【導(dǎo)讀】人類使用車輛已有4000多年的歷史。在漫長的歷史歲月中，車輛一直由人力。或畜力驅(qū)動，直至18世紀發(fā)明了動力機械后，才出現(xiàn)了機動車。1769年法國炮兵工程師尼古拉斯.古諾把蒸汽。機裝在一輛木制的三輪車上，制成了最早的機動車。這也是最早的機動交通工具，成為古代交通運輸與近代交通運輸?shù)姆炙畮X。1885年德國工程師卡爾.奔馳（Karl. 這樣就出現(xiàn)了“汽車”。

　　

【正文】 時為了使各片應(yīng)力趨近于接近，葉片應(yīng) 采用不同的曲率半徑。當(dāng)用 U型螺栓將彈簧各片夾緊時，主片曲率半徑減小是指具有負的預(yù)應(yīng)力。在彈簧承受負荷后，主片應(yīng)力值相對減小些，使主片壽命與其他各片大致相同。 對于這種葉片厚度不同的鋼板彈簧 ,各片在自由狀態(tài)下的曲率半徑 ,是根據(jù)由這些曲率半徑所引起的預(yù)應(yīng)力應(yīng)保證各片應(yīng)有相同的疲勞強度來確定的。 鋼板彈簧各片預(yù)應(yīng)力的確定： 選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時，要求做到裝配前各片彈簧片間的間隙相差不大，且裝配后各片能很好的貼和；為保證主片及與其相鄰的長片有足夠的使用壽命，應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長片的應(yīng)力。 選取各片預(yù)應(yīng)力時， 可分為下列兩種情況：對于片厚相同的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力值不宜選取過大；對于片厚不相同的鋼板彈簧，厚片預(yù)應(yīng)力可取大些。推薦主片在根部的工作應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力疊加后的合成應(yīng)力在 300 ~ 350MPa內(nèi)選取。 1～ 4片長片疊加負的預(yù)應(yīng)力，短片疊加正的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力從長片到短片由負值逐漸遞增至正值。設(shè)計時可取第一、二片的預(yù)應(yīng)力為 80 ~ 150 MPa?? ，最后幾片的預(yù)應(yīng)力取20 ~ 60MPa 。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁 共 38 頁 在確定各片的預(yù)應(yīng)力時，理論上應(yīng)滿足各片彈簧在根部處預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩iM 之代數(shù)和等于零，即 01 01 ?? ?? ?? ini ini i WM ? （式 ） 式中 iW — 鋼板彈簧第 k 片的截面系數(shù)， 62ii bhW?； i0? — 鋼板彈簧第 i 片的預(yù)應(yīng)力； 鋼板彈簧預(yù)應(yīng)力確定： 各葉片預(yù)應(yīng)力值確定如下表： 表 彈簧各片預(yù)應(yīng)力 葉片序號 i 1 2 3 4 5 預(yù)應(yīng)力 i0? MPa 90 90 60 60 60 06 960)6060609090( 21 01 ?????????? ?? ?? ini ini i WM ? 所選預(yù)應(yīng)力符合要求。 鋼板彈簧各葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑和弧高的計算 因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率半徑不同 (圖 )，裝配后各片產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其值確定了自由狀態(tài)下的曲率半徑 kR 。各片自由狀態(tài)下做成不同曲率半徑的目的是：使各片厚度相同的鋼板彈簧裝配后能 很好地貼緊，減少主片工作應(yīng)力，使各片壽命 接近。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 38 頁 圖 鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下的曲率半徑 鋼板彈簧各片的預(yù)應(yīng)力 i0? 確定之后，可用下式計算各葉片彈簧在自由狀 態(tài)下的曲率半徑 iR ： )]()2(1[ 00 0 iii EhRRR ??? （式 ） 式中， iR 為第 i 片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑（ mm ）； oR 為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑； E 為材料彈性模量 )(MPa ，取 MPaE ?? ； ih 為第 i 片的彈簧厚度（ mm ）； mmR ? ， mmR 39。