（车辆工程专业论文）多轴汽车平衡悬架有限元结构研究分析.pdf

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a x i sc a ru s e dt h em o s ti m p o r t a n t s u s p e n s i o ns t r u c t u r ei st h eb a l a n c es u s p e n s i o n ，i tc a ne n s u r et h a tt h ee x t e n tp e r m i t t e d b yl a w sa n dr e g u l a t i o n st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fv e h i c l et r a n s p o r t a t i o n ，w h i l e d r i v i n gi nt h ec a rc a l la l s ob eg u a r a n t e e dag o o dr i d ec o m f o r ta n ds e c u r i t y b a l a n c e s u s p e n s i o ns y s t e ma sar e l a t i v e l yl a r g ea n di m p o r t a n ts u b s y s t e mo ft h ei n t e g r a l v e h i c l e ，p l a y sav i t a lr o l e o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e l e a fs p r i n ga sa n i m p o r t a n te l a s t i cb e a r i n gc o m p o n e n t so fb a l a n c es u s p e n s i o ns y s t e m ，i t sr e a s o n a b l e s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dp r o p e r t i e st ob a l a n c et h es u s p e n s i o ns y s t e mp l a y sad e c i s i v e r o l eo fp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h er e a s o n a b l ed e s i g no fl e a fs p r i n g ，t oi m p r o v e v e h i c l er i d ec o m f o r t ，s a f e t y , c o m f o r ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds oo nh a sa 。 g r e a ts i g n i f i c a n c e ，a n dk a fs p r i n ga sac o m p o n e n to ft h ei n t e g r a lv e h i c l ew h i c h w e i g h ti sl a r g e rr e l a t i v et ot h eo t h e rp a r t s ，s o & l e a fs p r i n gi sa l lu n a v o i d a b l ep a r t st o r e a l i z et h ev e h i c l el i g h t w e i g h t t h et h e s i sh a si n t r o d u c e dt h er e l e v a n tk n o w l e d g eo ft h eb a l a n c es u s p e n s i o n ， u n d e r s t o o dt h et y p ea n ds t r u c t u r ef o r mo fl e a fs p r i n g ，a n a l y z e dt h ea d v a n t a g eo fl i t t l e p i e c ec r o s s s e c t i o n l e a f s p r i n g a n d c a l c u l a t i n gm e t h o d s ，a n dr