前言

鋼板彈簧是彈性元件中的一種，除了作為彈性元件外[1]，還有車輪導向及傳遞載荷功能，因為鋼板彈簧使用維修、保養(yǎng)方便，長期以來鋼板彈簧在汽車上被普遍使用。目前大部分的輕型貨車和微型客車都是用鋼板彈簧作為整體式后橋的彈性元件，隨著鋼板彈簧技術、工藝、設備的不斷進步，鋼板彈簧的性能及舒適性也得到了很大的改進，因此，在設計過程中對板簧進行精確的計算對保證汽車的性能有重要的意義。

本文通過有限元方法，采用 hypermesh 與 ABAQUS 軟件對某微車鋼板彈簧的剛強度進行有限元分析，為板簧設計開發(fā)提供指導作用。

1、 鋼板彈簧有限元分析

鋼板彈簧總成一般是由不多于 6 片簧片組成，其中第一片簧片兩端做成卷耳的形式，其余簧片兩端不帶卷耳，每一片的中心都開有中心孔，片與片通過中心螺栓打緊，從而裝配成鋼板彈簧總成，然后將第一片板簧的前卷耳與車身大梁支架通過前板銷總成聯(lián)接，后端卷耳與車身大梁支架通過吊耳支架聯(lián)接，在前后銷子與板簧卷耳之間匹配有襯套，這樣后鋼板彈簧就將后橋與車身聯(lián)結起來，配合后減振器總成就形成了一個完整的非獨立后懸架總成。

1.1 幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

為了能夠準確反映板簧實際應力，裝配過程考慮的預應力，利用三維軟件創(chuàng)建板簧總成的數(shù)模，為了簡化計算得模型，建模過程中忽略了中心孔，U 型夾箍，夾箍，幾何模型尺寸如表 1 所示[2]，板簧采用的材料為 60Si2MnA，彈性模量為 2.06E5MP, 泊松比 μ = 0.3，屈服強度 1375MP。

網(wǎng)格劃分是有限元模型建立中一個非常重要的部分,網(wǎng)格劃分的好壞對有限元分析計算的結果和精度影響很大,為了建立正確的有限元模型,需要遵循以下網(wǎng)格劃分的原則

(1) 網(wǎng)格數(shù)量:考慮精度與計算時間的平衡,網(wǎng)格劃分采用縱、橫方向尺寸取 5mm 大小網(wǎng)格

(2) 單元類型：考慮到板簧計算的精度[3]，單元類型采用單元非協(xié)調(diào)模式 C3D8I,單元的大小取板簧厚度尺寸的 1/3，采用用映射體網(wǎng)格的方式對板簧和上下夾板劃分網(wǎng)格。

表 1 鋼板彈簧各片參數(shù)

1.2 接觸處理

在 UG 中將各片位置調(diào)整好[4]，在相鄰簧片間創(chuàng)建接觸對，設置相應的接觸屬性，接觸面的在切向方向選擇有限滑移（finite sliding），設置摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)取的數(shù)值不要太大，太大會造成收斂問題，本文取 0.15；在法向中設置接觸對一旦接觸上就不再分開模擬實際接觸的情況，共要建六個接觸對，每個接觸對都有一個主面和一個從面，主面的法線方向是接觸方向，要求從面上的節(jié)點在接觸后要全部落到主面上。

1.3 模型的約束與加載

本文將設置 2 個分析步來模擬板簧的受載過程。第一步是模擬板簧用中心螺栓打緊的過程，即加強制位移讓板簧各片之間貼合； U 型螺栓夾緊，即加強制位移讓上下夾板加緊板簧總成；第二步為了能在臺架試驗反應板簧的應力水平，添加鋼板板簧工作的最大行程，該行程加載在上夾板的參考點上，約束條件[5]: 載荷步 1 在兩耳中心點處分別建參考點，耦合內(nèi)表面，約束上夾板參考點上 6 個方向的自由度，在下夾板加強制位移，該位移為簧片間隙總成，載荷步 2 在兩耳參考點上約束除水平移動與耳軸旋轉(zhuǎn)自由度外的自由度，在上夾板的參考點上加載最大行程。

圖 1 鋼板彈簧有限元模型

1.4 鋼板彈簧剛度與強度的仿真結果

鋼板彈簧剛度，基于共曲率的假設，鋼板彈簧在任何載荷下，各片簧都是無縫隙接觸，同一截面上各片簧具有共同的曲率，如果將各片展開，變成新的一片簧，用計算一片簧的剛度等效多片簧的剛度，依據(jù)這種理論思想能夠假設當多片等截面鋼板彈簧的兩端(也是第一片即是主片的卷耳中心處)承受的作用力為 F，同時在鋼板彈簧中央處施加一個支撐載荷其大小為 M(M=2F)，又知道鋼板彈簧的撓度為 f，就可以得到近似為等應力梁的鋼板彈簧剛度，如圖 2 鋼板彈簧的位移與載荷曲線與圖 3 鋼板彈簧的剛度與位移曲線，從圖 2 可知，鋼板彈簧剛度是一個變剛度，在載荷不大時此時鋼板彈簧主要靠主簧工作，當載荷逐漸加大是此時副簧開始工作，此時主、副簧同時工作，由圖 3 可知，該鋼板彈簧的主簧剛度 65N/mm,鋼板彈簧的合成剛度為 110N/mm

圖 2 鋼板彈簧的位移與載荷曲線

圖 3 鋼板彈簧的剛度與位移曲線

鋼板彈簧的強度，在板簧中部添加上極限的跳動量，該板簧跳動量為 144mm,由于鋼板彈簧是對稱結構，只需要看一半應力云圖就可以了，該板簧最大應力出現(xiàn)在第三片板簧，最大應為 1110MPa, 小于板簧材料的最大許用應力 1375Mpa，因此在上極限工況下鋼板彈簧的強度是滿足汽車工作要求的。

2 結論

采用有限元法可以準確的得到鋼板彈簧的剛度特性。與傳統(tǒng)的方法相比，有限元法能更

精確的反映鋼板彈簧葉片之間的接觸和摩擦等細節(jié)。

資料來源：達索官方