汽车钢板弹簧悬架的参数化建模及可靠性计算

摘要本次设计的题目是汽车钢板弹簧减震性能的理论分析与计算。

主要任务是对江铃汽车少片簧进行的理论分析与计算。

设计的主要内容是：选定钢板弹簧的结构，根据给定的尺寸、外力等数据，运用机械振动学中的离散体与连续体的知识，用连续体振动方程计算出钢板弹簧各片的应力，而后再用有限元软件Ansys软件分析各片簧的应力，然后把理论计算结果与软件分析结果进行比较，最后根据尺寸用CAD软件画出钢板弹簧的零件图和装配图。

钢板弹簧是汽车悬架的重要元件，其能保证汽车具有良好的行驶平顺性和良好的操纵稳定性，还能保证汽车在车轮跳动时，主销定位参数变化不大，车轮运动与导向机构相协调，不出现摆振现象，转向时使整车有一定的不足转向。

钢板弹簧本身还能兼起导向机构的作用，并且由于弹簧各片之间的摩擦而起到一定的减震作用。

总之，由实践得知钢板弹簧对汽车行驶平顺性、稳定性、通过性、燃油经济性等多种使用性能都有影响，因此钢板弹簧的设计对汽车的性能有很大影响，其设计也是汽车设计的一个重要方面。

关键词：钢板弹簧理论分析机械振动学 Ansys有限元软件ABSTRACTThe title of this design is the calculation and theoretical analysis of damping performance of automobile leaf spring. The main task is the calculation and theoretical analysis of less leaf spring of JiangLing cars. The main content of the design: selected the structure of leaf spring, according to the given size and forces and other data, using the knowledge of discrete body and continuous body of the mechanical vibration , then calculate the forces of each piece of steel spring according to the continuous body vibration equation. Then analysis the forces with the finite element software. Then compare the two results, finally paint out the assembly drawings.Leaf spring is an important component of automobile suspended frame , which can ensure the car has a good ride and good handling and stability , also can guarantee pin location parameters changed significantly and wheel movement aligned with steering mechanism and has no vibration and also ensure the vehicle has a certain lack of steering when the car beats the wheel. Leaf spring itself can also holds up the role of steering mechanism, and due to friction between the springs, it also can play s certain role of shock.In short, the practice proved that spring on vehicle ride comfort, stability, adoption, fuel economy, and other kinds of performance, so the design of leaf spring have a great impact on the performance of the car, its design is also an important aspect of automotive design.KEYWORDS: leaf spring theoretical analysis mechanical vibration ANSYS finite element software目录前言 (1)1.汽车工业简介 (1)2.汽车构造 (2)3.汽车悬架系统的作用、组成与分类 (2)4.设计任务 (5)2 钢板弹簧的传统理论分析 (3)2.1受力分析和载荷计算 (3)2.1.1 受力分析和静态载荷的计算 (3)2.1.2动态载荷的计算 (4)2.2钢板弹簧传统分析方法的应力计算 (6)2.2.1 力学模型的简化 (7)3 应力的计算 (8)3.1共同曲率法 (8)3.2许用应力的确定 (10)3.3少片钢板弹簧的简单估算方法 (11)3.4极限工况应力计算 (12)3.5钢板弹簧刚度和挠度的计算 (13)3.5.1 建模假设 (13)3.5.2 主副簧接触过程中的载荷计算 (14)3.5.3 载荷—挠度特性计算 (15)3.5.4钢板弹簧刚度的计算公式 (17)3.5.5 钢板弹簧自由刚度的计算 (18)3.5.6 夹紧状态下钢板弹簧刚度的计算 (19)3.6钢板弹簧振动理论分析 (19)4 钢板弹簧的有限元计算与分析 (22)4.1有限元工程分析在汽车设计中的应用 (22)4.2建立有限元模型 (23)4.2.1 有限元计算模型的简化 (23)4.2.2 定义单元属性 (24)4.2.3 接触分析 (25)4.2.4 施加载荷和约束 (27)4.2.5 设置求解选项 (28)4.2.6 有限元计算结果 (29)5 理论计算结果与有限元计算结果比较 (32)6 小结 (33)7 致谢 (34)8 参考文献 (35)前言1.汽车工业简介汽车是最重要的现代交通工具，汽车的种类最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的交通工具。