e s e a r c h e d t h e s t r u c t u r a la n a l y s i sf e a t u r e so fn o n l i n e a rf m i t e e l e m e n t t a k i n gam u l t i a x i a ll o r r y m u l t i d i s ca n du n i f o r mt h i c k n e s sl e a fs p r i n gb a l a n c es u s p e n s i o na sb a s e d ，b yn o w c o m m o n l y u s e di nt h es t r u c t u r eo fm a i n d e p u t yr e e do n e - p i e c e l i t t l e p i e c e c r o s s 。s e c t i o nl e a fs p r i n gi n s t e a do ft h eo r i g i n a lm o r ep i e c e so ft h i c k n e s ss t e e ls p r i n g ， t a k ea d v a n t a g eo fm o d e mc a e t e c h n o l o g yt oa c h i e v eal e a fs p r i n gi nt h i sl i g h t w e i g h t a n de n h a n c et h ev e h i c l e sd r i v i n gp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e sav a r i e t yo fl e a fs p r i n ga n dt h el a s tu s et h eo n em a i ns p r i n g a n dt h r e ed e p u t ys p r i n g ss t r u c t u r eb yc o m p a r i n g ，t h r o u g hs y n t h e t i c a lc a l c u l a t i n ga n d d e s i g nm a i ns p r i n g sa n dd e p u t ys p r i n g ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e l e a fs p r i n gg e o m e t r yl a r g ed e f o r m a t i o n ，t h ec o n t a c tb e t w e e nt h el e a fa n dl e a fw o r k a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a rf r i c t i o n ，t h ee s t a b l i s h m e n to fal e a fs p r i n ga n s y s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，c o m b i n e dw i t hn o n l i n e a rp r o b l e m sa n dt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o df o rn o n l i n e a rc o n t a c tp r o b l e m ，a n a l y z e si t sw o r ki nav a r i e t yo fl o a d c a s et h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h r o u g ha d a m s ，a n s y s s o f t w a r ea n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h el e a fs p r i n gs e tu pf l e x i b l eb o d ym o d e l ，t h eu s e i i o fm o d e mm u l t i 南o d yd y n a m i c st o b a l a n c et h es u s p e n s i o ne v e n t u a l l ye s t a