浅析变截面少片簧计算

浅析变截面少片簧计算汤玉平李细平江照亮（三一重工股份有限公司邮编410010）摘要：少片簧具备很多优点，质量轻，摩擦小噪音低，同时还能改善车轮和路面的附着性能等。所以在汽车领域少片簧的应用已经越来越广泛。但是少片簧如果设计不当，也很容易出现致命的故障。所以少片簧的设计计算尤为重要。关键词：汽车少片簧优点计算引言：要想变截面少片簧在各截面处的应力相等，断面形式从理论上来讲，板簧各点厚度沿长度方向必须做成抛物线型式。这种抛物线型式板簧是理想的等强度梁，板簧各点应力分布最合理。材料利用率很高。但由于抛物线型式板簧根部不便装夹，端部不便卷耳，图1所示实际中不能使用。图1抛物线形叶片板簧抛物线板簧基于上缺点，所以一般在抛物线板簧的基础加以改进，在根部做成等厚平直段，考虑到端部承受剪切力、端部卷耳及其加工性，不但卷耳片做成等厚平直段，而且其他簧片也作成等厚平直段，如图2所示。图2改进后的抛物线形叶片板簧经改进后，虽根部和端部得到了加强，但整个抛物线段都是高应力危险区，对材料和加工缺陷敏感性大，所以实际上目前使用的最普遍的是锥形段均采用同抛物线相切的直线形来代替抛物线形。同时为了降低中心孔部位的应力和提高端部卷耳的强度，一般都采用如图3所示断面的板簧。图3根部和端部同时加强的变截面板簧为了适合长跨度产品的需要，可采用图4所示断面的板簧图4长跨度加强型变截面板簧1、少片簧的计算1.1已经条件在进行钢板弹簧计算之前，应当知道下列初始条件，轴（桥）负荷G1、簧下部分荷重G2、U型螺栓距、板簧宽度、板簧跨度、板簧材料等。1.2少片簧厚度的计算本文将从等应力梁的角度，对少片簧的计算做初步的探讨。图4所示变截面簧，根部满足安装应做成等厚平直段，同时满足U形螺栓夹紧处的工作应力c（c[]）。则其厚度为h223(2)icplShb…………………………………（1）式中：Pi——板簧端部载荷l——板簧伸直长度之半B——板簧宽度S——U形螺栓中心距板簧端部为了主片承载也需要做成等厚平直段，板簧连接处应做成圆角过渡。其端部厚度h1：2111243xxxFFbFDhb…………………………………（2）式中：xF——沿板簧纵向作用在卷耳中心线上的力1——卷耳处所受的合成应力1[]D——卷耳内径其余部分充分利用材料的原则，其厚度变化规律满足：()22()2xlxhhls（2S《x《l)………………………………（3）1.3少片簧刚度的计算如图4所示，刚度计算如下：1234562nEcaaaaaa…………………………（4）其中式中：311314labt222221111112111122322221122()3212[ln]22tAltAltAlAlttAltabAtttt33332324()allbt322222323232322334322233222()3212[ln]22tBltBltAlBlttBltabBtttt'2'22''222'4343443445'322443422()3212[ln]22SStCltCltClClttCltabCtttt33665344()allbt2121ttAll3243ttBll'4354ttCll1.4少片簧其他参数的计算静挠度cSQfC偏频15.76cnf，对载重汽车推荐取1.5～2.2Hz2、少片簧的计算分析软件：前处理：HyperMesh；计算：Abaqus(Standard)；后处理：HyperView下面以一个实例根据上述的计算公式设计一个板簧，并通过CAE进行分析验证：已知板簧参数：板簧的材料50CrVA；板簧单边簧上载荷已知23200N；板簧宽度前簧75mm；板簧片数4片；U型螺栓距前簧108mm；板簧跨度1400mm；计算所需的车桥力矩为25338N.m(最大力抱死的情况下)计算得出2h=18mm，1h=13mm，C=345N/mm，静挠度cf=67.2mm，偏颇n=1.92Hz。2.1建立三维模型2.2约束加载2.3CAE分析数据得出在Step1（F=26342N)下，弹簧变形位移图在Step1（F=26342N)下，弹簧应力图在Step2（F=65856N)下，弹簧变形位移图在Step2（F=65856N)下，弹簧应力图）2.4结论：1.板簧在一倍静载下，最大应力409Mpa；在2.5倍静载下最大应力959Mpa;板簧材料为50CrVA,屈服强度为1260MPa，许用应力为1000MPa。由分析知，板簧应力低于许用屈服应力。2.该分析未考虑刹车工况，按经验来讲，刹车工况应力要小于2.5倍动载荷工况应力。经过CAE验证，通过上述计算公式设计的板簧符合使用要求。3.参考文献1.《变截面钢板弹簧的设计计算》汽车工程1995；2.《车用少片变截面弹簧的刚度计算》北京汽车1994；3.《少片变截面弹簧》二汽技术中心底盘设计二室