目录第一章引言1.1 汽车工业的发展1.2 汽车的构造第二章悬架系统介绍2.1 汽车悬架系统的作用2.2 汽车悬架系统的组成2.3 汽车悬架系统的分类2.4 该项研究的目的与意义………………………………………………………2.5 国内外研究现状、发展动态…………………………………………………..2.6钢板弹簧2.6.1 钢板弹簧的基本结构和作用原理2.6.2 钢板弹簧的布置方案和材料选择第三章汽车后悬架系统钢板弹簧的设计计算3.1 设计给定参数3.2 钢板弹簧主要参数的确定3.2.1 前后悬架静挠度和动挠度的选择3.2.2 钢板弹簧满载弧高的选择3.2.3 钢板弹簧长度的确定3.2.4 悬架主、副钢板弹簧的刚度分配3.2.5 钢板弹簧所需的总惯性矩的计算3.2.6 根据强度要求计算钢板弹簧总截面系数3.2.7 钢板弹簧平均厚度的计算3.2.8 验算在最大动行程时的最大应力3.2.9 钢板弹簧叶片断面形状及尺寸的选择3.3 钢板弹簧的设计及校核3.3.1 钢板弹簧各片长度的确定3.3.2 钢板弹簧刚度的验算3.4 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高和曲率半径计算3.4.1 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高3.4.2 钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径3.4.3 钢板弹簧叶片在自由状态下曲率半径的计算3.4.4 钢板弹簧各叶片在自由状态下的曲率半径和弧高的计算3.4.5 钢板弹簧总成弧高的核算3.5 叶片端部形状的选择3.6 钢板弹簧两端与车架的连接3.7 钢板弹簧弹簧销和卷耳的设计3.7.1 弹簧销的设计3.7.2 卷耳尺寸的确定第四章结论参考文献致谢第一章引言1.1 汽车工业的发展几千年来人们一直生活在马车时代。

马拖着车厢在乡村田埂上颠簸行驶，在城市的大街小巷中踢踏的慢跑。

人们的生活节奏缓慢，既沉重又舒展。

18世纪，瓦特打破了这种平静，蒸汽机的发明掀起了工业革命的浪潮。

随后，法国人尼克.卡歌楼特将蒸汽机装在马车上，第一辆“动力车”诞生了。

1钢板弹簧悬架设计规范钢板弹簧悬架设计规范(提纲)一、钢板弹簧钢断面参数(R=h/2, R=h, R=3h/4) 1．单面双槽钢（1）断面积（2）中性层位置（3）惯性矩（4）断面系数（5）拉、压应力比2．矩形断面钢（1）断面积（2）惯性矩（3）断面系数*主要（常用）规格列表，给出数值，供查用。

二、钢板弹簧总成基本特征参数1．刚度（自由刚度，夹紧刚度）（1）多片簧（2）少片簧2．比应力（1）多片簧（根部应力）（2）少片簧（a.根部应力；b.最大应力点应力）3．弧高（1）夹紧弧高（2）自由弧高三、有关整车性能参数的校核1．悬架固有频率（1）静挠度（2）固有频率（推荐值）（3）两级刚度复式板簧的挠度和频率2．侧倾校核（1）侧倾角刚度（a.板簧，b.稳定杆）（2）侧倾力臂（3）侧倾角（推荐值）3．杆系的运动学校核（1）板簧运动当量杆的计算a.基线角b.圆心位置c.当量杆长度（半径）d.相关点的平移（2）纵拉杆与板簧运动干涉量计算（推荐限值）（3）传动轴伸缩量与万向节夹角校核4．制动时的纵扭干涉（1）板簧纵扭特性a.纵扭瞬心位置b.纵扭角（2）纯纵扭干涉引起的跑偏量（3）纵扭与“点头”同时干涉的跑偏量5．轴转向效应（1）当量杆斜度（2）轴转向效应系数四、强度校核1．设计载荷下的平均静应力（推荐值）（1）等比应力（2）不等比应力a.多片簧各片不等厚b.少片簧2．最大行程下的极限应力（推荐值）（1）等比应力（2）不等比应力3．纵扭时应力校核（推荐值）（1）制动a.前簧b.后簧（倒车）（2）驱动后簧4．卷耳应力校核（推荐值）（1）制动（2）驱动五、钢板弹簧各单片的设计1．多片簧各单片长度的确定2．各单片弧高的确定（1）总成弧高的选定a.装车后满载弧高b.装车后无载弧高c.自由弧高与曲率半径（2）各单片预应力的选定a.预应力选取原则b.自平衡条件（3）各单片自由弧高和曲率半径的计算（多片簧，少片簧）a.Rkb.Hk六、生产文件中有关参数的选定1．预压缩行程2．验证负荷3．无载与设计负荷下的总成弧高4．设计负荷下的刚度值及其测定点。

