汽車(chē)鋼板彈簧有限元設(shè)計(jì)分析

1、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要鋼板彈簧是汽車(chē)非獨(dú)立懸掛裝置中常用的一種彈性元件。其作用是傳遞車(chē)輪與車(chē)身之間的力和力矩，緩和由于路面不平而傳遞給車(chē)身的沖擊載荷，衰減沖擊載荷所引起的振動(dòng)，保證車(chē)輛的行駛平順性。鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，成本低廉，在懸掛系統(tǒng)中可兼起導(dǎo)向作用，因此得到極為廣泛的應(yīng)用。本文在對(duì)多片鋼板彈簧結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)根據(jù)課題要求設(shè)計(jì)的鋼板彈簧的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。利用PRO/E軟件建立鋼板彈簧的三維實(shí)體模型，根據(jù)建成的鋼板彈簧三維模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，并在兩簧片的接觸區(qū)域生成ANSYS軟件所提供的接觸單元，建立起多片鋼板彈簧的有限元模型。通過(guò)適當(dāng)?shù)奶匦赃x

2、取，模擬簧片間的非線性接觸。模擬裝配夾緊過(guò)程施加的載荷約束，并計(jì)算該過(guò)程中鋼板彈簧內(nèi)部產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，驗(yàn)證鋼板彈簧設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)比較了少片變截面鋼板彈簧相對(duì)于多片變截面鋼板彈簧的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：多片鋼板彈簧；少片變截面鋼板彈簧；有限元；接觸；ANSYSABSTRACTLeaf spring is an elastic component often used in dependent-type suspension on modern vehicles.Its function is transferring the force and moment from wheel to body，de

3、creasing the impact load from road surface，attenuating the vibration which caused by the impact load，assuring the regular running of the vehicle，Leaf spring has simpleness configuration and low manufacturing cost，its easy to maintain and as a guide mechanism of the suspension.Those advantages makes

4、leaf spring be used wildly.By using the PRO/E making use of the solid model，a FE model of the multi-leaf spring is constructed by ANSYS mapped mesh.To figure out the nonlinear contact condition of the leaf spring，we use contact element type to simulate the contact region of leaf spring，and treat wit

5、h the elementsattributes properly.A simulation of multi-leaf spring assemble is performed and the initial stress produced during this process is displayed，compare it to the theoretic value to confirm the FE model.Then simulate the stiffness test and calculate the stiffness value，compare it to real t

6、est value.KEY WORDS:Multi-leaf spring;taper-leaf spring;FEM;Contact;ANSYS32目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 鋼板彈簧簡(jiǎn)介11.2 多片鋼板彈簧國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3本課題研究的內(nèi)容和意義2第2章 懸架結(jié)構(gòu)形式的選擇32.1 懸架概述32.2 懸架的結(jié)構(gòu)形式及選擇32.2.1獨(dú)立懸架32.2.2非獨(dú)立懸架4第3章 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)53.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析53.1.1 鋼板彈簧的布置方案53.1.2 鋼板彈簧的種類(lèi)53.1.3 鋼板彈簧斷面形狀73.1.4 鋼板彈簧葉片端部的形狀83.1.5 彈簧卷耳93

7、.1.6 彈簧包耳103.1.7 鋼板彈簧中心螺栓103.1.8 彈簧夾箍113.2鋼板彈簧設(shè)計(jì)的已知參數(shù)123.2.1 鋼板彈簧計(jì)算的初始條件123.2.2 滿(mǎn)載弧高133.2.3 鋼板彈簧長(zhǎng)度L的確定133.2.4 鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定133.3 鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的確定143.4 鋼板彈簧剛度驗(yàn)算143.5 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算143.5.1 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高143.5.2 鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下曲率半徑的確定153.6 鋼板彈簧總成弧高的核算163.7 鋼板彈簧的強(qiáng)度驗(yàn)算173.7.1 后鋼板彈簧應(yīng)力分析173.7.2 鋼板彈簧卷耳內(nèi)徑和彈簧銷(xiāo)直

8、徑確定及其強(qiáng)度核算173.8 設(shè)計(jì)總結(jié)183.9少片變截面彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算18第4章 基于ANSYS的多片鋼板彈簧的有限元分析194.1 多片鋼板彈簧三維模型的建立194.1.1 Pro/e三維建模簡(jiǎn)介194.1.2 鋼板彈簧三維模型的建立204.2 多片鋼板彈簧有限元模型的建立204.2.1有限元分析概述204.2.2 ANSYS概述214.2.3 多片鋼板彈簧有限元模型的建立214.2.4 多片鋼板彈簧的接觸定義224.3 多片鋼板彈簧的計(jì)算結(jié)果分析234.3.1 鋼板彈簧的裝配過(guò)程分析234.3.2 鋼板彈簧滿(mǎn)載應(yīng)力分析274.4 少片變截面鋼板彈簧滿(mǎn)載應(yīng)力分析28第5章 結(jié)論29致 謝3

9、0參考文獻(xiàn)31附錄1 圖紙第1章 緒 論1.1 鋼板彈簧簡(jiǎn)介板彈簧作為懸架的組成部分是汽車(chē)上非常重要的一個(gè)部件，一般用鋼板組成，對(duì)整車(chē)的性能有著很大的影響。其作用主要有以下幾個(gè)方面：第一是緩和沖擊。由于汽車(chē)行駛的路面不可能絕對(duì)平坦，為了緩和沖擊，在汽車(chē)行駛系中，除了采用彈性的沖氣輪胎之外，在懸架中還必須裝有彈性元件，將車(chē)架與車(chē)橋彈性連接在一起，鋼板彈簧便是常用的彈性元件之一。同時(shí)，由懸架剛度和簧載質(zhì)量所決定的車(chē)身固有頻率，是影響汽車(chē)行駛平順性的懸架重要性能指標(biāo)之一，而這一指標(biāo)主要受彈性元件所決定，因此，鋼板彈簧對(duì)整車(chē)的平順性有很大影響。第二是導(dǎo)向。鋼板彈簧在懸架中除了作為彈性元件起緩沖作用外，

10、當(dāng)它在汽車(chē)上縱向安置并且一端與車(chē)架作固定鉸鏈連接時(shí)，它本身還能起到?jīng)Q定車(chē)輪運(yùn)動(dòng)軌跡的作用，因而不必另設(shè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。第三是減振。懸架作為彈性系統(tǒng)在受到?jīng)_擊后，持續(xù)的振動(dòng)易使乘員感到不適或疲勞。鋼板彈簧是多片疊成的，由于片間摩擦，其本身具有一定的減振能力，在對(duì)減振要求不高的車(chē)輛上，也可以不裝減振器。第四是承載。車(chē)架及載荷的重量通過(guò)懸架傳到車(chē)輪上，同時(shí)作用在車(chē)輪上的牽引力、制動(dòng)力、橫向力等，通過(guò)懸架傳到車(chē)架上。當(dāng)鋼板彈簧在汽車(chē)上縱向安置并且一端與車(chē)架作固定鉸鏈連接時(shí)，可以起到傳遞各向力和力矩的作用。1.2 多片鋼板彈簧國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的鋼板彈簧強(qiáng)度分析中，應(yīng)用簡(jiǎn)化力學(xué)模型，基于材料力學(xué)的小撓度梁的線

