少片鋼板彈簧輕量化優(yōu)化設計方法研究

徐迎秋

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

少片鋼板彈簧輕量化優(yōu)化設計方法研究

徐迎秋

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

文章以某輕型卡車的懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧輕量化設計為載體，針對少片鋼板彈簧的輕量化優(yōu)化設計，經(jīng)過GUI程序化優(yōu)化設計；并通過建立少片鋼板彈簧及連接件的有限元分析CAE模型，進行分析計算；在經(jīng)過實物產(chǎn)品在臺架試驗條件下進行測量驗證GUI與CAE計算結(jié)果，提出該類少片鋼板彈簧GUI程序加載修正系數(shù)1.2，保證設計的實用性。

少片鋼板彈簧；輕量化；優(yōu)化設計方法

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-54-03

1 鋼板彈簧式非獨立懸架系統(tǒng)概述

鋼板彈簧式非獨立懸架是通過鋼板彈簧將車架與車橋彈性的連接起來，通過鋼板彈簧將車輪或車軸受到的力與力矩傳給車架或車身。懸架系統(tǒng)主要包括：彈性元件，減振裝置、導向機構(gòu)、緩沖塊以及橫向穩(wěn)定器幾部分組成。常見的卡車的或者客車通常采用的就是這樣的鋼板彈簧作為彈性元件的非獨立懸架。

2 使用MATLAB的GUI可視化優(yōu)化設計

2.1 MATLAB GUI編程設計概述

MATLAB是一種具有強大的計算能力和實現(xiàn)可視化能力的軟件，它所采用的編程語言和可視化工具，有著簡單、易學、直觀、清晰的特點，這些都是其他編程語言無法比擬的，如Fortran語言，是一種專用于科學計算的語言，但是用它的圖形界面開發(fā)的程序，用戶界面不直觀，不是專業(yè)的人員很難理解和掌握，也有很多其他的界面漂亮直觀已操作的軟件，但是由于其不是專門用于科學計算的語言，因此其科學計算功能較弱，在工程和研究方面都有很大的缺陷[27]。

但是，MATLAB不一樣，它既能進行科學計算，又能開發(fā)出所需要的圖形界面。圖形用戶界面（GUI）是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象（Objects）構(gòu)成的一個用戶界面。用戶可以根據(jù)設計開發(fā)需要很方便的通過一定的方法選擇和激活這些圖形對象，如實現(xiàn)開發(fā)計算、繪圖展示等等。

在MATLAB中創(chuàng)建GUI用戶圖形界面常用到一下三種基本元素來實現(xiàn)各種功能[29]：

（1）組件。在MATLAB GUI中的按鈕、標簽、編輯框等每一個項目都是一個圖形化組件，更加直觀，用戶學習起來很容易。組件可分為三類：圖形化控件、靜態(tài)元素、菜單和坐標系。通過函數(shù)unicontrol創(chuàng)建圖形化控件和靜態(tài)元素，函數(shù)uimenu和uicontextmenu創(chuàng)建菜單控件，當你希望要顯示圖形化數(shù)據(jù)的時候，可以通過調(diào)用坐標系，調(diào)用函數(shù)axes來進行創(chuàng)建。

（2）圖形窗口。通俗的講，就是（1）中提到的按鈕、標簽等組件，需要的一個布置位置，設計是我們將需要調(diào)用的組件安排在圖形窗口中。圖像窗口有兩種方法進行創(chuàng)建，第一種方法：當你畫數(shù)據(jù)圖像的時候，GUI會自動為你創(chuàng)建圖像窗口；第二種方法，就是在M文件中調(diào)用figure函數(shù)來創(chuàng)建。我們使用過程中一般會把各種類型的組件放置在空圖像窗口中。

對于復雜節(jié)點，僅進行施工技術交底無法對其施工特點和方法詳盡說明，這時可采用三維可視化施工交底，對構(gòu)件的安裝進行模擬，使得施工技術人員迅速了解施工工藝。節(jié)點的施工模擬是將構(gòu)件先后安裝順序進行設定，通過施工動畫的形式將節(jié)點的施工過程形象展示。

（3）回應。簡單的來描述回應，就是我們希望在使用鼠標和鍵盤輸入來實現(xiàn)某一項功能的時候，需要一個程序來實現(xiàn)相應的動作的這樣一個過程。對于MATLAB的GUI模塊而言，就是當使用的設計人員調(diào)用組件的時候，就必須有一個回應。你點擊你調(diào)用的某一組件的按鈕的時候，MATLAB有相應的程序語句被執(zhí)行。

