多軸汽車平衡懸架有限元結(jié)構(gòu)研究分析_圖文

1、多劣蒺理歹學(xué)位論密級學(xué)校代碼里魚壘窆署文英文研冗生姓名趔是指導(dǎo)教師姓名塵坦塑衛(wèi)一職稱監(jiān)塹叟一單位名稱武這堡王態(tài)堂郵編壘墨一一申請學(xué)位級別亟±學(xué)科專業(yè)名稱奎麴工程論文提交日期絲?。荷撐拇疝q日期絲生學(xué)位授予單位武這堡王太堂學(xué)位授予日期答辯委員會主席疊絲絲評閱人盈聾縋肇鲞：、生肇年月日獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并

2、表示了謝意。簽名：（虱型日期：絲?。喝海∧珜W(xué)位論文使用授權(quán)書本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國家有關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會公眾提供信息服務(wù)。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）一（：勵新（簽名彬日盯屆武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要懸架作為汽車的一個重要的組成一直都是作為整車研究的重要課題。在現(xiàn)代多軸汽車上采用最主要的懸

3、架結(jié)構(gòu)形式就是平衡懸架，它能在保證法規(guī)允許的范圍內(nèi)提高整車的運(yùn)輸效率，同時在汽車行駛時也可保證其良好的行駛平順性和安全性。平衡懸架系統(tǒng)作為整車中一個比較大和和重要的系統(tǒng)組成，對整車的性能起著至關(guān)重要的作用。鋼板彈簧作為平衡懸架系統(tǒng)中一個重要的彈性元件，其合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計性能對平衡懸架系統(tǒng)性能的起著決定作用。所以說，鋼板彈簧設(shè)計的合理性，對提高整車的行駛平順性、安全性、舒適性及環(huán)保性等有著極其重要的意義，而鋼板彈簧作為整車的一個部件相對于其它部件來說其質(zhì)量比重來說是比較大的，故鋼板彈簧是實現(xiàn)整車輕量化的一個不可忽視的零件。論文闡述了平衡懸架的相關(guān)知識，了解了鋼板彈簧的種類及結(jié)構(gòu)形式，分析了少

4、片變截面鋼板彈簧的優(yōu)點和計算方法，研究了結(jié)構(gòu)非線性有限元的分析特點。并以某多軸載貨汽車的多片等厚鋼板彈簧平衡懸架為基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)方面以現(xiàn)在常用的主副簧一體式少片變截面鋼板彈簧代替了原有的多片等厚鋼板彈簧，利用現(xiàn)代技術(shù)以此實現(xiàn)了鋼板彈簧的輕量化及提高整車的行駛性能。本文對各種鋼板彈簧分析比較后采用了三片主簧一副簧片的少片簧結(jié)構(gòu)形式，通過綜合法先后計算設(shè)計了其主簧和副簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮到鋼板彈簧的幾何大變形、片與片間的接觸及摩擦非線性工作特點，建立了鋼板彈簧有限元分析模型，結(jié)合幾何非線性問題和接觸非線性問題有限元法，分析了其在各種載荷工況下的應(yīng)力分布及剛度特性，并通過軟件和軟件之間的接口建立了鋼板彈

5、簧的柔性體模型，利用現(xiàn)代多體動力學(xué)原理最終建立了以平衡懸架為子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)動力學(xué)振動模型，在車輪路面的激勵下，根據(jù)載貨汽車性能分析特性，對平衡懸架系統(tǒng)振動下的固有頻率、加速度頻域特性等進(jìn)行分析，對所得結(jié)果的合理性進(jìn)行評價，從而最終得出改進(jìn)方案的可行性。關(guān)鍵詞：平衡懸架，少片鋼板彈簧，輕量化，仿真武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，。，。，南，？，喲？，。：，鉚曲，幾何模型建立有限元分析概述有限元方法的發(fā)展歷史有限元常用軟件簡介鋼板彈簧有限元模型理論鋼板彈簧有限元模型計算分析本章小結(jié)。第章平衡懸架系統(tǒng)振動分析軟件簡介平衡懸架振動模型建立振動數(shù)學(xué)計算模型平衡懸架仿真模型模型仿真分析本章小結(jié)第章總結(jié)與展望本

6、文的主要結(jié)論展望一參考文獻(xiàn)攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文。致謝概述第章緒論作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，國家在經(jīng)濟(jì)方面獲得了環(huán)球矚目的成績，帶動了各行業(yè)的快速增長，巨大的資源消耗，成為我國重型車和重型專用車發(fā)展的原動力。為了提高載重汽車的運(yùn)輸效率，相應(yīng)的就是盡量增加每次運(yùn)輸時汽車的載貨量，但這又受到國家相關(guān)法規(guī)的限制，汽車的軸荷不得超過法規(guī)所允許的范圍，而又為了保證各車軸的承載力，因此就需要更多的多軸汽車。市場對多軸汽車的需求越來越大，近些年×和×驅(qū)動型式的多軸汽車每年的總需求量在萬輛左右。隨著現(xiàn)在國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)投資勢頭的不斷增強(qiáng)，特別是大型在建項目對載重汽車的需求量還大。由于多軸汽車有

