（光学工程专业论文）汽车钢板弹簧三维设计与力学分析.pdf

独创性声明 嬲煳 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名乒雾复日期：沙，f = 三 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：害1 专疡南币c 签 日期：加叼上 - 摘要 汽车钢板弹簧是悬架系统的一个重要组成部分之一，其功能和作用是传递作 用在车轮和车架之间的一切力和力矩，缓和由于路面不平而传递给车架的冲击载 荷，并衰减由此引起承载系统的振动，保证汽车行驶的平顺性。另外，钢板弹簧 具有结构简单、维修方便、成本较低，在悬架系统中兼起导向的作用。因为钢板 弹簧在汽车悬架系统上有着广泛的应用前景，如何在现有基础上尽可能减少板簧 质量，提高板簧的应力、刚度是设汽车设计者应该考虑的内容之一。在这样的背 景下，提出了本文研究的内容。 各簧片模型的参数主要有长度、弧高、曲率、厚度等设计参数，簧片三维实 体模型参数化的建立，不仅有利于减少设计者对同一模型不同参数的重复建立， 同时有利于对模型参数的修改，参数化能有效对同型号钢板弹簧建立起三维实体 模型和节省时间。本文利用v b 语言，同时利用插件a u t o m a t i o ng a t e w a y 来对 p r o e 进行二次开发，建立了多片等截面和少片变截面钢板弹簧各簧片在自由状 态下的三维参数化模型。 悬架是汽车的重要组成部件之一，钢板弹簧悬架性能又影响整车性能。如何 在满足钢板弹簧使用性能的条件下，减少板簧质量就显得尤为重要。本文利用 m a t l a b 来优化少片簧模型，先是建立少片簧截面模型的目标函数，此函数代 表少片簧的质量，后对其从卷耳、长度、刚度、强度等方面建立约束条件，同时 在m 文件编写程序利用m a t l a b 工具箱来求解未知量，使其在满足刚度和强度 的前提下，使板簧的质量最小。 对于建立的钢板弹簧装配模型导入a n s y s 中，模拟板簧的装配过程即是簧 片的加紧过程，施加位移约束求解非线性接触问题的解。可以得到簧片的安装弧 高、仿真应力值、应力集中的位置等等，主要验证在空载状况下是否满足设计要 求，分析所得各簧片的预应力值。当前需要获得高应力、高刚度的板簧，在工作 载荷下还需要验证板簧模型的刚度是否在设计范围之内，对多片等截面板簧采用 分步施加载荷来求解验证，对少片变截面板簧采用的直接施加载荷来验证仿真刚 度与理论计算刚度值的差异。这些都为进一步研究板簧产品的疲劳寿命具有积极 意义。 关键词：钢板弹簧，参数化建模，优化设计，有限元分析，刚度校核 a b s t r a c t a u t o m o t i v el e a fs p r i n gi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es u s p e n s i o ns y s t e m a n d i t sf u n c t i o na n dt h er o l ei st ot r a n s f e rt h ea l lf o r c ea n dt o r q u eb e t w e e nt h ew h e e la n d f l a m e d e c r e a s i n gt h ei m p a c tl o a df r o mr o a ds u r f a c e ，a t t e n u a t i n gt h ev i b r a t i o nw h i c h c a u s e db yt h ei m p a c tl o a d ，a s s u r i n gt h er e g u l a rr u n n i n go ft h ev e h i c l e i na d d i t i o n ， 1 e a fs p r i n gh a sas i m p l es t r u c t u r ea n dl o wm a n u f a c t u r i n gc o s t ，a n di t se a s yt o m a i n t a i na n da sag u i d em e c h a n i s mo ft h es u s p e n s i o n t h e r e f o r e ，a tp r e s e n tl e a f s p r i n gi su s e dm o r ea n dm o r ei n t h ec a l b a s e do nt h ee x i s t i n gt h ea u t o m o t i v e d e s i g n e r ss h o u l dc o n s i d e ro n eo f t h ec o n t e n tt h a ti st or e d u c et h eq