11、彈性理論為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)楦骰善挠?jì)算十分復(fù)雜，人們常用的做法是把問(wèn)題抽象成簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型，在一定的假設(shè)條件下進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)鋼板彈簧的垂直方向載荷的計(jì)算上，主要有以下三種常用的計(jì)算方法：（1）三角形板計(jì)算法。將各片彈簧假設(shè)為一個(gè)整體的三角形板，直接根據(jù)材料力學(xué)中的純彎載荷下的簡(jiǎn)支梁模型，并假設(shè)梁為小變形，即撓曲線很小以簡(jiǎn)化應(yīng)力計(jì)算，可求出各截面上的應(yīng)力分布，但對(duì)各片的應(yīng)力值要求得到較準(zhǔn)確的結(jié)果是很困難的。（2）板端接觸法。將鋼板彈簧各片分開(kāi)考慮，并假設(shè)力在鋼板彈簧各片間的傳遞僅靠各片端來(lái)完成。對(duì)各片的處理，采用法一中的彎曲梁模型計(jì)算得到各片的應(yīng)力狀態(tài)分布。但在通常的少片彈簧中，上下各片

12、間的接觸狀態(tài)并不僅限于片端此法也不能較好的模擬出板簧的實(shí)際工作狀況。（3）共同曲率法。假定各片的彎曲具有共同的曲率，即各片是在全長(zhǎng)上彼此相互間緊密接觸，沒(méi)有間隙狀態(tài)下發(fā)生彎曲。另由各片截面上彎矩分布的連續(xù)性，假設(shè)出各片的彎矩分布狀態(tài)，由此彎矩圖計(jì)算出各片的應(yīng)力狀態(tài)。使用該方法的前提是假設(shè)鋼板彈簧各簧片的撓度完全相等，并忽略簧片間的相對(duì)滑移以及簧片間的摩擦。上述三種計(jì)算方法均從不同角度和不同程度上對(duì)實(shí)際工作中的鋼板彈簧進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并不能反應(yīng)實(shí)際工作中同時(shí)存在的大變形，裝配預(yù)應(yīng)力和各葉片間復(fù)雜接觸的非線性狀態(tài)。而且計(jì)算中的假設(shè)條件與鋼板彈簧實(shí)際承載情況不盡相符，所以其計(jì)算結(jié)果存在不同的誤差。國(guó)外對(duì)

13、鋼板彈簧的研究已提出了精益設(shè)計(jì)的概念，也就是強(qiáng)調(diào)考慮結(jié)構(gòu)的大變形，準(zhǔn)確模擬片間的接觸狀態(tài)，并精確計(jì)算包括組裝時(shí)預(yù)應(yīng)力的各簧片工作時(shí)的應(yīng)力狀況。這種精益設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是建立鋼板彈簧的有限元模型，使用有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行強(qiáng)度分析。由于鋼板彈簧具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)方便；除了作為彈性元件外，還可兼起導(dǎo)向和傳遞側(cè)向、縱向力和力矩的作用；在車(chē)架或車(chē)身上兩點(diǎn)支承，受力合理；可實(shí)現(xiàn)變剛度特性等一些特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。板簧的結(jié)構(gòu)形式、材料、加工制造手段和設(shè)計(jì)方法一直在進(jìn)步和發(fā)展。目前已有傳統(tǒng)的多片簧、少片變截面簧和漸變剛度板簧可以適應(yīng)不同的需要。近年來(lái)，有人開(kāi)發(fā)出中、低碳系列的彈簧鋼代替原先一直采用

14、的高碳彈簧鋼以提高可加工性，還有的采用復(fù)合材料以減輕自重。在加工手段上，則普遍采用了預(yù)壓和應(yīng)力噴丸等措施提高板簧的疲勞壽命。鋼板彈簧的設(shè)計(jì)也從傳統(tǒng)的初選參數(shù)試制試驗(yàn)修改設(shè)計(jì)的模式逐步轉(zhuǎn)向經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合以縮短開(kāi)發(fā)周期，減少浪費(fèi)?？傮w而言，鋼板彈簧的設(shè)計(jì)需要通過(guò)合理選擇結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)參數(shù)使板簧能夠滿(mǎn)足整車(chē)總布置所規(guī)定的彈性特性和裝配要求，在使用中具有足夠的疲勞壽命，滿(mǎn)足輕量化設(shè)計(jì)的要求，并且有經(jīng)濟(jì)可行的生產(chǎn)成本。1.3本課題研究的內(nèi)容和意義在研究過(guò)程中，本文主要完成以下內(nèi)容：1）依據(jù)課題要求對(duì)某輕型貨車(chē)進(jìn)行與鋼板彈簧設(shè)計(jì)有關(guān)的總體設(shè)計(jì)，通過(guò)得到的參數(shù)進(jìn)行普通多片鋼板彈簧和少片變截面鋼板彈

15、簧的設(shè)計(jì)計(jì)算。2）利用三維建模軟件PRO/E，對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行裝配。3）建立鋼板彈簧的有限元模型。該建模過(guò)程考慮了鋼板的片間摩擦，設(shè)置了片間摩擦單元。4）將仿真得出的裝配應(yīng)力與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的普通多片鋼板彈簧是否符合要求。計(jì)算少片變截面鋼板彈簧滿(mǎn)載應(yīng)力，比較分析其優(yōu)越性。本課題以工廠實(shí)際生產(chǎn)為依托，提出一種基于三維建模和有限元分析的多片鋼板彈簧設(shè)計(jì)手段，旨在于研發(fā)前期就對(duì)鋼板彈簧的各參數(shù)有所了解，盡早進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用。第2章 懸架結(jié)構(gòu)形式的選擇2.1 懸架概述懸架是現(xiàn)代汽車(chē)上的重要總成之一，它把車(chē)架（或車(chē)身）與車(chē)軸（或車(chē)輪）彈性地連接起

16、來(lái)。其主要任務(wù)是專(zhuān)遞作用在車(chē)輪和車(chē)架（或車(chē)身）之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車(chē)架（或車(chē)身）的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車(chē)行駛平順性；保證車(chē)輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，使汽車(chē)獲得高速行駛能力1。懸架由彈性元件、導(dǎo)向元件、減振器、緩沖塊和橫向穩(wěn)定器等組成2。導(dǎo)向裝置由導(dǎo)向桿系組成，用來(lái)決定車(chē)輪相對(duì)于車(chē)架（或車(chē)身）的運(yùn)動(dòng)特性，并傳遞除彈性元件專(zhuān)遞的垂直力以外飛各種力和力矩。當(dāng)縱置鋼板彈簧作彈性元件時(shí)，它兼起導(dǎo)向裝置作用。緩沖塊用來(lái)減輕車(chē)抽對(duì)車(chē)架（或車(chē)身）的直接沖撞，防止彈性元件產(chǎn)生過(guò)大的變形。裝有橫向穩(wěn)定器的汽車(chē)，能減少轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)車(chē)身的側(cè)傾角