7、比較大的承載量及遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，如果多軸汽車的全部車輪都是單獨(dú)地剛性與車架相連接，那么當(dāng)在不平的道路上行駛時有可能使部分車輪懸空而導(dǎo)致與地面無接觸。盡管有的車架彈性比較好，不一定會出現(xiàn)整個車輪懸空現(xiàn)象，但會使這些車輪的垂直載荷小于其它部分車輪，這樣就導(dǎo)致了各車輪和車橋的垂直載荷分布不均勻，使另外的車輪有超載的危險，時間久了車軸就有斷裂的危險。車輪的離地現(xiàn)象會使輪胎與地面的附著力變小甚至為零，如果是前輪發(fā)生這種現(xiàn)象則會使轉(zhuǎn)向變得困難，甚至失去操縱能力；而驅(qū)動車輪遇此情況不能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力，這將導(dǎo)致車輛行駛困難或根本無法前行，加上有些經(jīng)常行駛在工地道路、礦坑道路等條件十分惡劣的道路，使多軸汽車的懸架

8、等承載部件受力情況變得更為復(fù)雜，除了承受重力、側(cè)向力之外，還要承受車輛扭曲、振動等復(fù)雜工況下的受力及力矩，而這些也對多軸載重汽車性能方面提出了更高的要求。由此可見，懸架系統(tǒng)對提高載重汽車的整體性能有著重要的影響，針對以上情況，多軸汽車的懸架系統(tǒng)通常采用的是平衡懸架結(jié)構(gòu)，特別是后平衡懸架。平衡懸架其主要優(yōu)點是承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維修方便、工藝成熟、工作可靠。缺點是汽車平順性、舒適性較差；簧下質(zhì)量大，無法適應(yīng)重卡輕量化的發(fā)展。平衡懸架主要是以縱置鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的非獨(dú)立懸架，鋼板彈簧作為平衡懸架的主要承載彈性元件一直是決定其整體質(zhì)量及剛度的主要部件，而平衡懸架的質(zhì)量及剛度

9、是整車行駛平順性、舒適性、輕量化及環(huán)保性的重要影響因素。隨著在結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計技術(shù)及材料性能、加工技術(shù)等方面的不斷發(fā)展，鋼板彈簧能夠更好的滿足整車性能要求。直到現(xiàn)在，載重汽車和部分客車，甚至一些小型乘用車仍將鋼板彈簧作為主要的彈性元件。在過去相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，國內(nèi)載重汽車在運(yùn)輸方面都是以超載超限來增加利潤，從而抑制了懸架的改進(jìn)需求。從年國家開始落實計重收費(fèi)政策，而到目前已實施計重收費(fèi)的高速公路的比例達(dá)到了以上，所以對于公路用的載重汽車來說，必須朝向輕量化、舒適性、經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展，而平衡懸架作為其重要總成之一更需得以改善。平衡懸架系統(tǒng)所謂平衡懸架，就是將車架與平衡桿作鉸鏈?zhǔn)芥溄樱褍蓚€車橋如三軸

10、汽車的中橋和后橋）裝在平衡桿的兩端，當(dāng)一個車橋抬高時會使另一個車橋降低。而且，由于平衡桿兩臂等長，兩個車橋的垂直載荷在任何情況下始終相等，不會導(dǎo)致在行駛中產(chǎn)生個別車輪懸空的現(xiàn)象。這種能保證中、后橋車輪垂直載荷相等的懸架稱為平衡懸架。平衡懸架結(jié)構(gòu)主要由中后橋、鋼板彈簧、鋼板彈簧支座、平衡軸支架、連通軸、推力桿、型螺栓等組成，平衡軸支架通過螺栓固定在車架上，左右兩個平衡軸支架通過連通軸連接在一起，鋼板彈簧中間通過型螺栓固定在平衡軸承轂上、兩端支承在中后橋的鋼鐵彈簧支座內(nèi)，上面兩根推力桿連接車橋和車架，下面根推力桿連接車橋和平衡懸架。車橋、板簧、推力桿形成一個整體可繞平衡軸承轂旋轉(zhuǎn)。車輛的縱向驅(qū)動力

11、和制動力是通過與車橋、平衡懸架、車架相連接的推力桿傳遞的，車輛的重力是通過車廂帶貨物傳遞給車架，車架傳遞給平衡懸架，平衡懸架再傳遞給鋼板彈簧，鋼板彈簧傳遞給車橋及輪胎，當(dāng)載荷變化時鋼板彈簧在支座上滑動。如圖所示。平衡懸架系統(tǒng)是通過平衡軸上嵌套的鋼板彈簧與橋支架作用傳遞垂直載荷。在多軸汽車的主要承載部分，路面作用給車輪的反作用力（如垂直反力、牽引力、制動力、側(cè)向反力）及其所產(chǎn)生的力矩都要通過平衡懸架傳遞給車架。所以說平衡懸架對整車的操縱穩(wěn)定性、平順性、高速行駛安全性等主要性能有很大影響。鋼板彈簧摯塊形螺栓鋼板彈簧推力桿平衡軸平衡軸支座總成鋼板彈簧支座圖平衡懸架總成由于平衡懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對整車

12、的各項使用性能有著重要影響，所以在平衡懸架的設(shè)計中應(yīng)滿足這些性能的要求。平衡懸架系統(tǒng)設(shè)計的基本原則及要求如，】：（）緩和、抑制由于不平路面所引起的振動和沖擊，保證汽車的行駛平順性通過降低車身固有振動頻率能達(dá)到這一目的，從而使汽車在各種道路狀態(tài)和載荷條件下都有良好的行駛平順性。（）有較好的減振性能。它應(yīng)與懸架的彈性特性很好的匹配，從而保證車身和車輪在共振區(qū)的振幅小，并迅速衰減簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量的振動。（）傳遞作用在車架和車輪之間的各種力及力矩。（）使兩個車橋的垂直載荷在任何情況下都相等，兩個車輪有較好的接地性，從而保證車輛以較平穩(wěn)的速度穩(wěn)定通行。（）在保證強(qiáng)度可靠的情況下盡量減少部件質(zhì)量。對于第

