[鋼板,彈簧]鋼板彈簧懸架的模擬研究

鋼板彈簧懸架的模擬研究在重載汽車上，鋼板彈簧作為汽車懸架的彈性元件，是汽車容易損壞的元件，其好壞決 定了汽車的各種性能。鋼板彈簧在整車上不光是彈性元件，它還在工作時(shí)傳遞除垂直方向外 其他方向的力和力矩，并在傳遞這些力或力矩的同時(shí)起到導(dǎo)向作用。而且當(dāng)彈簧振動(dòng)時(shí)兩板 片之間的接觸、摩擦還可以充當(dāng)一定的阻尼器件，起到阻尼作用。盡管鋼板彈簧在工作時(shí)負(fù) 荷高，易損壞，但鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維修快捷方便，所以作為重型汽車的懸架被廣 泛使用。雖然自然狀態(tài)下的鋼板彈簧幾何形狀簡(jiǎn)單，但是在其受到載荷時(shí)卻會(huì)有大變形（幾 何非線性）、且板片間的接觸（狀態(tài)非線性）等多種非線性因素是非常復(fù)雜且這些因素在應(yīng)力 分析是難以處理的。1解析法傳統(tǒng)的鋼板彈簧分析是把它簡(jiǎn)化為懸臂梁，運(yùn)用材料力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算分析。而 實(shí)際工作狀態(tài)下的鋼板彈簧受力變形很復(fù)雜，因?yàn)榧扔写笞冃斡钟邪迤g摩擦非線性因素 的影響。所以，利用解析法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行力學(xué)分析，必須將它簡(jiǎn)化為具有理想的線性變形 和無(wú)摩擦的力學(xué)模型。這樣就必須是假設(shè)在一定的條件下，才能建立起鋼板彈簧力學(xué)模型， 且這樣的模型是過(guò)于簡(jiǎn)單的。當(dāng)鋼板彈簧所受為垂向載荷時(shí)，實(shí)際中通常采用下而的方法進(jìn) 行計(jì)算分析：1.1 共同曲率法該方法是前蘇聯(lián)的帕爾希洛夫斯基提出的，通常我們又稱它為展開(kāi)法，它假定在彈簧變 形時(shí)各板片一旦接觸便不會(huì)再分離，所以不再會(huì)有在一起的各片有共同的曲率。而且，假定 各簧片上的彎矩也是連續(xù)分布的。住這兩個(gè)假定的基礎(chǔ)上建立模型進(jìn)行計(jì)算分析可得出各個(gè) 簧片的應(yīng)力變形。很明顯，這一方法對(duì)彈簧進(jìn)行力學(xué)分析的時(shí)候，忽略到了板片之間的摩擦， 所以該方法的結(jié)算結(jié)果與實(shí)際值存在一定的誤差。1.2 集中載荷法這一方法是假定鋼板彈簧只在板端有力的傳遞，而且同樣假設(shè)在外載荷作用下板簧接觸 部分一旦接觸后不再分開(kāi)。這里也忽略板片之間的摩擦作用。該計(jì)算方法也是把鋼板彈簧簡(jiǎn) 化為懸臂梁模型，進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算分析中由于汽車上用的鋼板彈簧有對(duì)稱性，且裝配 時(shí)固定條件也是對(duì)稱的，所以可以建立一半的模型進(jìn)行計(jì)算。可以看出這兩個(gè)方法都必須在假定一定條件成立的基礎(chǔ)上，在不同程度和角度上對(duì)鋼板 彈簧進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但是，這兩種方法都忽略了鋼板彈簧在實(shí)際工作狀態(tài)下的復(fù)雜因素，如較 大變形、摩擦和阻尼等。所以導(dǎo)致這兩種方法分析計(jì)算的結(jié)果都存在著不同程度的誤差。因 此，對(duì)于鋼板彈簧實(shí)際存在的這種大變形、接觸等非線性狀態(tài)，我們采取有限元法來(lái)對(duì)鋼板 彈簧的裝配預(yù)應(yīng)、剛度等進(jìn)行分析。2有限元法有限元法是把無(wú)限自由度的連續(xù)體離散化，從而變?yōu)橛邢迋€(gè)單元在點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析 的方法。