汽车悬架系统弹簧刚度的优化设计复习课程.doc

汽车悬架系统弹簧刚度的优化设计精品文档 湖北文理学院 毕业设计（论文）论文（设计）题目汽车悬架系统弹簧刚度的优化设计学 院专业班级 姓 名 学 号 指导教师 2015年5月27日收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 摘 要汽车悬架弹簧是汽车底盘的关键零件之一，它关系着汽车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性。因此，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。汽车悬架弹簧是轿车底盘减震系统中的重要功能性零件，主要作用是吸收振动保证乘员的舒适性。从技术层面分析，它还起着维持轮胎与地面贴合，保证车辆操纵性的功能。目前，除了少数顶级豪华车使用主动悬架之外，大部分轿车的减震系统都是由螺旋悬架弹簧与减震器组合而成。螺旋弹簧作为汽车悬架系统的重要零件，对汽车的运行性能有着重要的影响。汽车悬架弹簧是汽车底盘的关键零件之一，它关系着汽车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性。因此，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。本文通过汽车悬架系统的弹簧刚度进行设计，使系统的固有频率满足设计要求，来说明如何进行振动系统参数的优化设计。采用理论法、有限元分析法进行了综合研究，以期获得螺旋弹簧合理的设计方法，提高螺旋弹簧的刚度。关键词：汽车；悬架弹簧；理论法；螺旋弹簧AbstractAutomobile suspension spring is one of the key parts of automobile chassis, its relationship with the car, ride comfort and safety of car body adaptability to complex pavement. Therefore, a good car suspension spring is one of the key factors of security car running performance.The automobile suspension spring is an important functional parts, car chassis suspension system main function is to absorb vibration ensure occupant comfort. From the technical analysis, it also plays a maintain tire and ground joint, ensure the vehicles maneuvering function. Helical spring as an important parts of the automobile suspension system, the running performance of the car has an important influence. In recent years, the domestic and external theoretical research and technology of the helical spring technology has great development. With the development of science and technology and the improvement of the engineering application requirements, a new type