1、2023年1月28日星期六汽车用螺旋弹簧设计汽车用螺旋弹簧设计汽车常用弹簧汽车常用弹簧1.1.圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧 悬架弹簧、气门弹簧等。悬架弹簧、气门弹簧等。2.2.圆柱螺旋拉伸弹簧圆柱螺旋拉伸弹簧 各种拉簧各种拉簧3.3.圆柱螺旋扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧 离合器踏板扭簧，变速手柄扭簧等离合器踏板扭簧，变速手柄扭簧等4.4.圆锥螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧 自由舰后悬架截锥螺旋弹簧等自由舰后悬架截锥螺旋弹簧等5.5.扭杆弹簧扭杆弹簧 行李箱盖扭簧行李箱盖扭簧最常用的圆柱螺旋压缩弹簧最常用的圆柱螺旋压缩弹簧符号：符号：n 弹簧有效圈数弹簧有效圈数 D 弹簧中径弹簧中径 mm d 弹簧钢丝直
2、径弹簧钢丝直径 mm G 弹簧材料的切边模量弹簧材料的切边模量 (冷卷制）冷卷制）（热卷制）（热卷制）C 旋绕比旋绕比 K 应力修正系数应力修正系数 t 弹簧节距弹簧节距 mm F1 弹簧安装时的予加载荷弹簧安装时的予加载荷 N Ip 材料截面极惯性矩材料截面极惯性矩 ，圆形截面为圆形截面为圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式圆柱螺旋压缩弹簧的计算公式1.载荷载荷 F 与变形与变形 f 的简化计算式：的简化计算式：mm2.载荷与应力的计算式：载荷与应力的计算式：3.3.弹簧刚度弹簧刚度k N/mmk N/mm4.4.工作圈数工作圈数n n 5.旋绕比旋绕比 C=D/d 可采用下表的推荐值：可采用下表的推
3、荐值：表表1d(mm)0.2-0.40.5-11.1-2.22.5-67-1618-50C=D/d7-145-125-104-94-84-6弹簧节距弹簧节距t与自由高度与自由高度H0H0和和t可参照下表可参照下表2：总圈数总圈数n1节距节距t端部形式端部形式n+1.5两端圈磨平两端圈磨平n+2n+2.5n+2两端圈不磨两端圈不磨n+2.5压缩弹簧自由高度压缩弹簧自由高度H H0 0可参照表可参照表3计算：计算：总圈数总圈数n1自有高度自有高度H0端部形式端部形式n+1.5nt+d两端圈磨平两端圈磨平n+2nt+1.5dn+2.5nt+2dn+2nt+3d两端圈不磨两端圈不磨n+2.5nt+3.
4、5d压缩弹簧的典型图样压缩弹簧的典型图样以下两种表达方式皆可：以下两种表达方式皆可：弹簧技术要求含：弹簧技术要求含：1.总圈数总圈数 2.工作圈数工作圈数 3.绕制方向绕制方向 4.表面处理表面处理 5.制造技术条件制造技术条件 6.设计计算参数设计计算参数 螺旋弹簧（压缩、拉伸）的许用应力螺旋弹簧（压缩、拉伸）的许用应力许用应力按所受载荷类型可分三类：许用应力按所受载荷类型可分三类：1.类载荷：交变载荷次数在 以上 的弹簧。2.类载荷：交变载荷次数在 次 范围内的载荷，以及冲击载荷等弹簧。3.类载荷：受静载荷以及交变载荷次数在 次以下的载荷等。冷拔材料的许用剪切应力冷拔材料的许用剪切应力（M
