【正文】 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 1 摘 要 鋼板彈簧具有結構簡單、工作可靠、價格低廉等優(yōu)點，在汽車中被廣泛地使用。它在工作過程中存在大變形、葉片間的接觸等多種非線性因素，故多年來一直沒有形成一個比較切合實際的完善的設計與分析方法。集中載荷法、共同曲率法等 傳統設計方法以線彈性理論為依據，把問題抽象為簡單的數學、力學模型，并應用材料力學公式進行粗略計算，一般計算結果與實際情況差別較大。隨著汽車向輕量化和高速化發(fā)展，對懸架的要求越來越高。顯然，傳統設計方法已經不能適應現代汽車發(fā)展對懸架的要求。 近年來，隨著有限元技術、 CAE技術的不斷發(fā)展 以及在工程中的成功應用 ，以計算機為工具、有限元分析為基礎的 CAE法正逐漸成為汽車設計的主流。應用 CAE法 進行鋼板彈簧設計可以同時考慮到結構的大變形、摩擦、簧片間的接觸以及組裝時的預應力和工作應力的結合，從而實現對鋼板彈簧的精確設計 。 本文 根據汽車設計的要求對懸架中的鋼板彈簧進行了設計和計算， 并使用 UG進行建模，然后應用 ABAQUS有限元分析軟件進行了受力分析和仿真設計和計算 。 關鍵詞： 鋼板彈簧 ABAQUS 有限元 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 2 Jubilee wagon spring structure finite element simulation design ABSTRACT The spring has the structure simply, the work reliable, the price inexpensive and so on the merits, widely is used in the automobile. It has contact between the big distortion, leaf blade39。s in the work process and so on many kinds of nonlinear factors, therefore for many years has not formed of a quite realistic perfect design and the analysis method. Traditional design methods and so on concentrated load law, mon curvature law take the line theory of elasticity as the bases, abstracts the question as the simple mathematics, mechanics model, and carries on the rapid calculation using the materials mechanics formula, the general puted result and the actual situation difference are big. Along with the automobile to the lightweight and the high speed development, is more and more high to the suspension fork request. Obviously, the traditional design method already could not adapt the modern automobile development to the suspension fork request. In recent years, along with the finite element technology, the CAE technology unceasing development as well as in the project success application, take the puter as the tool, the finite element analysis was being the automobile design gradually for the foundation CAE law the mainstream. Carries on the spring design using the CAE law to be possible simultaneously to consider the structure the big distortion ,contact as well as assembly between friction, time reed prestressed and working stress union, thus realizes to the spring precise design. This article according to the automobile design the request to carry on the design and the putation to in the suspension fork spring, and used UG to carry on the modelling, then has carried on the stress analysis and the 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 3 simulation design and the putation using the ABAQUS finite element analysis software. Key words: leaf spring, ABAQUS, finite element 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 4 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 龔順聰 061103268 0 引言 鋼板彈簧幾何形狀簡單，傳統計算方法應用梁 理論，簡單地看是合理的，實際上遠不如此。例如，計算中常使用的共同曲率法和集中載荷法 ，前者假定鋼板彈簧在任何載荷下 ， 鋼板彈簧各片彼此沿整個長度無間隙接觸，同一截面上各片具有相同的曲率，于是將之簡化為梯形單片彈簧進行計算。而集中載荷法 的假定正好相反。 它假定各片只在端點接觸。顯然，上面兩個假定都不符合實際。組裝過程的預應力響應只能用近似方法，計算結果和實際相差大。 