[钢板,弹簧]钢板弹簧悬架的模拟研究

钢板弹簧悬架的模拟研究在重载汽车上，钢板弹簧作为汽车悬架的弹性元件，是汽车容易损坏的元件，其好坏决 定了汽车的各种性能。钢板弹簧在整车上不光是弹性元件，它还在工作时传递除垂直方向外 其他方向的力和力矩，并在传递这些力或力矩的同时起到导向作用。而且当弹簧振动时两板 片之间的接触、摩擦还可以充当一定的阻尼器件，起到阻尼作用。尽管钢板弹簧在工作时负 荷高，易损坏，但钢板弹簧结构简单，制造、维修快捷方便，所以作为重型汽车的悬架被广 泛使用。虽然自然状态下的钢板弹簧几何形状简单，但是在其受到载荷时却会有大变形（几 何非线性）、且板片间的接触（状态非线性）等多种非线性因素是非常复杂且这些因素在应力 分析是难以处理的。1解析法传统的钢板弹簧分析是把它简化为悬臂梁，运用材料力学的相关理论进行计算分析。而 实际工作状态下的钢板弹簧受力变形很复杂，因为既有大变形又有板片之间摩擦非线性因素 的影响。所以，利用解析法对钢板弹簧进行力学分析，必须将它简化为具有理想的线性变形 和无摩擦的力学模型。这样就必须是假设在一定的条件下，才能建立起钢板弹簧力学模型， 且这样的模型是过于简单的。当钢板弹簧所受为垂向载荷时，实际中通常采用下而的方法进 行计算分析：1.1 共同曲率法该方法是前苏联的帕尔希洛夫斯基提出的，通常我们又称它为展开法，它假定在弹簧变 形时各板片一旦接触便不会再分离，所以不再会有在一起的各片有共同的曲率。而且，假定 各簧片上的弯矩也是连续分布的。住这两个假定的基础上建立模型进行计算分析可得出各个 簧片的应力变形。很明显，这一方法对弹簧进行力学分析的时候，忽略到了板片之间的摩擦， 所以该方法的结算结果与实际值存在一定的误差。1.2 集中载荷法这一方法是假定钢板弹簧只在板端有力的传递，而且同样假设在外载荷作用下板簧接触 部分一旦接触后不再分开。这里也忽略板片之间的摩擦作用。该计算方法也是把钢板弹簧简 化为悬臂梁模型，进行计算。在实际计算分析中由于汽车上用的钢板弹簧有对称性，且装配 时固定条件也是对称的，所以可以建立一半的模型进行计算。可以看出这两个方法都必须在假定一定条件成立的基础上，在不同程度和角度上对钢板 弹簧进行了简化。但是，这两种方法都忽略了钢板弹簧在实际工作状态下的复杂因素，如较 大变形、摩擦和阻尼等。所以导致这两种方法分析计算的结果都存在着不同程度的误差。因 此，对于钢板弹簧实际存在的这种大变形、接触等非线性状态，我们采取有限元法来对钢板 弹簧的装配预应、刚度等进行分析。2有限元法有限元法是把无限自由度的连续体离散化，从而变为有限个单元在点参数进行计算分析 的方法。它的特点是不需作任何假设，便可模拟实际工作状态下的连续体C尽管这一方法的 分析结果也是不能够完全没有误差，但是可以通过选择适当的单元体的形状与数量，这样便 使得分析结果达到要求的精度。有限元分析法可以建立复杂的几何形状或边界条件、复杂的 材料的模型。所以比较而言用有限元法计算钢板弹簧的应力问题，理论上更严密、模型更准 确，这样分析结果精度更高。2.1 钢板弹簧的有限元建模用ANSYS12.0建立实体模型，建模时需要注意的是，由于钢板弹簧在装配前就具有一定 曲率半径，是弧形而非平直的，所以要根据实际物体尺寸参数建立其三维几何模型，本文对 简化型（不带卷耳）的钢板弹簧进行分析，并且建模时忽略其中间的螺栓孔，三片钢板弹簧 选择为同曲率。因为重载汽车钢板弹簧是对称结构，且在装配过程中受载荷和约束都是对称 的，这里便可以对模型进行简化，所以建立钢板弹簧的1/4模型。2.2 定义接触对本次采用而-面接触单元来模拟板簧之间的接触，根据实际情况分别选择合适的类型来 描述接触对的目标面单元和接触而单元。在指定接触而和目标而时，应该特别注意的是接触 单元应被控制不得穿透目标而。钢与钢之间有润滑接触摩擦时，其静摩擦系数选择为0.1 0. 12 ,所以本次分析各簧片之间的摩擦系数为0. 1。通过Gul命令 mainmenupreproeessorrealconstantAddCONTA173 即可对实常数进行定义。通过 GUI 命令 mainmenupreproeesso, ElementtypeAddTARGE170options 即设置关键字。通过接触向导，将整个三片钢板弹簧总成定义2个接触对，每个接触对有一个目标而和 一个接触而。2.3 模型约束及模型的加载因为所建模型为1/4模型，对称而上的约束都相同，分析中控制三片钢板弹簧中心截而 每片弹簧截面的X、Y和Z方向的位移，且要模拟中心螺栓拧紧状态下及钢板弹簧的装配中 的应力问题。2.4 计算结果与分析由上述加载后应力学分析模型图上的应力分布，可直观得出钢板弹簧各部分应力大小分 布情况，这为应力分析及产品优化提供了依据。且从上图可得出：加载后所受应力最大处是 第一片钢板弹簧的端部。由于对模型的简化较多，使得这次得出的分析结果在一定程度上会 有偏差。所以，以后需深入研究建立更准确模型来进行模拟分析。3结语钢板弹簧板片之间的接触情况是非常复杂的，且载荷变化，各片之间的接触情况亦随之 变化。在研究分析钢板簧力学特性时，板片间的接触摩擦对其结果的影响不容忽视。在考虑 片间接触及其几何非线性的情况下，利用ANSYS有限元软件，对某三片等截面钢板弹簧模型 其满载状况加载下的应力分布进行了模拟分析。需要注意的是，当表面接触应力较大时叶片 的磨损会加速，并产生裂纹导致钢板弹簧疲劳损坏。