b l l s h e d a v i r t u a lp r o t o t y p ef o rt h ep o w e rs u b s y s t e m s c i e n c ev i b r a t i o nm o d e l , 1 n s p l r e db y ? e r o a dw h e e l s ，a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a r r y i n gv e h i d ep e 哟n n a n c ea i l a l y s l s a n a l v z i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n d a c c e l e r a t i o nf r e q u e n c yd o m a l np r o p e r t l e sa n d ? o o ni nl h eb a c ko fb a l a n o es u s p e n s i o ns y s t e mr i b r a t i o n ，t h e r a t i o n a l i t yo ft h er e s u l t s o b t a i n e da r ee v a l u a t e d ，m u sf i n a l l yc o n c l u d e d t h a tt h ei m p r o v e ds c h e m e 1 sf e a s l b i e k e y w 。r d s ：b a l a n c es u s p e n s i o n ，l i t t l ep i e c e l e a fs p r i n g ，l i g l l 铆e i 曲t ，s i m u l a t i o n i i i 4 2 2 几何模型建立2 1 4 3 有限元分析概述2 2 4 3 1 有限元方法的发展历史2 2 4 3 2 有限元常用软件简介2 3 4 4 钢板弹簧有限元模型理论2 4 武汉理丁大学硕士学位论文 4 5 钢板弹簧有限元模型计算分析2 8 4 6 本章小结。3 3 第5 章平衡悬架系统振动分析3 4 5 1 m da d a m s 软件简介3 4 5 2 平衡悬架振动模型建立3 6 5 2 1 振动数学计算模型3 6 5 2 2 平衡悬架仿真模型3 7 5 3 模型仿真分析4 0 5 4 本章小结4 5 第6 章总结与展望4 6 6 1 本文的主要结论4 6 6 2 展望一4 6 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文。 致谢 4 8 5 0 5 l 武汉理丁大学硕十学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 作为全球第二大经济体，国家在经济方面获得了环球瞩目的成绩，带动了各 行业的快速增长，巨大的资源消耗，成为我国重型车和重型专用车发展的原动力。 为了提高载重汽车的运输效率，相应的就是尽量增加每次运输时汽车的载货量， 但这又受到国家相关法规的限制，汽车的轴荷不得超过法规所允许的范围，而又 为了保证各车轴的承载力，因此就需要更多的多轴汽车。市场对多轴汽车的需求 越来越大，近些年6 4 和8 4 驱动型式的多轴汽车每年的总需求量在1 1 1 2 万 辆左右。随着现在国内基础建设投资势头的不断增强，特别是大型在建项目对载 重汽车的需求量还大。 由于多轴汽车有比较大的承载量及远距离运输，如果多轴汽车的全部车轮都 是单独地刚性与车架相连接，那么当在不平的道路上行驶时有可能使部分车轮悬 空而导致与地面无接触。尽管有的车架弹性比较好，不一定会出现整个车轮悬空 现象，但会使这些车轮的垂直载荷小于其它部分车轮，这样就导致了各车轮和车 桥的垂直载荷分布不均匀，使另外的车轮有超载的危险，时间久了车轴就有断裂 的危险。车轮的离地现象会使轮胎与地面的附着力变小甚至为零，如果是前轮发 生这种现象则会使转向变得困难，甚至失去操纵能力；而驱动车轮遇此情况不能 产生足够的驱动力，这将导致车辆行驶困难或根本无法前行，加上有些经常行驶 在工地道路、矿坑道路等条件十分恶劣的道路，使多轴汽车的悬架等承载部件受 力情况变得更为复杂，除了承受重力、侧向力之外，还要承受车辆扭曲、振动等 复杂工况下的受力及力矩，而这些也对多轴载重汽车性能方面提出了更高的要 求。 由此可见，悬架系统对提高载重汽车的整体性能有着重要的影响，针对以上 情况，多轴汽车的悬架系统通常采用的是平衡悬架结构，特别是后平衡悬架。