汽车钢板弹簧悬架设计汽车钢板弹簧悬架设计引言钢板弹簧悬架是汽车悬架系统中通用的一种。

它具有结构简单、可靠耐用、维护方便等优点，已经成为了汽车悬架系统中不可少的一个组成部分。

本文将探讨汽车钢板弹簧悬架设计的相关知识，包括设计原理、结构材料、设计参数等内容。

一、设计原理汽车钢板弹簧悬架的设计原理是基于弹性和变形实现对汽车震动的吸收和减少。

其基本原理就是利用钢板的弹性变形来吸收汽车在行驶过程中的震动。

弹簧最基本的原理就是哈客定理，即移动的钢板弯曲，因而有了张力和弯曲的复合作用。

钢板弹簧的弹力与材料尺寸、形状和弯曲角度等有关，形状越大、角度越大、宽度越宽，就越能产生弹射力，抗弯曲能力就越好。

二、结构材料汽车钢板弹簧悬架的结构材料是弹簧钢板，它是一种高强度的钢板。

弹簧钢板的化学成分比较复杂，其中含有较多的铬、钼、锰等合金元素，从而保证了钢板的强度和韧性。

弹簧钢板的强度分为两种，一种是静载强度，即弹簧钢板未经过加载状态，所能承受的最大应力；另一种是动载强度，即弹簧钢板在载荷加速状态下，所能承受的应力。

在制造钢板弹簧悬架时，应根据车重、行驶条件、路面状况等因素进行设计选择材料。

三、设计参数汽车钢板弹簧悬架的设计参数有弹簧高度、弹簧宽度、弹簧板厚等。

弹簧高度是弹簧的有效长度，弹簧宽度是弹簧的有效宽度，应根据汽车底盘结构与弹簧安装方式选定。

弹簧板厚直接影响钢板弹簧的强度和韧性，通常采用1.5mm到4mm的钢板材料加工制造。

如果太薄，就不能在车载荷下承受高的撞击力；如果太厚，则不能很好地吸收地面颠簸，影响行驶舒适性。

此外，还需要考虑弹簧孔距、总圈数、自由高度等因素，以达到最优的悬架系统设计效果。

四、结论本文综述了汽车钢板弹簧悬架的设计原理、结构材料和设计参数等知识点，这里强调一下设计数据的选择是钢板弹簧悬架设计中非常关键的一环。

必须根据所要使用的车辆的行驶条件、驾驶员驾驶习惯和所装载的重量等，对钢板弹簧的各项基本参数进行科学合理的结构设计，使得汽车钢板弹簧悬架的设计能满足汽车行驶舒适和悬架稳定等各种要求。

