截面系数用下式计算：（2）将上式代入下式（3），可计算得钢板弹簧平均厚度（3）有钢板弹簧平均厚度以后，再选钢板弹簧的片宽b。增大片宽，能增加卷耳刚度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦和弹簧的总厚。推荐片宽与片厚的比值在610范围内选取。查国标GB122284确定片宽和片厚。2.2 钢板弹簧片厚h的选择根据
14、矩形断面等厚钢板弹簧的总惯性矩可推得：钢板弹簧片厚。片厚h选择的要求：1）增加片厚h，可以减少片数n。2）钢板弹簧各片厚度可能有相同和不同两种情况，希望尽可能采用前者但因为主片工作条件恶劣，为了加强主片及卷耳，也常将主片加厚，其余各片厚度稍薄。此时，要求一副钢板弹簧的厚度不宜超过三组。 3）为使各片寿命接近又要求最厚片与最薄片厚度之比应小于1.5。4）钢板断面尺寸b和h应符合国产型材规格尺寸。查国标GB122284确定宽度b，厚度h的值，使其符合国产型材规格尺寸。因为的厚度一般不超过9.5mm，故在选用材料为的钢板弹簧时，要注意厚度要求。2.3 钢板断面形状最常用的板簧材料为热轧弹簧扁钢，其截
15、面形状为上下表面平坦(允许稍向内凹)。两侧为圆边，圆边半径为厚度的0.650.85倍。由于板簧的疲劳破坏总是始于受拉伸的上表面，故下表面常采用如图1(b)、(c)、(d)所示的抛物线侧边或单面单槽、单面双槽形状以使截面的中性轴向上移动，减小拉伸应力。通常认为许用压应力可大于许用拉应力，其比值达1.271.30。经验表明，采用图(b)、(c)、(d)截面的板簧与采用传统图(a)截面的板簧相比可节约1014的钢材，疲劳寿命约可提高30。钢板断面形状矩形断面结构简单，制造容易，变截面少片钢板弹簧多采用矩形断面结构图1 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
16、2.4 钢板弹簧片数n片数n少些有利于制造和装配，并可以降低片间的干摩擦，改善汽车行驶平顺性。但片数少了将使钢板弹簧与等强度梁的差别增大，材料利用率变坏。多片钢板弹簧一般片数在614片之间选取，重型货车可达20片。用变截面少片簧时，片数在14片之间选取n=3。若板簧截面为矩形截面，则惯性矩为： mm4 (4a) 若选用双槽钢，根据材料手册上都给出了J和中性层的位置，其惯性矩为： mm4(4b)用（4a）或（4b）计算出的J与（1）计算的比较，应大致相等，否则调整片数或断面参数，直至满意为止（相对误差小于10%）。3. 各片长度的确定簧片长度是指其各片的伸直长度。有两种设计方法，一是等差级数法，
17、二是作图法。（建议采用作图法） 设车轴位于板簧中间，可用作图法确定各片的半长。设 ，作图法的具体步骤见教材图614。用这种方法确定的各片长，能使整个板簧较好的接近等应力梁。 等差级数法是将板簧总长度与骑马螺栓S之间的差分成与片数相等的长度等差数列，相邻各片的长度差是相等的。4. 板簧的刚度验算对板簧刚度进行验算时，可以把板簧抽象成前述简支梁（载荷为Q），也可以抽象成悬臂梁。抽象成悬臂梁的模型其插入端在车轴处，其长度和载荷都是简支梁的1/2，即，。这两种模型在力学特性上是等价的。进行刚度验算有两种方法：一是共同曲率法，一是集中载荷法。这两种方法都是在一定的假设前提下进行的。本设计选用共同曲率法进
18、行验算，关于集中载荷法的介绍请同学们课下查找学习。共同曲率法该方法假设：（1）板簧各片之间密切接触，无间隙；（2）忽略片间摩擦力。这两个假设等价于：在板簧的任何截面上，各片的曲率（或曲率半径）及其变化都相等；各片承受的弯矩与其惯性矩成正比。如图2：图2 共同曲率法的力学模型设在任意截面上，第一片（主片）曲率半径为，则第二片为，第片为（各片等厚），或者，由于厚度，故可认为：（5a）当载荷变化，变形（挠度）增大后，有：，即（5b）式（5a）和（5b）说明板簧各片在任何载荷下都有相同的曲率半径和变化量。这样我们就可以把它重新组合成图3所示的单片阶梯型梁： 0x图3共同曲率法的等效模型这是一个端部作用
