國內(nèi)外汽車鋼板彈簧設(shè)計與分析方法的發(fā)展進(jìn)程_圖文

1、國內(nèi)外汽車鋼板彈簧設(shè)計與分新方法的發(fā)展進(jìn)程鄒海榮(上海大學(xué)黃其柏(華中科技大學(xué)【摘要】鋼板彈簧是汽車上重要的高負(fù)荷安全部件,其結(jié)構(gòu)簡單,計算方法卻相當(dāng)復(fù)雜。文章在系統(tǒng)介紹國內(nèi)外各種汽車鋼板彈簧設(shè)計與分析方法的的基礎(chǔ)上,著重分析了最近國內(nèi)外汽車鋼板彈簧優(yōu)化設(shè)計與分析新方法的特點、問題和發(fā)展,說明了應(yīng)用ANsYs軟件的CAE法,無需假設(shè),可以取得精益設(shè)計效果,解決異常損壞難題。【主題詞】鋼板彈簧汽車分析1引言懸架對汽車的行駛平順性、穩(wěn)定性、通過性、燃料經(jīng)濟(jì)性等多種使用性能都有重要影響。鋼板彈簧是汽車懸架系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的元件,它既負(fù)擔(dān)傳遞所有各向力和力矩,還作為彈性元件、減振器和導(dǎo)向機構(gòu),是重要的

2、高負(fù)荷安全部件。鋼板彈簧的幾何形狀十分簡單,但在工作過程中存在大變形(幾何非線性、各葉片間的接觸(狀態(tài)非線性等多種非線性因素,故多年來一直沒有形成一個比較切合實際的完善的設(shè)計與分析方法。傳統(tǒng)方法是解析法,應(yīng)用材料力學(xué)線性梁理論,主要有共同曲率法和集中載荷法。傳統(tǒng)方法進(jìn)行了過多的簡化,不符合實際,不能準(zhǔn)確地反映其力學(xué)本質(zhì)。事實上,彈簧各片的接觸狀態(tài)與各片本身及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(guān),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(yīng)問題,不可能服從一個事先的“假定”。這就造成汽車鋼板彈簧常常發(fā)生一些傳統(tǒng)方法不能解釋的問題。隨著有

3、限元技術(shù)、CAE技術(shù)的不斷發(fā)展和在工程中的成功應(yīng)用,近年來,國內(nèi)外汽車鋼板彈簧設(shè)計與分析方法已發(fā)生很大的變化。這些先進(jìn)計收稿日期:20040325上海汽車2004.7算技術(shù)最大的特點就是突破了傳統(tǒng)方法中的人為假設(shè),即不需要事先的“假定”,理論嚴(yán)密,而且計算精度高。本文在長期實際應(yīng)用這些方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析和對比,結(jié)合自己的實踐,著重說明了最近國內(nèi)外汽車鋼板彈簧優(yōu)化設(shè)計與分析新方法的特點、問題和發(fā)展。2解析法2.1懸臂梁法懸臂梁法是最早,也是最簡單的方法。人們在分析鋼板彈簧的應(yīng)力及剛度時,把鋼板彈簧當(dāng)作一個整體的變斷面懸臂梁來進(jìn)行估算。由材料力學(xué)可知,對于懸臂梁,其最大應(yīng)力在根部,由相應(yīng)的應(yīng)力

4、計算公式可求得其最大應(yīng)力值舊J。懸臂梁法的計算結(jié)果很不精確,僅能初步分析生產(chǎn)實際中的問題。2.2共同曲率法共同曲率法是一種用于剛度驗算和應(yīng)力分析的典型模型方法,1954年由前蘇聯(lián)專家帕爾希洛夫斯基提出【2J。共同曲率法的基本理論是假設(shè)模型在任何載荷下,鋼板彈簧各片彼此沿整個長度無間隙接觸,在同一截面上具有相同的曲率,于是模型簡化為梯形單片彈簧進(jìn)行計算。共同曲率法具有計算方便的優(yōu)點,但這一假設(shè)會導(dǎo)致在葉片的端點存在彎矩突變,不能滿足37萬方數(shù)據(jù)片端無應(yīng)力的邊界條件。共同曲率法在計算最末幾片應(yīng)力時誤差較大,但從實測各片的應(yīng)力分布來看,長片的應(yīng)力分布較符合共同曲率法的計算結(jié)果。用共同曲率法求得的彈簧