5、Pa）注：不适用于直径小于注：不适用于直径小于 表表4 1mm的钢丝的钢丝钢丝类型油淬火回火钢丝碳素钢丝或琴钢丝不锈钢丝许用剪许用剪应力应力类0.55 b0.50b0.40b类（0.40 0.47）b（0.38 0.45）b（0.30 0.35）b类（0.35 0.40）b（0.30 0.38）b（0.25 0.30）b具体冷拔材料的许用剪切应力具体冷拔材料的许用剪切应力（MPa）注：不适用于直径小于注：不适用于直径小于 表表5 1mm的钢丝的钢丝材料65Mn55Si2Mn;55Si2MnB;60Si2Mn;60Si2MnA;50CrVA不锈钢丝许用剪许用剪应力应力类570740710类455
6、590570类340445430选取许用应力的原则选取许用应力的原则1.对于行驶安全有重大影响的弹簧，许用剪切应力对于行驶安全有重大影响的弹簧，许用剪切应力应适当降低。应适当降低。2.当弹簧的实际剪切应力大于许用应力而又无法通当弹簧的实际剪切应力大于许用应力而又无法通过调整弹簧设计参数来降低时，则可考虑采用强过调整弹簧设计参数来降低时，则可考虑采用强压处理或喷丸处理等工艺措施来实现。压处理或喷丸处理等工艺措施来实现。弹簧强压处理和喷完处理弹簧强压处理和喷完处理1.强压处理：强压处理：压缩型（拉伸型）螺旋弹簧表面承受剪切应力压缩型（拉伸型）螺旋弹簧表面承受剪切应力,越往中心去剪切应力越小，心部为
7、零。如果弹越往中心去剪切应力越小，心部为零。如果弹簧中的剩余应力与工作应力方向相反时，则可簧中的剩余应力与工作应力方向相反时，则可提高弹簧的承载能力和疲劳寿命。提高弹簧的承载能力和疲劳寿命。强压处理是将弹簧压至材料层的应力超过屈服强压处理是将弹簧压至材料层的应力超过屈服点，使表面产生负剩余应力。点，使表面产生负剩余应力。但是，经强压处理后弹簧的自由高度会缩短，但是，经强压处理后弹簧的自由高度会缩短，制造中应予以考量。制造中应予以考量。“强压处理强压处理”与与“立定处理立定处理”的区别在于前者将弹簧的区别在于前者将弹簧压缩到材料的屈服极限，而后者仅压缩到工作极压缩到材料的屈服极限，而后者仅压缩到
8、工作极限高度或并圈高度数次。限高度或并圈高度数次。如果强化处理得当，在同样的工作条件下，弹簧如果强化处理得当，在同样的工作条件下，弹簧的疲劳寿命可以提高的疲劳寿命可以提高5-35%左右。强化处理仅适左右。强化处理仅适用于重要弹簧，譬如气门弹簧、悬架弹簧等，对用于重要弹簧，譬如气门弹簧、悬架弹簧等，对于一般弹簧则大可不必进行。于一般弹簧则大可不必进行。2.2.弹簧的喷丸处理：弹簧的喷丸处理：不要将普通另件的喷砂处理误认为喷外处不要将普通另件的喷砂处理误认为喷外处理。前者是清理工艺而后者是强化处理工理。前者是清理工艺而后者是强化处理工艺，它是提高弹簧疲劳寿命的最有效方法艺，它是提高弹簧疲劳寿命的最
