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某钢板弹簧结构优化设计LI Shun-ming;ZHANG Kai-cheng;WEN Jing【摘要】钢板弹簧对于汽车的行驶平顺性、舒适性具有重要的作用.针对某汽车的特殊工作需求,开展了其后钢板弹簧结构的优化设计.首先基于有限元分析法,考虑相关参数,建立了后板簧的计算模型;其次对该模型进行了动力学强度分析,得到了板簧应力特征及其在特殊要求工况下薄弱环节;然后提出优化方案,以最大应力最小化为优化目标,对板簧进行结构优化,并对优化后的板簧进行动力学强度分析,对比说明优化方案的可行性及优点.研究结果表明:优化后的板簧结构满足材料许用应力要求,并且板簧总厚度改变不大,整车姿态不变.优化设计后的板簧试制并装车,进行耐久性考核试验,取得了满意的效果.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】7页(P111-117)【关键词】钢板弹簧;动力学;强度;结构优化【作者】LI Shun-ming;ZHANG Kai-cheng;WEN Jing【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TH16;TP391.71 引言悬架是汽车上的一个重要组成部分，是确保车轮或车轴与车架之间弹性链接的结构。
汽车悬架在工作过程中需要满足平稳、减振性好、质量轻、强度大、寿命长等要求[1]。
悬架主要由弹性元件、导向机构和减振器组成，其中弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧等[2]。
钢板弹簧由于其可兼做导向机构的特点，目前被广泛使用于货车和部分客车的非独立悬架中。
钢板弹簧有多片截面式、少片截面式、主副簧复合式和渐变刚度式等[3]。
目前，汽车板簧的设计计算已存在多种计算方法，如共同曲率法、集中载荷法、综合法、CAE法等等。
前苏联的帕尔希洛夫斯基使用共同曲率法和集中载荷法计算了板簧的应力[4]；国内，杨宗孟老师给出了提高共同曲率法计算精度的计算模型，推导了考虑片间接触的相关计算公式。
板簧作为汽车中必不可少的连接结构，针对其结构性能及轻量化设计已开展了大量的研究[5-7]。
【关键字】精品。
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＝（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。
搅拌车前悬架钢板弹簧的计算分析及试验研究（终稿）学位论文摘要随着我国基础设施建设的快速发展，混凝土搅拌运输车作为一种运输混凝土的专用车被广泛应用。
其施工过程一般由满载运料和空载返回两种状态组成，在整个过程中满载和空载的时间各占50%。
目前混凝土搅拌运输车的前悬架设计指标一般只考虑满载舒适安全的要求，而不考虑空载状态，导致空载时有明显的共振现象，严重影响搅拌车的舒适性。
在悬架装置中，钢板弹簧起传递车轮与车架之间的力和力矩,缓和路面不平引起振动和冲击的作用，是车辆设计优劣的关键之一，因此优化其结构和性能参数对车辆安全性和舒适性具有重要意义。
在各类钢板弹簧中，变刚度少片簧因结构简单，成本低，质量轻，适应性好等优点，已成为悬架装置研究的重点，是未来高性能搅拌车前悬架装置的发展趋势。
本文通过前期大量的调查和研究，拟设计一种搅拌车专用前悬架变刚度少片簧，使其既能保证搅拌车满载时的行驶安全，又能大大提高空载时的乘坐舒适性能。
首先，对比分析各类钢板弹簧的特性，选择变刚度钢板簧作为研究目标；其次，根据多种理论方法，建立钢板弹簧的数学模型，并进行应力和模态分析，得到一种满足要求的变刚度少片簧；最后通过台架试验和道路试验，验证仿真分析结论。
本研究既解决了搅拌车使用中遇到的现实问题，同时也促进了专用车设计水平的发展，在理论应用方面有积极意义。
关键词：混凝土搅拌运输车钢板弹簧仿真应用Abstract目录摘要 1Abstract 2目录 3第一章绪论 51.1 研究目的和意义 51.2．载货汽车用钢板弹簧的概况 51.3、钢板弹簧的特性 61.3.1多片钢板弹簧的特性61.3.2少片变截面钢板弹簧的特性81.4、钢板弹簧的功能结构 81.5、钢板弹簧应用中存在的舒适性问题 101.6本课题研究内容和意义11第二章钢板弹簧的计算模型分析132.1 钢板弹簧的力学模型概况132.2 钢板弹簧计算的材料力学基础132.2.1 等截面简支梁和悬臂梁132.2.2 梯形简支梁和梯形悬臂梁152.3共同曲率法172.3.1板片厚度相同的多板弹簧的计算172.3.2 板厚不同的多板簧计算182.4 集中载荷法202.5 综合法222.6 有限元分析法242.6.1 什么是有限元242.6.2 有限元法的发展概况252.6.3 通用有限元软件ANSYS的介绍262.6.4结构分析在ANSYS的实现262.7多片钢板弹簧有限元模型的建立272.7.1 多片钢板弹簧强度和刚度分析272.7.2 多片钢板弹簧模态分析322.7.3 多片钢板弹簧有限元计算结果分析34 2.7.4本章小结35 第三章钢板弹簧的试验研究与分析 363.1 试验项目及其方法363.1.1 弹簧特性试验363.1.2 台架疲劳试验363.2试验验证373.2.1试验对象373.2.2 