13、（）、（）項功能要求，在平衡懸架中我們主要用鋼板彈簧來實現(xiàn)這些功能，部分還可加上減震器及其它一些橡膠部件。而對于鋼板彈簧，我們可改變其剛度和阻尼來改變平衡懸架性能，也可對其輕量化，使簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的比值較大，可以減小高頻共振區(qū)車身振動加速度和減少車輪離開地面的機(jī)率，從而提高整車的平順性。對于第（）、（）項功能要求，鋼板彈簧主要承受垂直載荷及地面的反作用力和部分橫向力及其反作用力，而驅(qū)動力和制動力及其力矩主要是由上推力桿和下推力桿來承載。鋼板彈簧作為平衡懸架中質(zhì)量相對較大的部件，在實現(xiàn)第（）條件要求時較其它部件來說還是有很大的余地的。有以上可知整車設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)就是懸架系統(tǒng)的設(shè)計，而如

14、何確定合理的鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作時的性能參數(shù)一直是鋼板彈簧懸架設(shè)計中的重要工作，這對提高懸架的壽命及提高整車行駛平順性和安全性具有總要的意義。鋼板彈簧雖然幾何結(jié)構(gòu)簡單，但其計算設(shè)計是一個比較復(fù)雜的過程。事實上，鋼板彈簧工作中的大變形、片間接觸及摩擦等情況已經(jīng)超出了材料力學(xué)的討論范圍，它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相應(yīng)問題【。但是隨著各項技術(shù)的發(fā)展，懸架用鋼板彈簧的設(shè)計技術(shù)隨整車的設(shè)計水平在同步提高，特別是現(xiàn)代計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展為解決這類問題提供了有力的工具，從傳統(tǒng)的設(shè)計模式發(fā)展到了義為基礎(chǔ)的現(xiàn)代設(shè)計模式。平衡懸架研究內(nèi)容及發(fā)展概述現(xiàn)在對平衡懸架的研究和對其它一

15、般懸架的研究一樣，因此平衡懸架研究的主要內(nèi)容也分為二部分【：（）對汽車行駛平順性產(chǎn)生主要影響的平衡懸架相關(guān)參數(shù)特性的研究；（）對汽車操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生主要影響的平衡懸架相關(guān)參數(shù)特性的研究。對于第一條平衡懸架的彈性特性對整車行駛平順性的影響一直是研究的重點，故懸架的彈性特性也是懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究的關(guān)鍵。對于載重汽車設(shè)計過程中，整車的輕量化在設(shè)計中一直是重點考慮對象。載重汽車一般由于本身的質(zhì)量較大，加上載重的貨物，這樣會導(dǎo)致行駛阻力、制動能耗、噪音振動較大和行駛的平穩(wěn)性較差等，那么如何使車體結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)度和剛度的要求以及高壽命的安全度和可靠性要求下實現(xiàn)車輛的輕量化設(shè)計是非常有意義的。一般實現(xiàn)車輛輕量化

16、有兩個途徑：一個是采用新型材料使部件在質(zhì)量上輕量化，另一個是采用合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計使車輛在結(jié)構(gòu)上用料較少從而實現(xiàn)輕量化要求。本文就是結(jié)合平衡懸架中鋼板彈簧的輕量化設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)安全度和可靠性條件下來改善整車的行駛平順性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。懸架系統(tǒng)的研究一直個車企研究的重點，為了使乘坐更舒適，貨物更安全，人類始終對懸架一葉片彈簧進(jìn)行著孜孜不倦的探索研究。對懸架運(yùn)動學(xué)的研究在國外誕生較早，德國人耶爾森賴姆帕爾對懸架的研究分析中，對懸架的各個參數(shù)特性作了準(zhǔn)確的定義，并對個參數(shù)進(jìn)行分析，得出了個參數(shù)對整車行駛平順性及操作穩(wěn)定性的影響情況。世紀(jì)年代后期，隨著計算機(jī)軟件應(yīng)用的逐步推廣、各種理論的深入、測試

17、技術(shù)的提高等，可對懸架個參數(shù)進(jìn)行更加全面而準(zhǔn)確的研究分析。我國對懸架系統(tǒng)的研究則相對較晚，其中對汽車懸架運(yùn)動學(xué)的研究起步于年代，到年代才有相關(guān)的研究成果。在這些研究中，郭孔輝院士、林逸教授等人所得研究成果算是具有代表性的，他們提出了懸架動力學(xué)問題的一般思路和方法。近年來國內(nèi)關(guān)于旨在為懸架產(chǎn)品自主設(shè)計開發(fā)的核心技術(shù)提供解決方案的研究方面，也取得了不少的研究成果。本課題的主要內(nèi)容本課題主要是依據(jù)一汽集團(tuán)某載重汽車平衡懸架使用性能特性，正對其一個重要的重要組成部件鋼板彈簧進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，建模分析，并結(jié)合整個平衡懸架作為一個子系統(tǒng)對其振動特性進(jìn)行分析研究，以實現(xiàn)其輕量化設(shè)計的同時，使整車的行駛性能有所改