of spring also appear constantly. Automobile suspension spring is one of the key parts of automobile chassis, its relationship with the car, ride comfort and safety of car body adaptability to complex pavement. Therefore, a good car suspension spring is one of the key factors of security car running performance.This article is designed by automotive suspension spring rate of the system, so that the natural frequency of the system to meet the design requirements, to explain how to optimize the design parameters of the vibration system. Theoretical method, finite element analysis conducted a comprehensive study in order to obtain a coil spring rational design methods to improve the rigidity of the coil spring.Key words： automobile; Suspension spring; Theory method; Helical spring目 录摘 要IAbstractII第 1 章 绪 论11.1 本课题研究的背景11.2 研究的意义及研究现状与发展趋势21.2.1 悬架弹簧的研究意义21.2.3 悬架弹簧的未来发展趋势31.3 本文研究的主要任务4第2章 汽车悬架弹簧的基本特性及分析52.1 汽车悬架弹簧的基本作用与分类52.1.1 悬架的分类62.1.2 汽车悬架弹簧的作用72.2 汽车悬架弹簧的基本性能与材料102.2.1 悬架弹簧的特性线102.2.2 弹簧的变形能力112.2.3 弹簧的固有频率122.3 汽车悬架弹簧的材料及其特性分析132.3.1 汽车悬架弹簧的种类和特点132.3.2 车用悬架弹簧的生产工艺142.4 悬架弹簧的疲劳强度152.4.1 变应力的类型和特性152.4.2 弹簧疲劳曲线162.4.3 影响弹簧疲劳强度的因素172.5 本章总结17第3章 汽车悬架系统弹簧的分析183.1 悬架弹簧的理论计算183.1.1 受到轴向载荷时，悬架弹簧截面的受力分析183.1.2 受到截面载荷作用时，悬架弹簧的应力分析183.1.3 受到轴向载荷的作用时，悬架弹簧斜截面的分析203.2 本章总结21第4章 汽车悬架弹簧刚度的优化设计234.1 弹簧悬架受力分析234.2 悬架系统的固有频率244.3 悬架弹簧刚度优化264.4 本章总结28第5章 总结与展望295.1 工作总结295.2 未来展望29参考文献30致 谢32第 1 章 绪 论1.1 本课题研究的背景中国进入WTO以来，伴随着与国际市场的更进一步融合，中国的经济得到飞速发展并在全球经济发展中有着举足轻重的地位，国家中长期科学和技术发展规划纲要指出，交通运输是我国国民经济的命脉。当前，我国交通运输的基础设施仍处于加速成型阶段，其总数量不足、规划不合理、运输服务水平不高仍是目前及以后一段时期的主要矛盾，确保交通运输的飞速发展是“十二五”期间的主要战略任务，全面建设小康社会的战略目标对交通运输业的发展中建设提出更高要求，交通科技面临着重大的战略需求。汽车是当前数量最多、应用最广、运输量最大的现代化陆地交通工具。