平 衡悬架其主要优点是承载能力强、结构简单，制造容易，维修方便、工艺成熟、 工作可靠。缺点是汽车平顺性、舒适性较差；簧下质量大，无法适应重卡轻量化 的发展。 平衡悬架主要是以纵置钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置的非独立悬架，钢 板弹簧作为平衡悬架的主要承载弹性元件一直是决定其整体质量及刚度的主要 部件，而平衡悬架的质量及刚度是整车行驶平顺性、舒适性、轻量化及环保性的 重要影响因素。随着在结构形式、设计技术及材料性能、加工技术等方面的不断 武汉理j ：大学硕士学位论文 发展，钢板弹簧能够更好的满足整车性能要求。直到现在，载重汽车和部分客车， 甚至一些小型乘用车仍将钢板弹簧作为主要的弹性元件。 在过去相当长的一段时期内，国内载重汽车在运输方面都是以超载超限来增 加利润，从而抑制了悬架的改进需求。从2 0 0 5 年国家开始落实计重收费政策， 而到目前已实施计重收费的高速公路的比例达到了9 0 以上，所以对于公路用的 载重汽车来说，必须朝向轻量化、舒适性、经济性方向发展，而平衡悬架作为其 重要总成之一更需得以改善。 1 2 平衡悬架系统 所谓平衡悬架，就是将车架与平衡杆作铰链式链接，把两个车桥如三轴汽车 的中桥和后桥) 装在平衡杆的两端，当一个车桥抬高时会使另一个车桥降低。而 且，由于平衡杆两臂等长，两个车桥的垂直载荷在任何情况下始终相等，不会导 致在行驶中产生个别车轮悬空的现象。这种能保证中、后桥车轮垂直载荷相等的 悬架称为平衡悬架。 平衡悬架结构主要由中后桥、钢板弹簧、钢板弹簧支座、平衡轴支架、连通 轴、推力杆、u 型螺栓等组成，平衡轴支架通过螺栓固定在车架上，左右两个平 衡轴支架通过连通轴连接在一起，钢板弹簧中间通过u 型螺栓固定在平衡轴承 毂上、两端支承在中后桥的钢铁弹簧支座内，上面两根推力杆连接车桥和车架， 下面4 根推力杆连接车桥和平衡悬架1 1 j 。车桥、板簧、推力杆形成一个整体可绕 平衡轴承毂旋转。车辆的纵向驱动力和制动力是通过与车桥、平衡悬架、车架相 连接的推力杆传递的，车辆的重力是通过车厢带货物传递给车架，车架传递给平 衡悬架，平衡悬架再传递给钢板弹簧，钢板弹簧传递给车桥及轮胎，当载荷变化 时钢板弹簧在支座上滑动。如图1 - 1 所示。 平衡悬架系统是通过平衡轴上嵌套的钢板弹簧与桥支架作用传递垂直载荷。 在多轴汽车的主要承载部分，路面作用给车轮的反作用力( 如垂直反力、牵引力、 制动力、侧向反力) 及其所产生的力矩都要通过平衡悬架传递给车架。所以说平 衡悬架对整车的操纵稳定性、平顺性、高速行驶安全性等主要性能有很大影响。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 钢板弹簧挚块2 u 形螺栓3 钢板弹簧 4 推力杆5 平衡轴6 平衡轴支座总成7 钢板弹簧支座 图1 - 1 平衡悬架总成 由于平衡悬架系统的结构参数对整车的各项使用性能有着重要影响，所以在 平衡悬架的设计中应满足这些性能的要求。平衡悬架系统设计的基本原则及要求 如te 2 , 3 , 4 】： ( 1 ) 缓和、抑制由于不平路面所引起的振动和冲击，保证汽车的行驶平顺性通 过降低车身固有振动频率能达到这一目的，从而使汽车在各种道路状态和 载荷条件下都有良好的行驶平顺性。 ( 2 ) 有较好的减振性能。它应与悬架的弹性特性很好的匹配，从而保证车身和 车轮在共振区的振幅小，并迅速衰减簧上质量和簧下质量的振动。 ( 3 ) 传递作用在车架和车轮之间的各种力及力矩。 ( 4 ) 使两个车桥的垂直载荷在任何情况下都相等，两个车轮有较好的接地性， 从而保证车辆以较平稳的速度稳定通行。 ( 5 ) 在保证强度可靠的情况下尽量减少部件质量。 对于第( 1 ) 、( 2 ) 项功能要求，在平衡悬架中我们主要用钢板弹簧来实现这 些功能，部分还可加上减震器及其它一些橡胶部件。而对于钢板弹簧，我们可改 变其刚度和阻尼来改变平衡悬架性能，也可对其轻量化，使簧载质量与非簧载质 量的比值较大，可以减小高频共振区车身振动加速度和减少车轮离开地面的机 率，从而提高整车的平顺性。对于第( 3 ) 、( 4 ) 项功能要求，钢板弹簧主要承受 垂直载荷及地面的反作用力和部分横向力及其反作用力，而驱动力和制动力及其 力矩主要是由上推力杆和下推力杆来承载。钢板弹簧作为平衡悬架中质量相对较 大的部件，在实现第( 5 ) 条件要求时较其它部件来说还是有很大的余地的。 3 武汉理t 大学硕士学位论文 有以上可知整车设计的一个重要环节就是悬架系统的设计，而如何确定合理 的钢板弹簧的结构参数和工作时的性能参数一直是钢板弹簧悬架设计中的重要 工作，这对提高悬架的寿命及提高整车行驶平顺性和安全性具有总要的意义。