18、善。具體實現(xiàn)以下目標(biāo)內(nèi)容：根據(jù)整車的性能情況，結(jié)合平衡懸架的結(jié)構(gòu)特點，對其原平衡懸架用多片等厚度鋼板彈簧進(jìn)行從新選擇設(shè)計。根據(jù)所選用的鋼板彈簧類型，加工工藝、材料特性及平衡懸架整體設(shè)計要求等，對所選擇的鋼板彈簧的尺寸進(jìn)行計算設(shè)計。對所計算設(shè)計的鋼板彈簧建立有限元建模，考慮其大變形，各片間的摩擦和可能的接觸部位等非線性因素進(jìn)行應(yīng)力和剛度分析，驗證其設(shè)計可靠性，彈性特性。利用與之間的的接口建立鋼板彈簧多柔體模型，進(jìn)而建立以平衡懸架作為一個子系統(tǒng)的動力學(xué)模型，在路面激勵的作用下，對其進(jìn)行振動特性分析，驗證其性能的合理性。武漢理丁大學(xué)碩十學(xué)位論文第章懸架用鋼板彈簧類型及應(yīng)用發(fā)展概述通過第一章的概述我們

19、知道懸架系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是決定整車各方面性能的關(guān)鍵因素之一，而由多片鋼板彈簧組成的汽車懸架系統(tǒng)在質(zhì)量上占整車的比重較大，為了節(jié)省原料和減少汽車的燃油消耗量，提高整車的行駛平順性和舒適性，懸架系統(tǒng)的輕量化，特別是鋼板彈簧的輕量化是很有必要的，因此鋼板彈簧的設(shè)計合理性會直接影響到整車的諸多方面的性能。鋼板彈簧類型選擇汽車用的鋼板彈簧一般有多片等截面式、主副簧復(fù)合式、少片變截面式、漸變剛度式等幾種。這四種鋼板彈簧在結(jié)構(gòu)和使用特點上是不同的，如圖所示，其中多片等截面式和少片變截面式屬于等剛度簧，主副簧復(fù)合式和漸變剛度式屬于變剛度簧。圖常用鋼板彈簧種類在過去傳統(tǒng)的汽車鋼板彈簧一般為多片等截面式鋼板彈簧，它

20、由多片等寬、等截面、不等長的板簧片疊加在一起，雖然根據(jù)各種汽車是設(shè)計特點和工作情況的不同，鋼板彈簧的各片厚度可以有部分各不相同，但是這種鋼板彈簧各片之問在工作過程中的摩擦損耗還是比較大的，因此需要經(jīng)常在片間添加潤滑劑來緩解這種情況。這種板簧的剛度在工作過程中是不變的，雖然其可靠性較強(qiáng)，但由于其質(zhì)量相對較大，使汽車的行駛平順性較差，不能改善整車的輕量化，因此，少武漢理人學(xué)碩士學(xué)位論文片鋼板彈簧的發(fā)展受到了廣大汽車廠商的關(guān)注。少片變截面鋼板彈簧有單片的或由片組成一副，單片的不安全，不能在載重汽車上應(yīng)用，片的由等長及沿長度方向各片變截面的簧片組成，片與片之間用的金屬或塑料墊片隔開【。對于一般載重汽車

21、的后懸架，由于空、滿載時載荷相差很大，常采用主、副鋼板彈簧并聯(lián)組成復(fù)式鋼板彈簧，能獲得較好的等頻性【。隨著現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)和加工技術(shù)的發(fā)展，少片變截面鋼板彈簧在保證原有承載的情況下，能改變整車的行駛平順性和輕量化發(fā)展的要求，也使其在現(xiàn)代在中汽車上應(yīng)用得越來越廣泛，最近也出現(xiàn)了變截面變剛度的少片鋼板簧，這也是鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。少片變截面彈簧的優(yōu)點鋼板彈簧約占整車自重的，作為整車的一個零部件，其占有的比重是比較大的。研究表明，汽車所用燃料約消耗于汽車自重，汽車的質(zhì)量每減輕，每公里燃油消耗將減少。燃油效率提高，意味著降低汽車的耗油量和排污量，改善人類生存環(huán)境。同時汽車輕量化也提高整車性能，在同

22、樣的輸出功率下，較輕的車對于發(fā)動機(jī)來說就是較輕的負(fù)載，整車的操控穩(wěn)定性也有所提高。作為國家的一個支柱行業(yè)，汽車的發(fā)展將影響著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而汽車的輕量化一直是汽車行業(yè)的重點發(fā)展方向，而整車的輕量化必然要求各部件的輕量化，特別是作為質(zhì)量比重較大的鋼板彈簧，提高整車的行駛平順性和環(huán)保性的要求，這就使得鋼板彈簧逐漸向少片變截面鋼板彈簧的方向發(fā)展。根據(jù)材料力學(xué)我們知道，各類型的鋼板彈簧計算方法都是依據(jù)等應(yīng)力梁的理論進(jìn)行計算設(shè)計的。等應(yīng)力的懸臂梁可以是厚度不變，寬度沿片長線性變化；也可以是寬度不變，厚度沿片長線變化；還可以是片寬片厚都沿片長線有所變化【。表分別列出了等寬等厚、寬度變化、厚度變化三種梁的

