对悬架钢板弹簧结构的创新构思

2012-12-23杨建卫杨京芳

汽车零部件 2012年8期

杨建卫，杨京芳

( 山西大运汽车制造有限公司，山西运城044000)

0 引言

钢板弹簧是汽车零部件中处于最复杂应力条件下、在最恶劣环境中服役的主要部件之一，优化该部件的设计，对延长其寿命周期、保证汽车的行驶平顺性至关重要。

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架(或车身)与车轴(或车轮) 弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架(或车身) 之间的一切力和力矩; 缓和路面传给车架(或车身) 的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性; 保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。

因此对悬架提出了设计要求有［1］：

(1) 保证汽车有良好的行驶平顺性;

(2) 具有合适的衰减振动的能力;

(3) 保证汽车具有良好的操纵稳定性;

(4) 汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适;

(5) 有良好的隔声能力;

(6) 结构紧凑、占用空间尺寸要小;

(7) 可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

随着社会的发展，对整车的人机工程设计越来越重视，对整车底盘悬架弹性元件来说，紧急制动与启动时的钢板弹簧应力变化对整车平顺性设计要求越来越高，同时这两个工况也对钢板弹簧强度寿命也至关重要，首先对钢板弹簧的强度进行分析(如图1 所示)。

1 紧急制动时［2］

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σmax用下式计算

式中： G1为作用在前轮上的垂直静负荷;

m'1为制动时前轴负荷转移系数：轿车： m'1=1.2 ～1.4; 货车： m'1=1.4 ～1.6;

l1、l2为钢板弹簧前、后段长度;

φ 为道路附着系数，取0.8;

W0为钢板弹簧总面系数;

c 为弹簧固定点到路面的距离。

2 汽车驱动时［2］

后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力σmax用下式计算

式中： G2为作用在后轮上的垂直静负荷;

m'2为驱动时后轴负荷转移系数：轿车： m'2=1.25 ～1.30; 货车： m'2=1.1 ～1.2;

φ 为道路附着系数;

b 为钢板弹簧片宽;

h1为钢板弹簧主片厚宽。目前，国内重卡的板簧都设计为前后对称，即板簧的前后工作有效长度相等，在整车紧急制动和启动时由于板簧前后部位的应力不同，带来的驾驶员及乘客感官不舒服，针对此现象对板簧的结构进行如下方案优化：

方案1：根据公式(1)、(2) 及制动时的负荷转移系数，将同一件板簧设计为前后长度尺寸不对称，比如宽度100 mm，厚度25 mm，长度为1 800 mm 的板簧：

前桥板簧设计为： l1=1.4l2，即前半段板簧l1长度为1 050 mm，后段板簧l2长度为750 mm，将会降低板簧后半段8% ～10%的强度应力。

后桥板簧设计为： 1.2l1=l2，即前半段板簧l1长度为818 mm，后段板簧l2长度为982 mm，将会降低板簧前半段4% ～6%的强度应力。

评价：虽然此方案可以改变整车平顺性，提高板簧的强度寿命，但对整车可能造成以下影响：

(1) 轴距变化，影响汽车转向或轮胎异常磨损;

(2) 前桥主销后倾角在整车状态下变化，会造成整车工况下发抖或轮胎异常磨损。

方案2：将同一件板簧设计为前后截面尺寸不对称，比如宽度100 mm，厚度25 mm，长度为1 800 mm 的板簧，根据公式(1)、(2) 比较。

将板簧受应力部位的截面设计为：宽度100 mm，厚度35 mm 的截面(如图2 所示)，由于抗弯截面系数增加，根据公式：

式中： b 为板簧厚度;

h 为板簧宽度。

得：原方案： W0=10 416.666，新方案： W'0=20 416.66，同时考虑变截面段占板簧后半段工作长度的20% ～30%，最终得到新方案：

在前桥板簧后半段会降低10% ～15%的强度应力;在后桥板簧前半段会降低7% ～10%的强度应力。

评价：此方案可以改变整车平顺性，提高板簧的强度寿命，无轴距变化，不会影响整车结构及相关部件。此方案理论上可行，但是对于多片簧，由于存在变截面的因素，造成各片板簧曲度不同，无法贴紧，实际上却不能实现。此时就引进少片弹簧的设计概念。

由n 片组成少片弹簧时，其总刚度为各片刚度之和，其应力则按各片所承受的载荷分量计算。少片弹簧的宽度，在布置允许的情况下尽可能取宽些，以增强横向刚度，常取75 ～100 mm。厚度h1＞8 mm，以保证足够的抗剪强度并防止太薄而淬裂。h2取12 ～20 mm。

另外还可以从以下几点对少片钢板弹簧进行优化：

(1) 尽可能将钢板弹簧取长些。

钢板弹簧长度L 的确定：

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。

推荐在下列范围内选用钢板弹簧的长度：

乘用车： L= (0.40 ～0.55) 轴距;

货车：前悬架： L = (0.26 ～0.35) 轴距; 后悬架： L =(0.35 ～0.45) 轴距。

钢板弹簧取长些的原因：

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;

在垂直刚度c 给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度;

钢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;

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。

(2) 钢板弹簧工作特性

根据在整车紧急制动和启动时由于板簧前、后部位应力不同的现象，改变少片板簧的拱形，如图5 所示。

变拱形钢板弹簧的刚度随着动载荷变化幅度的增加而非线性增加(工作特性参考图6)，当动载荷增至3 ～4 倍静载荷时，刚度的增加既保证了动扰度变化不超过fd，又改善了整车平顺性。

(3) 钢板断面形状

矩形断面钢板弹簧的中性轴，在钢板断面的对称位置上(如图7 中(a))。工作时，一面受拉应力，另一面受压应力作用，而且上、下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等。因材料的抗拉性能低于抗压性能，所以在受拉应力作用的一面首先产生疲劳断裂。除矩形断面以外的其他断面形状(如图7 中(b)、(c)、(d)) 的叶片，其中性轴均上移，使受拉应力作用的一面的拉应力绝对值减小，而受压应力作用的一面的压应力绝对值增大，从而改善了应力在断面上的分布状况，提高了钢板弹簧的疲劳强度并节约近10%的材料。