0 ? 。 各片弧高 iH 為 iii RLH 8 2? （式 ） 式中 iL — 第 i 片彈簧長度。 列表計算彈簧各葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑和弧高： 鋼板彈簧 計算見下表： 表 彈簧各葉片自由狀態(tài)下的 iR 和 iH 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 38 頁 葉片序號 曲率計算 弧高計算 ihmm i0?MPa 002 Ri? 510??1??mmN iEh 510??1??mmN iiEhR002? iR mm iLmm iH mm 1 9 90 1080 2 9 90 3 9 60 4 9 60 5 9 60 鋼板彈簧總成弧高的核算 由于鋼板彈簧葉片在自由狀態(tài)下的曲率半徑 iR 是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力 i0? 后用式)]()2(1[ 00 0 iii EhRRR ???計算的，受其影 響，裝配后鋼板彈簧總成的弧高與用式)8( 020 HLR ? 計算的結(jié)果會不同。因此，需要核算鋼板彈簧總成的弧高。 根據(jù)最小勢能原理，鋼板彈簧總成的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是各片勢能總和最小狀態(tài)，可得計算公式： ?????niiiiniiiLJRLJR110)(1 （式 ） 對于葉片厚度相等的彈簧，則 ?????ni ini ii LRLR 110 )(1 （式 ） 鋼板彈簧總成弧高為： )8( 02 RLH ? （式 ） 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 38 頁 按上式求出的弧高值應(yīng)與按式 。如相差較多，則應(yīng)調(diào)整各片預(yù)應(yīng)力重新進行計算。 鋼板彈簧總成弧高核算： 計算見下表： 表 彈簧總成弧高核算 葉片序號 ihmm iLmm iJ 4mm iR mm iiLJ 510?5mm iii RLJ410? 4mm 01R410?? 1mm? 0R mm Hmm 1 9 1080 2 9 3 9 4 9 5 9 ∑ 以上所計算出的實際弧高與按式 ，所以彈簧各片所選的預(yù)應(yīng)力值合適。 鋼板彈簧各片的應(yīng)力驗算 鋼板彈簧在實際工作時的應(yīng)力值應(yīng)為彈簧各葉片的預(yù)應(yīng)力與工作時外載荷對其施加的作用力共同產(chǎn)生的。計算公式為： icii ??? ?? 0 （式 ） 式中 i0? — 預(yù)應(yīng)力； icici WM?? ； 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁 共 38 頁 ??? nii iicci JJMM ； 4)( ksLpM wc ?? 。 62bhW? 鋼板彈簧 mmNksLPM wc ???? 8 4 4 1 5 54)( 計算見下表： 表 鋼板彈簧各片應(yīng)力驗算 葉 片 序 號 慣性矩iJ 4mm 截面系數(shù)iW 3mm ??ni iJ14mm 分配到各葉片的彎矩icM Nmm? ci?MPa 預(yù)應(yīng)力i0?MPa 實際應(yīng)力 i? MPa 1 810 281385 90 2 810 225108 90 3 810 168831 60 4 810 112554 60 5 810 56277 60 其中葉片的最大應(yīng)力為 ，彈簧葉片的材料為 60Si2MnA,其許用拉應(yīng)力為 [ ] 950MPa? ? 。比較實際計算應(yīng)力與許用應(yīng)力 ][ a x ?? ?? M P aM P a ? 所以，鋼板彈簧各片強度符合實際要求。 葉片端部形狀的選擇 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 共 38 頁 常見的葉片端部形狀有三種：矩形、梯形、橢圓形（圖 ）。 圖 鋼板彈簧 葉片端部形狀 葉片端部為矩形的鋼板彈簧（圖 ），由于制造簡單，廣泛地用在貨車上。但是這種端部形 狀會引起壓應(yīng)力的集中，因而增加了片間的摩擦和磨損，且端部剛性大，很難使彈簧接近等應(yīng)力梁。所以它的實際重量比理論上所需的大。 葉片端部切去兩角呈梯形狀（圖 ）的鋼板彈簧比較接近等應(yīng)力梁，在某種程度上克服了端部為矩形的缺點。 圖 ，并且將葉片端部壓延成沿長度方向逐漸減薄的變斷面，改善了應(yīng)力延彈簧長度的分布，使其更接近等應(yīng)力梁。增加了端部的彈性，減小了片間的摩擦，同時也減輕了重量。