汽車鋼板彈簧剛度系數分析研究

黃世偉，張鑫星，陳海平，李英楠，韋 寧

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

在現代汽車設計中，對汽車的各種使用性能要求越來越高，乘員舒適性和貨物安全性，占據著重要的地位。鋼板彈簧是汽車懸架系統中一種常用的彈性元件[1]，彈性地連接車身與車橋，起到緩和車輛所受沖擊力和衰減車輛振動的作用。鋼板彈簧的剛度，是一個重要的性能參數，合理的計算出鋼板彈簧剛度系數，是汽車設計人員一直努力方向。

板簧安裝如圖1所示。板簧工作前，用起定位作用的中心螺栓連接，把鋼板彈簧用中心螺栓夾緊后放在車橋上，再按照一定的距離，彈簧各片中部用兩個對稱布置的U型騎馬螺栓夾緊[2~3]。

圖1 鋼板彈簧安裝示意圖

本文研究對象是共有5單片板簧所構成的等截面式鋼板彈簧，各片幾何尺寸參數如表1所示。

表1 鋼板彈簧參數表（mm）

由于鋼板彈簧受力復雜，本文只考慮上下方向的垂直載荷作用，所受載荷如圖2所示。

圖2 鋼板彈簧受力示意圖

在ANSYS中，通過設置不同的摩擦系數，來模擬不同的接觸情況。本文摩擦系數為MU=0.12。

1 兩單片板簧有限元分析

1.1 建立有限元分析及劃分網格

分析時，可以忽略兩片板簧之間的尼龍墊片、鋼板彈簧卷兒和中心螺栓。鋼板彈簧中間部分被兩個U型螺栓夾緊，可以認為中間的部分是固定不動的，而兩U型螺栓之外的部分，認為是接觸的。采用SOLID92實體單元對模型進行網格劃分[6~7]。

進行剛度分析時，選用TARGE170和CONTA174這兩種面-面接觸單元來模擬[8]，指定第二片的上表面為目標面，與之相接觸的第一片下表面為接觸面。

1.2 約束及加載

兩U型螺栓之間的彈簧各片之間沒有相對滑動和摩擦[4~5]，把板簧中間部分粘接起來。兩U型螺栓之外部分，認為各片之間在外載荷作用下，有相對滑動、摩擦與磨損。在鋼板彈簧弧形頂端的中間部分，加載位移載荷，受垂直向下載荷為6 500 N。

1.3 結果分析

本文分析的是剛度不變的板簧，可以利用最小二乘法進行曲線擬合，得到兩片板簧的整體剛度。然后整體剛度減去第一片板簧的剛度，就可以得到第二片剛度。當板簧長度為1 200 mm、寬度為60 mm、厚度為9 mm時，其平均剛度為98.23 N/mm。

1.4 鋼板彈簧剛度與幾何參數關系

利用有限元分析方法，固定第一片鋼板彈簧的幾何尺寸不變，只改變第二片鋼板彈簧的長度，保持寬度、厚度均不變，計算得到兩片整體的總剛度，然后用總剛度減去第一片的剛度，則得到第二片的剛度。同樣，可以得到下列剛度與寬度、厚度的關系。得到的離散數據如下表2、表3、表4所示。

表2 剛度—長度實驗數據表

表3 剛度—寬度實驗數據表

表4 剛度—厚度實驗數據表

由以上可知，任何一個參數改變，都可以求得鋼板彈簧的剛度。

2 鋼板彈簧剛度與幾何參數關系

2.1 鋼板彈簧剛度與長度之間的關系

對長度與剛度之間的依賴關系，進行最小二乘法曲線擬合。可以斷定因變量和自變量之間符合線性關系，如圖3所示。

圖3 剛度與長度關系圖

圖中，

y為板簧剛度；

x1為板簧長度。

設

即選取 φ0(X1)=1，φ1(X1)=X1，計算

所以得到法方程為

解得

故擬合曲線為

2.2 鋼板彈簧剛度與寬度之間的關系

由表3可知，剛度與寬度之間的關系如圖4所示。

圖4 剛度與寬度關系圖

設

同理，可以得到法方程為

解得

故擬合曲線為

2.3 鋼板彈簧剛度與厚度之間的關系

由表4可知，剛度與長度之間的關系如圖5所示。

圖5 剛度與厚度關系圖

設

同理，所以得到法方程為

解得

故擬合曲線為

3 多元函數的最小二乘法

把上述最小二乘擬合的有關概念和結論，推廣到多元函數，利用已知的離散數據擬合多元函數。3個變量時，推廣到三元函數[10]，假定已知離散數據。

以及相應的權系數

要求做出如下的函數。

使得

類似一元最小二乘法問題，系數同樣滿足下列方程

其中的內積為

同樣，解正規方程組

則式(14)稱為法方程或正規方程組，是n+1階線性代數方程組，其系數矩陣為

其中的基函數分別為式(16)。

則解正規方程組(19)則可得

a0,a1,…,a7。

利用最小二乘法，根據實驗數據表5進行剛度與各幾何參數關系的曲線擬合。

表5 剛度與參數實驗數據表

根據前面所討論的數學模型，本文選定的擬合模型的形式為下式（20）。

求解法方程（18），把表5實驗數據分別代入方程(16)和(20)，則得到方程(21)。

所以，解方程(21)可得

故所擬合的曲線為

式中，

x1為板簧長度；

x2為板簧寬度；

x3為板簧厚度。

4 利用公式求出彈簧剛度

又根據彈性元件串聯公式

式中，ki（i=1，2，…，n）為鋼板彈簧各片剛度。

由于分析的是由5片板簧組成的鋼板彈簧，則把每一片的幾何參數表5代入式（22）中，可以求得單片板簧的剛度，再利用式（23），可以求出整個鋼板彈簧的剛度值。

其中，

通過把數據代入式(21)，所以可知鋼板彈簧的平均剛度為118.94 N/mm。

5 整體分析法驗證鋼板彈簧剛度

建立整體有限元模型[9]，由于結構的對稱性，分析一半有限元模型即可，看成是懸臂梁的形式，把彈簧中部各片粘接起來。加載集中載荷為6 500 N。則1/2鋼板彈簧有限元模型約束如圖6所示。

利用最小二乘法進行曲線擬合，可知整體板簧剛度的平均值為125.56 N/mm。兩種方法所得到的剛度值進行比較，如表6。

表6 鋼板彈簧剛度計算值比較

公式擬合法計算的剛度值，與整體建模分析法相比，存在的較小誤差。所以，利用擬合的公式進行鋼彈簧剛度的計算，有一定的借鑒意義。

6 結束語

考慮摩擦，非線性特性的單片板簧剛度，等于兩片板簧的總剛度，再減去第一片板簧的剛度；

任何一個幾何參數改變時，都可以求得鋼板彈簧的剛度；

利用擬合公式可以看出，計算的剛度值與整體建模分析法相比，存在較小誤差。

[1]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1992.

[3]陳家瑞.汽車構造[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4]鄭咸義，姚仰新.應用數值分析[M].廣州：華南理工大學出版社，2008.

[5][美]S S勞爾.工程中的有限元法[M].傅子智譯，北京：科學出版社，1991.

[6]馮國勝，楊紹普.車輛現代設計方法[M].北京：科學出版社，2006.

[7]譚繼錦.汽車有限元法[M].北京：人民交通出版社，2005.

[8]高耀東.ANSYS機械工程應用精華30例[M].北京:電子工業出版社,2001.

[9]劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應用教程-機械篇[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[10]陳樹勛.工程結構系統的分析、綜合與優化設計[M].北京：中國科學文化出版社，2008.