23、幾何參數(shù)及在相同載荷工況下各自對應(yīng)的最大應(yīng)力仃、端點撓度廠。相反，當(dāng)給定許用應(yīng)力仃和端點撓度廠后，得到三種梁的厚度、寬度及質(zhì)量（見表，其中為材料的單位體積質(zhì)量）。從中可以看出，這三種梁都滿足等應(yīng)力梁的應(yīng)力條件，但在剛度及應(yīng)力要求分別相等的前提條件下，等寬等厚應(yīng)力梁的質(zhì)量是其它二者的三倍【。武漢理工大學(xué)碩學(xué)位論文表板簧厚度、寬度變化對應(yīng)的應(yīng)力和撓度等寬等厚板簧寬度變化板簧厚度變化板簧厚度（）?。┏裕矊挾龋ǎu）包）；（）（）馬最大應(yīng)力仃工上吼麗吒上，端點撓度廠五麗，品艿麗表等應(yīng)力條件下對應(yīng)的板簧寬度、厚度及質(zhì)量等寬等厚板簧寬度變化板簧厚度變化板簧寬度：色盯，】厚度風(fēng)號焉即齲即詈，器質(zhì)量一竽斧

24、暇一竽斧阿。我們都知道，汽車的承載力和減震能力和鋼板彈簧直接相關(guān)，鋼板彈簧的片數(shù)越多越厚，整車的承載能力越強(qiáng)，但是相對的鋼板彈簧的剛度也就越大，這將嚴(yán)重影響到汽車的減震性能。而求，當(dāng)鋼板彈簧在受載沖擊彎曲時，各片板簧會相對滑動，進(jìn)而摩擦產(chǎn)生噪聲，板簧也會因摩擦變形而快速損耗，這將危機(jī)整車的安全。對于以上情況，少片鋼板彈簧可以消除這些缺陷，有由于少片鋼板彈簧是片數(shù)較少，且各片只是在中間平直段和端部接觸，它與多片鋼板彈簧相比除了減少摩擦及噪聲外，還有利于節(jié)省材料，減輕鋼板彈簧重量，片數(shù)較少可使高度降低，便于結(jié)構(gòu)布置，降低整車高度，具有良好的平順性。所以為了節(jié)省能源與減少汽車燃油的消耗，以及提高整車

25、的行駛平順性及乘座舒適性的要求，采用少片變截面彈簧是非常必要的。從近年來國外公路運(yùn)輸車輛的發(fā)展方向上看，少片鋼板彈簧的應(yīng)用已經(jīng)是一種必然趨勢，特別是隨著各方面技術(shù)的發(fā)展，少片鋼板彈簧在中重型車輛上的應(yīng)用也越來越普遍。在達(dá)到同功能的前提條件下，少片變截面鋼武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文板彈簧與傳統(tǒng)多片等截面鋼板彈簧相比，具有以下優(yōu)點【：（）鋼板彈簧接近于等強(qiáng)度梁，應(yīng)力分布較均勻。因此相對于傳統(tǒng)多片簧在重量上減少了，相應(yīng)的許用應(yīng)力也得到加強(qiáng)。（）在承載時，除中間平直段和端部接觸受力外、各片之間沒有接觸，這將大大減少了片間接觸摩擦，鋼板彈簧的剛度也將大為減小，從而提高了乘座舒適性。（）片與片之間保持一定的

26、間隙，可減輕片間摩擦，在變截面彈簧總成中間平直等厚段，同上下保護(hù)墊板之間的彈簧片間均插入塑料片或軟金屬墊片，基本消除了彈簧總成在工作時中間平直段的直接擠壓摩擦，運(yùn)動噪音小，減少接觸疲勞，使疲勞壽命有較大增加。（）少片變截面鋼板彈簧可得到較大的撓度，在小振幅振動時剛度略有增加，因而可改善汽車行駛平順性與穩(wěn)定性。少片鋼板彈簧的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀國外少片變截面鋼板彈簧的應(yīng)用已經(jīng)過一段時間的發(fā)展，從年美國洛克威爾公司開始研制并于年裝車展出，到現(xiàn)在致力于復(fù)合材料鋼板彈簧的研究。這種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的單向強(qiáng)度高，彈性模量小，單位質(zhì)量儲能大，材料利用率高，耐腐蝕性強(qiáng)，具有良好的固有衰減能力，非常適合用于制造汽車

27、用鋼板彈簧這樣要求的彈性彎曲構(gòu)件【刪。到現(xiàn)在各汽車公司紛紛推出復(fù)合材料少片鋼板彈簧，技術(shù)也已比較成熟。從最初的在良好的轎車和輕型車上使用到現(xiàn)在應(yīng)用到中重型載貨汽車上，不管是經(jīng)濟(jì)性、舒適性還是環(huán)保性都比傳統(tǒng)的鋼板彈簧有了長足的進(jìn)步?？傮w來說，國外在少片鋼板彈簧由于積累了比較好的經(jīng)驗，技術(shù)上也先進(jìn)，現(xiàn)在在應(yīng)用上是比較成熟的。目前國內(nèi)以上的重卡懸架系統(tǒng)是以鋼板彈簧為彈性元件兼作導(dǎo)向裝置的平衡懸架，平衡懸架上的鋼板彈簧主要還是傳統(tǒng)的多片鋼板彈簧，雖然少片鋼板彈簧在此類車上應(yīng)用的還比較少，但他們也已意識到少片變截面板簧的優(yōu)勢。從最初的年代末年代初開始研制少片變截面鋼板彈簧【川，到付朝興在年對單片變截面鋼