汽车钢板弹簧的性能计算和试验首先，汽车钢板弹簧的性能主要包括以下几个方面。

1.抗压性能：汽车钢板弹簧需要承受车身的重力和不同路况下的载荷，因此需要具备良好的抗压性能。

这主要取决于材料的强度和设计的结构形式。

2.弹性模量：汽车钢板弹簧必须具备足够的弹性，以便在受到压力后能够恢复原状，保持悬挂系统的正常工作状态。

3.疲劳寿命：汽车钢板弹簧在长期使用的过程中，需要承受反复加载和卸载的作用，容易发生疲劳断裂。

因此，提高弹簧的疲劳寿命是非常重要的，需要选择耐疲劳性能好的材料和合理的结构设计。

其次，汽车钢板弹簧的计算主要包括以下几个方面。

1.材料选择：根据汽车钢板弹簧所需的强度和弹性模量，选择合适的材料。

常用的材料有碳素钢和合金钢等。

2.结构设计：根据汽车的荷载情况和悬挂系统的要求，设计合适的弹簧结构。

包括弹簧片的长度、宽度、厚度以及弹簧片的叠放方式等。

3.刚度计算：根据汽车的质量、弹簧的刚度系数以及悬挂系统的要求，计算出合适的弹簧刚度。

刚度计算可通过弹簧公式和有限元分析等方法进行。

最后，汽车钢板弹簧的试验主要包括以下几个方面。

1.负荷试验：对汽车钢板弹簧进行加荷试验，测试其承受负荷的能力。

这通常包括静态负荷试验和动态负荷试验两种。

2.疲劳试验：通过反复加载和卸载的试验，测试汽车钢板弹簧的疲劳寿命。

疲劳试验通常包括弯曲疲劳试验和循环疲劳试验。

3.刚度试验：通过施加不同荷载，测量弹簧的变形量和对应的载荷，计算出弹簧的刚度系数。

在试验过程中，需要遵循相关的试验标准和方法，确保试验结果的准确性和可靠性。

综上所述，汽车钢板弹簧是汽车悬挂系统中不可或缺的元件，其性能、计算和试验的合理设计和有效实施，对于保证汽车悬挂系统的稳定性、舒适性和安全性具有重要的意义。

1.1单个钢板弹簧的载荷已知汽车满载静止时汽车前轴荷G1=3000kg，非簧载质量Gu1=285kg，则据此可计算出单个钢板弹簧的载荷:Fw1=（G1－Gu1）／２＝1357.5 kg （１）进而得到：Pw1=Fw1×9.8=13303.5 N （２）1.2钢板弹簧的静挠度钢板弹簧的静挠度即静载荷下钢板弹簧的变形。

前后弹簧的静挠度都直接影响到汽车的行驶性能[1]。

为了防止汽车在行驶过程中产生剧烈的颠簸（纵向角振动），应力求使前后弹簧的静挠度比值接近于1。

此外，适当地增大静挠度也可减低汽车的振动频率，以提高汽车的舒适性。

但静挠度不能无限地增加（一般不超过240 ｍｍ），因为挠度过大，即频率过低，也同样会使人感到不舒适，产生晕车的感觉。

此外，在前轮为非独立悬挂的情况下，挠度过大还会使汽车的操纵性变坏。

一般汽车弹簧的静挠度值通常如表1[2]所列范围内。

本方案中选取fc1=80 ｍｍ。

1.3钢板弹簧的满载弧高满载弧高指钢板弹簧装到车轴上，汽车满载时钢板弹簧主片上表面与两端（不包括卷耳孔半径）连线间的最大高度差[3]。

当H0=0时，钢板弹簧在对称位置上工作。

考虑到使用期间钢板弹簧塑性变形的影响和为了在车架高度已限定时能得到足够的动挠度值，常取H0∈10－20ｍｍ。

本方案中H01初步定为１8ｍｍ。

1.4钢板弹簧的断面形状板弹簧断面通常采用矩形断面，宜于加工，成本低。

但矩形断面也存在一些不足。

矩形断面钢板弹簧的中性轴，在钢板断面的对称位置上。

工作时，一面受拉应力，一面受压应力作用，而且上、下表面的名义拉应力和压应力的绝对值相等。

因材料的抗拉性能低于抗压性能，所以在受拉应力作用的一面首先产生疲劳断裂。

除矩形断面以外的其它断面形状的叶片，其中性轴均上移，使受拉应力的一面的拉应力绝对值减小，而受压应力作用的一面的压应力绝对值增大，从而改善了应力在断面上的分布情况，提高了钢板弹簧的疲劳强度并节约了近10%的材料。

摘要本次设计的题目是汽车钢板弹簧减震性能的理论分析与计算。

主要任务是对江铃汽车少片簧进行的理论分析与计算。

设计的主要内容是：选定钢板弹簧的结构，根据给定的尺寸、外力等数据，运用机械振动学中的离散体与连续体的知识，用连续体振动方程计算出钢板弹簧各片的应力，而后再用有限元软件Ansys软件分析各片簧的应力，然后把理论计算结果与软件分析结果进行比较，最后根据尺寸用CAD软件画出钢板弹簧的零件图和装配图。

钢板弹簧是汽车悬架的重要元件，其能保证汽车具有良好的行驶平顺性和良好的操纵稳定性，还能保证汽车在车轮跳动时，主销定位参数变化不大，车轮运动与导向机构相协调，不出现摆振现象，转向时使整车有一定的不足转向。

钢板弹簧本身还能兼起导向机构的作用，并且由于弹簧各片之间的摩擦而起到一定的减震作用。

总之，由实践得知钢板弹簧对汽车行驶平顺性、稳定性、通过性、燃油经济性等多种使用性能都有影响，因此钢板弹簧的设计对汽车的性能有很大影响，其设计也是汽车设计的一个重要方面。