试验条件383.3试验过程简介383.4 样车的试验分析383.4.1 激励源识别383.4.2 悬架参数的影响分析403.4.3 悬架参数调整的测试验证41 3.4.4 样车改善对策413.4.5 结论423.5 改进前少片簧应力道路试验43 3.5.1 试验用少片钢板弹簧433.5.2 试验状态433.5.3 试验结果443.6 改进后少片簧应力台架试验45 3.6.1 试验用少片钢板弹簧453.6.2 测试状态 463.6.3 试验结果 463.6.4 试验分析473.7 改进后少片簧整车道路试验48 3.7.1 试验用少片钢板弹簧493.7.2 台架试验 493.7.3 道路试验493.8 本章小结493.9 整车振动对比试验503.9.1 试验测试基本情况及环境状况50 3.9.2 试验测试513.9.3本章小结54四总结 554.1研究的主要内容554.2研究展望56第一章绪论1.1 研究背景及意义安全、节能、环保、舒适性和耐久性是衡量现代载货汽车性能的五大指标，其中与顾客使用感受最密切的是车辆的乘坐舒适性，目前已受到各研究机构的广泛重视。
开题报告开题报告开题报告附件：参考文献格式学术期刊作者﹒论文题目﹒期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于3人，则写前三位作者的名字后面加“等”，作者之间以逗号隔开。
例如：[1]李峰，胡征，景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展. 无机化学学报，2001, 17(3): 315~324[2] J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorods.Journal of Crystal Growth, 2001,233:5～7学术会议论文集作者﹒论文题目﹒文集编者姓名﹒学术会议文集名称，出版地：出版者，出版年份：页次例如：[3] 司宗国，谢去病，王群﹒重子湮没快度关联的研究﹒见赵维勤，高崇寿编﹒第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集，北京：中国高等科学技术中心，1996：105 图书著者﹒书名﹒版本﹒出版地：出版者，出版年﹒页次如果该书是第一版则可以略去版次。
例如：[4]韩其智，孙洪洲﹒群论﹒北京：北京大学出版社，1987﹒101预印本作者﹒论文题目﹒预印本编号（出版年份）例如：[5]Xiaofeng Guo and Jianwei Qiu﹒The leading power corrections to the structure functions﹒hep—ph/9810548(1998)学位论文作者﹒论文题目﹒学士(或硕士、博士)学位论文. 出版地：出版者，出版年份例如：[6]陈异. 纳米粒子形貌控制研究. 硕士学位论文. 北京：中国科学院, 2002电子文献主要责任者. 电子文献题名﹒电子文献的出处或可获地址. 发表或更新日期例如：[7] 王明亮. 关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展. /pub/wml.txt/980810-2.html, 1998-08-16专利专利所有者. 专利名称. 专利国别：专利号，日期.例如：[8] 姜锡洲.一种温热外敷药制备方案. 中国专利：881056073，1989-07-26.。
摘要钢板弹簧具有结构简单、工作可靠、价格低廉等优点，在汽车中被广泛地使用。
它在工作过程中存在大变形、叶片间的接触等多种非线性因素，故多年来一直没有形成一个比较切合实际的完善的设计与分析方法。
集中载荷法、共同曲率法等传统设计方法以线弹性理论为依据，把问题抽象为简单的数学、力学模型，并应用材料力学公式进行粗略计算，一般计算结果与实际情况差别较大。
随着汽车向轻量化和高速化发展，对悬架的要求越来越高。
显然，传统设计方法已经不能适应现代汽车发展对悬架的要求。
近年来，随着有限元技术、CAE技术的不断发展以及在工程中的成功应用，以计算机为工具、有限元分析为基础的CAE法正逐渐成为汽车设计的主流。
应用CAE法进行钢板弹簧设计可以同时考虑到结构的大变形、摩擦、簧片间的接触以及组装时的预应力和工作应力的结合，从而实现对钢板弹簧的精确设计。
本文根据汽车设计的要求对悬架中的钢板弹簧进行了设计和计算，并使用UG进行建模，然后应用ABAQUS有限元分析软件进行了受力分析和仿真设计和计算。