u a l i t yo fl e a fs p r i n g ， a n di m p r o v et h es t r e s sa n ds t i f f n e s so fl e a fs p r i n g i nt h i sc o n t e x t ，t h ec o n t e n to ft h i s p a p e r i sp r o p o s e d t h ed e s i g np a r a m e t e r so fe a c hr e e d sm o d e lm a i n l yi n c l u d el e n g t h ，a r ch e i g h t ， c u r v a t u r e ，t h i c k n e s so fh i g ha n d s oo n t h e p a r a m e t r i c e s t a b l i s h m e n to f t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dr e e dm o d e li st or e d u c et h et i m et h ed e s i g n e r ss p e n do n e s t a b l i s h i n gt h em o d e lo ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，a n dm o d i f yt h em o d e lp a r a m e t e r s p a r a m e t e r i z e dm o d e lc a ne f f e c t i v e l ye s t a b l i s ht h et h r e e d i m e n s i o n a ll e a fs p r i n gs o l i d m o d e lf o rt h es a m em o d e la n ds a v et i m e b yu s i n gv bl a n g u a g e ，a n da tt h es a m et i m e t a k i n ga d v a n t a g eo fp l u g - i na u t o m a t i o ng a t e w a yf o rt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，a m u l t i c h i p c r o s ss e c t i o na n dl e s st a p e r e dl e a fs p r i n gi n t h ef r e es t a t eo ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cm o d e la r ee s t a b l i s h e d t h es u s p e n s i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fac a r , a n dt h es u s p e n s i o n p e r f o r m a n c eo fl e a fs p r i n g i n f l u e n c e st h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e h o wt om e e tt h e c o n d i t i o n so ft h el e a fs p r i n gp e r f o r m a n c e ，r e d u c i n gt h eq u a l i t yo ft h el e a fs p r i n gi s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rd e s c r i b e sh o w t oo p t i m i z el i t t l el e a fs p r i n gm o d e l b vm a t l a b f i r s tt h et a r g e tf u n c t i o no fl e s sl e a fs p r i n gs e c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h i sf u n c t i o nr e p r e s e n t st h eq u a l i t yo fl e s sl e a fs p r i n g ，a f t e rt h ev o l u m ee a r s ，l e n g t h ， s t i f f n e s s s t