5、剛度也偏大一些,這是因為假設(shè)中認(rèn)為葉片端部都承受彎矩,而實際并非如此。2.3集中載荷法集中載荷法是另外一種用于剛度驗算和應(yīng)力分析的典型模型方法,也是上世紀(jì)50年代中期由前蘇聯(lián)專家提出的【2J。與共同曲率法一樣,集中載荷法長期以來用于鋼板彈簧設(shè)計與分析,并成為經(jīng)典方法。共同曲率法的基本理論是假設(shè)模型在任何載荷下,鋼板彈簧各片只在端點接觸,即當(dāng)?shù)谝黄亩瞬渴艿揭粋€集中載荷時,中間各片受到其前一片端部給它的集中力和其后一片端部給它的反作用力,最后一片只受到其前一片端部給它的集中力,且每一片端部處相鄰兩葉片撓度相等。集中載荷法的假設(shè)與實踐中長期得到的鋼板彈簧葉片端部磨損嚴(yán)重的事實相吻合。集中載荷法計算

6、要復(fù)雜一些,并且僅當(dāng)片端裝置隔離墊時假設(shè)才與實際相符。按集中載荷法計算的各片應(yīng)力分布由兩條折線組成,與實測各片應(yīng)力分布相差較大。一般集中載荷法在計算短片特別是最后兩片應(yīng)力時具有較高的精度,計算得到的板簧剛度一般偏小。2.4集中載荷法和共同曲率法結(jié)合法集中載荷法和共同曲率法各有其合理之處,此后許多學(xué)者對這兩種方法的結(jié)合進(jìn)行了廣泛研究。前蘇聯(lián)專家巴希洛夫斯基首先提出最后兩片采用集中載荷法,而其余各片用共同曲率法的方法,并引用了一些應(yīng)力分布試驗的數(shù)據(jù)來驗證他的結(jié)論,但最終的計算結(jié)果和試驗結(jié)果之間存在較大的差別。計算的剛度值比實驗值大15%或更多,巴氏未能解釋產(chǎn)生誤差的原因,只是引入了一個經(jīng)驗的剛度修

7、正系數(shù)。同時,計算的各片應(yīng)力分布由兩條折線組成(末片除外,與實測各片應(yīng)力分布相差較大,只有在板簧片數(shù)較少時才符合這種假設(shè)¨-。郭孔輝H1從整簧撓度實質(zhì)上是主片的撓度觀38點出發(fā),提出了主片分析法,把剛度計算問題和應(yīng)力計算問題統(tǒng)一起來。他根據(jù)實測各片應(yīng)力分布提出了一種共同曲率與集中載荷相結(jié)合的假設(shè),把每一片的載荷工況都分為受下一片夾持的約束部分和懸伸在下一片之外的非約束部分,約束部分符合共同曲率假設(shè),而非約束部分符合集中載荷假設(shè)。這種假設(shè)改正了共同曲率法的不足之處,但各片端所對應(yīng)的各片應(yīng)力仍按共同曲率假設(shè)計算,因此不滿足相鄰兩片在片端處的變形相等的邊界條件。劉廣寬"o在集中載

8、荷假設(shè)基礎(chǔ)上提出了各片板端力對其上各片均有影響力的計算方法,影響力的大小是按共同曲率假設(shè)求出的,因此不滿足在各片端處作用力與反作用力相等的條件,所以對各板端力引入修正系數(shù)0.9O.94。3有限元法有限元法是一種利用離散化將無限自由度的連續(xù)體問題變?yōu)橛邢迋€單元節(jié)點參數(shù)來進(jìn)行計算的現(xiàn)代計算方法。它的最大優(yōu)點是不需要任何假設(shè)。雖然有限元法的解是近似的,但適當(dāng)選擇單元的形狀與數(shù)量,可以使近似解達(dá)到滿意的精度。而且有限元能適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀或邊界條件,處理各種復(fù)雜的材料性質(zhì)問題,解決非同質(zhì)連續(xù)介質(zhì)的問題,因此被迅速應(yīng)用到各種工程中【6J。用有限元法計算鋼板彈簧的剛度和應(yīng)力問題,與傳統(tǒng)的解析方法相比,具有

