汽車鋼板彈簧設(shè)計(jì)的非線性振動(dòng)有限元分析

汽車鋼板彈簧設(shè)計(jì)的非線性振動(dòng)有限元分析馬!堅(jiān)!華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院"湖北武漢!!D%%%%#摘!要!通過有限元建模!利用?FOdO軟件對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行非線性接觸V?N分析"通過分析!提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案!消除了鋼板彈簧的非線性振動(dòng)!并提高了其使用壽命#關(guān)鍵詞!鋼板彈簧"非線性振動(dòng)"有限元"V?N!"#$%&’$$&’-876’1’,9(.(1,,/,2,.1V?N2,1’83"1’,+71’8-2+3,7,891’,?FOdO8915+-,98-+.+/0^(.61’,.8./(.,+-<(4-+1(8.;’+-+;1,-(1(;89/,+9*-(.6+.31’,.*7198-5+-3+.(2*-8<(.6;’,2,=&’,;’,2,3,;,.3,31’,.8./(.,+-<(4-+1(8.+.3,H1,.3,31’,/(9,1(2,=(*+,%-#$L,+9*-(.6%F8./(.,+-<(4-+1(8.%](.(1,,/,2,.1%V?N中圖分類號(hào)!@!AD=DDc!B$!!!!文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼!?!!!!文章編號(hào)!$%%A:DDD$""%%!#%D:%%%J:%"!!!鋼板彈簧懸架傳遞著作用在車輪與車體之間的一切力和力矩"并能緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷"保證車輛正常行駛&現(xiàn)在很多車型都選用了變剛度鋼板彈簧"該種鋼板彈簧的優(yōu)點(diǎn)是在客車空載與滿載狀態(tài)之間呈非線性狀態(tài)"使懸架在客車空載’滿載狀態(tài)下接近等頻性"從而可以提高客車的平順性&但某型客車在營(yíng)運(yùn)過程中時(shí)常出現(xiàn)后鋼板彈簧斷裂的故障"影響行駛安全&對(duì)此我們運(yùn)用有限元計(jì)算方法"做出一些分析"并提出結(jié)構(gòu)上的一些改進(jìn)措施&.!故障件分析將發(fā)生斷裂的鋼板彈簧進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)并對(duì)斷裂件送東風(fēng)公司技術(shù)中心進(jìn)行金相’硬度’化學(xué)成分試驗(yàn)分析"通過分析和統(tǒng)計(jì)得出以下結(jié)果$!$#所有斷裂件多是板簧第二片距中心孔$%%!$#%22左右部位斷裂&!"#所有斷裂件左簧斷裂居多&!D#材料的金相’硬度’化學(xué)成分試驗(yàn)分析均合格&因此"可以初步認(rèn)為"板簧斷裂可能為板簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理"在板簧第二片上產(chǎn)生了應(yīng)力集中點(diǎn)的原因所致&0!工程計(jì)算與分析0/.!原因分析進(jìn)一步分析導(dǎo)致鋼板彈簧斷裂的主要原因如下$!$#靜’動(dòng)態(tài)強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求"尤其是動(dòng)態(tài)強(qiáng)度不夠"致使其在使用過程中由于實(shí)際動(dòng)應(yīng)力超過疲勞破壞應(yīng)力限而斷裂&!"#產(chǎn)生自激振動(dòng)"加速板簧疲勞破壞&鋼板彈簧第一片簧與第二片簧的簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖$所示&圖$!簧片簡(jiǎn)化力學(xué)模型第二片彈簧的振動(dòng)微分方程+/0c.10c’0T2!0#式中!2!0#T2!%#c!#30c""!#30""c(第二片彈簧的振動(dòng)具有以下特點(diǎn)$!$#第一片彈簧和第二片彈簧之間是接觸問題"在振動(dòng)中是一種典型的非線性&!"#第二片彈簧的能量來源于第一片"第一片彈簧和第二片彈簧之間是內(nèi)在力"并構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)&!D#自激振動(dòng)會(huì)增大第二片彈簧的振動(dòng)"加速疲勞破壞&改變自激振動(dòng)系統(tǒng)的循環(huán)鏈"可抑制其振動(dòng)&0/0!設(shè)計(jì)與分析方法"B"B$!傳統(tǒng)的方法!$#共同曲率法假定在任何載荷下"鋼板彈簧各片彼此沿整個(gè)長(zhǎng)度無間隙接觸"在同一截面上各片具有相同的曲率"于是將之簡(jiǎn)化為梯形單片彈簧來計(jì)算&!"#集中載荷法假定各片只有端點(diǎn)接觸&客車技術(shù)與研究第"A卷!