鋼板彈簧輕量化設(shè)計(jì)

王寧 李光 李敏

摘要：本文采用HyperWorks軟件對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行應(yīng)力要求分析，核準(zhǔn)是否符合彈簧鋼應(yīng)力工作要求，在滿足工作荷載情況下，分析設(shè)計(jì)鋼板彈簧輕量化所采用的方法，合理地設(shè)計(jì)使鋼板彈簧在不違背應(yīng)力強(qiáng)度的條件下合理地設(shè)計(jì)出輕量化后的鋼板彈簧。

關(guān)鍵詞：鋼板;彈簧;輕量化

1、鋼板彈簧的優(yōu)化

對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)之前，要先清楚原汽車的鋼板彈簧的具體重量。賦予原鋼板彈簧材料、厚度，用HyperWorks軟件分析出其重量，如圖1原鋼板彈簧重量所示。先用軟件HyperWorks分析出原鋼板彈簧的重量為38.13kg，然后進(jìn)行下一步輕量化設(shè)計(jì)操作。

在原鋼板彈簧符合實(shí)際工作情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)然是希望零件越輕越好，但是也要符合材料的各種應(yīng)力要求，所以本小節(jié)采用的方法是在原來七片的基礎(chǔ)上去除五片，優(yōu)化成只有兩片的鋼板彈簧[1]。

雖然鋼板彈簧只剩下兩片，但是兩片鋼板彈簧的約束、載荷等所有基本工作情況如七片的鋼板彈簧相同，因?yàn)橐ＷC輕量化后的鋼板彈簧也可以正常使用，鋼板彈簧的片數(shù)減少了，就要增加其厚度來保證它可以正常工作[2]。只是需要兩片的鋼板彈簧在原來厚度的基礎(chǔ)上，增加一些厚度，來保證其工作能力基本不變。

用Hypemesh軟件把鋼板彈簧在原來的基礎(chǔ)上增加厚度，然后仿真分析其應(yīng)力是否在所屬范圍內(nèi)，即是否符合鋼板彈簧材料的應(yīng)力要求。在分析結(jié)果符合要求的前提下，盡可能地縮減鋼板彈簧的重量，來達(dá)到鋼板彈簧輕量化的目的要求。

設(shè)計(jì)就是在原來鋼板彈簧厚度的基礎(chǔ)上，把每片鋼板彈簧厚度增加到25mm，如圖2輕量化鋼板彈簧厚度所示。

賦予了輕量化后鋼板彈簧新的厚度，其約束條件不變，就可以對(duì)其進(jìn)行仿真分析，先對(duì)輕量化后的鋼板彈簧進(jìn)行滿載時(shí)的分析，看其結(jié)果是否符合鋼板彈簧材料的應(yīng)力要求。同樣給兩片的鋼板彈簧施加66.96N的y軸負(fù)向的力，輕量化鋼板彈簧滿載受力所示，然后進(jìn)行仿真分析。

輕量化后鋼板彈簧位移分析所示，輕量化后的鋼板彈簧在力、約束等條件不變的情況下會(huì)向下波動(dòng)10.55mm。位移主要波動(dòng)地方還是集中在兩卷耳處，此處為直接受力接觸點(diǎn)。

應(yīng)力的仿真結(jié)果為380.5Mpa，輕量化后鋼板彈簧應(yīng)力分析所示。本文鋼板彈簧使用的材料為55CrMnA，其屈服強(qiáng)度為950MPa，抗拉強(qiáng)度極限為1225MPa[3]，應(yīng)力的安全范圍大約為屈服強(qiáng)度的80%左右，即為760MPa。應(yīng)力的分析結(jié)果鋼板彈簧的應(yīng)力比材料的屈服強(qiáng)度小，符合實(shí)際情況，輕量化后的鋼板彈簧可以正常工作使用。這是滿載時(shí)的仿真分析，還要考慮輕量化后鋼板彈簧在路上遇到?jīng)_擊載荷的情況，再進(jìn)行分析。

