钢板弹簧刚度计算影响因数分析

第3 5卷第 6期20年 1月 08 2

拖拉机与农用运输车Tr co a t r& Fa m a s re r Tr n pot r

V0 . 5 No. 13 6 De ., 008 c 2

钢板弹簧刚度计算影响因数分析丁华，朱茂桃，张华俊，陈松 (江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 221) 10 3

摘要：钢板弹簧的刚度是钢板弹簧的重要性能参数，有限元法为准确计算弹簧刚度提供了一种计算方法。利用有限元分析方法建立了模拟钢板弹簧接触状态的分析模型，计算了铜板弹簧的刚度特性。对影响钢板弹簧刚度计算的摩擦系数、预应力等主要因素进行了分析，到了精确的计算模型。得关键词：板弹簧；钢刚度特性；限元；响因素有影

中图分类号：4 3 3 4 1 U 6 .3+ .

文献标识码： A

文章编号：0 6 0 0 (0 8 0 - 0 6 0 10 - 0 6 20 )6 0 5— 2

An lss o n le c a t r n L a p ig S in s mp t t n a y i fIf n e F c o s o e fS r t e s Co u a i u n f oDI NG a,ZHU a—a Hu M o t o,ZHAN G Hu 儿，CHEN o g a Sn

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Ke r s:L a r g Sin s h rc r t s Fnt e m n; n u n efc r y wo d e f pi; tfes aa t i i; ii l e t If e c t s s n f c esc e e l a o

钢板弹簧应用于非独立悬挂的汽车悬架装置中。它传递作用在车轮与车身之间的一切力和力矩，并缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的振动，保证车辆正常行驶。钢板弹簧的刚度特性，直接表征了钢板弹簧的性能。 传统的计算方法，共同曲率法”集中载荷法”如“和“等存在一定的局限性，汁算中往往加入经验修正系数来调整结果。而有限元在方法因精度高、收敛性好、使用方便等优点逐渐被应用到钢板弹簧设计中_。j 1。本文通过建立准确的钢板弹簧计算模型，影响刚度计对算的主要参数进行分析，为钢板弹簧的设计和开发提供参考。

1 2模型的约束及加载处理 .模型约束处理为， 14模型的各个对称截面上建立对称约束，在/

对钢板弹簧的中问戡面上约束全部自由度，在钢板弹簧的板端施加垂直方向的集中载荷，建立的模型如图 1所示。

1刚度计算 1 1模型的建立 .

图 1分析模型图Fg 1 i. Mo e f ay i dl o An lss

钢板弹簧为 2片变截面的汽车横置钢板弹簧，板片间隔有尼龙垫片。尼龙垫片可以改善簧片间接触、少摩擦损伤，减由于可以通过选择恰当的材料摩擦系数来近似模拟其表面状况，以进行简化并所

2影响因数分析2 1单元数量 .

钢板弹簧的几何结构比较简单，如果划分单元数量过大，由于存在板与板的接触行为，必然增加计算时间。如果单元数量过小，计算精度不能保证，所以在计算中采取不同的单元数

量来进行对比，采先用比较粗的单元划分，然后不断细化，直到相连两次计算的刚度值变化不大即可。建立不同网格密度的模型如图 2所示，计算结果对比见表 1示。所

没有考虑垫片。由于卷耳不会对板簧的实际刚度产生较大影响，模型中也忽略掉两端的卷耳。 因为钢板弹簧几何模型前后左右对称，其约束和受载均前后左右对称，从计算规模上考虑，特别是由于分析中涉及面面接触的非线性有限元计算，合理的减少模型的大小，单元的数量，对于问题的分析十分有帮助。在确保不影响计算结果精度的前提下，使用钢板弹簧的 l4来建立有限元模型。/

因为接触与否事先未知，而且接触后存在着滑移，所以不能建立公共的节点。因此，在片与片的节点间建立接触单元，模拟片问的作用力一。根据钢板弹簧的几何特征， 在相邻两片之间建立面一面柔性体接触单元来模拟簧片间的接触情况。采用 C N A14和 OT 7T RG 10模拟接触对 l,成 1接触对， A E7 4生一对在接触对中把上叶片的下表面定义为目标面。

a单位数量3 9

c单位数量64 0

b单位数量 12 5

d单位数量446 9

图 2不同单元数量的计算模型Fg 2 Cac l e d l t f r n mo n fEe n i. lua d Mo eswi Die e tA t h u t lme t o

收稿日： 0— 5 0 期 2 8 0—4 0

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丁

华等：钢板弹簧刚度计算影响因数分析表 1单元数量影响对比T b 1 If e c fDie e t a . nl n e o f r n u Amo n fE e e t u t lm n o

2 3预应力的影响 .