17、和橫向角振動(dòng)3。對(duì)懸架提出的設(shè)計(jì)要求有：1）保證汽車(chē)有良好的行駛平順性。2）具有合適的衰減振動(dòng)能力。3）保證汽車(chē)具有良好的操縱穩(wěn)定性。4）汽車(chē)制動(dòng)或加速時(shí)要保證車(chē)身穩(wěn)定，減少車(chē)身縱傾；轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)身側(cè)傾角要合適。5）有良好的隔聲能力。6）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間尺寸要小。7）可靠地傳遞車(chē)身與車(chē)輪之間的各種力和力矩，在滿(mǎn)足零部件質(zhì)量要小的同時(shí)，還要保證有足夠的強(qiáng)度和壽命4。2.2 懸架的結(jié)構(gòu)形式及選擇為適應(yīng)不同車(chē)型和不同類(lèi)型車(chē)橋的需要，懸架有不同的結(jié)構(gòu)形式，可分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架。2.2.1獨(dú)立懸架獨(dú)立懸架的車(chē)軸分成兩段，每只車(chē)輪用螺旋彈簧獨(dú)立地安裝在車(chē)架（或車(chē)身）下面，當(dāng)一邊車(chē)輪發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，另一邊車(chē)

18、輪不受波及，汽車(chē)的平穩(wěn)性和舒適性好。但這種懸架構(gòu)造較復(fù)雜，承載力小?，F(xiàn)代轎車(chē)前后懸架大都采用了獨(dú)立懸架，并已成為一種發(fā)展趨勢(shì)5。2.2.2非獨(dú)立懸架非獨(dú)立懸架是相對(duì)與獨(dú)立懸架（individual wheel suspension）的車(chē)輪結(jié)構(gòu)。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)車(chē)輪由一根整體式車(chē)架相連，車(chē)輪連同車(chē)橋一起通過(guò)彈性懸架懸掛在車(chē)架或車(chē)身的下面。非獨(dú)立懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、強(qiáng)度高、保養(yǎng)容易、行車(chē)中前輪定位變化小的優(yōu)點(diǎn)，但由于其舒適性及操縱穩(wěn)定性都較差，在現(xiàn)代轎車(chē)中基本上已不再使用，多用在貨車(chē)和大客車(chē)上6。1.非獨(dú)立式懸架特點(diǎn)非獨(dú)立式懸架的兩側(cè)車(chē)輪安裝于一根整體式車(chē)橋上，車(chē)橋通過(guò)懸掛與車(chē)架相

19、連。這種懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳力可靠，但兩輪受沖擊震動(dòng)時(shí)互相影響。而且由于非懸掛質(zhì)量較重，懸掛的緩沖性能較差，行駛時(shí)汽車(chē)振動(dòng)，沖擊較大。該懸掛一般多用于載重汽車(chē)、普通客車(chē)和一些其他車(chē)輛上7。2.鋼板彈簧式非獨(dú)立懸架鋼板彈簧被用做非獨(dú)立懸架的彈性元件，由于它兼起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，使得懸架系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。這種懸架廣泛用于貨車(chē)的前、后懸架中。它中部用U型螺栓將鋼板彈簧固定在車(chē)橋上。懸架前端為固定鉸鏈，也叫死吊耳。它由鋼板彈簧銷(xiāo)釘將鋼板彈簧前端卷耳部與鋼板彈簧前支架連接在一起，前端卷耳孔中為減少摩損裝有襯套。后端卷耳通過(guò)鋼板彈簧吊耳銷(xiāo)與后端吊耳與吊耳架相連，后端可以自由擺動(dòng)，形成活動(dòng)吊耳。當(dāng)車(chē)架受到?jīng)_擊彈簧變形

20、時(shí)兩卷耳之間的距離有變化的可能8。非獨(dú)立懸架 獨(dú)立懸架圖2.1 懸架簡(jiǎn)圖根據(jù)課題條件，本車(chē)型為輕型貨車(chē)，后懸架載荷變化不大?？紤]經(jīng)濟(jì)適用性，選用鋼板彈簧式非獨(dú)立懸架。第3章 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析3.1.1 鋼板彈簧的布置方案目前鋼板彈簧在汽車(chē)上可以縱置或者橫置。后者因?yàn)橐獋鬟f縱向力，必須設(shè)置附加的導(dǎo)向傳力裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大，所以只在少數(shù)輕、微型車(chē)上使用?？v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故在汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用?？v置鋼板彈簧又有對(duì)稱(chēng)式與不對(duì)稱(chēng)式之分。鋼板彈簧中部在車(chē)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(duì)稱(chēng)式彈簧；若不相等，則稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)式鋼

21、板彈簧。多數(shù)情況下汽車(chē)采用對(duì)稱(chēng)式鋼板彈簧。出于整車(chē)布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車(chē)上的安裝位置不變，又要改變軸距或者通過(guò)變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的時(shí)采用不對(duì)稱(chēng)式鋼板彈簧。如圖3.1所示為解放CA1091型汽車(chē)的后懸架。該懸架為鋼板彈簧式非獨(dú)立懸架。鋼板彈簧中部被U型螺栓固定在車(chē)橋上，其前端與固定鉸鏈（也稱(chēng)死吊耳）連接，后端與活動(dòng)鉸鏈（也稱(chēng)活吊耳）連接。在活動(dòng)鉸鏈處，鋼板彈簧后卷耳通過(guò)鋼板彈簧吊耳銷(xiāo)和吊耳與固定在車(chē)架上的吊耳支架相連。當(dāng)車(chē)橋受到?jīng)_擊，彈簧變形，使兩卷耳間距離變化時(shí)，吊耳可以擺動(dòng)9。1-卷耳 2-彈簧夾 3-鋼板彈簧 4-中心螺栓圖3.1 解放CA1091型汽車(chē)的后懸架3.1.