关键词：钢板弹簧理论分析机械振动学 Ansys有限元软件ABSTRACTThe title of this design is the calculation and theoretical analysis of damping performance of automobile leaf spring. The main task is the calculation and theoretical analysis of less leaf spring of JiangLing cars. The main content of the design: selected the structure of leaf spring, according to the given size and forces and other data, using the knowledge of discrete body and continuous body of the mechanical vibration , then calculate the forces of each piece of steel spring according to the continuous body vibration equation. Then analysis the forces with the finite element software. Then compare the two results, finally paint out the assembly drawings.Leaf spring is an important component of automobile suspended frame , which can ensure the car has a good ride and good handling and stability , also can guarantee pin location parameters changed significantly and wheel movement aligned with steering mechanism and has no vibration and also ensure the vehicle has a certain lack of steering when the car beats the wheel. Leaf spring itself can also holds up the role of steering mechanism, and due to friction between the springs, it also can play s certain role of shock.In short, the practice proved that spring on vehicle ride comfort, stability, adoption, fuel economy, and other kinds of performance, so the design of leaf spring have a great impact on the performance of the car, its design is also an important aspect of automotive design.KEYWORDS: leaf spring theoretical analysis mechanical vibration ANSYS finite element software目录前言 (1)1.汽车工业简介 (1)2.汽车构造 (2)3.汽车悬架系统的作用、组成与分类 (2)4.设计任务 (5)2 钢板弹簧的传统理论分析 (3)2.1受力分析和载荷计算 (3)2.1.1 受力分析和静态载荷的计算 (3)2.1.2动态载荷的计算 (4)2.2钢板弹簧传统分析方法的应力计算 (6)2.2.1 力学模型的简化 (7)3 应力的计算 (8)3.1共同曲率法 (8)3.2许用应力的确定 (10)3.3少片钢板弹簧的简单估算方法 (11)3.4极限工况应力计算 (12)3.5钢板弹簧刚度和挠度的计算 (13)3.5.1 建模假设 (13)3.5.2 主副簧接触过程中的载荷计算 (14)3.5.3 载荷—挠度特性计算 (15)3.5.4钢板弹簧刚度的计算公式 (17)3.5.5 钢板弹簧自由刚度的计算 (18)3.5.6 夹紧状态下钢板弹簧刚度的计算 (19)3.6钢板弹簧振动理论分析 (19)4 钢板弹簧的有限元计算与分析 (22)4.1有限元工程分析在汽车设计中的应用 (22)4.2建立有限元模型 (23)4.2.1 有限元计算模型的简化 (23)4.2.2 定义单元属性 (24)4.2.3 接触分析 (25)4.2.4 施加载荷和约束 (27)4.2.5 设置求解选项 (28)4.2.6 有限元计算结果 (29)5 理论计算结果与有限元计算结果比较 (32)6 小结 (33)7 致谢 (34)8 参考文献 (35)前言1.汽车工业简介汽车是最重要的现代交通工具，汽车的种类最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的交通工具。

第25卷2006年第5期5月机械科学与技术MECHAN I C AL SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .25May No .52006收稿日期:20050510基金项目:国家自然科学基金项目(50175043)资助作者简介:张义民(1958-),男(汉),教授,博士生导师E 2mail:zhangy m@public .cc .jl .cn张义民 文章编号:100328728(2006)0520616203钢板弹簧的可靠性分析的参数灵敏度张义民,刘巧伶,闻邦椿(东北大学机械工程与自动化学院,沈阳　110004)摘　要:讨论了钢板弹簧的可靠性分析的参数灵敏度问题,提出了可靠性灵敏度分析的计算方法,研究了正态分布设计参数的改变对钢板弹簧可靠性的影响,为钢板弹簧的可靠性设计提供了理论依据。

关　键　词:钢板弹簧;可靠性设计;灵敏度中图分类号:U463 文献标识码:AParam etr i c Sen siti v ity i n Reli a b ility Ana lysis of a M ulti 2leaf Spr i n gZhang Yi m in,L iu Q iaoling,W en Bangchun(College ofMechanical Engineering and Aut omati on,Northeastern University,Shenyang 110004)Abstract:The para metric sensitivity in reliability analysis of a multi 2leaf s p ring is extensively discussed and a calculati on method f or reliability sensitivity analysis is p resented .The effects of changes in a nor 2mally distributed design para meters on reliability of the multi 2leaf s p ring are studied .The method p resen 2ted here p r ovides a theoretical basis f or its reliability design .Key words:multi 2leaf s p ring;reliability analysis;sensitivity 可靠性工程研究的主要内容是产品的可靠性设计、试验和验证。