9、理論上嚴(yán)密、力學(xué)模型統(tǒng)一、精度高等優(yōu)點。國內(nèi)林金木J川首先用有限元方法計算了線性等截面鋼板彈簧的剛度和應(yīng)力。zallav首次用有限元方法研究了鋼板彈簧的接觸問題,通過分析受載的鋼板彈簧,發(fā)現(xiàn)鋼板彈簧的變形同接觸過程相關(guān)聯(lián)。因為接觸問題是非線性的,為了得到收斂解,使用了一個特殊的迭代程序。它顯然不能被廣泛應(yīng)用。鄭賢中等舊1基于三維罰函數(shù)有限元法,根據(jù)接觸問題的邊界條件,運用bilinear參數(shù)推導(dǎo)出用有限元法模擬的數(shù)值算法。他不再把板簧簡化為梁來計算,而首次在三維實體的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限上海汽車2004.7萬方數(shù)據(jù)元的精確離散化。而且考慮了片簧層間的耦合作用,建立了多片等截面線性汽車鋼板彈簧的三維有

10、限元動態(tài)計算模型,應(yīng)用該模型對鋼板彈簧在載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了計算。用有限元法求解鋼板彈簧問題雖然在理論上是準(zhǔn)確嚴(yán)密的,但其剛度、應(yīng)力不能用簡單的解析式表達(dá),需要復(fù)雜的編程,而且計算量很大,因此限制了在實際設(shè)計中的應(yīng)用。4CAE法cAE法即通常所說的計算機輔助工程分析技術(shù),是指應(yīng)用有限元法、邊界元法、離散單元法或有限差分法等數(shù)值模擬方法,輔助工程師用工程上分析的過程及計算方法對工程結(jié)構(gòu)的各項特性進(jìn)行同步設(shè)計與分析的一種方法Ll0|。cAE的技術(shù)種類主要是有限元法和邊界元法,而其中有限元法應(yīng)用更廣泛,更實用。在汽車設(shè)計與開發(fā)中應(yīng)用最廣泛的也屬有限元法。當(dāng)前,各種CAE軟件的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為

11、工程界的一個熱點。應(yīng)用CAE法對汽車鋼板彈簧進(jìn)行精確設(shè)計與分析,需要同時考慮大變形、柔性面對柔性面的接觸和有預(yù)負(fù)荷及工作負(fù)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(shù)難度大。CAE軟件的開發(fā)與進(jìn)步使這一問題基本上得到了解決。美國ANSYs軟件就是世界主要CAE軟件之一。應(yīng)用ANSYS5.6普通結(jié)構(gòu)分析模塊的隱式非線性模式,具有非線性分析參數(shù)設(shè)置導(dǎo)航功能,可以勝任鋼板彈簧的非線性計算任務(wù),使得汽車鋼板彈簧設(shè)計與分析的技術(shù)難度大大降低¨1|。應(yīng)用CAE法對汽車鋼板彈簧進(jìn)行設(shè)計與分析,可以精確計算在不同的單片自由曲率和形狀條件下,組裝后各片預(yù)應(yīng)力響應(yīng)和各葉片間的接觸狀態(tài)、接觸壓力

12、以及鋼板彈簧總成在大變形工作時應(yīng)力響應(yīng)、葉片間接觸狀態(tài)及接觸壓力和剛度,從而實現(xiàn)鋼板彈簧精確設(shè)計,是目前世界上最先進(jìn)的方法。國內(nèi)已開始應(yīng)用該方法進(jìn)行鋼板彈簧設(shè)計與分析。本人針對一種異常斷裂的漸變剛度汽車鋼板彈簧,應(yīng)用ANSYs非線性模塊,同時考慮工作過上海汽車2004.7程中大變形、接觸等多種非線性因素,對其進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)分析,得到鋼板彈簧的應(yīng)力大小和分布,合理解釋了該鋼板彈簧的異常斷裂問題。并根據(jù)有限元計算結(jié)果,提出避免鋼板彈簧異常斷裂的思路。據(jù)之改進(jìn)后鋼板彈簧的疲勞試驗和道路試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果吻合。胡玉梅等121利用ANSYS接觸非線性求解功能,對sCl020汽車后懸架鋼板彈簧的強

13、度和剛度進(jìn)行了考慮接觸狀況的靜強度分析,得到各片鋼板彈簧在總裝配后的預(yù)應(yīng)力分布、預(yù)變形、在不同載荷作用下的應(yīng)力分布和變形情況,并在此基礎(chǔ)上計算了鋼板彈簧的力學(xué)性能和動態(tài)特性,并且和試驗結(jié)果一致。應(yīng)用cAE技術(shù)無須任何假定,完全按各片的幾何結(jié)構(gòu)和材料條件,同時考慮其大變形、接觸和摩擦情況進(jìn)行計算分析,求得剛度、應(yīng)力響應(yīng)、接觸狀態(tài)及接觸壓力,這就可能設(shè)計出各片合理的幾何尺寸和整體剛度,取得精益設(shè)計效果,并且應(yīng)用它可以解決異常損環(huán)問題。5結(jié)束語在各種汽車鋼板彈簧的設(shè)計與分析方法中,傳統(tǒng)方法都是基于一定假設(shè)的模型,與鋼板彈簧的實際受力和變形有不小的差距,因而其分析準(zhǔn)確性不夠高。有限元法不需要假設(shè),其理