据2012年公路水路交通行业发展统计公报显示，目前全国公路营运汽车数量有1339.89万辆，比2011年增长了6.0%，其中载货汽车占有1253.9万辆、货运量为8062.14万吨位，同比上年末分别增长6.3%和11.0%，占总营运汽车的93% ；截止到2012年12月，我国当前的公路总里程数己经达到了423.75万公里，同比2011年增加了13.11万公里。公路分布密度为44.14公里/百平方公里，同比2011年提高了1.37公里/百平方公里(图1-1)。其中，对物流运输业产生了极大影响的高速公路的里程数也达到了9.62万公里，同比2011年增加1.13万公里，位居世界第二，仅次于美国。同时，交通科技的快速发展也促进了汽车领域内新兴技术的快速革新。因此，汽车整车轻量化、集成化和节能减排技术等都得到了兴旺的发展。图1-1 2008-2012年全国公路总里程数及公路密度数悬架弹簧在汽车行驶过程中，需要承受高频往复的压缩运动，有着缓冲、减振的作用，它质量的好坏对车辆稳定性、安全性有着关键性的作用。乘用车对悬架弹簧的性能要求比较高，需要具有噪声低、振动小、弹性好、稳定性好、舒适度高等特性；商用车（重型及超重型载货车）则需要高强度的悬架弹簧。当今，悬架弹簧的研发趋势总体上为轻量化（高应力）、高可靠性。因此，悬架弹簧应力要求为大于1100MPa，高的需达到1200MPa。 1.2 研究的意义及研究现状与发展趋势1.2.1 悬架弹簧的研究意义因为悬架弹簧类的产品并不是最终产品，是从属于其它产品中的零部件，所以其对主机厂的依赖性很大。过去一般是主机厂负责悬架弹簧设计，弹簧企业按图加工。而现在的主机厂一般需要与零部件配套厂家一同参与悬架弹簧的设计和开发。然而，成套新产品开发速度较慢，同时缺乏系统管理及理论上的支持，所以国内对新产品的开发和研究十分滞后，例如空气悬架弹簧等。目前，广泛应用的弹簧变应力和弹簧变形的计算公式是根据材料力学基础上推导出来的，如果没有一定的实际经验，很难设计和制造出较高精度的弹簧。伴随着设计应力能力的提高，过去的很多经验已不适用。为此，必须采用更加精密的解析技术，而目前应用较广的分析方法是有限元法(FEM)。有限元法可以详细分析预测弹簧变应力对其疲劳寿命和永久变形的影响，而且可以准确反映出材料对其疲劳寿命和永久变形的关系。1.2.2 悬架弹簧的研究现状弹簧是一种能量储放的弹性元件，在我国古代，弓和弩就是弹簧性能的典型应用。而严格意义上提出弹簧概念的则是英国科学家虎克。在虎克时代，弹簧己经被广泛应用，但是人们完整认识弹簧还是因为“虎克定理”的出现，“虎克定理”表明弹簧的伸长量与其承受载荷的大小成正比的应力与变形之间的对应关系。弹簧逐渐的从概念变成现实，从理论走向工程，并被广泛运用于生活、生产和工程的各个领域1。在设计中弹簧材料的选择根据生产企业的不同，采用弹簧材料的技术标准、元素含量、材料型号也并不同2，如图1-2所示。图1-2 悬架弹簧国内品牌及其化学成分 wt%汽车悬架是车身与车轴之间连接的传力机构，也是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，悬架作为重要部件被列入汽车的技术规格表，并作为衡量轿车质量的指标之一。汽车悬架包括弹性元件、减震器和传力装置三部分，它们分别起到缓冲、减震和传递力的作用。弹性元件便是弹簧，其承受垂直载荷，具有缓和及抑制不平路面对车体的冲击，同时具有占用空间小，质量小，结构简单和无需润滑的优点。所以，悬架弹簧作为关键部件，如何提高其性能和质量成为该领域重点研究的内容之一。1.2.3 悬架弹簧的未来发展趋势空气悬架弹簧空气悬架弹簧是一种使用在高档客车和拖车上的悬架系统中的弹簧，是当前汽车钢板弹簧的替代品。它具有降低噪音，提高车辆的平稳性与舒适性。未来国外客车中100%、拖车中100%、重型载重车中85%都采用空气悬架弹簧3。伴随着道路路面的改善，国内消费水平的逐渐提高，国内客车产品的档次逐级上升，空气悬架弹簧慢慢被市场接受。