鋼板彈簧施加載荷分析研究

王寧 李光 李敏

摘要：本文通過建立標準化鋼板彈簧的仿真模型，并通過三維設計軟件分析和應用，仿真模擬荷載的鋼板彈簧相關的力學模型，從而建立新的數據模型。在滿足汽車鋼板彈簧應力條件的要求下，使鋼板彈簧的質量盡可能地減少，從而來達到輕量化設計的目的。減少了油耗的同時還可以降低其生產成本，并且降低了車輛的重量還可以有效地減少汽車尾氣污染物的排放。

關鍵詞：仿真;模擬;分析

我國的汽車行業現在發展迅速，各種技術、研究都在不斷地創新。中國擁有很大的汽車市場，并且汽車行業發展迅速，這就會必然推進汽車零部件相關行業的發展。例如在車輛鋼板彈簧這一方面的應用，所以提高鋼板彈簧的輕量化性能就會有利于提高我國汽車市場的競爭力。

1.鋼板彈簧施加載荷

（1）樣本汽車基本數據

表1.1表示樣本車輛基本參數所示。汽車的整車重量為3.45t，滿載總質量為6.122t。假設汽車滿載之后的總質量為6.122t。依照此數據用HyperWorks軟件開始進行第一步滿載的情況下的仿真分析。

（2）承受的力的計算

假設汽車滿載總質量為6.122t，即分擔到每個車輪承載為1.53t，也就是每個車輪的鋼板彈簧的承載量為1.53t，鋼板彈簧有兩處卷耳，把數值帶入公式（1）計算，即每個鋼板彈簧的每個卷耳出分擔765.25kg的重量。一處鋼板彈簧卷耳承受的力為7500N。此時車輪滿載承受載荷前輪應比后輪小，此處沒有明確這么清晰，但按照平均分配載荷原理，可以使驗證更加充分[1]。

G=mg（g取9.8m/s^2） （1）

G=mg=765.25×9.8=7500N

汽車鋼板彈簧卷耳處承載力從邊緣處向下，也就是包括了卷耳圓的四分之一處，共112個節點。如圖1卷耳受力節點所示。

（3）每個節點力的計算

鋼板彈簧卷耳處受總力為7500N。經計算得知，鋼板彈簧卷耳每處節點受力大小為66.96N，鋼板彈簧卷耳處節點的受力方向向下，所以應施加-66.96N的力，共施加7500N的力。

2.鋼板彈簧模型仿真

（1）建立組合工況

Load Steps中的工況1，下拉列表中，SPC選擇spc，LOAD選擇li，建立工況所示，這樣才能完全建立組合工況，才可以得出最后的仿真結果。

（2）鋼板彈簧的仿真之位移

鋼板彈簧滿載位移仿真分析所示，給鋼板彈簧卷耳施加了7500N的力之后，鋼板彈簧會向下移動3.19mm左右。波動最大的地方在于鋼板彈簧兩邊的卷耳處，因為卷耳處是直接接觸到的受力點，所以此處波動的位移會比較大。

用HyperWorks仿真鋼板彈簧的結果為190.4MPa，鋼板彈簧滿載應力仿真分析所示。本文鋼板彈簧使用的材料為55CrMnA，應力的安全范圍大約為屈服強度的80%左右，即為760MPa。應力的分析結果鋼板彈簧的應力比材料的屈服強度小，符合實際情況。

3.鋼板彈簧的沖擊載荷

鋼板彈簧在滿載行駛時會受到路面不平處的沖擊載荷。當汽車行駛在鄉村不平路面時，車的車輪會壓到石頭或者遇到凸起路面，這個時候輪胎會有上跳極限。上跳極限就是指車輛在運行過程中，汽車的鋼板彈簧所能承受的最大載荷[2]。

當車輛前輪壓到石頭或者凸起路面，前輪的鋼板彈簧受力增大，此時假設車輛所有的重量都集中到了前輪，兩前輪會比滿載時多承載百分之五十多的力。這個時候一個前鋼板彈簧的受力為22500N，一個卷耳的受力為11250N。

F=（M+M×50.06%）×g（g取9.8m/s^2）

F=（M+M×50.06%）×g=（1530+1530×50.06%）×9.8=22500N

（1）鋼板彈簧滿載沖擊仿真之位移

當車輛鋼板彈簧滿載受到極限載荷的情況下，會向下移動4.786mm。如圖10鋼板彈簧滿載沖擊載荷位移分析所示。

（2）鋼板彈簧滿載沖擊仿真之應力

鋼板彈簧滿載沖擊載荷應力分析所示。鋼板彈簧滿載受到沖擊的仿真結果顯示鋼板彈簧的應力為285.6MPa。本文鋼板彈簧使用的材料為55CrMnA，應力的安全范圍大約為屈服強度的80%左右，即為760MPa。應力的分析結果鋼板彈簧的應力比材料的屈服強度小，符合實際情況。

4.結論

文章主要針對汽車的鋼板彈簧進行輕量化的仿真分析，在進行仿真分析的過程中，需要用到CREO、HyperWorks等軟件。先用CREO軟件按照正確的尺寸畫出鋼板彈簧，然后再用HyperWorks軟件對其進行應力仿真分析，HyperWorks軟件只有在應力結果符合材料的屈服強度之后才能對其進行輕量化設計。

用HyperWorks軟件分析出原車鋼板彈簧的應力情況是否符合正常工作要求。在分析過程期間要注意其約束條件，比如力的要求、約束要求、工況的情況等，并且要考慮到汽車在滿載時受到上跳極限狀況時鋼板彈簧的應力承受情況，是否能夠承受最大載荷狀況，在給予正確的工況的時候才能分析出正確的結論。在結果符合正常工作要求的情況下，再對其進行輕量化設計。

參考文獻：

[1]李曉《汽車底盤構造與維修》 北京：人民郵電出版社，2010.04

[2] 邢春夏，邵定文《汽車結構與拆裝》北京：人民交通出版社，2013.06

[3] 李曉《汽車底盤構造與維修》 北京：人民郵電出版社，2010.04

（作者簡介：王寧1998.06，山東交通學院本科學生，指導老師：李光、李敏）