14、論嚴(yán)密,而且計算精度高,但需計算者自己編程,計算非常復(fù)雜,無法廣泛應(yīng)用。只有CAE法,不僅不需要人為假設(shè),而且可以同時考慮結(jié)構(gòu)的大變形、接觸狀態(tài)和接觸壓力、組裝時的預(yù)應(yīng)力和工作應(yīng)力的組合,能夠在設(shè)計中調(diào)整各葉片形狀、幾何尺寸,得到汽車鋼板彈簧的精確設(shè)計,再應(yīng)用參數(shù)模型,合理地改變數(shù)據(jù),能夠方便地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。參考文獻(xiàn)3楊宗盂。汽車鋼板彈簧的設(shè)計與計算.汽車技術(shù),1979.(1(下轉(zhuǎn)第41頁39萬方數(shù)據(jù)較大時使用線性調(diào)節(jié)技術(shù)就不夠理想,主要問題是功耗過高,損耗基本上都轉(zhuǎn)化成熱能。線性電源的損耗為:P損=P負(fù)載(U一鞏/%;“一電源電壓以一負(fù)載電壓如一功率為75w6V的用電器使用線性電源適配器,供

15、電損耗的功率可達(dá)到75W,效率只有50%。開關(guān)電源技術(shù)的出現(xiàn)使電源變換的效率大大提高。目前大部分開關(guān)電源采用PwM(脈寬調(diào)制技術(shù),極少數(shù)采用了頻率調(diào)制和混合調(diào)制技術(shù)。如果設(shè)計得好的話,采用這種技術(shù)的適配器效率可以達(dá)到80%以上。以上講述的是DcDc的方案,而更多的家用電器使用交流電,則需要進(jìn)行DCAC升壓轉(zhuǎn)換。根據(jù)國家地區(qū)的不同,全世界有110V/60Hz、220v/50Hz等不同的電壓頻率。如此,要將汽車上提供的直流電轉(zhuǎn)變成交流電只能采用逆變的方式進(jìn)行。電源的開關(guān)逆變技術(shù)是電源技術(shù)未來發(fā)展的方向,按原理可分為脈寬調(diào)制、頻率調(diào)制、混合調(diào)制技術(shù),按電路結(jié)構(gòu)可分為單端正激、單端反激、半橋、全橋等技

16、術(shù)。目前常用的方法是sPwM (正弦波脈寬調(diào)制調(diào)制技術(shù),常規(guī)情況下都不在其后加裝低通,輸出的電壓波形非正弦波。目前,除部分電器,如采用移相觸發(fā)調(diào)壓的臺燈、電暖器等,不能使用此類電源外,其余皆可使用之。圖1為開關(guān)電源的邏輯原理圖。電源刪c功率開關(guān)器件抉能輸出朋M發(fā)生反饋圖1目前,以上提到的部分技術(shù)已應(yīng)用在現(xiàn)實汽車的設(shè)計研發(fā)中,展望未來,汽車電源技術(shù)將朝高效率、大功率、低成本、輕量化等方向不斷前進(jìn)。趟;:界出幣15幣延;.謇也不也.幣!矯也喬趟;:節(jié)ij出不出不不÷!;.秘竺開出不§!;.界出毋也爾出不出亦也喬出帶也筇出秘些乖如爾出希出不出尜出乖出希出乖出希出祭墩乖也乖蝌秘蚴斛

17、壞出希過壞(上接第39頁4郭孔輝.鋼板彈簧剛度計算的主片分析法,汽車工程, 1984,6(28Zalavi,E.,Analysis of a contacproblem法kaf springs. Mechanics Research communications,1992,19(1上海汽車2004.7AbstI.actLeaf spring is an important and heaVyloaded security parts in automobiles,its structure is simple, but its computational method is Very complicated actually.This article systematically introduces the de-sign and analysis method f.0r each kinds of domestic and fore培n1e“springs,analyzes the fe