钢 板弹簧虽然几何结构简单，但其计算设计是一个比较复杂的过程。事实上，钢板 弹簧工作中的大变形、片间接触及摩擦等情况已经超出了材料力学的讨论范围， 它是多个弹性体的组合件承受工作载荷条件下的一个非线性接触相应问题【5 | 。但 是随着各项技术的发展，悬架用钢板弹簧的设计技术随整车的设计水平在同步提 高，特别是现代计算机软硬件技术的发展为解决这类问题提供了有力的工具，从 传统的设计模式发展到了义c a e 为基础的现代设计模式。 1 3 平衡悬架研究内容及发展概述 现在对平衡悬架的研究和对其它一般悬架的研究一样，因此平衡悬架研究的 主要内容也分为二部分【6 j ：( 1 ) 对汽车行驶平顺性产生主要影响的平衡悬架相关 参数特性的研究；( 2 ) 对汽车操纵稳定性产生主要影响的平衡悬架相关参数特性 的研究。对于第一条平衡悬架的弹性特性对整车行驶平顺性的影响一直是研究的 重点，故悬架的弹性特性也是悬架系统动力学研究的关键。 对于载重汽车设计过程中，整车的轻量化在设计中一直是重点考虑对象。载 重汽车一般由于本身的质量较大，加上载重的货物，这样会导致行驶阻力、制动 能耗、噪音振动较大和行驶的平稳性较差等，那么如何使车体结构在保证强度和 刚度的要求以及高寿命的安全度和可靠性要求下实现车辆的轻量化设计是非常 有意义的。一般实现车辆轻量化有两个途径：一个是采用新型材料使部件在质量 上轻量化，另一个是采用合理优化的结构设计使车辆在结构上用料较少从而实现 轻量化要求。本文就是结合平衡悬架中钢板弹簧的轻量化设计，在保证结构安全 度和可靠性条件下来改善整车的行驶平顺性、经济性和环保性。 悬架系统的研究一直个车企研究的重点，为了使乘坐更舒适，货物更安全， 人类始终对悬架一叶片弹簧进行着孜孜不倦的探索研究。对悬架运动学的研究在 国外诞生较早，德国人耶尔森赖姆帕尔对悬架的研究分析中，对悬架的各个参 数特性作了准确的定义，并对个参数进行分析，得出了个参数对整车行驶平顺性 及操作稳定性的影响情况。2 0 世纪6 0 年代后期，随着计算机软件应用的逐步推 广、各种理论的深入、测试技术的提高等，可对悬架个参数进行更加全面而准确 的研究分析。 我国对悬架系统的研究则相对较晚，其中对汽车悬架运动学的研究起步于 8 0 年代，到9 0 年代才有相关的研究成果。在这些研究中，郭孔辉院士、林逸教 授等人所得研究成果算是具有代表性的，他们提出了悬架动力学问题的一般思路 4 武汉理t 大学硕士学位论文 和方法。近年来国内关于旨在为悬架产品自主设计开发的核心技术提供解决方案 的研究方面，也取得了不少的研究成果。 1 4 本课题的主要内容 本课题主要是依据一汽集团某载重汽车平衡悬架使用性能特性，正对其一个 重要的重要组成部件钢板弹簧进行改进设计，建模分析，并结合整个平衡悬架作 为一个子系统对其振动特性进行分析研究，以实现其轻量化设计的同时，使整车 的行驶性能有所改善。具体实现以下目标内容： 1 根据整车的性能情况，结合平衡悬架的结构特点，对其原平衡悬架用多片 等厚度钢板弹簧进行从新选择设计。 2 根据所选用的钢板弹簧类型，加工工艺、材料特性及平衡悬架整体设计要 求等，对所选择的钢板弹簧的尺寸进行计算设计。 3 对所计算设计的钢板弹簧建立a n s y s 有限元建模，考虑其大变形，各片 间的摩擦和可能的接触部位等非线性因素进行应力和刚度分析，验证其设计可靠 性，弹性特性。 4 利用a n s y s 与a d a m s 之间的的接口建立钢板弹簧多柔体模型，进而建 立以平衡悬架作为一个子系统的动力学模型，在路面激励的作用下，对其进行振 动特性分析，验证其性能的合理性。 武汉理丁大学硕十学位论文 第2 章悬架用钢板弹簧类型及应用发展概述 通过第一章的概述我们知道悬架系统性能的优劣是决定整车各方面性能的 关键因素之一，而由多片钢板弹簧组成的汽车悬架系统在质量上占整车的比重较 大，为了节省原料和减少汽车的燃油消耗量，提高整车的行驶平顺性和舒适性， 悬架系统的轻量化，特别是钢板弹簧的轻量化是很有必要的，因此钢板弹簧的设 计合理性会直接影响到整车的诸多方面的性能。 2 1 钢板弹簧类型选择 汽车用的钢板弹簧一般有多片等截面式、主副簧复合式、少片变截面式、渐 变刚度式等几种。这四种钢板弹簧在结构和使用特点上是不同的，如图2 - 1 所示， 其中多片等截面式和少片变截面式属于等刚度簧，主副簧复合式和渐变刚度式属 于变刚度簧。 图2 1 常用钢板弹簧种类 在过去传统的汽车钢板弹簧一般为多片等截面式钢板弹簧，它由多片等宽、 等截面、不等长的板簧片叠加在一起，虽然根据各种汽车是设计特点和工作情况 的不同，钢板弹簧的各片厚度可以有部分各不相同，但是这种钢板弹簧各片之问 在工作过程中的摩擦损耗还是比较大的，因此需要经常在片间添加润滑剂来缓解 这种情况。