事實上，彈簧各片的接觸 狀態(tài)與各片本身的和同組其他葉片的自由曲率 、 弧高、厚度、長度等幾何形狀 。 裝配力及工作載荷等多種因素有關，是多個彈性體的組合件承受工作載荷條件下的一個非線性 接觸響應問題，不可能服從一個事先的 假定 。應用 CAE技術無須任何假定，完全按各片的幾何結構和材料條件，同時考慮其大變形、接觸和摩擦情況進行計算分析，求得剛度。應力響應、接觸狀態(tài)及接觸壓力，這就可能設計出各片合理的幾可尺寸和整體剛度，取得精益設計效果 ， 并且應用它解釋異常損 壞 問題。 應用 CAE技術對汽車鋼板彈簧進行精確設計需要同時考慮大變形、柔性面對柔性面的接觸 和有預負荷及工作負荷等多個載荷步條件、多工況的非線性問題的計算工作，技術難度大 ， 一般的 CAE軟件在結構分析模塊中，雖然可能有一定的非線性功能，但是還不能勝任這類復雜的非線性問題求解，需要應用專門的顯式求解理論的非線性軟件，這就要求新的軟件投資。上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 5 另外，這類非線性分析需要較高的技巧和分析策略，工程設計人員使用有一定困難再有，顯式求解軟件主要應用于碰撞、沖壓等高度非線性仿真，對鋼板彈簧這類大位移小應力工作部件，計算的應力精度也不夠這是 CAE技術應用于汽車鋼板彈簧精確設計計算遲遲沒有開展起來的原因。 1 鋼板彈簧 設計 原理 鋼板彈簧的布置方案 鋼板彈簧在汽車上可以縱置或者橫置。后者因為要傳遞縱向力，必須設置附加的導向傳力裝置，使結構復雜、質量加大，所以只在少數輕、微型車上應用。縱置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結構簡單，故在汽車上得到廣泛應用。 縱置鋼板彈簧又有對稱式與不對稱式之分。鋼板彈簧中部在車軸 (橋 )上的固定中心至鋼板彈簧兩端卷耳中心之間的距離若相等，則為對稱式鋼板彈簧；若不相等，則稱為不對稱式鋼板彈簧。多數情況下汽車采用對稱式鋼板彈簧。由于整車布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車上的安裝 位置不動，又要改變軸距或者通過變化軸距達到改善軸荷分配的目的時，采用不對稱式鋼板彈簧。 鋼板彈簧主要參數的確定 在進行鋼板彈簧計算之前，應當知道下列初始條件：滿載靜止時汽車前、后軸 (橋 )負荷 1G 、 2G 和簧下部分荷重 1UG 、 2UG ，并據此計算出單個鋼板彈簧的載荷： 2 111 uw GGF ??和 2 222 uw GGF ??，懸架的靜撓度 cf ，和動撓度 df ，汽車的軸距等。 滿載弧高 af 滿載弧高 af 是指鋼板彈簧裝到車軸 (橋 )上，汽車滿載時鋼板彈簧主片上表面與兩端 (不包括卷耳孔半徑 )連線間的最大高度差 (圖 )。 af 用來上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 6 保證汽車具有給定的高度。當 0?af 時，鋼板彈簧在對稱位置上工作。為了在車架高度已限定時能得到足夠的動撓度值， 常取 mmfa 20xx～? 。 圖 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 鋼板彈簧長度 L的確定 鋼板彈簧長度 L是指彈簧伸直后兩卷耳中心之間的距離。增加鋼板彈簧長度 L能顯著降低彈簧應力，提高使用壽命；降低彈簧剛度，改善汽車平順性；在垂直剛度 c給定的條件下，又能明顯增加鋼板彈簧的縱向角剛度。鋼板彈簧的縱向角剛度系指鋼板彈簧產生單位縱向轉角時，作用到鋼板彈簧上的縱向力矩值。增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時，能減少車輪扭轉力矩所引起的彈簧變形；選用長些的鋼板彈簧，會在汽車上布置時產 生困難。原則上在總布置可能的條件下，應盡可能將鋼板彈簧取長些。推薦在下列范圍內選用鋼板彈簧的長度：轎車： L=(0． 40～ 0． 55)軸距；貨車前懸架： L=(0． 26～ 0． 35)軸距，后懸架： L=(0． 35～ 0． 45)軸距。 鋼板斷面尺寸及片數的確定 鋼板斷面寬度 b的確定有關鋼板彈簧的剛度、強度等，可按等截面簡支梁的計算公式計算，但需引入撓度增大系數 δ 加以修正。因此，可根據修正后的簡支梁公式計算鋼板彈簧所需要的總慣性矩 J0。對于對稱鋼板彈簧 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 7 E cksLJ 48 ])([ 30 ????? ?????????????????? ???? () 式中， s為 U形螺栓中心距 (mm)；是為考慮 U形螺栓夾緊彈簧后的無效長度系數 (如剛性夾緊，取 k=0． 5，撓性夾緊，取 k=0)； c為鋼板彈簧垂直剛度(N／ mm)，cwfFc? ； δ 為撓度增大系數 (先確定與主片等長的重疊片數 n1，再估計一個總片數 no，求得 η=n1 ／ no，然后用 δ=1 ． 5／ [1． 04(1+0． 5η)]初定 δ) ； E為材料的彈性模量 （ MPa） 。 鋼板彈簧總截面系數 W0用下式計算 ][4 )(0 wW ksLFW ???????????????????????? ??? ? () 式中， [ w? ]為許用彎曲應力。 對于 55SiMnVB或 60Si2Mn等材料，表面經噴丸處理后，推薦 [ w? ]在下列范圍內選?。呵皬椈珊推胶鈶壹軓椈蔀?350～ 450MPa；后主簧為 450～550MPa；后副簧為 220～ 250MPa。 將式 ()代人下式計算鋼板彈簧平均厚度 ph cwp EfksLWJh 6 ][)(/2 200 ????? ??????????????? ??? ? () 有了 ph 以后， 再選鋼板彈簧的片寬 0b 增大片寬，能增加卷耳強度，但當車身受側向力作用傾斜時，彈簧的扭曲應力增大。前懸架用寬的彈簧片，會影響轉向輪的最大轉角。片寬選取過窄，又得增加片數，從而增加片間的摩擦和彈簧的總厚。推薦片寬與片厚的比值 b ／ ph 在 6～ 10范圍內選取。 鋼板彈簧片厚 h的選擇矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩 0J 用下式計算 1230 nbhJ ? ???????????????????????????（ ） 式中， n為鋼板彈簧片數。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 小型貨車鋼板彈簧結構有限元仿真設計 8 由式 ()可知，改變片數 n、片寬 b和片厚 h三者之一，都影響到總慣性矩 0J 的變化；再結合式 ()可知，總慣性矩 0J 的改變又會影響到鋼板彈簧垂直剛度 c的變化，也就是影響汽 車的平順性變化。其中，片厚 h的變化對鋼板彈簧總慣性矩