腰鼓型變剛度螺旋彈簧的設(shè)計(jì)

肖光育　周磊　金敏楨

摘 要：隨著汽車消費(fèi)者對(duì)汽車舒適性和操控性的要求越來越高，提升成熟車型的性能成為滿足顧客期望的必然手段，文章針對(duì)某款成熟車型的后懸螺旋彈簧系統(tǒng)在不同載荷狀態(tài)下進(jìn)行變剛度設(shè)計(jì)，將等剛度后螺旋彈簧設(shè)計(jì)為腰鼓型變剛度后螺旋彈簧，在保證整車后軸承載能力的前提下，減小零件包絡(luò)空間，增加輪跳行程，提升車輛操控性和平順性，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：變剛度;變線徑;螺旋彈簧;輕量化

1 背景

某乘用車車輛從空載到滿載，整車重量增加約500kg，其中后軸軸荷增量約350kg，這相當(dāng)于后軸有約70%的重量增加。而前懸架彈簧從空載到滿載，軸荷增加約150kg，重量增加只有約30%。

為保證車輛的平順性和操控性，通常前后懸架要保持一定的偏頻比，后懸架和前懸架的比率一般接近1.2。對(duì)于簧上質(zhì)量?jī)H約1000kg的車輛，增加500kg的重量，其中后軸荷增加約350kg，很有可能會(huì)出現(xiàn)下面的結(jié)果：

1.整車姿態(tài)負(fù)角，影響美觀;

2.后懸架行程小舒適性差;

3.過大的不足轉(zhuǎn)向;

4.空滿載前后懸架偏頻比不協(xié)調(diào)。

為解決如上問題并使車輛在空載和滿載的條件下都有良好的舒適性和操控性，唯一的解決辦法是隨著后軸質(zhì)量的增加，后螺旋彈簧剛度也適當(dāng)增加，即采用變剛度螺旋彈簧。

2 變剛度螺旋彈簧

通常使用的變剛度螺旋彈簧有以下幾種：

1.等線徑變節(jié)距彈簧：這種彈簧整個(gè)彈簧用的鋼絲規(guī)格相同，各圈的節(jié)距有所差別，彈簧受載壓縮，通常在空載高度之前，彈簧圈間不發(fā)生接觸，彈簧保持一個(gè)恒定剛度?？蛰d高度后繼續(xù)壓縮時(shí)，小節(jié)距的彈簧圈開始逐漸并圈，通過圈數(shù)的減少，逐步提高剛度。一般在滿載高度時(shí)，所有小節(jié)距的彈簧完全并圈，空載到滿載為變剛度階段。滿載高度到上極限，彈簧只剩大節(jié)距的簧圈在工作，彈簧保持在一個(gè)恒定剛度。

2.變線徑變節(jié)距彈簧：這種彈簧形狀上與等徑變節(jié)距彈簧相似，小節(jié)距部分材料變細(xì)，通過變截面，可以減少小節(jié)距部分的圈數(shù)，提高材料的利用率，降低彈簧重量。

3.變線徑變節(jié)距變中徑彈簧（本文簡(jiǎn)稱腰鼓型變剛度彈簧）：腰鼓型變剛度彈簧有三變：鋼絲規(guī)格端頭到主體逐漸變化;彈簧中徑端頭到主體逐漸變化;彈簧節(jié)距端頭到主體逐漸變化。相對(duì)于前面兩種變剛度彈簧，腰鼓型變剛度彈簧的最突出特點(diǎn)是：彈簧并圈高度低，節(jié)約Z向空間;通過設(shè)計(jì)可以避免彈簧并圈接觸，消除并圈產(chǎn)生的接觸異響;彈簧設(shè)計(jì)輕量化。

下面是一個(gè)設(shè)計(jì)案例，分別采用三種變剛度彈簧，實(shí)現(xiàn)31/45N/mm的剛度，彈簧壓并時(shí)所需的Z向高度分別如下。相對(duì)于等徑變節(jié)距彈簧，腰鼓型變剛度彈簧布置所需的Z向空間可以減少60mm。

3 腰鼓型變剛度彈簧的設(shè)計(jì)

（1）力與剛度設(shè)計(jì)：

腰鼓型變剛度彈簧設(shè)計(jì)與普通線性彈簧類似，根據(jù)空載的簧上質(zhì)量和杠桿比，計(jì)算彈簧所需的空載載荷和剛度。具體如下：彈簧載荷及剛度設(shè)計(jì)首先需要確定螺旋彈簧在懸架中的布置，測(cè)量得到彈簧的空載長(zhǎng)度LG、上極限長(zhǎng)度LJ及下極限長(zhǎng)度LR。通常新車設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)整車布置給定的空、滿載軸載質(zhì)量減去估算的簧下質(zhì)量，得到在彈簧上的承載質(zhì)量，稱為簧上質(zhì)量M。一般將車輪，制動(dòng)鼓及轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿質(zhì)量的一半等視為簧下質(zhì)量Mf。由于彈簧布置的原因，輪跳行程與彈簧行程通常不一致，造成彈簧的載荷與輪心處的載荷有個(gè)比值，該比值為i。以前懸架為例，假設(shè)車輛的空載前軸荷為M，前軸簧下質(zhì)量為Mf，前懸架的杠桿比i，則可計(jì)算彈簧空載負(fù)荷，