这种板簧的刚度在工作过程中是不变的，虽然其可靠性较强，但由于 其质量相对较大，使汽车的行驶平顺性较差，不能改善整车的轻量化，因此，少 6 武汉理r 人学硕士学位论文 片钢板弹簧的发展受到了广大汽车厂商的关注。少片变截面钢板弹簧有单片的或 由2 - 4 片组成一副，单片的不安全，不能在载重汽车上应用，2 - 4 片的由等长 及沿长度方向各片变截面的簧片组成，片与片之间用0 2 5 - 1 2 m m 的金属或塑料 垫片隔开【7 | 。对于一般载重汽车的后悬架，由于空、满载时载荷相差很大，常采 用主、副钢板弹簧并联组成复式钢板弹簧，能获得较好的等频性【7 | 。随着现代设 计技术和加工技术的发展，少片变截面钢板弹簧在保证原有承载的情况下，能改 变整车的行驶平顺性和轻量化发展的要求，也使其在现代在中汽车上应用得越来 越广泛，最近也出现了变截面变刚度的少片钢板簧，这也是钢板弹簧悬架系统的 发展趋势。 2 2 少片变截面弹簧的优点 钢板弹簧约占整车自重的5 7 ，作为整车的一个零部件，其占有的比重 是比较大的。研究表明，汽车所用燃料约6 0 消耗于汽车自重，汽车的质量每减 轻l o o k g ，每公里燃油消耗将减少0 4 0 8 l 。燃油效率提高，意味着降低汽车的 耗油量和排污量，改善人类生存环境。同时汽车轻量化也提高整车性能，在同样 的输出功率下，较轻的车对于发动机来说就是较轻的负载，整车的操控稳定性也 有所提高。 作为国家的一个支柱行业，汽车的发展将影响着国家经济的发展，而汽车的 轻量化一直是汽车行业的重点发展方向，而整车的轻量化必然要求各部件的轻量 化，特别是作为质量比重较大的钢板弹簧，提高整车的行驶平顺性和环保性的要 求，这就使得钢板弹簧逐渐向少片变截面钢板弹簧的方向发展。 根据材料力学我们知道，各类型的钢板弹簧计算方法都是依据等应力梁的理 论进行计算设计的。等应力的悬臂梁可以是厚度不变，宽度沿片长线性变化；也 可以是宽度不变，厚度沿片长线变化；还可以是片宽片厚都沿片长线有所变化【8 | 。 表2 1 分别列出了等宽等厚、宽度变化、厚度变化三种梁的几何参数及在相 同载荷工况下各自对应的最大应力仃、端点挠度厂。 相反，当给定许用应力仃和端点挠度厂后，得到三种梁的厚度、宽度及质量 ( 见表2 2 ，其中p 为材料的单位体积质量) 。从中可以看出，这三种梁都满足等 应力梁的应力条件，但在刚度及应力要求分别相等的前提条件下，等宽等厚应力 梁的质量是其它二者的三倍【8 | 。 7 武汉理工大学硕+ 学位论文 表2 - 1 板簧厚度、宽度变化对应的应力和挠度 等宽等厚板簧宽度变化板簧厚度变化板簧 厚度h ( x )啊o ) = h 1 j l l 2 0 ) = h 2吃0 ) = 厕也 宽度b ( x )岛 ) = b 包o ) ；( 1 - x i ) b 2b 3 ( x ) = 马 最大应力仃 6 p 1 26 p 1 26 p 1 2 q 2 工 j 上 吼2 丽 吒上，j 1 端点挠度厂 五= 丽4 p 1 3，z = 品艿= 丽8 p 1 3 表2 2 等应力条件下对应的板簧宽度、厚度及质量 等宽等厚板簧宽度变化板簧厚度变化板簧 宽度 91 2 m p e 2 f 1 211 2 p e ： 1 2 色= 9 3 2 f 盯1 3 ，3 】2 厚度 风号焉即龋即詈，器 质量 一竽斧p暇一竽斧p 1 t 4 4 1 阿1 2 p 。1p 我们都知道，汽车的承载力和减震能力和钢板弹簧直接相关，钢板弹簧的片 数越多越厚，整车的承载能力越强，但是相对的钢板弹簧的刚度也就越大，这将 严重影响到汽车的减震性能。而求，当钢板弹簧在受载冲击弯曲时，各片板簧会 相对滑动，进而摩擦产生噪声，板簧也会因摩擦变形而快速损耗，这将危机整车 的安全。 对于以上情况，少片钢板弹簧可以消除这些缺陷，有由于少片钢板弹簧是片 数较少，且各片只是在中间平直段和端部接触，它与多片钢板弹簧相比除了减少 摩擦及噪声外，还有利于节省材料，减轻钢板弹簧重量，片数较少可使高度降低， 便于结构布置，降低整车高度，具有良好的平顺性。所以为了节省能源与减少汽 车燃油的消耗，以及提高整车的行驶平顺性及乘座舒适性的要求，采用少片变截 面弹簧是非常必要的。从近年来国外公路运输车辆的发展方向上看，少片钢板弹 簧的应用已经是一种必然趋势，特别是随着各方面技术的发展，少片钢板弹簧在 中重型车辆上的应用也越来越普遍。在达到同功能的前提条件下，少片变截面钢 8 武汉理工大学硕士学位论文 板弹簧与传统多片等截面钢板弹簧相比，具有以下优点【7 8 9 j ： ( 1 ) 钢板弹簧接近于等强度梁，应力分布较均匀。因此相对于传统多片簧 在重量上减少了3 0 4 0 ，相应的许用应力也得到加强。 ( 2 ) 在承载时，除中间平直段和端部接触受力外、各片之间没有接触，这将 大大减少了片间接触摩擦，钢板弹簧的刚度也将大为减小，从而提高了 乘座舒适性。 ( 3 ) 片与片之间保持一定的间隙，可减轻片间摩擦，在变截面弹簧总成中间 平直等厚段，同上下保护垫板之间的弹簧片间均插入塑料片或软金属垫 片，基本消除了弹簧总成在工作时中间平直段的直接挤压摩擦，运动噪 音小，减少接触疲劳，使疲劳寿命有较大增加。 ( 4 ) 少片变截面钢板弹簧可得到较大的挠度，在小振幅振动时刚度略有增 加，因而可改善汽车行驶平顺性与稳定性。 2 3 少片钢板弹簧的应用及研究现状 国外少片变截面钢板弹簧的应用已经过一段时间的发展，从1 9 5 5 年美国洛 克威尔公司开始研制并于1 9 6 0 年装车展出，到现在致力于复合材料钢板弹簧的 研究。这种纤维增强复合材料的单向强度高，弹性模量小，单位质量储能大，材 料利用率高，耐腐蚀性强，具有良好的固有衰减能力，非常适合用于制造汽车用 钢板弹簧这样要求的弹性弯曲构件【删。到现在各汽车公司纷纷推出复合材料少 片钢板弹簧，技术也已比较成熟。从最初的在良好的轿车和轻型车上使用到现在 应用到中重型载货汽车上，不管是经济性、舒适性还是环保性都比传统的钢板弹 簧有了长足的进步。总体来说，国外在少片钢板弹簧由于积累了比较好的经验， 技术上也先进，现在在应用上是比较成熟的。 目前国内9 5 以上的重卡悬架系统是以钢板弹簧为弹性元件兼作导向装置 的平衡悬架，平衡悬架上的钢板弹簧主要还是传统的多片钢板弹簧，虽然少片钢 板弹簧在此类车上应用的还比较少，但他们也已意识到少片变截面板簧的优势。 从最初的7 0 年代末8 0 年代初开始研制少片变截面钢板弹簧【川，到付朝兴在2 0 0 6 年对单片变截面钢板弹簧的瞬态冲击研究；从最初的依据经验设计、实验修正到 现在的c a e 分析技术等先进的手段辅助设计，相信随着设计技术及加工技术的 发展，我国在中重型载货汽车少片变截面钢板弹簧的应用情景是比较大的。比如 目前解放j 6 、0 9 款新奥威，东风生产的天龙牵引车，陕汽使用m a n 技术的德龙 系列等基本上都采用了少片钢板弹簧悬架，在不影响整车稳定性和耐久性的前提 下，使得整车自重更轻，承载量更大，少片簧对于卡车轻量化的贡献已经为各大 厂家所公认，并得到了用户的欢迎。 9 武 2 4 本章小结 本章对悬架用钢板弹簧的 弹簧的结构形式及参数性能是 采用的少片变截面钢板弹簧在 统钢板弹簧的优越性，国内外 1 0 武汉理上大学硕士学位论文 第3 章少片变截面钢板弹簧的参数设计 本章主要讨论钢板弹簧种类的选择，并对钢板弹簧的参数进行确定。首先根 据总重为1 9 t 的一汽集团某重型载货汽车整车的使用情况和设计要求，考虑各 轴载荷情况，以及在行驶中的平顺性和舒适性，经济性等条件要求，确定悬架系 统的结构及选择钢板弹簧的种类。根据所选钢板弹簧的种类，再综合确定各方面 因素，比如材料特性和加工工艺等情况，计算出所需钢板弹簧的参数。 3 1 平衡悬架系统的设计要求 此车为一汽集团c a l 2 0 8 p 1 1 k 2 l 7 t 1 型载货汽车，主要在城市间的公路上进 行中、短途运输，道路环境相对较好，设计上要求具有良好的平顺性、舒适性及 经济性，车辆环保性也需考虑到。此车为平衡悬架式载货汽车，钢板弹簧为传统 式的多片等截面钢板弹簧，具有结构简单，承载性可靠，容易加工等优点。但对 于快速发展的汽车行业来说其缺点还是比较明显的。首先其体积质量大，比较笨 重，对整车的布置设计存在影响，使簧下质量分配较重，影响整车的平顺性。虽 然加工比较简单，但其耗材也是比较多的，不能使车轻量化。其次弧高和片间摩 擦力随时间变化，每一片钢板在车辆行驶的过程中上下运动，从而产生磨擦，而 这种磨擦又会彼此作用，再加上不同钢板的变形情况不同，从而很难调整钢板弹 簧的运动轨迹，影响整车舒适性。这种摩擦的噪音有时候比较大，而且由摩擦 会引起应力集中的现象，使钢板弹簧的使用寿命大大降低。 根据此车的情况，考虑行驶路况，整车的平顺性、舒适性及经济性，这里决 定采用少片变截面钢板弹簧，初步设计主目的为实现钢板弹簧的轻量化，从而改 善整车性能，而此车自重为9 9 2 t ，载重量为1 0 t ，即满载重量为1 9 9 2 t ，空载 和满载时的比重差别比较大，考虑到整车在空载和满载情况下都要有良好的舒适 性，而其平衡悬架本身有相匹配的减震器，所以可以采用一片副簧，即采用主副 一体式的少片变截面钢板弹簧。由平衡悬架的特点知道钢板弹簧两端是直接套在 钢板弹簧座上的，故弹簧端部需要能承受一定的剪应力，所以弹簧主片可采用等 厚叶片。 