r e n g t he t ca r e b u i l tb yc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s a tt h es a m et i m et a k i n g a d v a n t a g eo fm a t l a bm f i l eb yp r o g r a m m i n gs o l v e st h eu n k n o w n q u a n t i t i e s t o m e e tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hu n d e rt h ep r e m i s et h a tt h ed e s i g n e r ss h o u l dm a k e t h e q u a l i t yo f t h el e a fs p r i n gm i n i m u m f o rt h ea s s e m b l ym o d e lo ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h el e a fs p r i n gi n t oa n s y s ， s i m u l a t i n gt h ea s s e m b l yp r o c e s so f t h el e a fs p r i n gi st os t e pu pt h ep r o c e s so ft h el e a f s p r i n g ，a n de x e r t i n gd i s p l a c e m e n tc o n s t r a i n t s o l v e st h es o l u t i o no ft h en o f l l i n e a r i i ， c o n t a c tp r o b l e m t h i sc a l lg e tr e e d si n s t a l l a t i o n a r ch i g h ，c o n t a c ts t r e s s ，s t r e s s c o n c e n t r a t i o na n ds oo n a tp r e s e n ti ti sn e c e s s a r yt oo b t a i nh i l g hs t r e s sa n ds t i f f n e s s l e a fs p r i n g t h ed e s i g n e r sn e e dt ov e r i f ys t i f f n e s so ft h el e a fs p r i n gi nt h ew o r kl o a d w h e t h e ri ti si nt h ed e s i g ns c o p e t h es t i f f n e s so fam u l t i - c h i p c h i pc r o s ss e c t i o nl e a f s p r i n gi s v e r i f i e db yt h es t e po ft h el o a d t h es t i f f n e s so ft h el e s sv a r i a b l e c r o s s s e c t i o nl e a fs p r i n gi nt h ed i r e c tl o a di sg o tb ys i m u l m i n ga n dc o m p a r e dt ot h e s t i f f n e s sv a l u eo fc a l c u l a t i o n t h o s ea r ep o s i t i v es i g n i f i c a n c ew h i c hi sf u r t h e rr e s e a r c h o nt h ef a t i g u eo ft h el e a fs p r i n gp r o d u c t k e y w o r d s ：l e a fs p r i n g ，p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g ，o p t i m i z m i o nd e s i g n ，m e c h a n i c a l a n a l y s i s ，s t i f f n e s sc h e c k i n g 1 1 1 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 钢板弹簧的发展现状与趋势2 1 3 选题的目的与意义6 1 4 本论文的主要研究内容6 1 5 本章小结7 