28、板彈簧的瞬態(tài)沖擊研究；從最初的依據(jù)經(jīng)驗設(shè)計、實驗修正到現(xiàn)在的分析技術(shù)等先進(jìn)的手段輔助設(shè)計，相信隨著設(shè)計技術(shù)及加工技術(shù)的發(fā)展，我國在中重型載貨汽車少片變截面鋼板彈簧的應(yīng)用情景是比較大的。比如目前解放、款新奧威，東風(fēng)生產(chǎn)的天龍牽引車，陜汽使用技術(shù)的德龍系列等基本上都采用了少片鋼板彈簧懸架，在不影響整車穩(wěn)定性和耐久性的前提下，使得整車自重更輕，承載量更大，少片簧對于卡車輕量化的貢獻(xiàn)已經(jīng)為各大廠家所公認(rèn)，并得到了用戶的歡迎。武本章小結(jié)本章對懸架用鋼板彈簧的彈簧的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)性能是采用的少片變截面鋼板彈簧在統(tǒng)鋼板彈簧的優(yōu)越性，國內(nèi)外第章少片變截面鋼板彈簧的參數(shù)設(shè)計本章主要討論鋼板彈簧種類的選擇，并對鋼

29、板彈簧的參數(shù)進(jìn)行確定。首先根據(jù)總重為的一汽集團(tuán)某重型載貨汽車整車的使用情況和設(shè)計要求，考慮各軸載荷情況，以及在行駛中的平順性和舒適性，經(jīng)濟(jì)性等條件要求，確定懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及選擇鋼板彈簧的種類。根據(jù)所選鋼板彈簧的種類，再綜合確定各方面因素，比如材料特性和加工工藝等情況，計算出所需鋼板彈簧的參數(shù)。平衡懸架系統(tǒng)的設(shè)計要求此車為一汽集團(tuán)型載貨汽車，主要在城市間的公路上進(jìn)行中、短途運(yùn)輸，道路環(huán)境相對較好，設(shè)計上要求具有良好的平順性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性，車輛環(huán)保性也需考慮到。此車為平衡懸架式載貨汽車，鋼板彈簧為傳統(tǒng)式的多片等截面鋼板彈簧，具有結(jié)構(gòu)簡單，承載性可靠，容易加工等優(yōu)點。但對于快速發(fā)展的汽車行業(yè)來說其

30、缺點還是比較明顯的。首先其體積質(zhì)量大，比較笨重，對整車的布置設(shè)計存在影響，使簧下質(zhì)量分配較重，影響整車的平順性。雖然加工比較簡單，但其耗材也是比較多的，不能使車輕量化。其次弧高和片間摩擦力隨時間變化，每一片鋼板在車輛行駛的過程中上下運(yùn)動，從而產(chǎn)生磨擦，而這種磨擦又會彼此作用，再加上不同鋼板的變形情況不同，從而很難調(diào)整鋼板彈簧的運(yùn)動軌跡，影響整車舒適性。這種摩擦的噪音有時候比較大，而且由摩擦?xí)饝?yīng)力集中的現(xiàn)象，使鋼板彈簧的使用壽命大大降低。根據(jù)此車的情況，考慮行駛路況，整車的平順性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性，這里決定采用少片變截面鋼板彈簧，初步設(shè)計主目的為實現(xiàn)鋼板彈簧的輕量化，從而改善整車性能，而此車自

31、重為，載重量為，即滿載重量為，空載和滿載時的比重差別比較大，考慮到整車在空載和滿載情況下都要有良好的舒適性，而其平衡懸架本身有相匹配的減震器，所以可以采用一片副簧，即采用主副一體式的少片變截面鋼板彈簧。由平衡懸架的特點知道鋼板彈簧兩端是直接套在鋼板彈簧座上的，故彈簧端部需要能承受一定的剪應(yīng)力，所以彈簧主片可采用等厚葉片。少片變截面鋼板彈簧理論數(shù)學(xué)模型我們這里要討論的就是前面所說的簧片厚度沿片長方向變化的變厚度鋼板彈簧，而等寬度變截面鋼板彈簧主要有兩種形式：拋物線形變厚葉片彈簧和梯形變厚葉片彈簧。事實上，拋物線形葉片彈簧在現(xiàn)實的汽車鋼板彈簧加工中，基本不能付諸現(xiàn)實，故為了使生產(chǎn)工藝相對簡單，降低

32、制造成本，所以均采用梯形截面形式的鋼板彈簧。為了便于央緊和考慮平衡懸架結(jié)構(gòu)，將簧片的中間段和兩段部分做成等厚截面，這樣可以提高根部和端部的強(qiáng)度及有利于各處最大應(yīng)力接近相等。所以本課題所采用的是主片等厚，其它三片為變截面片簧，其中第四片為副簧的主副一體式主片等厚斷面的少片彈簧。這種由主簧和副簧組成鋼板彈簧是一種漸變剛度非線性彈簧，其彈性特性如圖所示。當(dāng)載荷小于只時，此時只有主簧受力工作，此時鋼板彈簧的剛度為定值。當(dāng)載荷開始大于只時，副簧開始與主簧接觸，載荷達(dá)到只時，主簧與副簧完全接觸，在此之間，鋼板彈簧的剛度呈分線性逐漸增大。當(dāng)載荷達(dá)到只后主簧和副簧完全結(jié)合隨著載荷的增大，二者共同承受全部載荷，