3 2 少片变截面钢板弹簧理论数学模型 我们这里要讨论的就是前面所说的簧片厚度沿片长方向变化的变厚度钢板 弹簧，而等宽度变截面钢板弹簧主要有两种形式：抛物线形变厚叶片弹簧和梯形 变厚叶片弹簧。事实上，抛物线形叶片弹簧在现实的汽车钢板弹簧加工中，基本 武汉理工大学硕十学位论文 不能付诸现实，故为了使生产工艺相对简单，降低制造成本，所以均采用梯形截 面形式的钢板弹簧。为了便于央紧和考虑平衡悬架结构，将簧片的中间段和两段 部分做成等厚截面，这样可以提高根部和端部的强度及有利于各处最大应力接近 相等。所以本课题所采用的是主片等厚，其它三片为变截面片簧，其中第四片为 副簧的主副一体式主片等厚断面的少片弹簧。 这种由主簧和副簧组成钢板弹簧是一种渐变刚度非线性弹簧，其弹性特性如 图3 - 1 所示。当载荷小于只时，此时只有主簧受力工作，此时钢板弹簧的刚度为 定值。当载荷开始大于只时，副簧开始与主簧接触，载荷达到只时，主簧与副簧 完全接触，在此之间，钢板弹簧的刚度呈分线性逐渐增大。当载荷达到只后主簧 和副簧完全结合随着载荷的增大，二者共同承受全部载荷，此时钢板弹簧的刚度 又成为定值，只是相对于载荷小于只时，钢板弹簧的刚度大一些。 图3 - 1 钢板弹簧弹性特性曲线 因此，渐变刚度弹簧的刚度特性可分三阶段【1 2 ： ( 1 ) 当只有主簧起作用时，即主簧和副簧开始接触前，刚度为定值，呈线 性变化。 。( 2 ) 当副簧开始起作用到与主簧完全接触前，刚度逐渐增大，呈非线性变 化。 ( 3 ) 当主簧和副簧完全接触后形成一体后，刚度趋于定值，近似为线性变 化。 对于钢板弹簧，一般的计算方法有共同曲率法、集中载荷法、综合法、有限 单元法及现代c a e 法。为计算简便，在这罩采用综合法对本课题的钢板弹簧进 行参数设计，及共同曲率法和集中在合法的综合改进法。尽管前几种传统的钢板 弹簧计算方法都是有“假设”前提的，没有考虑其大变形，各片接触问的非线性 1 2 状态 还是 的精 率法 面来 部的 满足 板弹 空载 有： = ( 乓+ 昂) 2 ( 3 5 ) 若令a = 匕最，则主簧和副簧的刚度比为： 拿。兰乓(3-6) c f2 ( a + 1 ) 另种为当载荷为空载和满载的比例中项时，副簧开始与主簧接触工作，则 1 3 五时羔釜与副簧的刚度比为： ( 3 8 ) c ，l , f4 而- - v 。；量! 蕊嚣姆矾： 的复；弹簧进行分析。如图3 - 2 所不刚及刚“ ( 3 9 ) c ；c l + 。，稚# 商肖笤刚度： c ，为等厚片簧的刚度。 式中：c 1 为变截面片簧刚度； c ：为等厚厅甄刚u 。 3 - 2 少片钢板弹簧计算模型简图 主片等厚度钢板弹簧的惯性矩为：j 一 ( 3 1 1 ) 删度c 。为c 1 ；等懈 和描嚣： 1 4 c 3 1 3 ) 洧 可o 一 图 一。 一“一如 时化一 数 v l ， k 片 v i j 批 恻郯 哺 面即 。 擀引昔 为c 而一 n 一 1 一。1 中 毋“一一 脚杪丝 武汉理工大学硕士学位论文 所以此段阴。陨任怒为： 1；监2 1 2 在e - 一o 段截面的惯性矩为： l ；丛 1 2 经整理确厂= 差【1 审m 当长度为复时，梯形变截面片簧的刚度为：c 2 一芋 押公式代入公卷可彳导 c ：盟 22 尹。 1 式中：口一断面修正系数，取a = 0 9 e 一材料弹性模量 k - 一变形修正系数，其取值为： k ；7 ，3 一三筹。【2 l n 声+ ( 1 一声) 3 4 ( 1 - f 1 ) ( 1 - ) ，) ( 1 ( 1 一a ) 式中：口= 4 1 l ：；卢= 啊j l ；) ，= 口卢 所以此时钢板弹簧的总刚度c 为： c = c 1 + c 2 = 等 一) ，) 2 ( 1 一声2 ) ( 1 一口) 2 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 卜1 ( 3 1 9 ) ( 2 ) 王黄相副黄升始瑗触町的捍黄9 9 u 发 根据片簧的展开图，可以得到其刚度为： 一 3 e 1 c 12 丁。1 + ( r h - 1 ) ( 1 - l ) 式中： r 为挠度系数，其值可查表或相关公式计算得出。 则此时板簧的变形 = 等 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 赤 +1 武汉理工大学硕十学位论文 ( 3 ) 主簧和副簧完全接触后的弹簧刚度 当载荷等于或大于只时，副簧与主簧完全接触，二者可视为一个整体。此时 c 6 e 户卜： 弦1r 2 3 ) ， 6 e l 2 万。 3 弹簧应力计算 当作用在板簧端部的载荷p s 只时， p t 式中，形一主簧断面系数。 此时副簧的应力形= 0 。 但作用在板簧端部的载荷