第2 章钢板弹簧参数化三维模型的建立8 2 1 钢板弹簧的设计概述8 2 2 钢板弹簧主要参数的确定8 2 3p r o e 软件的特点1 l 2 4 应用v b 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发12 2 5 钢板弹簧三维参数化模型的建立15 2 6 本章小结18 第3 章钢板弹簧的优化设计1 9 3 1 钢板弹簧设计与分析概述1 9 3 2 少片变截面钢板弹簧的优化设计2 0 3 2 1 常规设计与优化设计2 0 3 2 2 优化设计理论的介绍2 1 3 2 3 少片变截面钢板弹簧的优化2 2 3 3 本章小结：2 5 第4 章钢板弹簧仿真模型的建立2 6 4 1 有限元基本理论介绍2 6 4 2 连续体的离散化2 7 4 3 三角形三节点单元有限元格式2 7 4 4a n s y s 软件的分析流程3 0 4 4 1a n s y s 软件的特点3 0 4 4 2 所选仿真软件的分析流程3 1 4 5 钢板弹簧仿真模型的建立3 3 4 5 1 钢板弹簧模型的网格划分3 3 4 5 2 接触法的基本理论3 6 4 5 3 接触单元的生成及特性3 6 4 6 本章小结4 0 第5 章钢板弹簧的力学性能分析。4 l 5 1 钢板弹簧装配的理论基础4 1 5 1 1 总成弧高及曲率半径的计算4 1 5 2 钢板弹簧装配过程的仿真分析4 3 5 2 1 钢板弹簧模型的验证原则4 3 5 2 2 钢板弹簧装配力的理论计算4 3 5 2 3 钢板弹簧装配过程的仿真分析4 5 5 3 钢板弹簧的刚度校核4 8 i v 5 3 1 多片等截面钢板弹簧的刚度校核4 8 5 3 2 少片变截面钢板弹簧的刚度校核5 1 5 4 本章小结5 5 第6 章全文总结与展望5 6 6 1 全文结论5 6 6 2 展望5 6 参考文献5 8 至丈谢6 l v 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 汽车工业正以前所未有的速度飞快向前发展，汽车产业的发展对一个国家的 工业发展起着举足轻重的作用。在世界5 0 0 强企业的排名中汽车企业的排名一直 是名y t j f i i j 茅，同时那些发达国家的汽车工业产值约占国民经济总产值的7 , - - - 8 ，占机械工业总产值的3 0 ，这种巨大的影响力足以左右国民经济的动向。 因此，世界上许多发达国家都将汽车工业视为这个国家的重点产业。尽管汽车产 业在我们国家起步比较晚，但在国家的重视与大力发展下，近些年来汽车工业得 到了迅猛的发展，特别是近几年我国的汽车产量和销量都稳步上身，汽车保有量 日益增加。汽车工业在国民经济中处于十分突出的地位，其增长速度相对比其它 行业要高很多，同时汽车作为商品在世界各处都有广阔的市场，又因为其批量生 产而给企业带来了巨大的利益。同时汽车产业推动国家经济的发展和促进相关产 业的就业，正因为如此世界各国政府都致力于汽车工业的发展。 悬架一直被视为现代汽车的重要总成之一。悬架的功用是能够确保汽车车轮 或者车桥与汽车承载系统( 车架或者承载式车身) 之间具有弹性联系并且能够传 递各种载荷、缓和路面传递给车身( 或者是车架) 的冲击载荷、起到衰减车辆振 动以及不断调整汽车行驶中车身位置，以确保汽车能够较为正常地行驶【l j 。 悬架一般是由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成。 导向装置是由杆系组成，是用来决定车轮相对于车架( 或者是车身) 的运动特性， 并传递各种力和力矩( 除了弹性元件传递的垂直力以外) 。当用纵置钢板弹簧作 为弹性元件时，它能够兼起导向装置的作用。在车轴同车架或者车身之间发生直 接冲撞时是靠缓冲块来缓解的，其功能是防止弹性元件产生过大的变形。装有横 伺稳定器的汽车，能够减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动l z j 。 人们依据导向机构的结构是不相同的，把导向机构划分成为非独立悬架和独 立悬架两种类别。又依照其作用原理的不尽相同，又将其分为被动悬架、主动悬 架和介于这两种悬架之间的半主动悬架。另外又考虑弹性元件的种类是不相同 的，我们又将汽车所用的悬架系统划分为螺旋弹簧悬架系统、扭杆弹簧悬架系统、 钢板弹簧悬架系统、空气悬架系统以及油气悬架系统等等这几种类型p j 。 人们可以将汽车看成是由悬挂质量( 即簧载质量) 、非悬挂质量( 即非簧载 质量) 和弹性元件构成的一个系统，这个振动系统的特点在一定程度上是决定了 汽车行驶平顺性，并且进一步影响到汽车行驶的速度、燃油经济性和运营经济性。 武汉理丁大学硕士学位论文 同时这个振动系统也决定了汽车承载系和行驶系中许多部件的动载，进一步影响 到这些零件的使用寿命，除此之外，悬架对整车操作稳定性、抵纵倾能力也起到 了关键的决定作用。随着我国汽车工业的迅速发展，钢板弹簧仍然在载货汽车和 部分客车上被广泛地使用。