22、2 鋼板彈簧的種類(lèi)目前汽車(chē)上使用的鋼板彈簧常見(jiàn)的有以下幾種:（1）普通多片鋼板彈簧，如圖3.2所示，這種彈簧主要用在載貨汽車(chē)和大客車(chē)上，彈簧彈性特性如圖3.2所示，呈線性特性。圖3.2 普通多片鋼板彈簧（2）少片變截面鋼板彈簧，如圖3.3所示，為減少?gòu)椈少|(zhì)量，彈簧厚度沿長(zhǎng)度方向制成不等厚，其彈性特性如一般多片鋼板彈簧一樣呈線性特性。這種彈簧主要用于輕型貨車(chē)及大、中型載貨汽車(chē)前懸架。圖3.3 變截面鋼板彈簧（3）兩級(jí)變剛度復(fù)式鋼板彈簧，如圖3.4所示，這種彈簧主要用于大中型載貨汽車(chē)后懸架。彈性特性如圖3.4所示，開(kāi)始時(shí)僅主簧起作用，當(dāng)載荷增加到某一值時(shí)副簧與主簧共同起作用，彈性特性由兩條直線組成

23、。圖3.4 兩級(jí)變剛度復(fù)式鋼板彈簧（4）漸變剛度鋼板彈簧，如圖3.5所示，這種彈簧多用于輕型載貨汽車(chē)與廂式客車(chē)后懸架，副簧放置在主簧之下，副簧隨汽車(chē)載荷變化逐漸起作用，彈簧特性呈非線性特性。圖3.5 漸變剛度鋼板彈簧后懸架載荷變化很大的貨車(chē)和大客車(chē)，為防止汽車(chē)前后懸架的頻率相差過(guò)大而導(dǎo)致汽車(chē)車(chē)身的猛烈顛簸（縱向角振動(dòng)），常用此類(lèi)非線性特性的懸架，從而改善汽車(chē)行駛平順性。對(duì)于輕型貨車(chē)，后懸架載荷變化不大?？紤]經(jīng)濟(jì)適用性，選用線性懸架的普通多片鋼板彈簧。3.1.3 鋼板彈簧斷面形狀汽車(chē)鋼板彈簧彈簧斷面形狀主要4種型式。圖3.6 矩形斷面簧片圖3.6的矩形斷面簧片由于制造簡(jiǎn)單，目前應(yīng)用的比較多。矩形

24、斷面的中性軸位于斷面中央，鋼板上下表面的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力是相等的，由于材料的抗拉性能比抗壓性能差，因此矩形斷面鋼板彈簧在承受拉應(yīng)力的一面易破壞。一般輕型汽車(chē)多用此類(lèi)型的簧片。圖3.7 單面帶槽斷面圖3.8 T形斷面圖3.9 單面帶雙槽斷面圖3.7、圖3.8和圖3.9的斷面形狀設(shè)計(jì)成不對(duì)稱(chēng)型式，使斷面中性軸移近受拉斷面，改變了應(yīng)力分布情況，從而減小彈簧拉用力。實(shí)驗(yàn)表明，采用這種斷面的鋼板彈簧比矩形斷面彈簧壽命提高30，節(jié)約材料10左右。但考慮本車(chē)型是輕型貨車(chē)，矩形斷面許用應(yīng)力足夠，而且加上制造方便，成本低，選用圖3.6矩形斷面。3.1.4 鋼板彈簧葉片端部的形狀簧片端部形狀常見(jiàn)有3種型式。圖3.1

25、0 矩形端部第一種是矩形圖3.10，這種彈簧制造簡(jiǎn)單，在載貨汽車(chē)上使用較多。片端呈矩形的簧片間摩擦阻力較大，增大了彈簧剛度。圖3.11 梯形端部為克服圖3.10的缺點(diǎn)，將簧片端部切去兩角而呈梯形，如圖3.11。圖3.12 壓延端部或?qū)⒍瞬垦亻L(zhǎng)度方向逐漸壓延減薄如圖3.12，也能克服3.10的缺點(diǎn)。這兩種鋼板彈簧不僅減小了彈簧片間摩擦，而且降低彈簧剛度，改善彈簧應(yīng)力分布。端部壓延彈簧由于增加了端部軋制工藝，使彈簧制造工藝復(fù)雜了?？紤]矩形圖的缺點(diǎn)，選用圖3.11的梯形圖端部形狀。3.1.5 彈簧卷耳鋼板彈簧卷耳一般有3種結(jié)構(gòu)，即下卷耳、上卷耳和平卷耳，如圖3.13至3.15所示。上卷耳使用的較多，

26、采用下卷耳主要是為了協(xié)調(diào)鋼板彈簧與轉(zhuǎn)向系的運(yùn)動(dòng)，下卷耳在載荷作用下容易張開(kāi)，強(qiáng)度不易保證；平卷耳可以減少卷耳的應(yīng)力，因?yàn)榭v向力作用方向和彈簧主片斷面的中心線重合，對(duì)于不能增加主片厚度又要保證主片卷耳強(qiáng)度的彈簧多采用平卷耳。但是，平卷耳制造比上述兩種卷耳復(fù)雜，制造費(fèi)用較高，一般轎車(chē)多采用平卷耳或下卷耳。圖3.13 下卷耳圖3.14 上卷耳圖3.15 平卷耳對(duì)于輕型貨車(chē)常用上卷耳，故可采用上卷耳圖3.14，可以避免下卷耳的強(qiáng)度不足和中卷耳的制作費(fèi)用較高的缺點(diǎn)。3.1.6 彈簧包耳汽車(chē)在使用條件惡劣的情況下，需要采用加強(qiáng)卷耳的措施。常見(jiàn)的是將第二片彈簧作成包耳形式，以保護(hù)主片。包耳常見(jiàn)的有14包耳（

27、圖3.16）和34包耳（圖3.17）。輕型車(chē)或廂式客車(chē)多采用14包耳，而大型載貨汽車(chē)和大型客車(chē)多采用34包耳。本車(chē)屬于輕型貨車(chē)，故本車(chē)采用14包耳。圖3.16 14包耳圖3.17 34包耳3.1.7 鋼板彈簧中心螺栓中心螺栓的作用，除了夾緊各片彈簧外，又是安裝鋼板彈簧的定位銷(xiāo)。中心螺栓在U形螺栓松動(dòng)時(shí)易剪斷，因此應(yīng)有一定的強(qiáng)度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧斷面強(qiáng)度，因此其直徑不宜做的過(guò)大，一般與簧片厚度相等。下表是推薦的中心螺栓直徑尺寸。中心螺栓一般用15MnVB材料作成，機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)。對(duì)于重型載貨汽車(chē)，中心螺栓多用40Cr或40MnB制成。表3.1 中心螺栓直徑尺寸中心螺栓直徑8

28、10121416簧片厚77991111131316中心孔直徑8.510.512.514.516.5本車(chē)類(lèi)型為輕卡，故簧片不用太厚，初步預(yù)定簧片厚度9毫米。因此由上表得出中心螺栓直徑先初步確定為12mm，由此得中心孔直徑為，螺栓由15MnVB材料做成。3.1.8 彈簧夾箍彈簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯(cuò)位之外，還能在彈簧回彈時(shí)，將力傳遞給其他簧片，減少主片應(yīng)力。彈簧夾箍結(jié)構(gòu)如下圖所示。目前使用最多的是可拆式夾箍，如圖3.18。為了防止彈簧橫向扭曲時(shí)在簧片上產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力，在夾箍和彈簧片表面之間會(huì)留有一定的間隙，一般不小于1.5mm，夾箍與彈簧片側(cè)面間隙為0.51mm。對(duì)于不經(jīng)常拆裝換片的彈簧，大都

