某車型前螺旋彈簧設計

范廣龍

摘 要：文章根據整車的技術參數，通過計算分析，為車輛選擇合適的螺旋彈簧，并校核。

關鍵詞：技術參數;計算分析;螺旋彈簧;校核

中圖分類號：U463.33 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

圓柱螺旋彈簧作為彈性元件，由于其結構簡單、制造方便及有高的比能容量，因此在現代汽車的懸架中應用相當普遍。通過采用變節距、用變直徑的彈簧鋼絲繞制，或兩者同時采用的彈簧結構可以實現變剛度特性。

2?彈簧結構型式選擇

螺旋彈簧在其軸向載荷P作用下的變形f為：

式中：

D_m—彈簧中徑，mm;

d—彈簧鋼絲直徑，mm;

i—彈簧工作圈數;

G—彈簧材料的剪切彈性模量，取7.9×10⁴MPa。

因此彈簧剛度：

為提高車輪下跳時的接地性能，本車采用變剛度圓柱螺旋彈簧。彈簧要改變剛度，一般是通過以下三種途徑實現的：

（1）改變彈簧的絲徑與中徑;

（2）改變彈簧的節距;

（3）同時改變彈簧的絲徑、中徑與節距，即所謂的三變簧。

其原理是將彈簧看作有多個單圈彈簧串聯所組成的串聯簧組。通過改變彈簧的節距，使彈簧在壓縮過程中，先有一部分彈簧并圈，使其成為死圈，不再參與彈性變形，通過改變串聯的彈簧個數引起彈簧剛度的改變。

對于僅改變節距的彈簧來說，先是節距小的幾圈彈簧并圈，整體彈簧的剛度為折線。若改變彈簧的絲徑以及中徑，彈簧會從剛度最弱的單圈首先開始逐漸并圈，則彈簧剛度在這時開始變大，而且是圓滑過渡;同樣的情形也適用于改變中徑或者中徑和絲徑同時改變。對于三變簧來說，可以通過三個變量的組合，獲得所需的彈簧剛度。

在MAN軍用汽車中，其彈簧中徑D_m的改變是通過以下途徑實現的：僅改變彈簧的絲徑d，用來繞制彈簧的芯軸直徑D₁=D_m-d是不變的，彈簧的中徑D_m隨d變化。中徑D_m的變化量。

考慮到在車輪跳動過程中懸架剛度突然變化會影響到整車的平順性，因此本方案MAN軍車的三變簧結構型式。通過合適調節節距與絲徑，使彈簧的剛度具有較為合理的曲線。

3?懸架偏頻的選擇

理論分析證明：若汽車以較高車速駛過單個路障，前后偏頻比<1時的車身縱向角振動要比前后偏頻比>1時小。同時結合越野汽車設計經驗，初步將懸架系統的偏頻定為：

前懸架??????n₁=1.4

中后橋懸架??n₂=1.4

考慮到由此確定的各橋懸架線剛度為經驗值，因此將在以后的整車操縱穩定性和行駛平順性分析中加以驗證：

（1）如整車的操縱穩定性不能夠滿足使用要求，首先增加橫向穩定桿進行調整。若穩定桿的幾何尺寸超過了實際設計的可能，則重新調整懸架系統的前后橋偏頻;

（2）在整車的平順性仿真計算中，首先通過調整懸架系統的阻尼來優化整車的直線行駛平順性，若不能夠滿足使用要求，再調整系統的偏頻，并綜合考慮車輛的操縱穩定性以及穩定桿工程設計的可能性。

3.1?前橋螺旋彈簧的設計

懸架系統的固有頻率n （亦稱偏頻）可用下式表示：

式中：

C₁—懸架的線剛度;

m_s—懸架的簧上質量。

前橋滿載軸荷為：?m₁=7803kg

前橋非簧載質量：

前橋單邊簧載質量：

根據式（3）可得，前橋1/2懸架線剛度：

前懸架在滿載平衡位置時：

螺旋彈簧剛度初始定為251N/mm

彈簧工作載荷為P_n=31865N

3.1.1?彈簧結構設計

3.1.1.1?主圈部分結構參數

彈簧在滿載狀態時，變節距與變絲徑部分（以下簡稱小圈部分）已經并死，不參與工作，此時的彈簧剛度即為K_s。初選結構參數為：

d=38mm ?D=218mm??i=8

則滿載位置的彈簧剛度為：

為保證車輪在滿載平衡位置經常跳動的±50mm范圍內懸架系統的偏頻不發生變化，同時保證彈簧經常并圈的部分不經常的并圈和分開，所以彈簧在車輪從平衡位置到下跳h₁=40mm時，彈簧不應該并圈。此時彈簧工作載荷為：