因此钢板弹簧悬架的结构设计和性能分析就是汽车工 作者重点研究的内容之一f 4 1 。 1 2 钢板弹簧的发展现状与趋势 汽车上所使用的钢板弹簧又称为叶片弹簧，钢板弹簧是汽车悬架中应用最为 广泛的一种弹性元件。它是由若干片长不相同，曲率半径不等、厚度相等或不等 的钢板弹簧簧片相叠合在一起而构成的一根等强度的弹性梁。同时，钢板弹簧是 汽车悬架中最早所采用的弹性元件，它具有以下几个特剧5 】： ( 1 ) 钢板弹簧的制造简单和维修较为方便，是由于其结构并不是很复杂； ( 2 ) 钢板弹簧作为弹性元件能够将其所受的力( 如侧向力、纵向力、不包括 所受的垂直载荷) 及力矩从车轮转移到车身或者车架上； ( 3 ) 同时它能将侧向力、纵向力及其力矩合理地分布到车架或车身上； ( 4 ) 钢板弹簧能够实现悬架弹性特征的渐变性； 这些优良的性能使钢板弹簧在汽车悬架中得到了极为广泛的使用。于此同 时，随着工程设计者的不懈努力而改进了钢板弹簧的设计方法、结构型式、以及 在很大程度上提高了材料使用性能和优化了汽车所用材料的加工工艺，这些性能 的优化使得悬架获得了良好的平顺性，可靠性、燃油经济性、以及节省了原材料 和经济成本，悬架的重量变得更为合理。因而，载货汽车和部分客车使用的非独 立悬架系统仍是采用钢板弹簧作为最主要的弹性元件1 6 j 。 常见的汽车钢板弹簧结构型式主要有多片等截面式钢板弹簧，少片变截面式 钢板弹簧，渐变刚度式钢板弹簧、主副簧复合式钢板弹簧，它们的结构如下图 1 1 ( a 、b 、c 、d ) 所示【7 1 。其中定刚度簧主要包括多片板簧和少片变截面板簧； 另外变刚度板簧包括主副簧复合式板簧和静变刚度板簧。把钢板弹簧制成同应力 梁相近似的结构形式，其主要目的是为了节省材料。一般将板簧划分成为两种类 型：第一种是等厚度，宽度成两端狭，中间宽的结构形式，即我们所称之为多片 等截面式钢板弹簧，传统意义上的多片等截面钢板弹簧就是这种典型结构类型。 这种钢板弹簧一般是由多片长度不相等，宽度相同的钢片相迭合而成，目前现实 生活中的大客车、货车大多都使用这种结构类型的钢板弹簧。另一种是宽度相等、 厚度表现为两端薄、中间厚的结构型式。目前较为常见的少片簧就属于这种类型， 这种型式的钢板弹簧一般多用于轻中型汽车，然而现在的趋势是在一些大中型客 车上也渐渐的采用少片变截面板簧【7 j 。 2 武汉理下大学硕+ 学位论文 a ) 多片等截面式钢板弹簧 b ) 少片变截面式钢板弹簧 c ) 静变刚度式钢板弹簧 d ) 主副簧复合式钢板弹簧 图1 1 四种典型的钢板弹簧 多片钢板弹簧一般由6 1 4 片组合而成的，而对于总质量超过1 4 吨的货车 来说其簧片可以达到2 0 片。如下图1 2 所示f 7 1 ，多片钢板弹簧的结构一般呈现 倒三角形状，最上面的那个簧片最长( 也称为主片) ，最下面的那一簧片最短， 钢板弹簧这个结构整体的中间部分是通过u 型螺栓来固定在车桥上，主片簧两 端的卷耳是通过销子铰接在车架的支架上，这样就使钢板弹簧起到了连接作用， 即是在车桥与车身这二者之间起到了桥梁作用，即是缓冲、减振、传力的功能。 自从2 0 世纪6 0 年开始，那个时候的多片钢板弹簧主要依靠已有的经验来进行设 计。多片等截面钢板弹簧的设计大体上可以分为两步即是几何参数设计和进行强 度校核。即是先根据钢板弹簧的总体布局给出的轴荷、偏频、以及安装的位置等 相关信息，对板簧的参数如簧片长度、宽度、厚度、以及簧片的片数确定是假设 簧片只受垂直载荷，使其在满足设计要求如静强度与静刚度的条件下达到总体设 3 武汉理工大学硕士学位论文 计要求。而后对钢板弹簧上的危险断面按照特定的工况来进行校核与验算，一般 是指其最大工作应力。再经过设计者的几轮验算，这样才可能得到几个较为合适 的参数，仅仅这样还不够还需利用试制、台架试验、甚至利用装车的道路试验来 对所得的结果作进一步的修改乃至完善1 8 】。 图l 2 多片等截面钢板弹簧典型结构 但在当时，设计工作者在利用经验与公式设计的过程中碰到了两个较为棘手 的问题，其中之一就是簧片之间的作用力是如何分布，通常情况下只能得到较为 相近似的解，同时在发生小幅度振动时，簧片间的摩擦力也可能会致使汽车平顺 性降低；另外一个问题就是板簧动态的载荷和其附加载荷。因为钢板弹簧在工作 的过程中是受到多个方向的载荷作用，如果仅仅考虑一些特定工况而去对强度进 行校核是不准确的，另外对些钢板弹簧的构件进行疲劳寿命分析时也是仅考虑 受到单方面的载荷，这样设计者就会把许用应力即是满载负荷下叶片的中应力值 制定得较小，这样是为了对其动挠度从结构方面做出限制，这样做其目的是限制 了工作应力幅但是对板簧寿命的提高具有积极意义。事实上对这二者确定需要根 据已经在运行的车辆来考虑的桫j 。 随着研究的不断深入工程师提出了新的板簧结构型式也就是少片变截面钢 板弹簧( 简称为少片簧) 如下图1 3 所示【9 】。在1 9 5 5 年美国洛克威尔国际公司 开始准备研制少片簧，于1 9 6 0 年的时候装车展出。