它的特點(diǎn)是不需作任何假設(shè)，便可模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的連續(xù)體C盡管這一方法的 分析結(jié)果也是不能夠完全沒(méi)有誤差，但是可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膯卧w的形狀與數(shù)量，這樣便 使得分析結(jié)果達(dá)到要求的精度。有限元分析法可以建立復(fù)雜的幾何形狀或邊界條件、復(fù)雜的 材料的模型。所以比較而言用有限元法計(jì)算鋼板彈簧的應(yīng)力問(wèn)題，理論上更嚴(yán)密、模型更準(zhǔn) 確，這樣分析結(jié)果精度更高。2.1 鋼板彈簧的有限元建模用ANSYS12.0建立實(shí)體模型，建模時(shí)需要注意的是，由于鋼板彈簧在裝配前就具有一定 曲率半徑，是弧形而非平直的，所以要根據(jù)實(shí)際物體尺寸參數(shù)建立其三維幾何模型，本文對(duì) 簡(jiǎn)化型（不帶卷耳）的鋼板彈簧進(jìn)行分析，并且建模時(shí)忽略其中間的螺栓孔，三片鋼板彈簧 選擇為同曲率。因?yàn)橹剌d汽車鋼板彈簧是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且在裝配過(guò)程中受載荷和約束都是對(duì)稱 的，這里便可以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，所以建立鋼板彈簧的1/4模型。2.2 定義接觸對(duì)本次采用而-面接觸單元來(lái)模擬板簧之間的接觸，根據(jù)實(shí)際情況分別選擇合適的類型來(lái) 描述接觸對(duì)的目標(biāo)面單元和接觸而單元。在指定接觸而和目標(biāo)而時(shí)，應(yīng)該特別注意的是接觸 單元應(yīng)被控制不得穿透目標(biāo)而。鋼與鋼之間有潤(rùn)滑接觸摩擦?xí)r，其靜摩擦系數(shù)選擇為0.1 0. 12 ,所以本次分析各簧片之間的摩擦系數(shù)為0. 1。通過(guò)Gul命令 mainmenupreproeessorrealconstantAddCONTA173 即可對(duì)實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義。通過(guò) GUI 命令 mainmenupreproeesso, ElementtypeAddTARGE170options 即設(shè)置關(guān)鍵字。通過(guò)接觸向?qū)?，將整個(gè)三片鋼板彈簧總成定義2個(gè)接觸對(duì)，每個(gè)接觸對(duì)有一個(gè)目標(biāo)而和 一個(gè)接觸而。2.3 模型約束及模型的加載因?yàn)樗Ｐ蜑?/4模型，對(duì)稱而上的約束都相同，分析中控制三片鋼板彈簧中心截而 每片彈簧截面的X、Y和Z方向的位移，且要模擬中心螺栓擰緊狀態(tài)下及鋼板彈簧的裝配中 的應(yīng)力問(wèn)題。2.4 計(jì)算結(jié)果與分析由上述加載后應(yīng)力學(xué)分析模型圖上的應(yīng)力分布，可直觀得出鋼板彈簧各部分應(yīng)力大小分 布情況，這為應(yīng)力分析及產(chǎn)品優(yōu)化提供了依據(jù)。且從上圖可得出：加載后所受應(yīng)力最大處是 第一片鋼板彈簧的端部。由于對(duì)模型的簡(jiǎn)化較多，使得這次得出的分析結(jié)果在一定程度上會(huì) 有偏差。所以，以后需深入研究建立更準(zhǔn)確模型來(lái)進(jìn)行模擬分析。3結(jié)語(yǔ)鋼板彈簧板片之間的接觸情況是非常復(fù)雜的，且載荷變化，各片之間的接觸情況亦隨之 變化。在研究分析鋼板簧力學(xué)特性時(shí)，板片間的接觸摩擦對(duì)其結(jié)果的影響不容忽視。在考慮 片間接觸及其幾何非線性的情況下，利用ANSYS有限元軟件，對(duì)某三片等截面鋼板彈簧模型 其滿載狀況加載下的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析。需要注意的是，當(dāng)表面接觸應(yīng)力較大時(shí)葉片 的磨損會(huì)加速，并產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致鋼板彈簧疲勞損壞。