目前，悬架弹簧正朝向着轻量化、高应力化方向发展，由弹簧组成的机械装置正慢慢被由气动装置取代，悬架弹簧行业应当关注这方面的变化，提高自身综合开发能力，来适应市场的需求和变化。变截面悬架弹簧变截面悬架弹簧，从轻量化、缩小空间、提高舒适度和改善弹簧应力分布来考虑，比圆截面弹簧更加合理。但是这类弹簧材料价格较高，制造工艺复杂，弹簧生产成本要远高于圆截面弹簧。1.3 本文研究的主要任务在本文设计中，对悬架系统弹簧刚度进行优化设计，目前汽车上运用的主要为螺旋弹簧，因此以它为实验对象。以汲取前人的设计经验为基础，运用有限元法(FEM)进行设计和分析。目前来说，其广泛应用的弹簧应力及其变形的计算公式是在材料力学的基础上推导出来的，假使没有一定的实际经验，很难设计和制造出较高精度的弹簧来的。因此，本文首先阐述悬架弹簧的发展前景，分析其结构及历史进程，通过设计分析使得弹簧的固有频率能够满足设计要求，从而说明如何进行悬架系统弹簧的参数优化，使其刚度能更好的满足要求，进而满足汽车的轻量化、集成化和节能减排技术等要求。本论文第一章介绍了汽车悬架系统弹簧的一些基本知识和发展趋势、状况及研究意义；第二章介绍了弹簧的基本特性并对其分析与研究综述；第三章则主要说明汽车悬架系统弹簧应力分析；第四章就对汽车悬架系统弹簧进行优化设计，论文最后再做出总结与展望。第2章 汽车悬架弹簧的基本特性及分析2.1 汽车悬架弹簧的基本作用与分类悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，悬架的主要作用是传递作用在车身与车轴之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，并衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆自身的动载荷。悬架基本功用：对不平整路面所造成的汽车行驶中的各种颤动、摇摆和震动等，与轮胎一起，予以吸收和减缓。从而保障乘客和货物的安全，并提高驾驶稳定性。将路面与车轮之间的磨擦所产生的驱动力和制动力，传输至底盘和车身。支承车桥上的车身，并使车身与车轮之间保持适当的几何关系。典型的汽车悬架结构由弹性元件、减震器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲，减振和传递力的作用。绝大多数悬架具有螺旋弹簧和减振器结构。悬架的组成（图2-1）图2-1 悬架的组成悬架一般有弹性元件、导向装置、减振器和横向稳定杆组成。其中的弹性元件用来承受并传递垂直载荷、缓和不平路面、紧急制动、加速和转弯引起的冲击或车身位置的变化。常见的弹性元件包括螺旋弹簧、油气弹簧、扭杆弹簧、钢板弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。现代轿车常用的弹簧一般为螺旋弹簧，高级轿车有些也选择采用空气弹簧，一般的货车考虑其经济性以及结构简便采用钢板弹簧，大型客车较多的采用空气弹簧。2.1.1 悬架的分类1）按照控制形式不同，悬架可分为被动式悬架和主动式悬架两大类。目前多数汽车上采用被动式悬架。被动式悬架的定义是，汽车状态只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性元件、导向装置以及减振器这些机械零件。主动悬架可以根据路面和行驶工况自动调整悬架的刚度和阻尼，从而使车辆能主动地控制垂直动及其车身或车架的姿态。2）按悬架系统结构不同，分为非独立悬架和独立悬架(图2-2)。非独立悬架因其结构简单，工作可靠，被广泛应用于货车的前、后悬。非独立悬架的特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，车轮连同车桥一起通过弹性元件悬架在车架或车身上一侧车轮受到冲击时会直接影响到另一侧车轮。非独立悬架由于簧载质量比较大，特别是汽车高速行使，悬架受到较大的冲击载荷时，汽车平顺性较差。