19、集中载荷的变截面悬臂梁模型。设各截面的弯矩在长度方向的变化为M（x），惯性矩为（x），用能量积分法求出端部变形: U = = (6) (7)刚度： 整理可得如下公式： (8)式中：为修正系数，修正由于抽象成悬臂梁模型引起得误差，其值由经验确定。一般矩形截面簧片取0.900.95，双槽钢取0.830.87。 i = 1、2、3n (9)，为各不同板簧段的惯性矩之和。如图4：ABCDEFG图4 板簧各段的惯性矩在AB段 i = 1, =J1在BC段： i = 2, =J1+J2在CD段： i = 3, =J1+J2+J3 如果式（9）中的各片长度取li=Li/2，则计算出的刚度是板簧总成的刚度可用
20、于检验钢板弹簧的产品刚度。验算刚度应与初定刚度（利用满载载荷除以静挠度所得刚度）应相接近，要求相对误差应小于10%，如差别较大，需重新调整板簧参数（如片数、断面参数、各片长度等）直至满意为止。5. 板簧根部应力计算：上述共同曲率法和集中载荷法两种计算方法，由于抽象的力学模型不同，得到的变形（挠度）和刚度有所差别。由于应力是与变形（挠度）成正比的。变形不同，计算应力也就不同。如用共同曲率法，根据假设，在悬臂梁模型根部，各片所承受的弯矩与其惯性矩成正比，即： i = 1n （10a），分别为根部的总弯矩和总惯性矩。且=，故有： （10b）根部应力：（10c）为用共同曲率法求出的板簧刚度。求出根部应
21、力和预应力（下面讲述）后，则验算主片的根部合成应力。6预应力及其选择板簧在工作中，以主片断裂最常见。断裂的部位常发生在卷耳附近；骑马螺栓附近；下片的端部。因此，在设计板簧时，适当加强主片的强度，对提高板簧的寿命和可靠性很有必要。加强主片的措施有以下几种：一是多主片（二片或二片以上），二是主片的厚度大于其他片，三是置预应力。在设计板簧时，有意识地将各片设计成自由状态下的曲率半径不等，自上而下，曲率半径逐渐减小，如图5（a）所示。当中心螺栓装配成总成后，各片便紧密贴合，具有近似相等的曲率半径，如图5（b）所示。这时，虽然外载荷，但由于各片之间的相互作用，各片都产生了一定的应力。很明显，主片及靠近主
22、片的几片，曲率半径变小，上表面有了负应力（压应力）；而下面几片的上表面都有了正应力（拉应力）。这种由于各片之间自由曲率半径不等而相互作用产生的应力叫预应力。设置预应力不仅能够充分利用材料，提高板簧寿命和可靠性，而且可以使片间贴合更紧，防止泥沙进入片间。 （a） （b）图5 中心螺栓装配前后的钢板弹簧合理的各片根部预应力分布如图6所示。主片及靠近主片的几片取负预应力。（上表面受压），下面几片取正预应力（上表面受拉），负预应力最大值一般不超过150MPa，正预应力最大值一般不超过6080Mpa。图6 各片预应力分布在板簧悬臂梁模型根部，由预应力产生的弯矩之和应相等：（11a） 为各片上表面的预应力
23、，为各片抗弯截面系数。有了预应力，则板簧在工作中的实际静应力应为前述的计算应力与预应力之和：即： （11b）推荐主片在计算应力与预应力合成的应力在300-350MPa内选取。7. 板簧总成自由状态下的弧高及曲率半径计算板簧仅由中心螺栓装配后，应有适当的弧高，否则，就不能保证满载时的弧高fa，因而也就不能保证板簧在适当的状态下工作。总成自由弧高H0可由下式估算：（12a），fa意义同前，是与板簧总长和骑马螺栓中心矩S有关的附加变形，可用下式估算：（12b）板簧总成在自由状态的曲率半径与有图7所示关系：图7 板簧曲率半径、长度与弧高的关系故有： （13）8. 板簧各片在自由状态下的曲率半径及弧高计
24、算板簧各片在未装配前的曲率半径和弧高是板簧制造必不可少的参数（例如弯曲成型机靠模和冲头的曲率半径都要由决定），设计者必须明确给出。由材料力学知，受弯矩作用的梁：（14）为曲率，为梁的挠曲线表达式。因此各片在用中心螺栓装配前后由预应力产生的曲率变化为：（15）其中为由预应力产生的弯矩，R0为装配成总成的曲率半径。但， 因此： （16）为第i片的自由曲率半径，为第i片厚度。各片在自由状态时的弧高为：（17）9. 钢板弹簧总成弧高的核算在确定之后，一般还要验算一下板簧总成的曲率半径和弧高是否与式（34）和式（31）计算的结果相符，差别较大时，仍要调整参数。根据最小势能原理，板簧总成半径与各片半径有如