关键词：钢板弹簧 ABAQUS 有限元Jubilee wagon spring structure finite element simulationdesignABSTRACTThe spring has the structure simply, the work reliable, the price inexpensive and so on the merits, widely is used in the automobile. It has contact between the big distortion, leaf blade's in the work process and so on many kinds of non-linear factors, therefore for many years has not formed of a quite realistic perfect design and the analysis method. Traditional design methods and so on concentrated load law, common curvature law take the line theory of elasticity as the bases, abstracts the question as the simple mathematics, mechanics model, and carries on the rapid calculation using the materials mechanics formula, the general computed result and the actual situation difference are big. Along with the automobile to the lightweight and the high speed development, is more and more high to the suspension fork request. Obviously, the traditional design method already could not adapt the modern automobile development to the suspension fork request.In recent years, along with the finite element technology, the CAE technology unceasing development as well as in the project success application,take the computer as the tool, the finite element analysis was becoming the automobile design gradually for the foundation CAE law the mainstream.Carries on the spring design using the CAE law to be possible simultaneously to consider the structure the bigdistortion ,contact as well as assembly between friction, time reed pre-stressed and working stress union, thus realizes to the spring precise design.This article according to the automobile design the request to carry on the design and the computation to in the suspension fork spring, and used UG to carry on the modelling, then has carried on the stress analysis and the simulation design and the computation using the ABAQUS finite element analysis software.Key words: leaf spring, ABAQUS, finite element小型货车钢板弹簧结构有限元仿真设计龚顺聪 0611032680 引言钢板弹簧几何形状简单，传统计算方法应用梁理论，简单地看是合理的，实际上远不如此。
2汽车钢板弹簧的性能、计算和试验汽车钢板弹簧的性能、计算和试验东风汽车公司技术中心陈耀明1983年3月初稿2005年1月再稿目录前言（2）一．钢板弹簧的基本功能和特性（3）1.汽车振动系统的组成（3）2.悬架系统的组成和各元件的功能（6）3.钢板弹簧的弹性特性（7）4.钢板弹簧的阻尼特性（12）5.钢板弹簧的导向特性（14）二．钢板弹簧的设计计算方法（17）1.单片和少片变断面弹簧的计算方法（17）2.多片钢板弹簧的刚度和工作应力计算（24）3.多片弹簧各单片长度的确定（32）4.多片弹簧的弧高计算（36）5.钢板弹簧计算中的几个具体问题（43）三．钢板弹簧的试验（46）1.钢板弹簧的静刚度测定（46）2.钢板弹簧的动刚度测定（50）3.钢板弹簧的应力测定（52）4.钢板弹簧单片疲劳试验（53）5.钢板弹簧总成疲劳试验（54）前言本文是为汽车工程学会悬架专业学组所办的“减振器短训班”撰写的讲义，目的是让汽车减振器的专业人员对钢板弹簧拥有一些基本知识，以利于本身的工作。
内容分为三部分：钢板弹簧的基本功能和特性，设计计算方法，以及试验等。
因为这部分内容非本次短训班的重点，所以要求尽量简单扼要，也许有许多不全面的地方，只供学习者参考。
有关钢板弹簧较详细的论述，可参考本学组所编的“汽车悬架资料”。
一．钢板弹簧的基本功能和特性1.汽车振动系统的组成汽车在道路上行驶，由于路面存在不平度以及其它各种原因，必然引起车体产生振动。