图2-2 非独立悬架和独立悬架 独立悬架采用断开式车桥，两侧车轮分别通过独立悬架与车架或车身相连，每侧车轮可单独运动，互不干扰。轿车和载质量在 1000kg 以下的货车的转向轮广泛采用独立悬架，这样可以满足行使平顺性，操纵稳定性等方面的要求。但是，独立悬架结构复杂，制造成本高，维修不方便。独立悬架中的弹性元件使用的是螺旋弹簧和扭杆弹簧，钢板弹簧，其它形式的弹簧很少使用。目前采用较多的是不等长双臂式、滑柱连杆式和斜置单臂式。具体差异见表2-1；表2-1独立悬架与非独立悬架对照表2.1.2 汽车悬架弹簧的作用悬架弹簧是配合汽车悬架使用的弹性元件，主要功能是利用悬架弹簧在受力加载时可以吸收能量，产生很大变形，从而达到蓄能的目的，当卸载后，弹簧能够利用材料自身的弹性特性又能够恢复到原来的形状。因此它具备以下作用：1、复原作用。悬架弹簧在减震器的配合下，能够把轮与车体之间通过承载、刹车和转弯等情况下，改变变形和自动复原状态的自然模式从而达到复原作用。2、定位作用。利用与减震器的装配关系可以定位汽车承载状态下的行程。3、缓冲和减震作用。因为弹簧具有受到冲击载荷后吸收能量的作用。因此，能起到缓冲车身撞击的作用 ，同时还可以缓和由于路面的凹凸不平引起的冲击，并且可以防止因为路面规律性的波动状况所产生的不利震动传向车体，确保了车辆的平稳行驶，延长汽车行驶寿命。2.1.3 悬架弹簧的分类为了缓和冲击，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎之外，在悬架中还必须装有弹性元件，使车架（或车身）之间作弹性联系。如图2-3所示： (a)多连杆式独立悬架(b)双横臂式(d)钢板式(c)麦弗逊式 (f)空气弹簧非独立悬挂(e)螺旋弹簧式非独立悬架 图2-3 六种不同的汽车悬架结构配合不同的悬架，悬架弹簧的选取也并不相同4。长选择的悬架弹簧有钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧。1、钢板弹簧钢板弹簧是由一组弯曲的弹簧钢片从短至长依次叠放而组成。这些重叠的钢片在中心点用一枚 U 型中心螺栓或铆钉固定在一起。此外，为了防止钢板滑出原位，还用夹箍在几个地方将其固定。将如下图2-4所示： 图2-4 钢板弹簧2、螺旋弹簧螺旋弹簧广泛地用于独立悬架，特别是前轮独立悬架。将特殊的弹簧钢杆卷成螺旋状，就成了螺旋弹簧。在螺旋弹簧上施加载荷时，随着弹簧的收缩，整条钢杆扭曲。这样便贮存了载荷的能量，缓冲了振动。螺旋弹簧本身没有减振作用，因此在螺旋弹簧悬架中必须另装减振器。此外，螺旋弹簧只能承受垂直载荷，因此必须装设导向机构以传递垂直力以外的各种力和力矩。3、气体弹簧气体弹簧主要为空气弹簧和油气弹簧两种。气体弹簧是以空气做为弹性介质，即在一个密闭的容器内装入压缩空气，利用气体的可压缩性实现弹簧的作用。空气弹簧可分为囊式和膜式两种，这种弹簧随着载荷的增加，容器内压缩空气的压力升高，其刚度也随之增加；反之下降，因此这种弹簧具有理想的变刚度特性，如下图2-5。图2-5 气体弹簧2.2 汽车悬架弹簧的基本性能与材料在研究汽车悬架弹簧的基本性能时，应该考虑综合以下三个方面的基木理论和特性来研究。1、汽车悬挂弹簧的特性线。2、汽车悬挂弹簧的变形能。3、汽车悬挂弹簧自振的频率和受振的振幅。2.2.1 悬架弹簧的特性线载荷F与形变.之间的关系特性曲线称为弹簧的特性线6(图2-6)。弹簧的特性曲线大致分为三种类型：1）直线型；2）渐增型；3）渐减型。有些悬架弹簧的特性曲线可以是以上两种特性线或者三种特性线的组合，称之为组合型特性线。图2-6 悬架弹簧的特性曲线1、 直线型 该悬架弹簧特性曲线是指在弹簧允许的载荷范围内，最低载荷Fmim 逐渐加载到了满载荷Fmax 的过程中所体现出来的曲线特性。在这个过程中弹簧变形和卸载后如果能够恢复到原有状态并体现出线性状态，则这个线性状态就是直线型特性。2、 渐增型、渐减型这两种线性状态分别属于两种情况。