9、有效方法之一。之一。喷丸处理是将细钢丝切成微段（譬如喷丸处理是将细钢丝切成微段（譬如0.5-1mm0.5-1mm的等长颗粒）以高速（例如的等长颗粒）以高速（例如1212米米/秒秒)击打弹簧的表面层，使其发生塑性变击打弹簧的表面层，使其发生塑性变形，从而形成一定厚度的表面强化层。形，从而形成一定厚度的表面强化层。强化层内形成了较高的剩余压应力，由此强化层内形成了较高的剩余压应力，由此可以抵消一部分弹簧受交变载荷后所产生可以抵消一部分弹簧受交变载荷后所产生的部分最大拉应力，从而提高了弹簧的疲的部分最大拉应力，从而提高了弹簧的疲劳强度。劳强度。除此之外，喷丸处理还可消除弹簧表面的除此之外，喷丸处理还
10、可消除弹簧表面的疵点、脱碳（严重降低弹簧的疲劳强度）疵点、脱碳（严重降低弹簧的疲劳强度）和微小缺陷，从而消除或减少了疲劳源。和微小缺陷，从而消除或减少了疲劳源。应当指出，喷丸后的弹簧长度会变短，制应当指出，喷丸后的弹簧长度会变短，制定工艺时应予以考虑。喷丸处理和强化处定工艺时应予以考虑。喷丸处理和强化处理可同时在重要弹簧上采用，譬如悬架弹理可同时在重要弹簧上采用，譬如悬架弹簧。簧。弹簧的表面处理弹簧的表面处理1.1.弹簧的金属保护层：弹簧的金属保护层：镀锌处理：锌在干燥空气中较安定，不变化。在镀锌处理：锌在干燥空气中较安定，不变化。在潮湿空气中会产生一层氧化锌白色薄膜，它可阻潮湿空气中会产生一
11、层氧化锌白色薄膜，它可阻止弹簧继续遭受腐蚀，可用于弹簧在一般大气条止弹簧继续遭受腐蚀，可用于弹簧在一般大气条件下防腐。凡是与硫酸、盐酸和苛性钠相接触的件下防腐。凡是与硫酸、盐酸和苛性钠相接触的弹簧则不宜用镀锌处理。弹簧则不宜用镀锌处理。镀锌后的弹簧还可经钝化处理，藉以进一步提高镀锌后的弹簧还可经钝化处理，藉以进一步提高保护性能和增加美观。保护性能和增加美观。镀锌层厚一般在镀锌层厚一般在6-246-24微米范围内选取。微米范围内选取。2.弹簧的化学保护层弹簧的化学保护层 2-1.2-1.氧化处理：亦称发黑处理。表面产生一层磁氧化处理：亦称发黑处理。表面产生一层磁性氧化铁膜，厚度约为性氧化铁膜，厚
12、度约为0.6-20.6-2微米。该氧化膜薄且微米。该氧化膜薄且有气孔，其防护能力较差，仅适用于腐蚀性不强有气孔，其防护能力较差，仅适用于腐蚀性不强的介质中的弹簧。氧化处理成本低，生产率高，的介质中的弹簧。氧化处理成本低，生产率高，广泛地利用于普通弹簧上。广泛地利用于普通弹簧上。2-3.2-3.磷化处理：将弹簧置入含有锰、铁、磷的磷磷化处理：将弹簧置入含有锰、铁、磷的磷酸盐中，使弹簧表面产生一层不溶于水的磷酸盐酸盐中，使弹簧表面产生一层不溶于水的磷酸盐薄膜的方法叫做磷化。膜厚约薄膜的方法叫做磷化。膜厚约5-205-20微米，其抗腐微米，其抗腐蚀能力是氧化处理的蚀能力是氧化处理的2-102-10倍
13、。与镀锌处理一样，倍。与镀锌处理一样，在弹簧酸洗后磷化过程中，会产生大量的氢气使在弹簧酸洗后磷化过程中，会产生大量的氢气使弹簧产生氢脆，因此需要去氢处理。弹簧产生氢脆，因此需要去氢处理。弹簧的热处理弹簧的热处理热处理工艺取决于材料的品种和加工状态热处理工艺取决于材料的品种和加工状态。1.第一种类型：经过强化处理的钢丝，如碳素弹簧钢丝琴钢丝、油淬回火弹簧钢丝和钢带，它们以冷成形工艺制作成弹簧，成形后只需进行去应力退火处理。2.第二种类型：凡是用热成型和已退火材料冷卷的弹簧，均需进行淬火回火处理。弹簧硬度：65Mn HRc46-48;HRc52-54.60Si2MnA HRc46-48 HRc52