钢板弹簧在装配阶段，簧片弯曲曲率变小，内部产生残余压应

力；而在加载阶段，主片弯曲曲率变大，产生拉应力。两个阶段应力特征不同，加载阶段的剐度可能造成影响。为了研究残余应力对对

刚度计算的影响，建立装配阶段的计算模型，首先来计算残余应力大

小，把残余应力通过预应力文件的方法导人到刚度计算模型，再来对从计算结果可以看到，单元数量对计算刚度影响并不是很大，随比、分析残余应力对刚度计算的影响。把载荷步的 l 0个子步的计算结果和载荷进行拟合得到刚度曲线如图4所示。

着单元的

迅速增加，刚度计算结果趋于稳定，从计算的经济性考虑， 可以选择 6 4个单元的模型作为计算模型。这样既保证了计算结果 0的精度，又具有较快的计算速度。 2 2摩擦系数 .

钢板弹簧板片间的摩擦，得钢板弹簧的刚度在卸载的过程中使 有迟滞特性。为了分析摩擦对钢板弹簧刚度迟滞特性的影响，分别建立无摩擦模型，和有摩擦模型。在有摩擦模型中假设簧片间保持良好的润滑状态，并考虑尼龙垫片对簧片间摩擦状况的改善，义簧定片间的摩擦系数为 0 1 .。为了对加载和卸载过程的刚度进行研究，荷分为加载和卸载载两个载荷步进行施加，每个载荷步分为 1 0个子步。把 l子步载 0个荷和弹簧的变形数据进行拟合得到刚度曲线如图 3所示。图 4预应力对刚度影响对比图F g 4 Co ar in o f e c fP e te s o t n s i . mp i o fIl n e o r s rs n S i e s s nu f

从图 4中可以看到，残余应力的模型的刚度是线性的，无而考虑残余应力后由于残余应力的存在，板弹簧的刚度产生了变刚度钢特性。

3结论1通过合理的模型简化可以减少模型的计算量， )特别对于非线性问题尤为明显，而节约研究时间。从

2针对复杂的接触状态， )可先分析接触的类型，选用合适的接触

单元进行网格单元离散，针对接触的实际状况确定合适的单元特并性，采用有限元数值计算方法得到准确的收敛解。 3摩擦会使弹簧刚度在卸载过程中产生迟滞效应， )而对平均刚度的大小却几乎没有影响，同时摩擦的存在会使得收敛变得困难，所以摩擦良好状态下刚度计算模型中可以不考虑摩擦的影响。 4钢板弹簧装配过程中产生装配预应力， 1通过对比有、无预应力模型的刚度，以看到预应力对刚度产生了显著的影响，可即产生了明显的非线性特性。 参考文献：变彤/ mm

[]于安和，良进，子杰. 1桂范钢板弹簧刚度特性的有限元分析[]汽车技 J.术 .07(:6~2 . 2 0 2)2 9

b打摩擦的弹簧冈旺结果¨

图 3摩擦对刚度的影响对比图Fg. mp r in o n le c fF i i n o in s i 3 Co a i o fIf n e o r t n St e s s u

co f

[]邹海荣， 2黄其柏 .内外钢板弹簧设计与分析方法的发展进程[]上海国 J.汽车， 0 ( )2 2 . 2 47: 0 5— 7

从计算结果中可以看出，无摩擦模型计算刚度为 2 ./ m, 2 9N m无摩擦模型的加载和卸载过程中，刚度变化 f线完全重合。而在有摩{} j擦模型中，计算加载过程刚度为2 .7 N rm,载过程的刚度为 29/ a卸 2 .7N m簧片间由于相互摩擦而产生的摩擦应力相对较小， 30 / m,钢板弹簧在卸载过程中有一定的迟滞效应，弹簧刚霞几乎没有变化。但

[]王霄锋，敏. 3涂汽车钢板弹簧的应力和变形分析[]机械强度，0 5 2 J. 20, 7( ):4 5 6 7~6 0 5.

[]刘涛，鸣. 4杨风精通 A S S M]北京： N Y[ .清华大学出版社，02 20.(编辑郭聚臣)

由于摩擦的存在可能使得收敛变得复杂、计算时间长，以在簧片间所有良好的润滑状况下可以不考虑摩擦的影响。币 . .

作者简介：丁华，,男讲师，博土生，主要从事汽车及其零部件 C D C E技术、 A/A汽车先进制造技术研究

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