29、采用了不可拆式夾箍，如圖3.19，這種夾箍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少制造費(fèi)用，而且彈簧裝配方便，多用于轎車(chē)和輕型載貨汽車(chē)上。圖3.18 可拆式夾箍圖3.19 不可拆式夾箍此車(chē)采用圖3.18所示的可拆式夾箍，便于更換及維修。3.2鋼板彈簧設(shè)計(jì)的已知參數(shù)3.2.1 鋼板彈簧計(jì)算的初始條件1. 彈簧載荷根據(jù)整車(chē)布置給定的空、滿(mǎn)載質(zhì)量減去估算的非簧載質(zhì)量，得到在每副彈簧上的承載質(zhì)量。一般將前、后軸，車(chē)輪，制動(dòng)鼓及輪轂等總成視為非簧載質(zhì)量，將傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向縱拉桿等總成一半也視為非簧載質(zhì)量。如果鋼板彈簧布置在車(chē)橋上方，彈簧3/4的質(zhì)量為非簧載質(zhì)量；下置彈簧，彈簧1/4質(zhì)量為非簧載質(zhì)量。本車(chē)考慮到車(chē)內(nèi)人員的舒適性，懸架采

30、用將鋼板彈簧布置在車(chē)橋的下方，這樣就可減少非簧載質(zhì)量。收集資料后得到彈簧載荷見(jiàn)表3.2。表3.2 彈簧載荷非簧載質(zhì)量kg前懸架簧載質(zhì)量kg后懸架簧載質(zhì)量kg空載400600500滿(mǎn)載135719382. 懸架靜撓度汽車(chē)簧載質(zhì)量與其質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率是評(píng)價(jià)汽車(chē)行駛平順性的主要參數(shù)。懸架設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)汽車(chē)平順性要求，應(yīng)給出汽車(chē)空、滿(mǎn)載時(shí)前、后懸架頻率范圍。貨車(chē)在滿(mǎn)載時(shí)的懸架偏頻要求在1.52.1Hz，而后懸架則要求在1.72.17Hz。選擇后懸架偏頻為1.8Hz。已知后懸架偏頻Hz，那么懸架靜撓度為：于是得到后懸架靜撓度為：3. 懸架動(dòng)撓度懸架的動(dòng)撓度是指懸架從滿(mǎn)載靜平衡位置開(kāi)始?jí)嚎s到結(jié)構(gòu)允許

31、的最大變形 （通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1/2或1/3） 時(shí)，車(chē)輪中心相對(duì)車(chē)架（或車(chē)身）的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)轎車(chē)，取79 cm；對(duì)大客車(chē)，取58cm；對(duì)貨車(chē)，取79cm。故選擇動(dòng)撓度為8cm，即80mm。4. 汽車(chē)的軸距根據(jù)課題條件，汽車(chē)軸距前文已經(jīng)給出為3360mm3.2.2 滿(mǎn)載弧高由于車(chē)身高度、懸架動(dòng)行程及鋼板彈簧導(dǎo)向特性等都與汽車(chē)滿(mǎn)載弧高有關(guān)，因此彈簧滿(mǎn)載弧值應(yīng)根據(jù)整車(chē)和懸架性能要求給出適當(dāng)值，一般取。有的車(chē)輛為得到良好的操縱穩(wěn)定性，滿(mǎn)載弧高取負(fù)值。根據(jù)課題條件，該輕型貨車(chē)滿(mǎn)載弧高取15mm。3.2.3 鋼板彈簧長(zhǎng)度L的確

32、定選擇鋼板彈簧長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)考慮到在整車(chē)上布置的方便性，因此要與總布置共同協(xié)商確定。一般情況下，轎車(chē)后簧長(zhǎng)度為軸矩的4055，載貨汽車(chē)前后簧長(zhǎng)度分別為軸距的2635和3545。故后懸架鋼板彈簧長(zhǎng)度范圍：L=11761512 mm，取L=1400 mm3.2.4 鋼板斷面尺寸及片數(shù)的確定1.鋼板彈簧斷面寬度b的確定有關(guān)鋼板彈簧 的剛度、強(qiáng)度等，可按等截面簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式計(jì)算，但需引入撓度增大系數(shù)加以修正。因此，可根據(jù)修正后的簡(jiǎn)支梁公式計(jì)算鋼板彈簧所需要的總慣性矩。對(duì)于對(duì)稱(chēng)鋼板彈簧：式中，為形螺栓中心距（mm）；為考慮形螺栓夾緊彈簧后的無(wú)效長(zhǎng)度系數(shù)（如剛性?shī)A緊，取，撓性?shī)A緊，?。?；為鋼板彈簧垂直剛度（N

33、/mm），；為撓度增大系數(shù)（先確定與主片等長(zhǎng)的重疊片數(shù)，再估計(jì)一個(gè)總片數(shù)，求得，然后用初定；為材料的彈性模量。求得：。鋼板彈簧總截面系數(shù)為：；初??；推薦片寬與片厚的比值在610范圍內(nèi)選取，取 =75.7mm。2.鋼板彈簧片厚h的選擇根據(jù)得：；片厚h選擇的要求：1）增加片厚h，可以減少片數(shù)n 2）鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不同兩種情況，希望盡可能采用前者但因?yàn)橹髌ぷ鳁l件惡劣，為了加強(qiáng)主片及卷耳，也常將主片加厚，其余各片厚度稍薄。此時(shí)，要求一副鋼板彈簧的厚度不宜超過(guò)三組。 3）為使各片壽命接近又要求最厚片與最薄片厚度之比應(yīng)小于1.5。4）鋼板斷面尺寸b和h應(yīng)符合國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。 查GB/T1

34、222-2007表A1確定b和h的值，使其符合國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸，又因?yàn)榈暮穸纫话悴怀^(guò)9.5mm，故取b=70mm，h=9mm。3.3 鋼板彈簧各片長(zhǎng)度的確定由作圖法可求得前鋼板彈簧各片長(zhǎng)度（圓整后）。圖3.20 后鋼板彈簧長(zhǎng)度于是得到后鋼板彈簧各片長(zhǎng)度，見(jiàn)表3.3。表3.3 鋼板彈簧各片長(zhǎng)度（單位：mm）第一片第二片第三片第四片第五片第六片第七片第八片第九片第十片14001410125511099648186725273822363.4 鋼板彈簧剛度驗(yàn)算其中：，式中，為經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)，??；為材料彈性模量；、為主片和第片的一半長(zhǎng)度，使用有效長(zhǎng)度，求得鋼板彈簧總成的加緊剛度3.5 鋼板彈簧總成在自