33、此時鋼板彈簧的剛度又成為定值，只是相對于載荷小于只時，鋼板彈簧的剛度大一些。圖鋼板彈簧彈性特性曲線因此，漸變剛度彈簧的剛度特性可分三階段【：（）當(dāng)只有主簧起作用時，即主簧和副簧開始接觸前，剛度為定值，呈線性變化。（）當(dāng)副簧開始起作用到與主簧完全接觸前，剛度逐漸增大，呈非線性變化。（）當(dāng)主簧和副簧完全接觸后形成一體后，剛度趨于定值，近似為線性變化。對于鋼板彈簧，一般的計算方法有共同曲率法、集中載荷法、綜合法、有限單元法及現(xiàn)代法。為計算簡便，在這罩采用綜合法對本課題的鋼板彈簧進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，及共同曲率法和集中在合法的綜合改進(jìn)法。盡管前幾種傳統(tǒng)的鋼板彈簧計算方法都是有“假設(shè)”前提的，沒有考慮其大變形，

34、各片接觸問的非線性狀態(tài)還是的精率法面來部的滿足板彈空載有：（乓昂）（）若令匕最，則主簧和副簧的剛度比為：拿。蘭乓（）（）另種為當(dāng)載荷為空載和滿載的比例中項時，副簧開始與主簧接觸工作，則五時羔釜與副簧的剛度比為：（），而。；量！蕊囂姆礬：的復(fù)；彈簧進(jìn)行分析。如圖所不剛及剛¨“（）；。，稚商肖笤剛度：，為等厚片簧的剛度。式中：為變截面片簧剛度；：為等厚廳甄剛。少片鋼板彈簧計算模型簡圖主片等厚度鋼板彈簧的慣性矩為：一（）刪度。為；等懈和描囂：）洧可一圖一。一“一如時化一數(shù)，片批惻郯哺面即。搟引昔為而一一一。中毋“一一腳杪絲¨所以此段陰。隕任怒為：；監(jiān)在一段截面的慣性矩為：；叢經(jīng)整

35、理確廠差【審當(dāng)長度為復(fù)時，梯形變截面片簧的剛度為：一芋押公式代入公卷可彳導(dǎo)：盟尹。式中：口一斷面修正系數(shù)，取一材料彈性模量一變形修正系數(shù)，其取值為：；，一三籌?！韭暎ㄒ宦暎ǎǎ?，）（一）式中：口：；盧??；），口盧所以此時鋼板彈簧的總剛度為：等一），）（一聲）（一口）（）（）（）（）（）卜（）（）王黃相副黃升始瑗觸町的捍黃發(fā)根據(jù)片簧的展開圖，可以得到其剛度為：一丁。（）（）式中：為撓度系數(shù)，其值可查表或相關(guān)公式計算得出。則此時板簧的變形等（）（）（）赤（）主簧和副簧完全接觸后的彈簧剛度當(dāng)載荷等于或大于只時，副簧與主簧完全接觸，二者可視為一個整體。此時戶卜：弦），萬。彈簧應(yīng)力計算當(dāng)作用在板簧端

36、部的載荷只時，式中，形一主簧斷面系數(shù)。此時副簧的應(yīng)力形。但作用在板簧端部的載荷只時，力仃、分別為：置脅（，）加工葡。口獬（）僅主簧起作用，則主簧根部的應(yīng)力為：（）副簧開始起作用，則主、副簧根部的應(yīng)（）（）式中，、。主、副簧葉片厚度。關(guān)于鋼板彈簧的計算方法及過程，在這方面有很多文章及相關(guān)文獻(xiàn)有所介紹，感興趣的讀者可以參考陽。少片變截面鋼板彈簧的參數(shù)設(shè)計根據(jù)前面的討論，這里確定此少片變截面漸變鋼板彈簧的片數(shù)為片，其中主片為等厚葉片，第四片作為副簧，即主片等厚的主一副一體式少片變截面鋼板彈簧，而變截面均采用梯形截面。為了便于夾緊和考慮平衡懸架結(jié)構(gòu)，將簧片的中間段和兩段部分做成等厚截面，這樣可以提高根

37、部和端部的強(qiáng)度及有利于各處最大應(yīng)力接近相等。赫，武漢理：人學(xué)碩士學(xué)位論文此車自重，汽車滿載重量為，空載時中、后橋載重為，滿載時中、后橋載荷為。梯形變截面少片簧設(shè)計參數(shù)包括長度尺寸（如圖）：、厶、，；厚度尺寸包括：、鬼；葉片寬度口以及片數(shù)咒。在以上參數(shù)中，我們可以根據(jù)整車確定的參數(shù)有：、刀，其中第四片為副簧。寬度與原板簧的寬度相等，以保證整車總布置和彈簧扁鋼的規(guī)格一致，鋼板彈簧采用的材料為，許用應(yīng)力盯，經(jīng)過特殊噴丸處理后強(qiáng)度可達(dá)。以下為鋼板彈簧已確定參數(shù)：彈簧長度彈簧寬度形螺栓中心距彈簧片數(shù)一珂；（片）參數(shù)確定是循環(huán)優(yōu)化的過程，設(shè)計的主體尺寸變量有個，即：，石，而片數(shù)，作為離散常數(shù)在設(shè)計中交互控