25、下关系：（18）若各片厚度相等，则可简化为：（19）总成弧高：（20）利用式（20）计算出的结果与式（11）计算的结果比较，如果两者相差较多，还需重新选用各片预应力再行核算。10 钢板弹簧强度验算汽车行驶时，钢板弹簧除承受垂向载荷外，还承受其他方向的力和力矩以及冲击载荷等的作用。因此，必须对这些载荷的极限状态进行强度验算，以保证钢板弹簧能可靠地工作。(1)紧急制动时（如图8所示），前钢板弹簧承受的载荷最大，在它的后半段出现的最大应力为（21）(2)汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力为（22）式中：作用于前、后轮上的静负荷；板簧吊耳中心至地面的距离；板簧前、后半段长度
26、(对于对称板簧，)道路附着系数，一般取0.8；制动时的前轴负荷转移系数(或质量转移系数)，载货汽车取1.41.6 轿车取1.21.4；一驱动时的后轴负荷转移系数载货汽车取1.11.2，轿车取1.251.3W。一一钢板弹簧的总截面系数；叶片宽；叶片厚(3) 钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度核算 钢板弹簧主片卷耳受力如图9所示。卷耳处所受应力是由弯曲应力和拉(压)应力合成的应力，以上卷式卷耳为例，在通过卷耳中心的纵向力Px作用下，引起的卷耳最大应力为 （23）式中：Fx 为沿弹簧纵向作用在卷耳中心线上的力；D卷耳内径；b为钢板弹簧宽度；h为主片厚度。许用应力取为350MPa。 图8汽车制动时钢板弹簧的受
27、力图 图9 钢板弹簧主片卷耳受力图对钢板弹簧销要验算钢板弹簧受静载荷时钢板弹簧销受到的挤压应力。其中，Fx为满载静止时钢板弹簧端部的载荷；b为卷耳处叶片宽；d为钢板弹簧销直径。用30钢或40钢经液体碳氮共渗处理时，弹簧销许用挤压应力取为34 MPa；用20钢或20Cr钢经渗碳处理或用45钢经高频淬火后，其许用应力79MPa。钢板弹簧多数情况下采用55SiMnVB钢或60Si2Mn钢制造。常采用表面喷丸处理工艺和减少表面脱碳层深度的措施来提高钢板弹簧的寿命。表面喷丸处理有一般喷丸和应力喷丸两种，后者可使钢板弹簧表面的残余应力比前者大很多。二、钢板弹簧的材料及提高使用寿命的途径1. 目前汽车钢板弹
28、簧广泛使用的材料是热轧扁弹簧钢。例如：65Mn，55Si2Mn，60Si2Mn，55Si2MnB，60Si2MnA，55Si2MnVB等。这些材料中，65Mn最便宜，综合机械性能稍差，55Si2Mn，60Si2Mn都有比较好的性能和较高的强度，尤其加入合金元素硼之后，淬透性提高，疲劳寿命也提高了1015%。更好的弹簧钢材料有：60Si2CrA，60Si2CrVA，65Si2MnWA等。这些材料由于加入了合金元素Cr，热处理性能和机械性能都有很大提高。但由于我国含Cr钢的资源远不如硅锰钢丰富，所以价格较贵。一般用在最重要的场合，应慎重选用。2. 为提高板簧的寿命，常对板簧片表面进行一系列表面处理
29、。这些表面处理方法包括：（A）应力喷丸。即对有一定预压变形的簧片的受拉面进行喷丸处理。（B）表面抛光。用抛光机除去叶片表面的脱碳层和缺陷，以提高其光洁度。（C）塑性压缩，即对装配好板簧总成进行一、两次大变形的预压缩，使其受拉表面几乎达到流动极限，卸载后即使受拉表面产生一定的残余应力。3. 改进热处理工艺，也可提高板簧寿命。研究结果表明，采用形变热处理和高温快速回火都有较好的效果。附录：表一 部分工程材料的材料属性表二 部分弹簧钢性能钢 号屈服极限s(Mpa)强度极限b(Mpa)布氏硬度HB相对价格65Mn8001000302便宜55Si2Mn12001300302适中60Si2MnB12001300321适中55Si2MnB12001300321适中60Si2MnA14001600321较贵60Si2CrA16001800302贵60Si2CrVA17001900302贵55Si2MnWA17001900302贵55SiMnMoV13001400302较贵55SiMnMoVNb13001400302较贵