在此不久，在1 9 6 1 年的时候 美国通用汽车公司在c h e v r o l e td 轿车上就对开发少片簧展开了研究，而后对少 片簧的研究逐渐得到了迅速的发展，至1 9 6 4 年的时候已经得到较为普遍的应用。 根据相关的数据统计在1 9 7 8 年的时候美国的三大汽车公司使用少片变截面钢板 弹簧的比率已经达到6 0 左右，在2 0 世纪6 0 年代初期英国的钢铁公司也开始对 该项技术展开了深入地研究，终于在1 9 6 7 年的时候生产出第一副板簧装在了福 4 武汉理 ：大学硕士学何论文 特车上，至1 9 7 6 年的时候该钢铁公司就生产出1 0 0 多万副少片变截面板簧。在 当时，西欧的很多生产商都致力于研究少片变截面板簧，在生产和制造中并将其 作为标准部件。在1 9 6 5 年的时候同本将少片变截面板簧应用到轿车的悬架系统 之中，并于1 9 6 6 年着手创建工厂，之后少片簧在日本得到了较为广泛的应用。 少片簧具有的特点是片数比较少，质量轻、平顺性好等优点，这些特点有利于实 现整车轻量化和提高整车的平顺性以及乘坐舒适性。这也是少片簧得到较为普遍 使用的一个重要原因。当然少片簧也不是十全十美，材质硬度的要求比较高，要 有相匹配的减震器( 如损坏要换同规格的) ，以及少片钢板弹簧的表面需要涂一 层含锌粉的环氧漆，在使用过程中如果发现簧片上油漆脱落，应该迅速地予己补 涂。同时少片簧的抗疲劳能力，高应力性能、高强度也是有待于设计者不断进行 研究和发展 1 0 , 1 1 , 1 2 j 。 图1 - 3 少片变截面钢板弹簧 在2 0 世纪7 0 年代，在美国、欧洲先后出现了采用单片簧( 如图1 - 4 所示) 以此作为弹性元件的悬架系统n 引。对比少片簧而言，设计者可以对单片簧进行精 准的设计。而后，从节能和环保的角度出发，要求悬架系统既要满足整体设计要 求又要尽可能质量轻，复合材料的钢板弹簧和类型繁多的静变刚度特征的结构型 式诞生了，渐变刚度钢板弹簧就是众多类型中的一种。板簧的设计，各种特性的 分析，以及试制周期和生产成本也大大减少，设计方法也更加合理i l 3 ，1 4 1 川。 自2 0 世纪5 0 年代我国的汽车产业逐渐开始发展，在板簧结构中使用较为多 的结构类型就是传统的多片等截面钢板弹簧，其方法也沿用了传统的设计，这也 导致设计周期往往较长，成本比较高。直到2 0 世纪8 0 年代，通过我们国家的设 计者自行开发和技术引进，少片簧才在我国得到了极为广泛的应用和推广。同时 少片簧的设计也大多是参照了以往多片钢板弹簧的设计经验，这样以来少片簧的 优越性能就不能得到体现，因而最终也难以形成一套完整的设计体系。近些年来， 5 武汉理工人学硕士学位论文 随着我国汽车工业的飞速发展，以及对钢板弹簧需求量的不断增加，在板簧的设 计与分析方面，对板簧的可靠性，抗疲劳性、有限元分析、运动仿真分析等方面 已经做了一些相关的研究。但是如何进一步优化设计，提高板簧的应力、刚度、 抗疲劳性，以及提高悬架的平顺性以及实现整车的轻量化，尽可能地节约成本也 需要进一步研究、探索1 6 , 1 7 , 1 8 。 1 3 选题的目的与意义 图1 4 单片钢板弹簧 汽车工业之所以一百多年来长盛不衰，这是有赖于科学技术的不但进步和市 场的日益完善，汽车的各方面性能不断地得到完善而更好地满足消费者的需求。 悬架是汽车的重要组成部件之一，虽然螺栓弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧能够满足 不同的悬架系统，但钢板弹簧作为减震器在货车和部分客车上有着广泛的应用， 其性能的好坏直接影响着整车的平顺性，燃油经济性、以及操作稳定性。当前我 国对钢板弹簧的需求量不断增大，对钢板弹簧的优化设计，性能分析就显得尤为 必要【1 9 2 0 1 。 目前，对于钢板弹簧的有限元分析，以往很多没有考虑中心孔、卷耳、包耳， 这些特征影响板簧的应力分布、应力集中、乃至关系板簧的疲劳断裂，如何在现 有的基础来提高设计水平，以及增强钢板弹簧的刚度，应力、以此来提高悬架的 工作寿命和实现悬架的轻量化，需要设计者不断努力研究，在这样的背景之下， 提出了本文研究的课题即是汽车钢板弹簧三维设计与力学分析。 1 4 本论文的主要研究内容 在2 0 0 9 年1 1 月 2 0 1 0 年6 月参与了湖北省重大科技专项即东风汽车悬架 弹簧有限公司的钢板弹簧数字化设计，而后又在东风汽车悬架弹簧有限公司进行 调研、实习，全面了解企业的生产现状和工艺流程，以及了解了企业对产品的定 位和企业的总体发展趋势。依据参与的项目与调研，同时结合当前钢板弹簧的发 6 武汉理工人学硕士学位论文 展现状和趋势来确定本论文的研究方向。 本文的主要研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 依据钢板弹簧设计理论建立板簧的实体模型，然后利用v b 对 p r o e n g i n e e r 进行二次开发，建立的钢板弹簧簧片参数化模型以便根据需要装 配模型。 ( 2 ) 对于梯形结构的少片簧，利用m a t l a b 来优化其模型，建立数学模型 和约束条件，利用m a t l a b 中工具箱来求解，在满足刚度和强度条件下，优化 模型使其钢板弹簧质量达到最小。 ( 3 ) 模拟板簧模型其夹紧的过程，即是模拟用中心螺栓夹紧板簧的过程，验 证其弧高是否满足设计要求，分析应力集中、验证预应力是否合理。验证工作状 态下钢板弹簧刚度是否满足设计要求，特别采用了分步施加载荷的方法来比较仿 真刚度、理论计算刚度，这有利于研究如何提高钢板弹簧的应力、刚度，同时这 也为对钢板弹簧的疲劳寿命进行有效预测提供支持，以便更好地解决产品的实际 问题。 1 5 本章小结 本章开始先简述汽车工业对一个国家的推动作用，而悬架是汽车的重要组成 部件之一，悬架的功能与作用影响汽车的各方面性能。日前，钢板弹簧在汽车悬 架系统中有着广泛的应用，因而对钢板弹簧悬架结构进行优化和性能分析就具有 积极意义。在此基础之上，介绍了国内外关于钢板弹簧的发展状况与研究现状， 从而提出了钢板弹簧研究的目的与意义，最后对本论文的研究内容作了简要概 述。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章钢板弹簧参数化三维模型的建立 2 1 钢板弹簧的设计概述 钢板弹簧的使用可以追溯到比汽车更早的马车时代。当时的安装方法是在现 代汽车所用的纵置钢板弹簧之上再倒置一个与之相同的纵置钢板弹簧，且使这两 组板簧的主片带有一定的曲率，上下板簧的两端分别相连形成近似椭圆的板簧 组。因此人们习惯性地将汽车上采用的板簧按其安装方式不同称为“半椭圆”或 “四分之一椭圆板簧，但实际上现代大多数汽车的钢板弹簧在其设计载荷下都 近似于平直，不再有明显的椭圆曲率。 钢板弹簧结构较为简单，因而对板簧进行制造与维修是相对较方便的；另外 其除作为弹性元件外，板簧能够传递侧向力与纵向力，以及力矩，同时也能兼起 导向的作用；板簧可以在车架或车身上起到两点支承的作用从而使受力更加合 理；另外具备变刚度的特性，这些特点使其得到了广泛的应用。但钢板弹簧也有 明显的不足，在同等的条件下钢板弹簧要重些，即当取许用应力取为1 1 0 0 m p d 时，多片板簧，螺栓弹簧、扭杆弹簧其单位质量的储能分别为9 4 j k g 、5 1 0 j k g 、 4 5 0 j k g 。 近年来轿车上采用钢板弹簧作为弹性元件的已越来越少，但在载货汽车上钢 板弹簧仍是首选的弹性元件。对弹簧采用的加工方法和设计手段，以及选用的结 构型式和材料都是在不断进步和完善的。当前，多片板簧、少片板簧、静变刚度 和主副簧复合式钢板弹簧，以及少片簧能够满足不同的悬架系统。以前大多采用 高碳弹簧，近年来研究者开发中、低碳系列的板簧，其目的是为了提高加工性能。 而有些研究者则是利用复合材料其主要目的为减轻钢板弹簧的重量。针对加工方 法而言，一般大多是运用应力喷丸和预压等手段来使钢板弹簧的疲劳寿命得以提 高。对钢板弹簧的设计而言较早的方法就是初选参数，之后就是试制和试验得到 所需的模型，对模型进行完善。为了减少设计与开发的时间，尽可能地节省材料 和成本，工程师就运用已有的经验对板簧进行优化设计。 因而，在设计中应该尽力使钢板弹簧既满足整体设计要求，又要使其具有较 高的使用寿命，同时尽可能使悬架系统的质量达到最小又节省生产成本，这就需 要设计者合理使用板簧的结构型式和选择理想的板簧参数值1 2 。 2 2 钢板弹簧主要参数的确定 为了对钢板弹簧进行设计，主要掌握的技术参数大概有：静载挠度，动载挠 8 武汉理工大学硕士学位论文 度、满载弧高厂仃、钢板弹簧断面尺寸、片数、簧片长度、弹簧承受的载荷等等 2 2 , 2 3 , 2 4 1 。 ( 1 ) 板簧静载的挠度。悬架的总体布局往往会影响车辆的平顺性，一般是依 据系统固有的频率n 来进行最初的设定。 ( 2 ) 动载挠度。悬架一般要设置足够大的动挠度，这是为了避免车辆在凸凹 不平的道路上行驶时常常发生冲撞缓冲块的情况。 ( 3 ) 满载弧高厂疗。钢板弹簧装在车轴上，汽车满载静止时，簧片的第一片 上表面( 常常是卷耳片) 与簧片两端( 不含卷耳孔半径) 之间的距离最大值。 ( 4 ) 簧片长度。就是指簧片在伸直后两个卷耳中心之间的距离。增加钢板弹 簧的长度能够改善汽车行驶的平顺性、提高簧片的使用寿命和降低簧片的刚度， 同时还可以明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。一般情况下考虑到总体布置的要 求，尽可能将钢板弹簧取长一些。针对不同车型推荐使用的范围有：乘用车 l = ( 0 4 0 - - 0 5 5 ) 轴距；货车前悬架，l = ( o 2 6 - - - 0 3 5 ) 轴距，后悬架l = ( o 3 5 - - 0 4 5 ) 。 ( 5 ) 钢板弹簧断面形状。