郭　偉， 王常清， 姚謝鈞

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心， 上海　200438)

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鋼板彈簧吊耳設(shè)計(jì)

郭偉， 王常清， 姚謝鈞

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心， 上海200438)

摘要：鋼板彈簧吊耳是汽車懸架中的常見零件.根據(jù)實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對鋼板彈簧后吊耳的設(shè)計(jì)全過程做了論述，從吊耳的受力計(jì)算開始，對吊耳銷、襯套的相關(guān)尺寸給出了設(shè)計(jì)推薦值，并對襯套的結(jié)構(gòu)和工作方式做了詳細(xì)的介紹，最后給出了吊耳螺栓力矩的計(jì)算方法.該設(shè)計(jì)方法對固定卷耳的設(shè)計(jì)也可作為參考.

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧；吊耳；襯套；力矩

0引言

目前，輕型商用車和輕型載貨汽車多數(shù)采用縱置鋼板彈簧的懸架設(shè)計(jì)，鋼板彈簧一般一端固定，另一端用吊耳的型式固定在車身或車架上.為了減輕路面?zhèn)鬟f到車身的振動沖擊，其吊耳多采用橡膠襯套作為隔振措施，這種結(jié)構(gòu)型式在實(shí)際應(yīng)用中非常普遍[1-2].但目前很少有文獻(xiàn)對這種吊耳設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，本研究根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中的實(shí)踐總結(jié)，討論了鋼板彈簧吊耳的具體設(shè)計(jì)步驟，該設(shè)計(jì)方法對固定卷耳設(shè)計(jì)也可作為參考.

1設(shè)計(jì)步驟

1.1確定吊耳受力

鋼板彈簧一般一端固定連接在承載式車身或車架上，另一端可用吊耳連接在承載式車身或車架上，具體如圖1所示.

圖1鋼板彈簧連接示意圖

1.1.1制動時的吊耳受力計(jì)算[3].

如圖1所示，車輛緊急制動時，鋼板彈簧前后卷耳處所受的力為P1、P2，吊耳處受力為P，

(1)

(2)

式中，m為輪荷，kg；g為重力加速度，9.8m/s2；l1為輪心距前卷耳長度，m；l2為輪心距后卷耳長度，m；C為地面距卷耳高度，m；Φ為道路摩擦系數(shù)，一般取0.8；FB為制動力(mgΦ)，N.

1.1.2驅(qū)動時的吊耳受力計(jì)算[3].

車輛驅(qū)動時，鋼板彈簧前后卷耳處所受的力與制動工況相比，除了驅(qū)動力FA與制動力FB反向外，受力方式都相同，因此P1、P2及吊耳處受力P為，

(3)

(4)

1.1.3振動時的吊耳受力計(jì)算.

車輛在行駛過程中會受到振動沖擊，一般按3倍的滿載簧載質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算前后卷耳處的受力P1、P2及吊耳處受力P，計(jì)算式為，

(5)

(6)

式中，ms為滿載狀態(tài)下的單邊簧載質(zhì)量，kg.

通過計(jì)算上述3種工況下的前后卷耳的受力及吊耳處受力P，選取最大的一種工況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.

1.2確定吊耳銷直徑

鋼板彈簧的卷耳銷和吊耳銷均需滿足一定強(qiáng)度的要求，其直徑應(yīng)滿足，

(7)

式中，d為吊耳銷直徑，mm；P為計(jì)算的吊耳所受到的最大力，N；b為板簧寬度，mm；[σ]為吊耳銷的許用擠壓應(yīng)力，一般40Cr或SCM435調(diào)質(zhì)處理的許用擠壓應(yīng)力[σ]≤9N/mm2.

根據(jù)式(7)可以初步確定吊耳銷的直徑.

1.3確定吊耳銷端部螺紋規(guī)格

吊耳銷的直徑確定后，然后根據(jù)吊耳的連接方式，采用不同的結(jié)構(gòu)形式[4].如果端部采用螺紋形式，則要考慮吊耳銷與蓋板的臺階定位要求，一般螺紋的直徑比吊耳銷直徑小4mm左右，具體如圖2所示.

圖2吊耳銷示意圖

吊耳銷端部螺紋直徑按式(8)進(jìn)行初定后，然后根據(jù)設(shè)計(jì)手冊選擇與之相近的螺紋規(guī)格.

d1=d-4

(8)

式中，d1為吊耳銷端部螺紋直徑，mm；d為吊耳銷直徑，mm.