35、由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算3.5.1 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓縮和U形螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端（不包括卷耳孔半徑）連線間的最大高度差（如圖4.3），稱(chēng)為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高用下式計(jì)算：式中， 為靜撓度；為滿(mǎn)載弧高；為鋼板彈簧總成用U形螺栓夾緊后引起的弧高變化，s為U形螺栓中心距；L為鋼板彈簧主片長(zhǎng)度。鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑。 取 ，將代入求得；鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑=2422.1mm。然后由求出各鋼板在裝配總成中的弧高，其值如下：、。3.5.2 鋼板彈簧各片自由狀態(tài)下曲率半徑的確定因鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下和裝配后的曲率

36、半徑不同，裝配后各片產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，其值確定了自由狀態(tài)下的曲率半徑。各片自由狀態(tài)下做成不同曲率半徑的目的是：使各片厚度相同的鋼板彈簧裝配后能很好地貼緊，減少主片工作應(yīng)力，使各片壽命接近。矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定式中，為第i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑（mm）；為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑（mm）；為各片彈簧的預(yù)應(yīng)力（）；E為材料彈性模量（）；為第i片的彈簧厚度（mm）。在已知鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下曲率半徑和各片彈簧預(yù)加應(yīng)力的條件下，計(jì)算出各片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑。選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí)，要求做到：裝配前各片彈簧片間間隙相差不大，且裝配后各片能很好貼和；為保證主片及其相鄰

37、的長(zhǎng)片有足夠的使用壽命，應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長(zhǎng)片的應(yīng)力。這此，選取各片預(yù)應(yīng)力時(shí)，可分為下列兩種情況：對(duì)于片厚相同的鋼板彈簧，各片預(yù)應(yīng)力值不宜選取過(guò)大；對(duì)于片厚不相同的鋼板彈簧，厚片預(yù)應(yīng)力可取大些。綜上所述，預(yù)應(yīng)力的選取不能按照某一個(gè)公式來(lái)計(jì)算，只能依據(jù)基本原則及實(shí)際情況來(lái)確定。設(shè)計(jì)時(shí)一般使主片（長(zhǎng)度等于和大于伸直弦長(zhǎng)的板片）承受負(fù)的預(yù)應(yīng)力，取值（80150）Nmm2 以?xún)?nèi)，其絕對(duì)值是遞減的；使副片（長(zhǎng)度小于伸直弦長(zhǎng)的板片）承受正的預(yù)應(yīng)力，取值+（2060）Nmm2以?xún)?nèi)，其絕對(duì)值遞增到最末一、二片之前，末二片再減小一些，以保證末二片的合成平均應(yīng)力不致太高。在確定各片所需預(yù)應(yīng)力的同時(shí)，還要滿(mǎn)

38、足自平衡條件：就是在未受外截荷作用時(shí)，彈簧的任何斷面中各片預(yù)應(yīng)力所造成的彎矩之代數(shù)和等于零。即或?qū)τ诎迤穸认嗤陌寤?，則簡(jiǎn)化為：分配各預(yù)應(yīng)力如下：、。又由求得各片自由狀態(tài)下的曲率如下：、。如果第i片的片長(zhǎng)為，則第i片彈簧的弧高為：得到的各片弧高如下：，。3.6 鋼板彈簧總成弧高的核算由于鋼板彈簧各片在自由狀態(tài)下的曲率半徑是經(jīng)選取預(yù)應(yīng)力后用式計(jì)算，受其影響，裝配后鋼板彈簧總成自由狀態(tài)下的弧高與用計(jì)算的結(jié)果會(huì)不同。因此需要核算鋼板彈簧總成的弧高根據(jù)最小勢(shì)能原理，鋼板彈簧總成的平衡狀態(tài)是各片勢(shì)能總和最小狀態(tài)，由此可以求得等厚葉片彈簧的為式中，為鋼板彈簧第i片的長(zhǎng)度。鋼板彈簧總成的弧高為從而解出與用

39、式計(jì)算的結(jié)果相近，可見(jiàn)各片預(yù)應(yīng)力的選用是合理的。3.7 鋼板彈簧的強(qiáng)度驗(yàn)算3.7.1 后鋼板彈簧應(yīng)力分析汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)，后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)最大應(yīng)力用下式計(jì)算為作用在后輪上的垂直靜載荷，；為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，轎車(chē)，貨車(chē)，??；、為鋼板彈簧前、后段長(zhǎng)度??；為道路附著系數(shù)，取；b為鋼板彈簧片寬；為鋼板彈簧主片厚度；為鋼板彈簧總截面系數(shù)，?。籧為彈簧固定點(diǎn)到路面的距離，取。許用應(yīng)力取為1000MPa。將各個(gè)數(shù)據(jù)代入得，符合要求。故應(yīng)力分析設(shè)計(jì)合理。3.7.2 鋼板彈簧卷耳內(nèi)徑和彈簧銷(xiāo)直徑確定及其強(qiáng)度核算鋼板彈簧主片卷耳受力如下圖所示。圖3.25 鋼板彈簧卷耳卷耳處所受應(yīng)力是由彎

40、曲應(yīng)力和拉壓合成的應(yīng)力。式中為沿彈簧縱向作用在卷耳中心線上的力；D為卷耳內(nèi)徑；b為鋼板彈簧寬度；為主片厚度。許用應(yīng)力取為350MPa。先初步確定；則算得，故滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。對(duì)鋼板彈簧銷(xiāo)要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷作用時(shí)鋼板彈簧銷(xiāo)受到的應(yīng)力其中為滿(mǎn)載靜止時(shí)鋼板彈簧端部的載荷；b為卷耳處葉片寬；d為鋼板彈簧銷(xiāo)的直徑，用20鋼或20Cr鋼經(jīng)滲碳處理或45鋼經(jīng)高頻淬火后，許用應(yīng)力為。根據(jù)以上初步確定為24mm；故符合要求。3.8 設(shè)計(jì)總結(jié)根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，鋼板彈簧各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表3.5。表3.5 普通多片變截面鋼板彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)鋼板序號(hào)長(zhǎng)度（mm）寬度（mm）厚度（mm）預(yù)應(yīng)力（MPa）自由曲率（mm）自由弧高

41、（mm）總成曲率（mm）總成弧高（mm）1號(hào)1400709-100325775.22422.1101.22號(hào)1410-30262494.7102.63號(hào)12550242281.381.34號(hào)110910236265.163.55號(hào)96420230450.4486號(hào)81830224937.234.57號(hào)67230224925.123.38號(hào)52720230315.114.39號(hào)3822023037.97.510號(hào)236024222.92.9根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到多片變截面鋼板彈簧使用材料的總體積為5526990mm3。3.9少片變截面彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算為減輕整車(chē)重量，使車(chē)輛輕量化，改善汽車(chē)的平順性，作