38、制，所以在這個優(yōu)化計算過程中進(jìn)行分段計算。首先建立片簧質(zhì)量為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，另一個是約束函數(shù)【川，根據(jù)經(jīng)驗初選一個未知變量的合適值，然后逐步判斷，逐步確定，在過程中依次分析應(yīng)力、剛度、裝配誤差等是否合理，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正選擇，并最總得到理想結(jié)果【】。通過計算所得結(jié)果為：、啊、在主簧尺寸確定后，對副簧片計算可以得到：、啊一、最后得到修正結(jié)果為：第一片：；第二、三片：（）；、第四片：（）：、下面通過修正后所取的理想結(jié)果計算出鋼板彈簧的其它一些具體參數(shù)。在滿載時主簧和副簧完全接觸，則有：等厚主片慣性矩為：等：優(yōu)；則由式可得滿載時彈簧總剛度為：武漢理，：人學(xué)碩士學(xué)位論文靜撓度為：五，取丘。則動撓度

39、為：厶一。則鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高為：日（厶）【魚掣】式中，（厶）則曲率半徑為：尺擊由于這種彈簧中間為平直段，而端部為了與平衡懸架鋼板彈簧支座有較良好的裝配，故端部也是經(jīng)過處理的平直段，彈簧的裝配應(yīng)力很小或為零，同樣求得其它片簧在自由狀態(tài)下的弧高和曲率半徑，其中第四片鋼板彈簧的端部處理為根據(jù)平衡懸架的結(jié)構(gòu)特點及以往同類型少片鋼板彈簧的設(shè)計經(jīng)驗初步確定的，如表所示。表鋼板彈簧尺寸參數(shù)（）（）（咖）（）（）（）（姍）第一片第二片第三片第四片本章小結(jié)本章敘述了少片變截面鋼板彈簧的計算算法，并根據(jù)鋼板彈簧的輕量化設(shè)計，在不影響整車穩(wěn)定性、安全性和可靠性等相關(guān)條件下，采用了以梯形為截面形式的少片

40、鋼板彈簧為計算模型計算得出了本課題平衡懸架用所設(shè)計的鋼板彈簧的具體參數(shù)。所得少片變截面鋼板彈簧的體積為，而原多片鋼板彈簧的體積約為，減少了近。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第章鋼板彈簧三維實體建模及有限元計算模型因為傳統(tǒng)的鋼板彈簧計算方法是在一定“假設(shè)前提下展開的，沒有考慮鋼板彈簧在實際工作中的大變形、各片接觸等非線性特點，所以在在本章中綜合考慮這些因素，根據(jù)非線性接觸問題，利用現(xiàn)代技術(shù)，建立鋼板彈簧的模型，對其在不同工況下進(jìn)行有限元分析。由于在復(fù)雜模型，特別是在曲線控制建模上十分困難，所以在做本課題時采用建立各片鋼板彈簧并進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入通過其前處理模塊的操作使鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)幾何模型成為有限元模

41、型，進(jìn)而進(jìn)行應(yīng)力分布和彈性特性分析。三維實體建模簡介軟件的是法國公司在世紀(jì)年代開發(fā)的一體化軟件，到現(xiàn)在以發(fā)展到版本。矧的開發(fā)過程中應(yīng)用了許多現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)，例如：語言、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想、基于和的技術(shù)、等都可進(jìn)行調(diào)用。是新一代全新設(shè)計的軟件，它適合于各種規(guī)模各種類型的企業(yè)，支持電子化企業(yè)的解決方案，可以將隱式的設(shè)計實踐轉(zhuǎn)化為嵌入整個設(shè)計過程的顯式的知識。是基于圖形化的界面，易學(xué)易用【馴。作為一款世界領(lǐng)先的叫軟件，在過去的三十多年中一直保持著其強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢。大量地進(jìn)入各種制造行業(yè)，比如摩托車、機(jī)車、通用機(jī)械、家電等行業(yè)，在汽車、航空航天等領(lǐng)域的統(tǒng)治地位也在不斷增強(qiáng)，國際上一些著名的公司如空中客

42、車、波音等飛機(jī)制造公司，寶馬、克萊斯勒等汽車制造公司都將作為他們進(jìn)行他們產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的主流軟件。國內(nèi)大部分飛機(jī)研究所和飛機(jī)制造廠也選用了，一汽集團(tuán)，二汽集團(tuán)、上海大眾集團(tuán)等十多家汽車制造廠都選用作為新車型的開發(fā)平臺。作為一個大型的應(yīng)用軟件，具有如下特點【弛：基于平臺開發(fā)的軟件，易學(xué)易用；知識驅(qū)動的系統(tǒng)；重新構(gòu)造的新一代體系結(jié)構(gòu)；先進(jìn)的電子樣機(jī)技術(shù)；先進(jìn)的混合建模技術(shù)；武漢理：人學(xué)碩十學(xué)位論文專用知識的捕捉和重復(fù)使用；支持并行工程；實現(xiàn)資源共享，構(gòu)造數(shù)碼企業(yè)；易于發(fā)展電子商務(wù)；優(yōu)良的可擴(kuò)展性，保護(hù)用戶投資；主要模塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計、形狀、分析與模擬、工廠、加工、數(shù)字模擬、設(shè)備與系統(tǒng)、制造的數(shù)字處理、加工模擬、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計與分析、智件和，各個模塊組里又有一個到幾十個不同的模塊。在本課題中這里主要要用到的是機(jī)械設(shè)計中的零部件設(shè)計和裝配設(shè)計模塊。鋼板彈簧三維模型的建立建模的注意事項由于在本課題中的有限元模型是在幾何模型的基礎(chǔ)上建立的，因此，建立集合模型時，既要考慮幾何模型的建立特點，也要考慮有限元模型的建立特點。為了更好的達(dá)到事半功倍的目的，能更好的為下一部使結(jié)構(gòu)幾何模型成為有限元模型