1.4確定襯套工作方式及主要參數(shù)

為了降低振動傳遞到車身上的沖擊，吊耳銷通常都通過橡膠襯套與車身或車架連接.襯套一般有兩種結(jié)構(gòu)：一是內(nèi)外有金屬套管或僅有內(nèi)套管，二是純橡膠襯套，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3襯套結(jié)構(gòu)示意圖

1.4.1襯套結(jié)構(gòu)的選擇.

套管襯套的工作方式是與配合件過盈連接，轉(zhuǎn)動只有通過橡膠的扭轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，橡膠的扭轉(zhuǎn)工作角度一般小于20 °，極限不大于25 °[5].因此，此類襯套用于吊耳擺動范圍小的情況，其優(yōu)點(diǎn)是工作時配合件之間沒有相對轉(zhuǎn)動，沒有摩擦產(chǎn)生，故不產(chǎn)生噪音等異響.純橡膠襯套用于吊耳擺動范圍大的情況，也就是橡膠扭轉(zhuǎn)工作角無法滿足吊耳的運(yùn)動范圍，就必須采用此類襯套.其特點(diǎn)就是工作時，襯套與配合件有相對轉(zhuǎn)動，因此有摩擦產(chǎn)生，有異響產(chǎn)生.設(shè)計(jì)時必須控制好橡膠襯套的尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)，同時添加石蠟等減摩劑，降低工作噪音.

1.4.2襯套擠壓應(yīng)力的校核.

襯套只能承受一定范圍內(nèi)的靜態(tài)和動態(tài)的徑向載荷，因此必須對所設(shè)計(jì)的襯套進(jìn)行擠壓應(yīng)力的校核.襯套的受力情況如圖4所示，一般對邵氏硬度為60度的橡膠，其能承受最大的徑向平均壓應(yīng)力為為4.2MPa.

(9)

式中，P為襯套所受的徑向力，滿載靜態(tài)時計(jì)算值，N；L為襯套內(nèi)套管金屬部分的長度，純橡膠襯套時為吊耳銷與橡膠接觸的長度，m；OD為襯套內(nèi)套管的外徑，純橡膠襯套時為吊耳銷與橡膠配合處的外徑，m.

圖4襯套承受擠壓應(yīng)力的計(jì)算示意圖

在實(shí)際的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意：襯套的橡膠邵氏硬度初始目標(biāo)為55～60度，最低不允許低于45度.如果硬度值低于52度，其所能承受的最大徑向平均壓應(yīng)力將降低10%；橡膠扭轉(zhuǎn)工作角會降低承受的最大徑向平均壓應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)工作角超過20 °，其能承受的最大徑向平均壓應(yīng)力應(yīng)降低，當(dāng)扭轉(zhuǎn)工作角超過25 °時，其能承受的最大徑向平均壓應(yīng)力為2～2.75MPa.如果扭轉(zhuǎn)工作角小于10 °，且襯套長度與厚度比大于10∶1時，其能承受的最大徑向平均壓應(yīng)力可以超過6.90MPa；動態(tài)情況下，襯套承受的最大徑向壓應(yīng)力是靜態(tài)的4～5倍，其能承受的最大徑向平均壓應(yīng)力約為20MPa.

1.5確定吊耳銷階梯長度

為了使吊耳能正常工作，必須確定吊耳銷的階梯長度，使吊耳銷與蓋板之間留有一定的間隙Δ(見圖5)，否則，會出現(xiàn)吊耳與蓋板摩擦而出現(xiàn)異響，其計(jì)算式為，L-U≥L′

圖5吊耳銷階梯長度確定

(10)

式中，L為襯套未壓縮時的長度，mm；U為襯套的預(yù)壓縮量，mm，如果采用有內(nèi)套管的襯套型式，該值為0；L’為吊耳銷的階梯長度，mm.

1.6吊耳總成的擰緊力矩確定

為了保證吊耳正常的工作，必須確定鎖緊螺母的擰緊力矩.

1.6.1擰緊力矩應(yīng)滿足吊耳各工況下的受力.

按計(jì)算得到的吊耳最大外力(見圖6)，按下式計(jì)算所需要的擰緊力矩.

圖6吊耳螺母的擰緊力矩確定

(11)

式中，T為吊耳銷鎖緊螺母的估算力矩，N.m；K為扭矩系數(shù)，由GB/T16823.2[6]查出；d1為吊耳銷端部螺紋直徑，m；F外力為按“1.1”項(xiàng)下計(jì)算得到的吊耳最大受力，N；μ為吊耳與襯套端面的摩擦系數(shù)；n為吊耳與襯套的接觸面?zhèn)€數(shù)；Ca為襯套的軸向剛度，N/mm；U為襯套的預(yù)壓縮量，mm.