根據(jù)整車偏頻開發(fā)目標(biāo)n，計(jì)算出包含輪胎的懸架剛度CW，

按下式計(jì)算出懸架剛度Cs，

式中，Ct為輪胎剛度。

彈簧剛度C的計(jì)算公式為：

乘用車懸架偏頻n一般在1.1～1.5之間，后懸架和前懸架的偏頻比一般為1.2，空滿載維持1.2的偏頻比對(duì)車輛的乘適性和操控性都比較重要。

（2）彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)

腰鼓型變剛度彈簧剛度C可以看做是如下三個(gè)部分的彈簧串聯(lián)而成，通常C2=C3。因此，

其中，總剛度C為車輛空載時(shí)要求的后彈簧剛度，彈簧主體剛度C1為車輛滿載時(shí)要求的后簧剛度，C和C1為彈簧設(shè)計(jì)輸入值。因此過度圈剛度C2可以通過上式計(jì)算得到。

彈簧的上極限長(zhǎng)度Lj為設(shè)計(jì)輸入值，根據(jù)上極限載荷Fj和設(shè)計(jì)剛度C1可以計(jì)算得到彈簧的自由長(zhǎng)度。

腰鼓型變剛度彈簧由于小圈需要窩進(jìn)主體圈里，小圈內(nèi)徑一般不大，通常為45～55mm左右，初始設(shè)計(jì)可以取50mm的小圈中徑，后續(xù)根據(jù)包絡(luò)要求和端圈材料規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。

目前生產(chǎn)腰鼓型變剛度彈簧設(shè)備以Morita為主，豬尾端最多可以卷制2.5圈，一般端圈的材料規(guī)格約為9～12mm之間，主體規(guī)格約為14～17mm。根據(jù)這些限制參數(shù)，為保證小圈可以窩進(jìn)主體圈，初始設(shè)計(jì)大圈中徑D為120mm，后續(xù)通過CAE計(jì)算對(duì)大圈中徑進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力τ影響彈簧的開發(fā)難度和成本，根據(jù)國內(nèi)彈簧供應(yīng)商的能力，熱卷彈簧的最大工作應(yīng)力一般在1050MPa到1100MPa之間。彈簧的應(yīng)力可以通過下式計(jì)算：

其中Fj為彈簧壓縮到上極限時(shí)的載荷，k為彈簧的應(yīng)力修正系數(shù)，，其中R=D/d為彈簧的旋繞比。

上式中只有d為未知量，因此可以根據(jù)應(yīng)力τ要求、彈簧中徑和上極限載荷計(jì)算出彈簧大圈主體的材料規(guī)格d。

然后可以根據(jù)彈簧剛度計(jì)算公式：

計(jì)算彈簧大圈主體的有效圈數(shù)n。

接下來可以根據(jù)C2確定小圈端的彈簧參數(shù)。已知的參數(shù)為小端圈內(nèi)徑（50mm）、總?cè)?shù)（2.5圈）、有效圈數(shù)（1.75圈）、大端內(nèi)徑D、大端材料規(guī)格d、以及剛度C2。為便于材料加工，豬尾端有效圈的材料是線性變化的，而豬尾端的彈簧中間通常也按圈數(shù)線性變化，假設(shè)端圈材料規(guī)格為d0，則過度圈任意圈數(shù)位置的中徑Di及規(guī)格di均可計(jì)算得出。

如果彈簧平均的分成N個(gè)小段，每段彈簧圈數(shù)ni，則每段彈簧剛度ki：，

設(shè)從起始到第i段的彈簧總剛度為Ki，則到i+1段時(shí)的彈簧剛度為：，

編輯小程序方便的計(jì)算出第N段的剛度KN，調(diào)整d0，當(dāng)剛度KN=C2時(shí)，即為滿足剛度要求的設(shè)計(jì)。

至此，腰鼓型變剛度彈簧參數(shù)除圈間節(jié)距外，均已確定，初步按等螺旋升角，建立有限元模型，根據(jù)計(jì)算的剛度曲線，調(diào)整主體圈數(shù)、規(guī)格、節(jié)距甚至主體內(nèi)徑等參數(shù)，最終達(dá)到目標(biāo)的剛度曲線要求，見圖2。

4 實(shí)車動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)對(duì)比

將普通螺旋彈簧、腰鼓型變剛度螺旋彈簧裝配到實(shí)車上進(jìn)行實(shí)車動(dòng)態(tài)性能評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如圖3所示，腰鼓型變剛度螺旋彈簧在舒適性、車身控制方面提升明顯。

5 結(jié)語

從現(xiàn)有成熟車型碰到的問題，到腰鼓型變剛度螺旋彈簧的設(shè)計(jì)、以及實(shí)車動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果可以看出，腰鼓型變剛度螺旋彈簧不僅能保證車輛后軸的承載能力，也能提升整車舒適性和操穩(wěn)性，滿足顧客期望。

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