實踐證明，葉片端部壓延的鋼板彈簧叫端部未壓延的可減輕重量約 30%。這種端部形狀的彈簧在國外已廣泛采用 。 為了減小鋼板彈簧葉片端部的摩擦和接觸疲勞，以便延長彈簧的使用壽命和消除噪聲，有時在葉片端部裝有襯墊和鑲快（其材料是摩擦系數(shù)很小的青銅、塑料等）。有的采用鋼板彈簧套將鋼板彈簧裝在護套內(nèi)，以保護葉片之間的潤滑劑。還有將葉片端部帶尖角的一邊向下或?qū)⒍瞬肯蛳戮韽?，以減少片間的局部壓力和減輕片間的磨損 [8]。 綜合考慮 ,在此選取矩形作為鋼板彈簧端部形狀。 鋼板彈簧兩端與車架的連接 目前用鋼板彈簧與車架連接的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：吊耳支撐式、滑板支撐式及橡膠塊支撐式。吊耳支撐式即用鉸鏈和吊耳將鋼板彈簧兩端 固定在車架上的結(jié)構(gòu)形式，這種連接方式廣泛的應(yīng)用在汽車上。目前有些汽車采用滑板結(jié)構(gòu)來代替吊耳的連接方法，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、制造工藝簡單、拆卸方便，減少中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 32 頁 共 38 頁 了潤滑點及減小了主片附加應(yīng)力，延長了彈簧壽命。橡膠塊支撐彈簧兩端裝在橡膠座內(nèi)，通過橡膠座將力傳給傳給車架。這種連接形式改善了主片的受力情況，提高了主片的強度；由于橡膠塊具有較大撓性，可以減小主片的扭曲應(yīng)力。同時減少了潤滑點和噪聲。它的缺點是消耗優(yōu)質(zhì)橡膠多，相較易老化，壽命較吊耳及滑板結(jié)構(gòu)短 [19]。 選取吊耳支撐式為本次設(shè)計的鋼板彈簧支撐方式。 鋼板彈簧彈簧銷和卷耳的設(shè)計 鋼板彈簧主片端部制成卷耳以便安裝彈簧銷和用以與托架或吊耳連接。常見的卷耳根據(jù)卷耳軸線相對于主簧的位置分為：平卷耳、上卷耳。平卷耳其優(yōu)點是可以減小卷耳內(nèi)的應(yīng)力，但制造工藝性較差。上卷耳是目前廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，制造工藝性好，但卷耳內(nèi)的應(yīng)力較平卷耳大。 在汽車載荷較大或使用條件惡劣的情況下，鋼板彈簧主片卷耳需要得到加強，將第二、三葉片端部制成加強卷耳 (即包耳 )或采用鍛造的卷耳。為使葉片變形時不發(fā)生干涉，卷耳與包耳之間要有一定的間隙或帶包耳的葉片做成中間斷開的。鍛造的卷耳可用螺 栓固定或焊接在主片上。這種卷耳強度高、耐用，但制造成本高，采用的較少。 鋼板彈簧卷耳內(nèi)的襯套，通常用金屬、橡膠或塑料三種材料制造。目前國內(nèi)外汽車上廣泛地采用塑料襯套 ,因為它具有耐磨、耐蝕、減摩、不需潤滑、重量輕等優(yōu)點。常用的塑料襯套材料為尼龍 1010，聚甲醛等。 綜合考慮，選取上卷耳為卷耳形式強度。因貨車載重相對較大，在彈簧銷與襯套間設(shè)置金屬套筒，同時將聚甲醛作為襯套的制作材料。 彈簧銷的設(shè)計 對鋼板彈簧銷，當(dāng)鋼板彈簧承受靜載荷時它受到擠壓應(yīng)力： )/(bdFsz ?? （式 ） 其中， sF 為滿載靜止時鋼板彈簧端部的載荷； b 為卷耳處葉片寬度； d 為鋼板彈簧銷直徑。 用 30或 40鋼經(jīng)液體碳氮共滲處理時，彈簧銷擠壓應(yīng)力 ][z? 取為 MPa4~3 ；用20鋼或 20Cr鋼經(jīng)滲碳處理或用 45鋼經(jīng)高頻淬火后，許用應(yīng)力 MPaz 9~7][ ?? 。 則 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 33 頁 共 38 頁 3 3 3 0 1 .5 1 0 .4 0 6[ ] 6 0 8sFSd m mb ? ?? ? ?? 其中， S 為安全系數(shù)，對于材料均勻的軸 ~?S ，在此選取 ?S 。對數(shù)據(jù)進行圓整，取 11d mm? 。 卷耳尺寸的確定 卷耳處所受應(yīng)力 如圖 示，其所受應(yīng)力 ? 是由彎曲應(yīng)力和拉壓合成的應(yīng)力。 圖 鋼板彈簧主片卷耳受力圖 )()()](3[ 1211 bhFbhhDF xx ???? （式 ） 則： 12113 )]()(][[ hF bhbhFD xx ??? ? （式 ） ??GmFP bx 2?? （ 式 ） 式中， xF 為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力； D 為卷耳內(nèi)徑； b 為鋼板彈簧寬度； 1h 為主片厚度。許用應(yīng)力 ][? 取為 MPa350 。 式中， bF 為制動時地面對后軸車輪的道路阻力； ?G 為作用在車輪上的載荷； ?為道路附著系數(shù)，計算時通常取 ?? ； 2m 為后軸對于后軸驅(qū)動的汽