一种是在弹簧变形或者卸载过程中体现出来的渐减型或渐增型特性；另一种是在超过了设计负荷时所体现出来的渐减型或渐增型特性。按照刚度计算公式可知P=(2-1)式中：悬架弹簧的刚度，单位为：；切变模量，单位为：GPa；d弹簧钢丝的直径，单位为：mm；D弹簧直径，单位为：mm；n弹簧的有效线圈数。由以上公式可知，随着载荷的不断增加，直径相对较大的簧圈其等效的刚度较小。悬架弹簧直线型与渐变型的特性的刚度设计是一致的，即单刚度和双刚度相等，而刚度是载荷的增量dF与变形的增量d的比值。刚度公式为F= (2-2) 因此，由以上公式可知，当悬架弹簧的设计范围是直线型是，且刚度为常数；当悬架弹簧设计范围是渐减或者渐增时，刚度也随之变化。3、 组合型弹簧特性的特性曲线如下图2-7、2-8所示图2-8组合螺旋弹簧特性线图2-7环形压缩弹簧或板簧特性曲线2.2.2 弹簧的变形能力当设计缓冲或者减振弹簧的时候，弹簧的变形能力，也就是在承受载荷后能够吸收和积蓄能量的能力。对其应该进行计算。如图2-8所示载荷变形图，其变形的能力对于拉伸和压缩弹簧为： (2-3)图中对扭转弹簧为： (2-4)就是图2-8中特性曲线下部分的面积。图29 能量消耗弹簧变形图当特性曲线为直线时，则 (2-5)另外，变形能的其它表现形式为最大工作应力或者和弹簧材料的体积V的方程，即： (2-6)式中：G悬架弹簧材料的剪切弹性模量；剪切弹性模量与弹簧材料属性有关；K比例系数，不同类型的悬架弹簧取值不同，表示弹簧材料的能量利用程度，或称之为利用系数。从以上式子可以看出，变形能与弹簧的剪切弹性模量成反比。在选择弹簧材料的时候，通过变形能公式可知，能够改变的参数有三个：体积V、最大工作剪切应力和剪切弹性模量G。可以提高弹性材料的体积或者应力，而增加弹性材料体积是现代机械设计的反向趋势，当前工厂设计都是寻求轻量化、小体积化设计。因此，关于最大工作剪切应力的研究是现代悬架弹簧设计的关键技术之一，也是本文研究的核心之一。2.2.3 弹簧的固有频率当悬架弹簧受到交替载荷作用的时候，为了检验在这种载荷作用下对弹簧系的影响7，需要对弹簧进行共振验算，验算公式为： (2-7)式中：悬架弹簧固有频率，单位：Hz；迫机械振动频率，单位：Hz；P悬架弹簧的刚度，单位：N/mm；g重力加速度，其值为g=9800mm/s2；W载荷，单位：N。当产生的交替载荷消失时，悬架弹簧就会产生自身的振动，这一振动就是弹簧的自振，该振动频率即固有振动频。从上式公式可知，其振动频率与载荷和刚度有关。对这此参数的研究目的就是为了避免受迫振动时系统产生共振从而对弹簧造成破坏作用。其次，悬架弹簧的质量和刚度对固有频率有着至关重要的作用。人体舒适感受到的垂直振动频率为11.6Hz。因此，计算振动频率时应接近或处于人体舒适感的频率范围内，从而满足人体的舒适度。2.3 汽车悬架弹簧的材料及其特性分析2.3.1 汽车悬架弹簧的种类和特点悬架弹簧在汽车行驶过程中，承受高频往复的压缩运动，起着缓冲和减振作用，其质量好坏，对车辆稳定性、安全性起有着至关重要的作用。轿车、客车对悬架弹簧性能要求较高，需要达到减小噪音、提高舒适度和稳定性等要求；重型及超重型载货车则需要高强度悬架弹簧。汽车行业使用的悬架弹簧分为钢板弹簧和螺旋悬架弹簧两大类8。轿车主要用螺旋悬架弹簧，钢丝直径为916mm，常用4个螺旋悬架弹簧，每辆车平均需要弹簧钢线材15 kg，钢种为60Si2MnA，55SiCr(SUP12)，50CrVA等。弹簧材料的分类可以分为金属材料和非金属材料两大类，而悬架弹簧常用金属材料，其总体分类关系如图2-10所示。弹簧钢 碳素弹簧钢 合金弹簧钢 锡磷青铜 硅锰青铜金属材料 弹簧用钢合金材料 铍青铜 铝青铜 弹簧用不锈钢 特殊用途弹性材料 铁基弹性材料 镍、钴、钛基弹性材非金属材料橡胶、塑料、碳素纤维、空气等 图210 弹簧材料的分类2.3.2 车用悬架弹簧的生产工艺悬架弹簧的制造方式有两种：热卷成簧和冷卷成簧。