从动态系统的观点来看，汽车是一个多自由度的振动系统。
其振源主要来自路面不平度的随机性质的激振，此外还有发动机、传动系统以及空气流动所引起的振动等等。
为改善汽车的平顺性，也就是为减小汽车的振动，关键的问题是研究如何对路面不平度的振源采取隔振措施，这就是设计悬架系统的根本目的。
换言之，就是在一定的道路不平度输入情况下，通过悬架系统的传递特性，使车体的振动输出达到最小。
当研究对象仅限于悬架系统时，人们往往把车体当为一个刚体来看待。
目录第1章绪论 (2)第2章悬架系统的结构与分析 (4)2.1悬架的功能和组成 (4)2.2汽车悬架的分类 (4)2.3悬架的设计要求 (4)2.4悬架主要参数 (5)2.4.1悬架的静挠度cf及刚度c (5)2.4.2悬架的动挠度df (6)2.4.3悬架侧倾角刚度及其在前、后轴的分配 (6)2.4.4钢板弹簧结构............................................................................. . (7)第3章前后悬架系统的设计 (8)3.1前悬架系统设计 (8)3.1.1钢板弹簧的设计 (8)3.1.2.钢板弹簧的验算 (10)3.2后悬架系统设计 (13)3.2.1钢板弹簧的设计 (13)3.2.2钢板弹簧的验算 (15)第4章减振器设计 (19)4.1减振器分类 (19)4.2前后悬架减振器计算 (19)4.2.1相对阻尼系数和阻尼系数 (19)4.2.2最大卸荷力 (20)4.2.3工作缸直径 (21)第5章结论 (23)5.1钢板弹簧参数 (23)5.1.1前悬架参数 (23)5.1.2后悬架参数 (23)5.2双筒式减振器参数 (24)5.2.1前减震器参数 (24)5.2.2后减震器参数 (24)参考文献 (25)第1章绪论悬架是汽车的车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称。
它的作用是弹性地连接车桥和车架，缓和行驶中车辆受到的冲击力。
保证货物完好和人员舒适，使汽车在行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力和侧向反力以及这些力所造成的力矩，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。
悬架是汽车中的一个重要组成部分，它把车架与车轮弹性地连接起来，关系到汽车的多种使用性能。
悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。
目录第一章绪论 (7)1.1钢板弹簧的发展现状 (7)1.2悬架的组成和设计理论意义 (8)1.3 设计研究的主要内容 (9)第二章汽车悬架系统的作用、组成与分类 (10)2.1 汽车悬架的作用 (10)2.2 悬架的组成 (11)2.2.1弹性元件 (11)2.2.2 减振器 (11)2.2.3 导向机构 (12)2.3.1非独立悬架 (12)2.4 钢板弹簧 (15)2.4.1钢板弹簧的基本结构和作用原理 (15)2.4.2弹性元件种类及其特点 (16)第三章钢板弹簧总体设计 (17)3.1钢板弹簧设计的步骤 (18)3.2 悬架的静挠度 (18)3.6钢板弹簧的布置方案 (21)第四章前钢板弹簧的设计计算 (22)4.1初选参数 (22)4.2 钢板弹簧各片尺寸的确定 (22)4.3钢板弹簧的刚度验算 (24)4.4钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 (25)4.5钢板弹簧总成弧高的核算 (28)4.6 钢板弹簧强度核算 (28)4.7弹簧中心螺栓及弹簧夹 (29)4.8减震器的设计计算 (30)4.8.2减振器相对阻尼系数 (31)4.8.3减振器阻尼系数δ的确定 (32)4.8.5筒式减振器工作缸直径 D 的确定 (33)4.8.6查表确定减振器参数 (33)第五章后悬架钢板弹簧设计 (35)5.1 钢板弹簧的布置方案选择 (35)5.2 后悬架主要参数的计算 (35)5.2.1钢板弹簧长度 L 的确定 (35)5.2.3钢板弹簧断面尺寸的确定 (35)5.2.4弹簧中心螺栓及弹簧夹 (38)5.4钢板弹簧刚度的验算 (38)5.5钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 (39)5.5.1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 (39)5.5.2钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径的确定 (40)5.5.3钢板弹簧各片自由状态下弧高和曲率半径的确定 (40)5.5.4钢板弹簧总成弧高的核算 (42)5.6钢板弹簧强度验算 (42)5.7钢板弹簧卷耳和弹簧销的强度核算 (43)第六章三维建模与仿真分析 (45)6.1三维建模 (45)6.1.1三维软件简介 (45)6.1.2三维建模 (45)6.2 分析 (45)第七章总结 (48)参考文献 (49)摘要汽车钢板弹簧是汽车悬架系统中颇为重要的一种，对于车辆的整体性能也有着重要影响。
