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商用车板簧有限元分析

2018-04-18 10:07:58

作者:姜若凡

信息来源:网络

摘要:商用车钢板弹簧影响着汽车的平顺性、稳定性,是汽车的关键减振元件。前后板簧工作过程中承受车身自重及载重,因此其刚度强度性能对汽车的安全性能具有重要影响。

0 前言

商用车钢板弹簧影响着汽车的平顺性、稳定性,是汽车的关键减振元件。前后板簧工作过程中承受车身自重及载重,因此其刚度强度性能对汽车的安全性能具有重要影响。

现今常用的钢板弹簧有三种形式:普通等厚度、少片变截面和变刚度钢板弹簧。对于多片钢板弹簧,各簧片长宽高、曲率以及相互之间的接触关系对板簧的刚度及应力分布都有很大影响,对理论计算造成很大的麻烦,因此将板簧通过有限元方式再现,同时考虑几何非线性、接触非线性等因素,是描述板簧性能比较有效、精确的方式。

 

1 板簧有限元模型

对某中型卡车钢板弹簧(平直状态)、板簧安装支架及局部车桥模型进行离散,建立其有限元模型如图1所示。

本次模型全采用实体单元类型建模,板簧厚度方向分布了三层及以上网格,单元数为114930,单元类型包括C3D8I、C3D6(板簧)及C3D10(板簧安装支架);板簧吊耳与安装支架连接处的螺栓采用BAR2单元模拟,并在螺栓端部通过零长度的HINGE单元释放螺栓轴向转动自由副,建立各簧片间的接触关系,同时考虑各簧片间的摩擦系数(本文中摩擦系数为0.15)。板簧材料为51CrV4,其材料性能见表1。

车1.png

 

 

2 边界条件及加载

本次模型的边界条件及载荷采用与实际等效原则。

在商用车结构中,安装在车桥上的轮胎与地面接触,板簧安装支架与车架纵梁通过螺栓连接,由车架向板簧传递车身重量及载货重量。将其等效为约束板簧安装支架安装点处,在车桥处加载,同时在板簧连接螺栓以及与车桥连接的u型螺栓处施加预紧力。载质量加载点位于车桥处,本次分析只考虑冲击工况,即加载单边前轴荷(前轴荷为6097Kg)的Z向2g加速度,具体加载情况见图2。

车2.png

图2 钢板弹簧的边界条件与加载


3 分析结果

3.1 刚度分析结果

本次刚度分析输出了力与位移曲线,见图3。力与位移的比值即表示刚度值,由此可得刚度曲线见图4。

车3.png

 

刚度为材料的物理性能,应为一常值。由于本次分析中钢板弹簧是由多片簧片组成的系统,且采用了几何非线性,同时加载时板簧的各簧片接触状态引起板簧刚度变化,所以呈现一变刚度的曲线。从图4中可看出,加载点位移从51mm?92腿变化过程中刚度值趋于平缓,当位移是92mm时,其刚度值为325N/mm。

3.2 强度分析结果

各簧片所受的最大应力如表2所示(簧片从上到下依次标注为簧片1?7):

应力云图见图5至图11:

由以上应力云图可知:

(1)长度方向上各簧片应力从U型螺栓连接处往两边呈减小趋势;

(2)厚度方向上各簧片应力两端面大,中间小;

(3)簧片1至簧片3的最大应力都集中在U型螺栓连结区域,符合板簧应力分析;

(4)簧片1至簧片6的最大应力呈增大趋势,簧片6的最大应力最大;

(5)簧片6应力超过屈服极限,屈服区域较小。由于其集中区域较为明显,过渡较急,为优先破坏位置,此处板簧片需进行改进优化。

车4.png

车5.png

 

4 结论

(1)对于钢板弹簧系统,由于多片簧通过u型螺栓连结,动态过程中接触关系复杂,导致系统的刚度值不容易得出,计算出的结果具有较大的偏差,需与试验进行比对,并进行规范;

(2)通过几何非线性,定义簧片间接触能较为准确的模拟钢板弹簧的运动状态,并找出应力集中区域,为设计工程师提供较好的设计思路。

(3)不同类型的钢板弹簧其分析过程大不相同,笔者认为在分析时均需尽量符合实际,并辅以试验,方能建立比较完善准备的分析流程,通过有限元分析,能准确地判断薄弱区域并提出改进思路。

 

 

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