热卷成簧工艺：弹簧直条 (冷拉退火钢丝 /热轧退火剥皮抛光料 )热卷簧油淬火、回火磨削、喷丸 热强压整型负荷分类包装。冷卷成簧工艺：油淬火回火钢丝 冷卷簧 去应力磨削、喷丸 热强压整型负荷分类包装。常用的弹簧钢均为油淬火回火钢丝，在确定材料的截面形状和尺寸时，应当优先行业推行的标准规定的尺寸。根据各种型号的抗拉强度选择，同时要求具有良好的表面质量，疲劳性能要高于普通油淬火回火钢丝，如下图211所示。图211 两种不同工艺下的钢丝的疲劳强度对比2.4 悬架弹簧的疲劳强度在机械设备中，零件在工作时所产生的应力大致有两种类型5：静应力和变应力。受静应力的零件材料受到的破坏是塑性变形或脆性断裂，因此其强度是以零件材料的弹性极限、屈服极限和强度极限来衡量的。而受变应力的零件材料受到的破坏则是疲劳断裂，因此其强度是以疲劳强度来衡量的。2.4.1 变应力的类型和特性随时间作周期性的变化，且变化幅度保持常数的变应力，称为稳定性变应力。按一定规律周期性变化的变幅度，则称为不稳定循环变应力。变应力不呈周期性变化，并带有偶然性，则称为随机变应力。瞬时冲击或过载所产生的应力，称为尖峰应力。图212 变应力曲线图213 对称循环变应力曲线图2-12、图2-13为-t曲线，其中图2-13为对称循环变应力条件下的-t曲线。零件受周期性的最大应力为，最小应力为。其应力幅为，平均应力为，它们之间的关系为： (2-8) (2-9)而： (2-10)称为循环特征值(或变应力不对称系数)，体现应力变化的性质。在图2-13中，平均应力，即，这类应力称为对称循环应力。当，此时，这类应力称为脉动循环应力。当与接近或相等时，接近或等于0，此时循环特征，这类应力称为静应力。变应力的循环特征：，应力幅和循环次数N对零件的疲劳强度都有影响。零件在同一最大应力水平时，r值越大，或越小，或N越小，它的疲劳强度越高。2.4.2 弹簧疲劳曲线传统材料的疲劳设计，是以弹簧材料的疲劳曲线即S(应力)N(寿命)曲线9为根据的。如图213所示；图214 疲劳曲线为了便于绘制疲劳曲线，常采用半对数坐标或采用对数坐标。对数坐标的疲劳曲线方程用下式表示： （2-11）上式称为疲劳曲线方程。式中X为指数，与材料和应力的形式有关，其值由实验来确定，在对数坐标中，此数即为疲劳曲线的斜率。2.4.3 影响弹簧疲劳强度的因素1 屈服强度 弹簧材料的屈服强度与其疲劳极限之间有一定的关系。弹簧材料的屈服强度越高，疲劳强度也越高。2表面状态 最大应力多发生在弹簧材料的外表层，所以弹簧的表面质量对疲劳强度的影响很大。3尺寸效应 材料的尺寸愈大，由于各种冷加工和热加工工艺所造成的缺陷可能性愈高，产生表面缺陷的可能性也越大，这些原因都会导致疲劳性能下降。4冶金缺陷 冶金缺陷10是指材料中的非金属夹杂物、气泡、元素的偏析，等等。5腐蚀介质 弹簧在腐蚀介质中工作时，由于表面产生点蚀或表面晶界被腐蚀而成为疲劳源，在变应力作用下就会逐步扩展而导致断裂。6温度 碳钢的疲劳强度，从室温到120时下降，从120到350又上升，温度高于350以后又下降，在高温时没有疲劳极限。2.5 本章总结在本章中，对悬架弹簧作出了系统的综述。对其分类、材料、构造、用途及其力学性能特性曲线和疲劳强度进行了分析和描述。1、悬架弹簧的分类与选型，可以为不同的悬架结构选择不同弹簧类型。2、根据悬架弹簧的弹簧特性，针对不同的材料，可以进行不同的选择来适应在应力范围内的弹簧钢丝。3、说明了弹簧材料的特性以及加工工艺过程。对其疲劳强度进行分析，分析了疲劳强度曲线以及影响悬架弹簧疲劳强度的几大因素。