42、為汽車(chē)鋼板彈簧易損件來(lái)說(shuō)，是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輕量化的一個(gè)不可忽視的零件。因此，目前國(guó)內(nèi)許多汽車(chē)越來(lái)越多地開(kāi)始采用由一片或幾片縱向變厚斷面彈簧組成的少片彈簧。圖3.26 少片式變截面鋼板彈簧懸架對(duì)汽車(chē)行駛平順性有重要影響。少片式鋼板彈簧是非獨(dú)立懸架常用的彈性元件，較多片簧而言，因減少片間摩擦而改善了汽車(chē)的行駛平順性，并且可以節(jié)省材料，減輕重量，更重要的是可以降低總成高度。在保證同樣壽命的前提下，重量大約比多片彈簧減少40%左右，因此得到廣泛采用。本部分根據(jù)課題條件及上文多片鋼板彈簧設(shè)計(jì)的初始條件給出了少片鋼板彈簧的設(shè)計(jì)結(jié)果，并通過(guò)下文利用ANSYS軟件對(duì)其設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。少片變截面彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)

43、如表3.5所示。表3.5 少片變截面鋼板彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)（mm）片號(hào)軋制前規(guī)格（厚寬）片長(zhǎng)片寬曲率半徑弧高1116014006024221012141024331023950580015根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到多片變截面鋼板彈簧使用材料的總體積為2778600 mm3。可見(jiàn)變截面鋼板彈簧比多片變截面鋼板彈簧節(jié)省了50%左右的材料，少片變截面鋼板彈簧滿(mǎn)載時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)將在第四章進(jìn)行分析。第4章 基于ANSYS的多片鋼板彈簧的有限元分析4.1 多片鋼板彈簧三維模型的建立4.1.1 Pro/e三維建模簡(jiǎn)介Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。

44、Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱(chēng)，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/Engineer功能強(qiáng)大，可建立各種復(fù)雜程度產(chǎn)品的三維參數(shù)化實(shí)體裝配模型和部件詳細(xì)模型，自動(dòng)生成工作圖紙（半自動(dòng)標(biāo)注尺寸）；設(shè)計(jì)小組間可進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)；可應(yīng)用于各行業(yè)和各種類(lèi)型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，支持產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型可進(jìn)行虛擬裝配與各種分析，省去了制造樣機(jī)的過(guò)程。4.1.2 鋼板彈簧三維模型的

45、建立如表4.1所示，多片鋼板彈簧總成共由十片自由簧片組成，表格中的尺寸參數(shù)均為簧片經(jīng)過(guò)熱加工及熱處理后所應(yīng)達(dá)到的設(shè)計(jì)尺寸。首先，依據(jù)表格中的參數(shù)，分別對(duì)九片自由簧片進(jìn)行單獨(dú)三維建模。所有簧片均為等截面等寬度簧片。根據(jù)表4.1所示尺寸，利用Pro/e進(jìn)行參數(shù)化建模?；善瑸榈群竦冉孛婊善?，模型建立的難點(diǎn)主要在于卷耳與簧片部分的連接以及簧片弧長(zhǎng)的確定?；善鹘?jīng)過(guò)熱扎以后，上下表面均形成圓弧面，因?yàn)榛善叩臋M截面是不變化的，所以熱扎后自由簧片模型可以通過(guò)拉伸或者掃略的方式生成。為方便模擬裝配過(guò)程中U型螺栓對(duì)簧片的壓緊作用，將其用長(zhǎng)度等于螺心距的兩片鋼板代替。通過(guò)設(shè)計(jì)的尺寸參數(shù)，得出自由狀態(tài)下多片鋼

46、板彈簧的十片自由簧片的三維模型，如圖4.1所示。圖4.1 鋼板彈簧自由狀態(tài)下的三維模型4.2 多片鋼板彈簧有限元模型的建立4.2.1有限元分析概述有限元法（又稱(chēng)有限元單元法）是結(jié)構(gòu)工程師和應(yīng)用數(shù)學(xué)研究人員共同智慧的結(jié)晶?，F(xiàn)代有限元方法的起源可以追溯到20世紀(jì)的早期。當(dāng)時(shí)有些研究者應(yīng)用離散的等價(jià)桿擬合模態(tài)的彈性體。由于航空事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)提出了愈來(lái)愈高的要求。人們不得不進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算，正是在這一背景下，逐漸在工程中產(chǎn)生了矩陣力學(xué)分析方法。有限元法在20世紀(jì)40年代起源于航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，至今，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，不但拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。其范圍已經(jīng)由桿件結(jié)構(gòu)問(wèn)題擴(kuò)展到了彈

47、性力學(xué)乃至塑性力學(xué)問(wèn)題，由平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題，由靜力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和穩(wěn)定性問(wèn)題有固體力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到流體力學(xué)、熱力學(xué)和電磁力學(xué)等問(wèn)題，已成為解決各類(lèi)工程實(shí)際問(wèn)題的有效途徑?？晒┻x用的單元類(lèi)型、算法類(lèi)型及相關(guān)的計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)都發(fā)展到了前所未有的成熟水平10。4.2.2 ANSYS概述ANSYS公司是由美國(guó)著名力學(xué)專(zhuān)家、美國(guó)匹茲堡大學(xué)系教授John Swanson博士于1970年創(chuàng)建發(fā)展起來(lái)的，是目前世界CAE行業(yè)最大的公司。ANSYS公司一直致力于分析設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和售后服務(wù)，不但吸取當(dāng)今世界最先進(jìn)的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著有限元界的發(fā)展趨勢(shì)，并為全球工業(yè)界所接受。ANSYS作

48、為大型通用有限元計(jì)算軟件，是一個(gè)融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電、磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件。作為目前最流行的有限元軟件之一，它具備功能強(qiáng)大、兼容性好、使用方便、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為了工程師們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的首選，并廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道機(jī)車(chē)、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子電器、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)礦產(chǎn)、水利橋梁、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域。ANSYS按功能作用可以分為：一個(gè)前處理模塊、一個(gè)分析模塊、兩個(gè)后處理模塊、幾個(gè)輔助處理模塊等。前處理模塊用于生成有限元模型；分析計(jì)算模塊用于施加載荷及邊界條件，完成求解計(jì)算；后處理模塊用于獲得求解結(jié)果，以便對(duì)模型做出評(píng)估。

49、ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比列的變化。ANSYS可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性3種。從對(duì)ANSYS 12.0的簡(jiǎn)單介紹中，我們可以看出，ANSYS和有限元分析是相輔相承的，在使用有限元分析的時(shí)候，將ANSYS很好的運(yùn)用在實(shí)際工作中的意義很大，可以大大提高工作的效率和準(zhǔn)確程度，減輕設(shè)計(jì)者的工作強(qiáng)度11。4.2.3 多片鋼板彈簧有限元模型的建立1、網(wǎng)格劃分將鋼板彈簧的Pro/e裝配模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 12.0。該型號(hào)鋼板彈簧使用的材料為各向同性的線彈性材料60Si2Mn，彈性模量E為210 GPa