第D期234!56789:;:<=!!9>!?646!?78K8/B"A!F8BD!"%%!萬方數(shù)據(jù)這顯然與實(shí)際不符!"B"B"!V?N方法按照彈簧的幾何形狀和材料條件"考慮大變形和接觸非線性及工作載荷等"應(yīng)用?FOdO求得其剛度#應(yīng)力響應(yīng)#接觸狀態(tài)及接觸壓力等!鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)及受力簡(jiǎn)圖如圖"所示!圖"!鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)及受力簡(jiǎn)圖0/1!有限元仿真計(jì)算及結(jié)果原始設(shè)計(jì)的鋼板彈簧受力特性$$%靜態(tài)力!根據(jù)力矩平衡原理"滿載時(shí)載荷為]T$$I%%&"%eI=JeAI!&$DC%T!C$A$F%"后軸的最大軸載質(zhì)量為$I%%Z6!$"%動(dòng)態(tài)力!動(dòng)態(tài)力與路面激勵(lì)有關(guān)"常規(guī)道路的不平度幅值為"%!!%22"波長(zhǎng)為%=C!$2$來源于汽車工程手冊(cè)%!根據(jù)力矩平衡原理"可得動(dòng)態(tài)載荷幅值為’]"%T$$"Je"%%eAI!&$DC%T$"IC$F%"]!%T$$"Je!%%eAI!&$DC%T"#I!$F%!$D%激勵(lì)頻率!取波長(zhǎng)為$2"則’$T$%#-+3&(取波長(zhǎng)為%B#2"則’"T"$%-+3&!$!%四種動(dòng)態(tài)激勵(lì)力!動(dòng)態(tài)力$$幅值"%22"波長(zhǎng)$2%’]$T!C$Ac$"IC(.$%#1(動(dòng)態(tài)力"$幅值"%22"波長(zhǎng)%B#2%’]"T!C$Ac$"IC(."$%1(動(dòng)態(tài)力D$幅值!%22"波長(zhǎng)$2%(]DT!C$Ac"#I!(.$%#1(動(dòng)態(tài)力!$幅值!%22"波長(zhǎng)%B#2%’]!T!C$Ac"#I!(."$%1!制定三種改進(jìn)方案"按如上方法分別計(jì)算出其動(dòng)態(tài)應(yīng)力"計(jì)算結(jié)果如表$所示!表.!!最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果匯總表單位’PU+路面狀況原始情況改進(jìn)方案一改進(jìn)方案二改進(jìn)方案三幅值$22%&波長(zhǎng)$2%第二片端部壓彎"有橡膠套一#二片間無夾第二片端部拉平"無橡膠套一#二片間無夾第二片端部壓彎"有橡膠套一#二片間夾緊第二片端部拉平"無橡膠套"一#二片間夾緊"%&$$"$#$%D!C%#AJ$"%&%=#$D"C&CD!C%I!%&$$!$!&JA!JD!!%&%=#$!!#&I""JI%結(jié)論易斷裂在路況差時(shí)會(huì)斷裂可行可行材料的曲服應(yīng)力限為$$A%PU+!從有限元計(jì)算結(jié)果來看"改進(jìn)方案二和改進(jìn)方案三效果較好!改進(jìn)方案三的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖D所示!圖D!改進(jìn)方案三的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1!試驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)D種改進(jìn)方案每種各制作了D付鋼板彈簧樣件"在依據(jù)規(guī)定的臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范的基礎(chǔ)上"模擬實(shí)際裝車的狀態(tài)對(duì)每種改進(jìn)方案在東風(fēng)鋼板彈簧檢驗(yàn)站進(jìn)行了剛度測(cè)試和疲勞壽命測(cè)試"測(cè)試結(jié)果見表"!表0!!原設(shè)計(jì)及改進(jìn)方案的試驗(yàn)結(jié)果技術(shù)規(guī)范試驗(yàn)結(jié)果原設(shè)計(jì)改進(jìn)方案一改進(jìn)方案二改進(jìn)方案三$("(D($("(D($("(D($("(D(剛度測(cè)試$F&22%V$T#!a#=##!#"#ABA#A#A#C###!#DBA#A#C#JV"T$"DaI=%$"%$""$"#$D$$"!$"%$"#$"D$""=J$"!$"%$"D循環(huán)次數(shù)$萬次%$"%萬次"DB$"$B$"%B""#B#"!B!"%BA"ABI"#BC"CBAD#DCBJDAB#斷片片序""""""$$""D$振動(dòng)頻率$次&秒%$&"DDDDDDDDDDDD!!從試驗(yàn)結(jié)果來看"改進(jìn)方案三的效果最好"其疲勞壽命為改進(jìn)前的$C%E"從很大程度上解決了鋼板彈簧斷裂的故障問題!參考文獻(xiàn)!$*張洪欣