14、-54;50CrVA HRc46-48 HRc52-54圆柱螺旋扭转弹簧圆柱螺旋扭转弹簧扭簧的结构型式：扭簧的结构型式：扭簧设计参数扭簧设计参数1.扭簧钢丝直径扭簧钢丝直径 d mm2.扭簧圈中径扭簧圈中径D mm D1 内径内径 mm D2 外径外径 mm3.旋绕比旋绕比 C=D/d 可按表可按表14.扭簧的试验扭矩扭簧的试验扭矩T Nm 弯曲应力弯曲应力 N/m 5.扭转角扭转角（rad)E 弹簧材料的弹性模量（弹簧材料的弹性模量（MPa)I 弹簧材料截面惯性矩弹簧材料截面惯性矩 6.弹簧圈内侧的的最大应力弹簧圈内侧的的最大应力 Zm 弹簧材料的抗弯截面系数弹簧材料的抗弯截面系数 圆形截面
15、圆形截面 7.7.扭簧刚度扭簧刚度 K K N-mm/(N-mm/()8.工作圈数工作圈数 n 截锥螺旋弹簧截锥螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧圆锥螺旋弹簧 截锥螺旋弹簧的刚度特性是非线性的，圆截锥螺旋弹簧的刚度特性是非线性的，圆锥角锥角越大，弹簧刚度变化越大，自振频率越大，弹簧刚度变化越大，自振频率的变化越高，对于消除或缓和共振越有利。的变化越高，对于消除或缓和共振越有利。所以自由舰后悬架弹簧就采用锥形弹簧。所以自由舰后悬架弹簧就采用锥形弹簧。然而锥角然而锥角越大，材料利用率越低，大到一越大，材料利用率越低，大到一定程度时，弹簧可能发生自锁而不能回弹。定程度时，弹簧可能发生自锁而不能回弹。截锥螺旋弹簧的
16、计算截锥螺旋弹簧的计算1.1.弹簧有效工作圈数弹簧有效工作圈数n 2.2.弹簧压并圈时的节距弹簧压并圈时的节距 t mm t mm 3.3.弹簧螺旋角弹簧螺旋角度度 4.4.弹簧有效工作圈的自由高度弹簧有效工作圈的自由高度 H Ho mmo mm H Ho o=n(R2+R1)5.任意弹簧圈任意弹簧圈 i 的半径的半径Ri6.从大端工作圈到弹簧圈从大端工作圈到弹簧圈i的钱高度的钱高度 Hi 7.弹簧在变形弹簧在变形Hi时的载荷计时的载荷计Fi (N)8.8.弹簧在弹簧在Hi时的变形时的变形 fi9.弹簧剪切应力弹簧剪切应力计算计算 扭杆弹簧扭杆弹簧 扭杆在汽车构造上应用较广泛，例如扭杆在汽车构
17、造上应用较广泛，例如:扭杆式悬扭杆式悬架、行李箱盖扭簧、动力转向转阀扭杆等。架、行李箱盖扭簧、动力转向转阀扭杆等。1.1.扭矩扭矩T T（NmNm）2.2.角刚度角刚度k k（Nm/rad)Nm/rad)3.3.载荷载荷F (N)F (N)系数系数C C1 1和和C C2 2分别参看以下相应曲线图。分别参看以下相应曲线图。4.静变形静变形fs (mm)系数系数C3也可查右曲线图而得。也可查右曲线图而得。扭杆的扭角和应力计算扭杆的扭角和应力计算常用扭杆材料的截面时圆形的。常用扭杆材料的截面时圆形的。扭杆直径扭杆直径 d mm有效长度有效长度 L mm力臂长度力臂长度 R mm则：极惯性矩则：极惯性矩 1.扭转剪切应力扭转剪切应力2.扭角扭角 3.扭转角刚度扭转角刚度 k (Nmm/rad)其它形状截面的扭杆计算参见表格其它形状截面的扭杆计算参见表格6.
