某车型前螺旋弹簧设计

范广龙

摘 要：文章根據整车的技术参数，通过计算分析，为车辆选择合适的螺旋弹簧，并校核。

关键词：技术参数;计算分析;螺旋弹簧;校核

中图分类号：U463.33  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-77-03

The design of the front helix spring of the vehicle

Fan Guanglong

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd.， Shaanxi Xian 710200）

Abstract： According to the technical parameter of the vehicle， through calculation and analysis to choose the advisable helix spring for the vehicle， then check out its performance.

Keywords： Technical parameter; Calculation and analysis; Helix spring; check out

CLC NO.： U463.33  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-77-03

1 概述

圆柱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，因此在现代汽车的悬架中应用相当普遍。通过采用变节距、用变直径的弹簧钢丝绕制，或两者同时采用的弹簧结构可以实现变刚度特性。

2 弹簧结构型式选择

螺旋弹簧在其轴向载荷P作用下的变形f为：

式中：

D_m—弹簧中径，mm;

d—弹簧钢丝直径，mm;

i—弹簧工作圈数;

G—弹簧材料的剪切弹性模量，取7.9×10⁴MPa。

因此弹簧刚度：

为提高车轮下跳时的接地性能，本车采用变刚度圆柱螺旋弹簧。弹簧要改变刚度，一般是通过以下三种途径实现的：

（1）改变弹簧的丝径与中径;

（2）改变弹簧的节距;

（3）同时改变弹簧的丝径、中径与节距，即所谓的三变簧。

其原理是将弹簧看作有多个单圈弹簧串联所组成的串联簧组。通过改变弹簧的节距，使弹簧在压缩过程中，先有一部分弹簧并圈，使其成为死圈，不再参与弹性变形，通过改变串联的弹簧个数引起弹簧刚度的改变。

对于仅改变节距的弹簧来说，先是节距小的几圈弹簧并圈，整体弹簧的刚度为折线。若改变弹簧的丝径以及中径，弹簧会从刚度最弱的单圈首先开始逐渐并圈，则弹簧刚度在这时开始变大，而且是圆滑过渡;同样的情形也适用于改变中径或者中径和丝径同时改变。对于三变簧来说，可以通过三个变量的组合，获得所需的弹簧刚度。

在MAN军用汽车中，其弹簧中径D_m的改变是通过以下途径实现的：仅改变弹簧的丝径d，用来绕制弹簧的芯轴直径D₁=D_m-d是不变的，弹簧的中径D_m随d变化。中径D_m的变化量。

考虑到在车轮跳动过程中悬架刚度突然变化会影响到整车的平顺性，因此本方案MAN军车的三变簧结构型式。通过合适调节节距与丝径，使弹簧的刚度具有较为合理的曲线。

3 悬架偏频的选择

理论分析证明：若汽车以较高车速驶过单个路障，前后偏频比<1时的车身纵向角振动要比前后偏频比>1时小。同时结合越野汽车设计经验，初步将悬架系统的偏频定为：

前悬架      n₁=1.4

中后桥悬架  n₂=1.4

考虑到由此确定的各桥悬架线刚度为经验值，因此将在以后的整车操纵稳定性和行驶平顺性分析中加以验证：

（1）如整车的操纵稳定性不能够满足使用要求，首先增加横向稳定杆进行调整。若稳定杆的几何尺寸超过了实际设计的可能，则重新调整悬架系统的前后桥偏频;

（2）在整车的平顺性仿真计算中，首先通过调整悬架系统的阻尼来优化整车的直线行驶平顺性，若不能够满足使用要求，再调整系统的偏频，并综合考虑车辆的操纵稳定性以及稳定杆工程设计的可能性。