第3章 汽车悬架系统弹簧的分析3.1 悬架弹簧的理论计算3.1.1 受到轴向载荷时，悬架弹簧截面的受力分析弹簧承受轴向压力P作用时，由于螺旋角的存在，压力P与簧丝截面不在同一平面，可将其分解为簧丝横截面的切向分力和法向分力，如下图3-1所示： 图31 弹簧受到轴向力作用在簧丝横截面上引起剪力Q和扭矩Mn，即 (3-1) (3-2)在簧丝截面上引起轴力N和弯矩M为： (3-3) (3-4)3.1.2 受到截面载荷作用时，悬架弹簧的应力分析在簧丝横截面上任意点处剪应力为剪切和扭转两种剪应力的矢量和，在簧丝内侧点m处达到最大18，其值为： (3-5)取式中，与其关于簧丝轴对称点n的应力为： (3-6)取式中，在簧丝的横截面上任意点处正应力（正应力）是由轴力与弯矩引起的， (3-7)取式中，与该点对应的弹簧外侧正应力为： (3-8)取式中，根据材料力学里对三向应力状态的分析： (3-9) (3-10)可以知道悬架弹簧内侧的最大主应力和最大剪应力为： (3-11) (3-12)对应的悬架弹簧外侧的最大主应力和最大切应力为： (3-13) (3-14)对以上四个等式进行分析，在悬架弹簧中径，弹簧丝直径，悬架弹簧所受压力一定的情况下，悬架弹簧内侧的最大剪切应力随着螺旋角的增大而减小，而外侧的最大剪切应力随着螺旋角的增大而增大。悬架弹簧内侧的最大主应力和悬架弹簧外侧的最大主应力均随螺旋角的增大而增大。3.1.3 受到轴向载荷的作用时，悬架弹簧斜截面的分析图3-2-a为螺旋弹簧受力图，取螺旋弹簧一单元体A11，将单元体受力图放大即为图3-2-b，可近似视为正六面体。与轴垂直的两个横截面上(即与两截面)作用着方向相反的切应力(包含扭转切应力和剪切应力)以及彼此相反的主应力(包含弯曲正应力和轴向应力)，而上、下两个截面(即与截面)不存在任何应力作用。图3-2 悬架弹簧单元受力分析在图3-2-b中的单元体()内取一个面积为的任意截面，如图3-3-a和3-3-b。由图3-3-c可知，单元体任意斜面面积为，而其余两个面积分别为，。取与斜截面垂直与平行，根据和坐标上的平衡方程可计算斜截面上的正应力和切应力，它们与切应力与主应力存在以下关系：图3-3 弹簧单元应力 (3-15) (3-16)表3-1列出了任意斜截面外法与x轴12(即簧丝轴心)分别成0，45，90和135时斜截面上作用的与值。表3-1 角度与对应应力值 由表3-1可知，斜截面外法线与轴线间的夹角时，作用于该斜截面上的正应力为最大值，剪切应力，根据第三强度理论计算该处的相当应力为最大。由此可以知道，悬架弹簧的最大应力截面和簧丝的轴向成45角。弹簧疲劳失效分析表明，绝大多数的疲劳源萌生于内侧表面，而断口是与钢丝轴线呈45的椭圆断口形貌，这正是悬架弹簧最大应力点处的位置。3.2 本章总结在本章中，对汽车悬架弹簧进行了应力分析，包括悬架弹簧受到轴向载荷时，弹簧截面的受力分析，受到截面载荷作用时，悬架弹簧的应力分析以及受到轴向载荷的作用时，悬架弹簧斜截面的分析。通过分可以得出：(1)通过对螺旋弹簧的受力分析，应力分析，得出结论，螺旋弹簧的最大剪切应力出现在螺旋弹簧的内侧，随着所加载荷的增加，螺旋弹簧的最大剪切应力出现的位置会出现转移。(2)螺旋弹簧的最大正应力和最大剪应力都和螺旋角密不可分的关系。螺旋弹簧的内侧最大正应力随着螺旋角的增大而增大，外侧的最大正应力也随着螺旋角的增大而增大。螺旋弹簧内侧最大剪切应力随着螺旋弹簧的增大而减小，螺旋弹簧外侧的最大剪切应力随着螺旋角的增大而增大 (3)通过对螺旋弹簧的应力分析，发现螺旋弹簧的主要因素为应力造成的断裂位置与螺旋弹簧的轴线成45角。第4章 汽车悬架弹簧刚度的优化设计4.1 弹簧悬架受力分析静载时，车轮接地点受到地面对车轮的作用力其中m为1/4车辆总负载.在车辆行驶过程中，螺旋弹簧受弹簧力，其中为弹簧刚度系数，为弹簧受力后的实际长度，为弹簧原长度13。由图4-1得：图4-1 悬架的受力分析（4-1） 悬架系统刚度直接影响汽车平顺性.汽车的固有频率是衡量汽车平顺性的重要参数，它由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量(簧载质量)所决定。设单轮悬架刚度为，Nm-1，单轮簧载质量为m，kg，f为悬架固有频率，则： (4-2)设螺旋弹簧刚度为ks，Nm-1，螺旋弹簧变形所产生的力为F，N，则按螺旋弹簧的不同安装位置可分别建立ks与之间的函数关系.根据功能原理14，得（4-3）