通過GUI進行可視化窗口設計的一般流程如圖1所示：

圖1 GUI程序運行主要流程

2.2 確定設計變量

設計參數(shù)主要包括鋼板彈簧片寬度B，片數(shù)n，簧片的基本形狀尺寸h1，h2，l1，l3，l共7個。由于本文的設計研發(fā)背景是在原有車型基礎上進行優(yōu)化設計，所以板簧片寬度B已經(jīng)確定；l3與夾緊距有關，可預先確定（當然也可以將夾緊距作為約束條件將l3作為設計變量）；由于是少片鋼板彈簧所以片數(shù)n一般不大于4，只有1、2、3、4幾種選擇，所以在優(yōu)化過程中可以將其設置為設計常量。

2.2.1 目標函數(shù)

因為本文設計背景是要實現(xiàn)輕量化，降重降成本，所以是以質(zhì)量最小為優(yōu)化設計的目標函數(shù)。如公式2-2。

2.2.2 約束條件

鋼板彈簧的卷耳在制動和啟動的時候，受到的應力最大，而其應力的大小取決于卷耳的半徑和卷耳根部的厚度，為了保證卷耳有足夠強度，又要保證與現(xiàn)有車輛的通用性（使用相同直徑的銷），要求端部厚度大于計算出的最小允許厚度h1。h1可以按照汽車設計中的方法計算可得，計算方法見公式2-3，σ許用應力一般取350MPa。按照2-10中計算出的h1建立約束條件一見2-11所示：

本次開發(fā)是在現(xiàn)有車型上進行，所以鋼板彈簧的長度只能在滿足現(xiàn)有的布置空間的條件下進行設計，現(xiàn)有的板簧的作用長度的一般用l表示，可以得到第三個約束條件，如2-5所示：

為了保證平順性，滿足要求的空滿載頻率，所以剛度誤差應小于他的許用值：

最后，為了保證板簧強度，在極限工況下的最大工作應力必須要小于材料的強度極限，本文使用的材料的抗拉強度極限[σ]是1225MPa：

綜上所述，本文需要進行優(yōu)化的少片鋼板彈簧，需要一個四維（4個變量），三個不等式，和兩個非線性不等式，一共五個約束，只有一個優(yōu)化目標的問題，所以選用的是函數(shù)fmincon。在使用MATLAB進行優(yōu)化的時候，由于目標函數(shù)是非線性的，所以編寫了自己的M文件來定義質(zhì)量最小的這個目標函數(shù)，同時也對非線性約束，編寫獨立的M文件，完成約束條件的定義。為了增強文件的通用性，一共編寫了4個M文件。分別為目標函數(shù)myfun_leafspring(x)，非線性約束條件文件con_leafspring(x)，初始參數(shù)文件savedate_ leafs pring和調(diào)用命令文件fmincon_leafspring。

2.2.3 MATLAB編程設計實現(xiàn)少片鋼板彈簧優(yōu)化設計

表1 某型卡車懸架系統(tǒng)輸入條件（單位：kg）

本文以某輕型卡車現(xiàn)有的懸架系統(tǒng)參數(shù)為例，進行優(yōu)化計算。該車設計軸荷如表1所示，表中數(shù)據(jù)可以看出設計軸荷并不大（和其他卡車相比），該車主要行駛路面為城市道路與鄉(xiāng)村道路。

目前，該車使用的鋼板彈簧為3片少片鋼板彈簧，重25.9kg，其他參數(shù)見表2所示，由于我國卡車用戶超載使用是一種常態(tài)，原本可以將3片鋼板彈簧優(yōu)化成2片，出于安全考慮將3片優(yōu)化為兩片實現(xiàn)降重降成本，保證原安裝空間不變，懸架系統(tǒng)的動靜撓度不變的前提下，優(yōu)化為2片。通過MATLAB進行編程來實現(xiàn)優(yōu)化，程序參見圖2示。

表2 某輕型卡車現(xiàn)有懸架系統(tǒng)鋼板彈簧參數(shù)

圖2 少片簧優(yōu)化設計程序與可視化程序窗口

經(jīng)過程序計算，將原有的3片優(yōu)化為2片鋼板彈簧后的鋼板彈簧只要參數(shù)見表3所示：

表3 優(yōu)化設計結(jié)果

完成了少片簧優(yōu)化程序的設計，通過GUI用戶界面設計后，運行如圖3，使用GUI設計實現(xiàn)窗口化后具有的有點主要包括以下幾個方面：第一，可以更加直觀的了解優(yōu)化后板簧片的形狀參數(shù)；第二，使用GUI設計之后，不僅僅是本次優(yōu)化設計使用，后期設計過程新的設計（即載荷、布置空間變化后新確定的板簧長度寬度等參數(shù)）仍然可以使用它進行優(yōu)化設計省時省力，提高設計優(yōu)化效率；第三，更加易于記錄設計過程。