3.1 前桥螺旋弹簧的设计

悬架系统的固有频率n （亦称偏频）可用下式表示：

式中：

C₁—悬架的线刚度;

m_s—悬架的簧上质量。

前桥满载轴荷为： m₁=7803kg

前桥非簧载质量：

前橋单边簧载质量：

根据式（3）可得，前桥1/2悬架线刚度：

前悬架在满载平衡位置时：

螺旋弹簧刚度初始定为251N/mm

弹簧工作载荷为P_n=31865N

3.1.1 弹簧结构设计

3.1.1.1 主圈部分结构参数

弹簧在满载状态时，变节距与变丝径部分（以下简称小圈部分）已经并死，不参与工作，此时的弹簧刚度即为K_s。初选结构参数为：

d=38mm  D=218mm  i=8

则满载位置的弹簧刚度为：

为保证车轮在满载平衡位置经常跳动的±50mm范围内悬架系统的偏频不发生变化，同时保证弹簧经常并圈的部分不经常的并圈和分开，所以弹簧在车轮从平衡位置到下跳h₁=40mm时，弹簧不应该并圈。此时弹簧工作载荷为：

P₁=P_n-K_sh₁=21945N                            （5）

考虑到车轮上跳行程为150mm，此时弹簧压缩量为h₂=150mm。因此，弹簧最大工作载荷为：

P_s=P_n+k_sh₂=71545N                            （6）

3.1.1.2小圈部分结构参数

为提高车轮的接地压力与行程，考虑到弹簧结构的工艺性，将弹簧的总圈数定为：

i₁=i+i₂=13                                    （7）

式中：i₂=5—小圈部分的圈数。

将小圈部分的圈数分配到主圈的两端，下端部分的圈数为i_2x=3，上端部分的圈数为i_2s=3。

在小圈部分的结构设计过程中，考虑到丝径的变化，各圈的节距应有所不同，因此需分别计算各圈的刚度，然后将各圈弹簧的串联刚度作为小圈部分的刚度。

在计算单圈弹簧刚度时，假设簧丝直径与中径从起始位置到终了位置均匀过渡，将弹簧假设为若干段不同丝径与中径的弹簧段串联，通过求串联弹簧段的总体刚度，求得此圈的刚度。

将小圈参数定为：

簧丝两端起始直径分别为下端d_x=32mm和上端d_s= 34mm。

则下端三圈的单圈刚度分别为：

上端两圈的单圈刚度分别为：

则弹簧未并圈时的弹簧刚度为：

当弹簧刚度从k_s1变化到k_s时，存在一个刚度过渡区域，即弹簧渐次并圈。在并圈过程中，随着参与变形部分的减少，弹簧刚度急剧增大，弹簧变形量主要是未并圈部分。参考MAN三变簧以及前期试验数据，过渡区域一般为h₃=15mm，并且弹簧刚度近似于线形变化。

则从刚度变化起到刚度变化终了弹簧压力变化为：

则开始并圈时的弹簧压力为：

则弹簧未并圈部分的行程为：h₄=140mm

彈簧小圈部分下端第1圈的节距为：

圆整为t₁=49mm。

弹簧小圈部分下端第2圈的节距为：

圆整为t₂=48mm。

弹簧小圈部分下端第3圈的节距为：

圆整为t₃=48mm。

弹簧小圈部分上端第1圈的节距为：

圆整为t₄=48mm。

弹簧小圈部分上端第2圈的节距为：

圆整为t₅=48mm。

正常工作部分的节距应为：

圆整为t₆=73mm。

螺旋弹簧端部采用两端锻平的结构如图1所示。亦即在绕制弹簧之前先将钢丝两端锻平，碾细部分长度在绕制后约占270°，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。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，便于安装调试。

则弹簧两端的锻平部分为i₃=0.75圈。

弹簧的自由长度为：

弹簧刚度曲线如图2所示。

3.1.2 弹簧稳定性校核

本车弹簧的安装方式为两端固定式。

弹簧高径比：b=f/D=3.89

根据弹簧设计手册，两端固定式弹簧当高径比小于5.3时不需要进行稳定性校核，因此弹簧的稳定性能够满足使用要求。

3.1.3 弹簧的强度校核

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：

式中：

C—弹簧指数（旋绕比）， C=D_m/d;

K'—曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度影响的系数。

计算得：

螺旋弹簧钢丝表面的剪应力比较复杂，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K'。一般情况下，弹簧钢的许用剪应力[τ]与许用拉应力[σ]成比例关系，通常情况下，可以取[τ]=0.63[σ]。

弹簧材料采用，查材料手册可知，其抗拉强度为，则。所以弹簧强度满足使用要求。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论（第4版）.北京：机械工业出版社，2006.5.

[2] 王望予.汽车设计（第4版）.北京：机械工业出版社，2004.8.