2、輕量化后鋼板彈簧的沖擊載荷分析

輕量化后的鋼板彈簧在滿載時(shí)符合材料的應(yīng)力要求，但是也要分析輕量化后的鋼板彈簧是否能夠承受住最大沖擊載荷，這是輕量化的關(guān)鍵一步[3]，本小節(jié)就為輕量化后的鋼板彈簧進(jìn)行滿載時(shí)沖擊載荷的仿真分析。

輕量化后滿載時(shí)受到?jīng)_擊載荷兩耳的受力需和前部分輕量化前汽車在上跳極限時(shí)承受的最大載荷相同，即與輕量化之前的鋼板彈簧滿載受到的沖擊載荷受力相同，沖擊載荷施加的大小輕量化后鋼板彈簧沖擊載荷所示。輕量化后鋼板彈簧滿載沖擊載荷位移分析所示，輕量化后的鋼板彈簧在承受到最大載荷時(shí)，鋼板彈簧會(huì)向下波動(dòng)15.83mm，同樣也是兩卷耳處的位移波動(dòng)最大，再進(jìn)行應(yīng)力的分析。

3、輕量化后鋼板彈簧滿載沖擊仿真之應(yīng)力

輕量化后鋼板彈簧滿載沖擊載荷應(yīng)力分析所示，鋼板彈簧承受最大載荷的應(yīng)力為570.8MPa。本文鋼板彈簧使用的材料為55CrMnA，其屈服強(qiáng)度為950MPa，抗拉強(qiáng)度極限為1225MPa。應(yīng)力的安全范圍大約為屈服強(qiáng)度的80%左右，即為760MPa。仿真結(jié)果比材料的屈服強(qiáng)度小，符合實(shí)際情況，輕量化后的鋼板彈簧可以正常工作使用。已經(jīng)完成鋼板彈簧輕量化的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)結(jié)果分析都符合實(shí)際情況，即可作出兩片的鋼板彈簧，也就是輕量化之后的鋼板彈簧。輕量化后的鋼板彈簧所示，即輕量化后的鋼板彈簧，符合汽車的實(shí)際工作情況，并且也可以保證鋼板彈簧的正常工作。

用HyperWorks軟件計(jì)算出輕量化后的鋼板彈簧的質(zhì)量為29.47kg，輕量化鋼板彈簧重量所示。原鋼板彈簧的質(zhì)量為38.13kg，在保證了鋼板彈簧各種工作性能穩(wěn)定、正常的情況下，對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行輕量化22.7%。

（38.13-29.47）÷38.13≈22.7%

4、結(jié)論

本文結(jié)合之前的作用結(jié)果、設(shè)計(jì)方案，作出理想輕量化后的鋼板彈簧。輕量化的鋼板彈簧本文采用了減少鋼板彈簧的片數(shù)的方法來具體實(shí)施，也就是多片簧變成少片簧的方法。原來的鋼板彈簧是七片，現(xiàn)在減少了五片，減到只有兩片作用的鋼板彈簧，在減少了片數(shù)的情況下，增加其鋼板彈簧每一片的厚度，在對(duì)其進(jìn)行仿真分析。先對(duì)其進(jìn)行滿載時(shí)的分析，看其是否符合材料的應(yīng)力要求。在符合應(yīng)力要求的前提下，再進(jìn)行滿載時(shí)受沖擊載荷的仿真分析，看結(jié)果是否符合應(yīng)力要求。如果符合應(yīng)力要求，即為設(shè)計(jì)正確，即輕量化設(shè)計(jì)成功。如果不符合應(yīng)力要求，就要對(duì)其重新設(shè)計(jì)，必須保證輕量化后的鋼板彈簧可以滿足材料的應(yīng)力要求，以此來保證鋼板彈簧的正常使用工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 左明遠(yuǎn) 《汽車底盤細(xì)節(jié)詳解》北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.05

[2] 夏長(zhǎng)明叢書，涂潭生，肖楠榕等《汽車底盤構(gòu)造與維修》北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.10

[3]何效先《汽車底盤構(gòu)造與維修》北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2004.08