圖3 板彈簧優(yōu)化GUI界面

2.3 優(yōu)化前后鋼板彈簧對比

對優(yōu)化后鋼板各參數(shù)表1中的數(shù)據(jù)，進行四舍五入取整數(shù)處理之后的參數(shù)，用MATLAB對其剛度、應力及重量進行重新計算。利用MATL AB優(yōu)化計算出的變截面鋼板彈簧設計參數(shù)，不僅保證了強度、剛度以及尺寸要求，最主要的是使鋼板彈簧重量大大減輕，由原來的25.9kg減少到17.5kg，重量降低了32.4%。而且通過GUI窗口化設計后，簡單易行、求解速度快，大大縮短了鋼板彈簧設計周期，提高了工作效率。使用相同的方法優(yōu)化了該車的后鋼板彈簧，保證板簧作用長度、寬度、剛度即滿載強度不變的情況下，質(zhì)量從25.9kg降為17.5kg，實現(xiàn)了降重32.4%，也就降低了相應的原材料成本。

2.4 優(yōu)化后少片鋼板彈簧樣品試制

2.4.1 鋼板彈簧材料選取

鋼板彈簧的使用壽命與材料及制造工藝有很大關系，因此選取彈簧材料時應考慮材料的彈性極限、彈性模量、疲勞強度、淬透性等幾方面因素，目前國內(nèi)輕型卡車上常用的板簧材料為55CrMnA和60Si2Mn。55CrMnA彈簧鋼表面質(zhì)量、淬透性和脫碳敏感性均明顯好與60Si2Mn，且價格也差不多，所以，此次試制鋼板彈簧總成均仍然使用55CrMnA彈簧鋼進行試制。

2.4.2 鋼板彈簧試制樣品

遼陽彈簧廠進行的試制，最終產(chǎn)品的質(zhì)量，不僅僅取決于原材料鋼材，對最終質(zhì)量的更加關鍵作用的因素是取決于熱處理工藝，熱處理參數(shù)不同得到產(chǎn)品的質(zhì)量就不同，為保證質(zhì)量根據(jù)經(jīng)驗決定主要熱處理工藝參數(shù)見表4所示：

表4 鋼板彈簧生產(chǎn)熱處理參數(shù)表

本章首先建立了少片鋼板彈簧計算的數(shù)學模型，確定了本次設計的約束條件，根據(jù)約束條件，編寫少片鋼板彈簧優(yōu)化的MATLAB程序，并通過GUI模塊用戶界面對少片鋼板彈簧進行優(yōu)化設計。

3 結(jié)語

綜上所述，進行汽車輕量化，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)，只是實現(xiàn)輕量化的一種途徑，在材料方面實現(xiàn)輕量化和降重也是備受國內(nèi)外汽車公司和研發(fā)設計人員關注的。對比少片鋼板彈簧，復合材料降重更為明顯，比少片簧降重近60%，材料利用率也更高。優(yōu)化后板簧不僅保證了強度、剛度以及尺寸要求，前后鋼板均實現(xiàn)了重量降低32%，并且解速度快，縮短了鋼板彈簧設計周期。

[1] 劉小虎.漸變剛度鋼板彈簧的模擬仿真.華中科技大學碩士論文[C].2007.

[2] 劉學. 長大縱坡路段重型車輛荷載特性研究.長安大學學位論文[C].2013.

The design method is studied by the lightweight plate spring

Xu Yingqiu
( China first automobile co., LTD., Jilin Changchun 130011 )

In this paper, the lightweight design of the steel plate spring of a light truck suspension system is designed as the carrier, and the optimal design of the thin plate spring is optimized by GUI program. By establishing the finite element of the leaf spring and the connecting piece The CAE model is analyzed and calculated. After the physical products are tested and verified by the physical products under the bench test conditions, the correction results of the GUI and CAE are proposed to ensure the practicality of the design.

small piece steel leaf; spring lightweight; optimization design method

U462.1

A

1671-7988 (2017)13-54-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.017

徐迎秋，男，(1980.9-)，碩士，工程師，就職于中國第一汽車股份有限公司。研究方向：汽車懸架。