对于多片等截面钢板弹簧其截面主要考虑是断面宽 度b 和簧片厚度h ，为了保证钢板弹簧拥有足够的强度、刚度等，我们可按等截 面简支梁的相关公式来计算，同时引入挠度增大系数6 加以修正。引入修正系数 后的计算简支梁总惯性矩，d 。对于对称板簧，d 为【2 3 】： ，d = i ( l - k s ) 3 c 6i ( 4 s e ) ( 2 - 1 ) 算上钢板弹簧总截面系数形。后，形。为1 2 3 ： 矿o - i f w ( 一砖) ( 4 仃w ) ( 2 - 2 ) 对于钢板弹簧的平均厚度则是采用h 口为1 2 副： 向p=2jd。=百(l-ks)26crw ( 2 - 3 ) 对上式作如下说明：仃w 为许用应力、e 为材料的弹性模量、6 为挠度增大系 数、s 为u 螺栓中心距( n l l n ) 、k 为考虑u 型螺栓夹紧后的无效长度系数( 刚央 紧时：取k = 0 5 ，挠性夹紧：取k - 0 ) 。最后依据h d 来选择簧片的片宽，片宽增 加可以增加卷耳强度；片宽过窄需增加片数进而增加片与片之间的摩擦和弹簧的 总厚度，推荐片宽与片厚的比值咖d 在6 , - - , 1 0 范围选择。 对于矩形断面簧片的厚度h 为f z 3 j ： h = n b h 3 1 2 ( 2 4 ) 对式子( 2 4 ) 中，任意改变片数n 、片宽b 和厚度h 中任何一个参数，会影响 总惯性矩d 的相应变化。然而总惯性矩，口的变化也会对钢板弹簧的刚度产生 9 武汉理下火学硕士学位论文 影响，这样以来就对汽车行驶的平顺性产生影响。另外，簧片厚度h 的变化对惯 性矩l o 的影响是最为显著的。如果设计者增加片厚就可以减少片数。钢板弹簧的 片厚可以为相等或者不等两种状况，通常那个情况下采用前者。当卷耳片在极其 恶劣的环境下工作时，为了加强主片及卷耳，往往也是把主片加厚，剩下的各片 较稀薄，为了得到较高寿命两者比例小于1 5 。 ( 6 ) 钢板弹簧片数n 。片数n 的减少不仅有利于悬架系统的装配和制造，而 且能够降低簧片之间的干摩擦，从而达到改善汽车平顺性的作用。对于多片等截 面钢板弹簧其片数的选取在6 1 4 之间，而总质量超过1 4 t 的货车可达2 0 片， 然而变截面少片簧其片数一般在l 4 之间选取。 ( 7 ) 弹簧承受的载荷。依据工程师在布局设计时给定的载荷减去非簧载那一 部分的重量就是每副弹簧上的载荷之和。 如下图所示为多片等截面和少片变截面钢板弹簧的二维平面结构示意图。 图2 1 多片等截面钢板弹簧二维结构 图2 - 2 少片变截面钢板弹簧二维结构 如下图2 - 3 ( a ) 所示，矩形断面形状中性轴在对称位置上，这样工作时，一 面受拉应力、一面受压应力，同时上下两个面表面的应力值应该相等。由于材料 的抗拉性能是低于抗压性能，因而受拉力作用的一面先疲劳断裂。然而如图 2 3 ( b 、c 、d ) 所示，其中性轴上移，受拉面的拉应力绝对值减少，而受压面的压 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 应力绝对值增大，这样就改善了断面上的应力分布，同时在同等条件下节省了近 1 0 材料【2 5 ，2 们。 j f a 矩形断面 c 悼面有抛物线边缘的断面 l 。 一 b 删断面 。厂、厂、。 d 蝉面有双槽的断面 图2 3 钢板弹簧叶片断面形状 如图2 4 所示，为少片簧的两种结构形式。抛物线形几何形状为等应力梁即 是任一截面处的最大应力都相等的梁；梯形变厚断面弹簧在实际中使用更多，因 为抛物线形弹簧制造较为困难。少片簧质量轻、平顺性好，在乘用车和部分商用 车上得到了更多的应用2 7 1 。 。 f 姚物线形弹簧 图2 4 少片簧单片一半的结构型式 2 3p r o e 软件的特点 随着c a d 技术的迅速发展在很大程度上改变了设计人员的设计方法和手 l l 武汉理工大学硕+ 学位论文 段，尤为重要的是c a d 技术的普便使用已经显著的提高了设计的效率和质量。 降低了工程设计人员的工作时间，尤其是三维c a d 技术的广泛使用使这一特点 得到了体现。目前国内外使用较为多的三维c a d 软件主要有u n i g r a p h i c s ( u g ) 、 s o l i dw o r k s 、i - d e a s 、c a t i a 、p r o 脒g i n e e r 等，这些软件的使用和推广为现 代设计注入了新的活力，在很大程度上是对传统的设计方法和理念的补充和完 善，极大地促进了工业产品的设计。 p r o e n g i n e e r 是美国的参数化技术公司( 简称为p t c ) 开发的 c a d c a e c a m 软件。该软件的功能相当强大，是一个参数化、依据特征的实 体造型系统。主要涵盖了快速草绘工具、快速装配功能、快速制图功能、快速钣 金设计、快速解决c a m 等问题，由于具备如此多的优点，广泛使用于造型设计、 机械设计、模具加工设计与制造、机构运动分析、以