50、，泊松比為0.26，摩擦系數(shù)為0.2，最大許用應(yīng)力應(yīng)力。圖4.2所示為鋼板彈簧自由狀態(tài)下的有限元模型。圖4.2 鋼板彈簧自由狀態(tài)下的有限元模型2、加載及邊界條件的定義加載分2個(gè)載荷步進(jìn)行。第1個(gè)載荷步（工況1），施加預(yù)負(fù)荷，模擬中間夾緊螺栓夾緊各葉片時(shí)彈簧的變形、應(yīng)力響應(yīng)等，載荷（位移載荷）大小等于自由狀態(tài)下各片的間隙之和。第2個(gè)載荷步（工況2），施加工作負(fù)荷（作用力載荷），模擬在板簧的特定長(zhǎng)度處施加彈簧作用力的情況，數(shù)值相當(dāng)于銷(xiāo)子對(duì)彈簧的工作力作用壓力，大小為9496.2 N。4.2.4 多片鋼板彈簧的接觸定義1、接觸動(dòng)力學(xué)概述現(xiàn)今計(jì)算接觸動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的基本方法有多體動(dòng)力迷、線性和非張性有限元

51、法、剛體接觸和彈性接觸以及數(shù)值和幾何問(wèn)題的算法。接觸問(wèn)題屬非線性問(wèn)題，通常只能用數(shù)值的方法求解，研究中須依賴(lài)于非線性有限元法。接觸問(wèn)題的有限元解法主要有位移法、柔度法、罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法等。柔性多體動(dòng)力學(xué)作為接觸動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展，其研究方法主要有:柔性體離散化方法和集成柔性體模態(tài)分析結(jié)果的模態(tài)集成法以及多體理論與有限元的結(jié)合12。2、接觸單元的生成及特性本次分析接觸定義采用的目標(biāo)面單元和接觸面單元分別為T(mén)arge170和Conta173。Targe170單元可以用來(lái)描繪各種三維“目標(biāo)”面，可以在其上施加平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)距離、溫度、電壓、和磁場(chǎng)等約束，也可施加力或力矩。Conta173單元可

52、以用來(lái)描繪三維“目標(biāo)”面和一個(gè)用本單元定義過(guò)的可變形面之間的接觸和滑移。關(guān)于目標(biāo)面和接觸面的區(qū)分可遵循如下準(zhǔn)則：1）如果是凸面與平面或者凹面接觸，那么平/凹面應(yīng)該作為目標(biāo)面。2）如果一個(gè)面的網(wǎng)格劃分較好，相比較而言與之接觸的面網(wǎng)格劃分較粗糙，那么劃分較好的面應(yīng)該作為接觸面，劃分粗糙的面應(yīng)該作為目標(biāo)面。3）如果兩個(gè)接觸面硬度不同，那么較軟的面應(yīng)該作為接觸面，較硬的面應(yīng)該作為目標(biāo)面。4）如果兩個(gè)接觸面下面各自的單元階次不同，那么高階單元所屬表面應(yīng)該作為接觸面，低階單元所屬表面應(yīng)該作為目標(biāo)面。但是，對(duì)于三維“節(jié)點(diǎn)-面”接觸類(lèi)型來(lái)說(shuō)接觸面與目標(biāo)面選擇與上述正好相反。5）如果一個(gè)面明顯大于另一個(gè)面，那么

53、大的表面應(yīng)該作為目標(biāo)面。綜合以上考慮，選取所有接觸對(duì)中簧片的下表面作為接觸面，上表面作為目標(biāo)面。如上所述，為了在仿真過(guò)程中模擬出鋼板彈簧各片之間的接觸與摩擦，就需要在已經(jīng)接觸或即將接觸的簧片表面添加接觸單元，使接觸面間產(chǎn)生接觸力。ANSYS軟件中，接觸單元有兩種創(chuàng)建方式。一種是在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)單元網(wǎng)格劃分，生成單元；另一種方式是，由每個(gè)預(yù)先已經(jīng)確定的節(jié)點(diǎn)的位置，直接創(chuàng)建單元。接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，通常接觸面所依附的模型實(shí)體已預(yù)先用不同于接觸單元的類(lèi)型劃分好了單元網(wǎng)格，故對(duì)于接觸單元的創(chuàng)建，可以直接利用接觸面上的節(jié)點(diǎn)生成接觸單元。定義的材料特性中摩擦系數(shù)的取值直接

54、影響著接觸單元之間的摩擦行為，因?yàn)樯婕暗侥Σ恋慕佑|問(wèn)題中的接觸單元將產(chǎn)生不對(duì)成的剛度矩陣，而在接觸問(wèn)題的迭代求解中，不對(duì)稱(chēng)的剛度矩陣將使得求解器需要更多的計(jì)算時(shí)間，并且過(guò)高的摩擦系數(shù)有可能導(dǎo)致無(wú)法得到收斂解。本研究中假設(shè)簧片之間保持良好的潤(rùn)滑狀況，定義簧片之間的摩擦系數(shù)均為0.2。4.3 多片鋼板彈簧的計(jì)算結(jié)果分析4.3.1 鋼板彈簧的裝配過(guò)程分析1、位移分析圖4.3是裝配完成以后的多片鋼板彈簧總成的位移云圖。可以看到，位移的最大值出現(xiàn)在第一片簧片，數(shù)值為32mm。兩個(gè)卷耳的連心線與第一片簧片中心螺栓處的距離比原來(lái)增大了22.5mm，也就是說(shuō)，裝配完成以后多片鋼板彈簧弧高是95.5mm，設(shè)計(jì)的

55、裝配弧高是101.26mm，因此，多片鋼板彈簧有限元模型是符合設(shè)計(jì)要求的。圖4.3 鋼板彈簧總成位移云圖2、應(yīng)力分析 圖4.4是裝配完成以后的多片鋼板彈簧總成應(yīng)力云圖?？梢钥吹?，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在第一片簧片U型螺栓附近，數(shù)值為207MPa，小于其許用應(yīng)力1000MPa，滿(mǎn)足其強(qiáng)度要求。圖4.4 鋼板彈簧總成應(yīng)力云圖圖4.5為裝配以后各片簧片的裝配應(yīng)力的分布情況，可以看出，應(yīng)力基本集中在各簧片的弧度位置；理論計(jì)算得出的裝配應(yīng)力比仿真值要小，這是由仿真時(shí)候的假設(shè)造成的，仿真時(shí)為了使接觸單元的接觸條件得以滿(mǎn)足，因此在設(shè)定單元關(guān)鍵詞的時(shí)候選擇了“No Separation”選項(xiàng)，使得各個(gè)接觸對(duì)一旦接觸就不再分開(kāi)，但事實(shí)是簧片間肯定還是存在間隙，因而每片簧片的變形都沒(méi)有仿真時(shí)的變形充分，導(dǎo)致相應(yīng)的裝配預(yù)應(yīng)力