1.6.2擰緊力矩應(yīng)滿足襯套扭轉(zhuǎn)的工作要求.

由于襯套是通過橡膠的扭轉(zhuǎn)進(jìn)行工作的，所以吊耳銷鎖緊螺母的擰緊力矩必須能克服襯套的扭轉(zhuǎn)力矩，其計(jì)算式為，

T≥CΦΦ

(12)

式中，T為吊耳銷鎖緊螺母的估算力矩，N.m；CΦ為襯套的扭轉(zhuǎn)剛度，N.m/deg；Φ為襯套最大的工作轉(zhuǎn)角，deg.

1.6.3擰緊力矩應(yīng)滿足襯套軸向壓縮的要求.

車輛在轉(zhuǎn)彎時會產(chǎn)生向心力，在吊耳處，襯套因此會承受相應(yīng)的軸向力.為了不使吊耳與蓋板出現(xiàn)碰撞，所以吊耳側(cè)向力應(yīng)小于襯套的預(yù)壓力，其計(jì)算式為，

F側(cè)向力≤CaU

(13)

式中，F(xiàn)側(cè)向力為吊耳銷所受到的側(cè)向力，N；Ca為襯套的軸向剛度，N/mm；U為襯套的預(yù)壓縮量，mm.

1.6.4擰緊力矩產(chǎn)生的軸向力應(yīng)滿足襯套壓縮量的要求.

襯套壓緊后的體積膨脹量應(yīng)能充滿吊耳銷與安裝套管的間隙，其計(jì)算式為，

ΔV預(yù)壓量>ΔV間隙

(14)

式中，ΔV預(yù)壓量是襯套設(shè)定預(yù)壓量為U時的體積膨脹量，mm3；ΔV間隙是襯套與吊耳銷及襯套與安裝套管之間的間隙，mm3.

在具體設(shè)計(jì)時，按式(13)、(14)確定襯套的預(yù)壓量U，然后代入到式(11)進(jìn)行擰緊力矩的估算，然后按式(12)進(jìn)行校核，最終確定符合工作要求的擰緊力矩.

2結(jié)論

本研究主要對鋼板彈簧吊耳的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討：從吊耳受力計(jì)算開始，作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)輸入；討論了吊耳銷的基本尺寸的確定；對吊耳襯套的受力進(jìn)行了校核并給出了相應(yīng)的規(guī)范；最后給出了吊耳銷鎖緊螺母擰緊力矩的確定方法.從而對鋼板彈簧吊耳設(shè)計(jì)進(jìn)行了較完整的總結(jié).本研究雖然主要討論的是吊耳設(shè)計(jì)，但是對鋼板彈簧的固定吊耳設(shè)計(jì)同樣具有指導(dǎo)意義.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[2]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊(設(shè)計(jì)篇)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]陳耀明.汽車鋼板彈簧的縱扭強(qiáng)度校核[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2012.

[4]SEA.SAEH788-1982SAEmanualondesignandapplicationofleafsprings[S].USA：Society of Automotive Engineers,1982.

[5]G?bel E F,Brichta A M.Rubberspringdesign[M].London:Newnes Butterworths，1974.

[6]緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 16823.2-1997螺紋緊固件緊固通則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

Design of Leaf Spring Shackle

GUOWei，WANGChangqing，YAOXiejun

(Commercial Vehicle Technical Center SAIC， Shanghai 200438, China)

Abstract：Shackle of leaf spring is an ordinary component of automotive suspension.The paper mainly discusses the design procedure of leaf spring shackle according to author’s own experiences.The paper begins with the calculation of the force endured by shackle of leaf spring,and gives recommended value on the size of shackle bolt and bushing,and introduces the structure and working manner of bushing,and finally provides the method of calculating the torque of shackle bolt.Although the paper mainly discusses the design of shackle of leaf spring,the design of the front eye of leaf spring can take it as reference too.

Key words：leaf spring;shackle;bush;torque

中圖分類號：U463.33+4.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：郭偉(1975 — )， 男， 碩士， 工程師， 從事汽車底盤及零部件設(shè)計(jì)與開發(fā).

收稿日期：2016-01-18.

文章編號：1004-5422(2016)01-0077-04