基于接觸摩擦的變截面鋼板彈簧懸架性能分析

周水庭　黃紅武　付建朝　左佳　向鐵明

摘要：傳統(tǒng)鋼板彈簧分析只是采用簡化力學模型，而沒有考慮簧片間的摩擦.為了更好地對少片變截面鋼板彈簧進行設計，本文首先對少片變截面鋼板彈簧懸架進行參數(shù)化建模.然后應用接觸理論添加接觸單元，來模擬鋼板彈簧間的摩擦，進行鋼板彈簧懸架的有限元計算，得到鋼板彈簧懸架的裝配預應力、剛度和阻尼特性的仿真值.與由傳統(tǒng)預應力計算方法得到的結(jié)果和行業(yè)推薦值進行比較分析，證明基于接觸摩擦的少片變截面鋼板彈簧懸架性能分析的方法更能反映簧片實際的受力情況.

關(guān)鍵詞：接觸原理；有限元法；鋼板彈簧懸架；性能

中圖分類號：U463.218 文獻標識碼：A

通常情況下，當整車總布置的一系列參數(shù)確定之后，在少片變截面鋼板彈簧懸架的設計選型中，其簧片數(shù)、長度、寬度、厚度、曲率半徑、自由弧高和總成剛度等基本參數(shù)，就能隨之得到.其中，各簧片及總成的曲率半徑、自由弧高和總成剛度是板簧總成設計的主要參數(shù)，均由其預應力決定.因此，在少片變截面鋼板彈簧懸架的設計中，簧片的預應力計算與剛度分析至關(guān)重要.

據(jù)統(tǒng)計，美國三大汽車公司1978年采用變截面鋼板彈簧約占板簧總產(chǎn)量的60%.我國從20世紀80年代開始研制變截面鋼板彈簧.由于在實際工況中，鋼板彈簧往往同時存在著大應力和大變形，尤其是傳統(tǒng)計算方法沒有考慮片間接觸摩擦等非線性因素，導致其計算精度受到嚴重影響，誤差較大.本文考慮了片間實際存在的接觸摩擦狀況，對少片變截面鋼板彈簧進行性能計算與分析，比傳統(tǒng)方法更能反映鋼板彈簧的實際工作情況.

1基于接觸摩擦的鋼板彈簧懸架性能的計算理論

文獻3-8]表明：對于接觸摩擦問題，一般將兩個面的接觸簡化為由3個節(jié)點組成的接觸對.基于接觸摩擦的有限元方法對鋼板彈簧懸架性能的計算和分析，實質(zhì)上是對簧片進行虛擬裝配，由于考慮了片間實際存在的接觸摩擦，相比傳統(tǒng)計算方法能更準確、真實地模擬簧片之間的非線性接觸因素.

根據(jù)GB/T 19844-2005，設計彈簧特性試驗臺如圖6所示.該裝置采用滑動銷軸和夾緊機構(gòu)對鋼板彈簧進行夾緊支承.試驗中，逐級對鋼板彈簧進行加載和卸載，測試鋼板彈簧的靜態(tài)剛度、靜載弧高和空載弧高等參數(shù).這樣，通過試驗就可以驗證仿真與試驗結(jié)果的一致性.試驗結(jié)果如表3所示.

4 結(jié)論

1）簧片的預應力決定了簧片自由曲率半徑和總成的自由弧高.與傳統(tǒng)計算方法相比，基于有限元接觸分析的計算方法能更全面合理地對少片變截面鋼板彈簧懸架進行應力、剛度和阻尼特性分析，得到與實際更吻合的計算結(jié)果.

2）通過基于接觸摩擦的有限元法計算出鋼板彈簧懸架的阻尼，再配合確定減震器參數(shù)，可設計出理想的懸架系統(tǒng).

3）使用基于接觸摩擦的有限元方法完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算方法計算懸架的性能，得到更接近實際的懸架特性.這樣就可以縮短懸架總成的設計開發(fā)周期.

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