P₁=P_n-K_sh₁=21945N ???????????????????????????（5）

考慮到車輪上跳行程為150mm，此時彈簧壓縮量為h₂=150mm。因此，彈簧最大工作載荷為：

P_s=P_n+k_sh₂=71545N ???????????????????????????（6）

3.1.1.2小圈部分結構參數

為提高車輪的接地壓力與行程，考慮到彈簧結構的工藝性，將彈簧的總圈數定為：

i₁=i+i₂=13 ???????????????????????????????????（7）

式中：i₂=5—小圈部分的圈數。

將小圈部分的圈數分配到主圈的兩端，下端部分的圈數為i_2x=3，上端部分的圈數為i_2s=3。

在小圈部分的結構設計過程中，考慮到絲徑的變化，各圈的節距應有所不同，因此需分別計算各圈的剛度，然后將各圈彈簧的串聯剛度作為小圈部分的剛度。

在計算單圈彈簧剛度時，假設簧絲直徑與中徑從起始位置到終了位置均勻過渡，將彈簧假設為若干段不同絲徑與中徑的彈簧段串聯，通過求串聯彈簧段的總體剛度，求得此圈的剛度。

將小圈參數定為：

簧絲兩端起始直徑分別為下端d_x=32mm和上端d_s= 34mm。

則下端三圈的單圈剛度分別為：

上端兩圈的單圈剛度分別為：

則彈簧未并圈時的彈簧剛度為：

當彈簧剛度從k_s1變化到k_s時，存在一個剛度過渡區域，即彈簧漸次并圈。在并圈過程中，隨著參與變形部分的減少，彈簧剛度急劇增大，彈簧變形量主要是未并圈部分。參考MAN三變簧以及前期試驗數據，過渡區域一般為h₃=15mm，并且彈簧剛度近似于線形變化。

則從剛度變化起到剛度變化終了彈簧壓力變化為：

則開始并圈時的彈簧壓力為：

則彈簧未并圈部分的行程為：h₄=140mm

彈簧小圈部分下端第1圈的節距為：

圓整為t₁=49mm。

彈簧小圈部分下端第2圈的節距為：

圓整為t₂=48mm。

彈簧小圈部分下端第3圈的節距為：

圓整為t₃=48mm。

彈簧小圈部分上端第1圈的節距為：

圓整為t₄=48mm。

彈簧小圈部分上端第2圈的節距為：

圓整為t₅=48mm。

正常工作部分的節距應為：

圓整為t₆=73mm。

螺旋彈簧端部采用兩端鍛平的結構如圖1所示。亦即在繞制彈簧之前先將鋼絲兩端鍛平，碾細部分長度在繞制后約占270°，末端厚度為鋼絲直徑的1/3左右，繞成后末端幾乎貼緊相鄰一圈彈簧。這種結構的優點是節約材料，占用垂向空間小，特別是由于兩端都平整，安裝時可以任意轉動，便于安裝調試。

則彈簧兩端的鍛平部分為i₃=0.75圈。

彈簧的自由長度為：

彈簧剛度曲線如圖2所示。

3.1.2?彈簧穩定性校核

本車彈簧的安裝方式為兩端固定式。

彈簧高徑比：b=f/D=3.89

根據彈簧設計手冊，兩端固定式彈簧當高徑比小于5.3時不需要進行穩定性校核，因此彈簧的穩定性能夠滿足使用要求。

3.1.3?彈簧的強度校核

彈簧在壓縮時其工作方式與扭桿類似，都是靠材料的剪切變形吸收能量，彈簧鋼絲表面的剪應力為：

式中：

C—彈簧指數（旋繞比），?C=D_m/d;

K'—曲度系數，為考慮簧圈曲率對強度影響的系數。

計算得：

螺旋彈簧鋼絲表面的剪應力比較復雜，在靜載狀態下，這種截面內的應力分布不均勻可以忽略不計，但在承受動載時，由于彈簧內側應力水平較高并且應力變化幅值也更大，導致螺旋彈簧的失效總是發生在內側。為了在設計時考慮內側應力的增大，引入修正系數K'。一般情況下，彈簧鋼的許用剪應力[τ]與許用拉應力[σ]成比例關系，通常情況下，可以取[τ]=0.63[σ]。

彈簧材料采用，查材料手冊可知，其抗拉強度為，則。所以彈簧強度滿足使用要求。

參考文獻

[1] 余志生.汽車理論（第4版）.北京：機械工業出版社，2006.5.

[2] 王望予.汽車設計（第4版）.北京：機械工業出版社，2004.8.