基于接触摩擦的变截面钢板弹簧悬架性能分析

周水庭　黄红武　付建朝　左佳　向铁明

摘要：传统钢板弹簧分析只是采用简化力学模型，而没有考虑簧片间的摩擦.为了更好地对少片变截面钢板弹簧进行设计，本文首先对少片变截面钢板弹簧悬架进行参数化建模.然后应用接触理论添加接触单元，来模拟钢板弹簧间的摩擦，进行钢板弹簧悬架的有限元计算，得到钢板弹簧悬架的装配预应力、刚度和阻尼特性的仿真值.与由传统预应力计算方法得到的结果和行业推荐值进行比较分析，证明基于接触摩擦的少片变截面钢板弹簧悬架性能分析的方法更能反映簧片实际的受力情况.

关键词：接触原理；有限元法；钢板弹簧悬架；性能

中图分类号：U463.218 文献标识码：A

通常情况下，当整车总布置的一系列参数确定之后，在少片变截面钢板弹簧悬架的设计选型中，其簧片数、长度、宽度、厚度、曲率半径、自由弧高和总成刚度等基本参数，就能随之得到.其中，各簧片及总成的曲率半径、自由弧高和总成刚度是板簧总成设计的主要参数，均由其预应力决定.因此，在少片变截面钢板弹簧悬架的设计中，簧片的预应力计算与刚度分析至关重要.

据统计，美国三大汽车公司1978年采用变截面钢板弹簧约占板簧总产量的60%.我国从20世纪80年代开始研制变截面钢板弹簧.由于在实际工况中，钢板弹簧往往同时存在着大应力和大变形，尤其是传统计算方法没有考虑片间接触摩擦等非线性因素，导致其计算精度受到严重影响，误差较大.本文考虑了片间实际存在的接触摩擦状况，对少片变截面钢板弹簧进行性能计算与分析，比传统方法更能反映钢板弹簧的实际工作情况.

1基于接触摩擦的钢板弹簧悬架性能的计算理论

文献3-8]表明：对于接触摩擦问题，一般将两个面的接触简化为由3个节点组成的接触对.基于接触摩擦的有限元方法对钢板弹簧悬架性能的计算和分析，实质上是对簧片进行虚拟装配，由于考虑了片间实际存在的接触摩擦，相比传统计算方法能更准确、真实地模拟簧片之间的非线性接触因素.

根据GB/T 19844-2005，设计弹簧特性试验台如图6所示.该装置采用滑动销轴和夹紧机构对钢板弹簧进行夹紧支承.试验中，逐级对钢板弹簧进行加载和卸载，测试钢板弹簧的静态刚度、静载弧高和空载弧高等参数.这样，通过试验就可以验证仿真与试验结果的一致性.试验结果如表3所示.

4 结论

1）簧片的预应力决定了簧片自由曲率半径和总成的自由弧高.与传统计算方法相比，基于有限元接触分析的计算方法能更全面合理地对少片变截面钢板弹簧悬架进行应力、刚度和阻尼特性分析，得到与实际更吻合的计算结果.

2）通过基于接触摩擦的有限元法计算出钢板弹簧悬架的阻尼，再配合确定减震器参数，可设计出理想的悬架系统.

3）使用基于接触摩擦的有限元方法完全可以代替传统计算方法计算悬架的性能，得到更接近实际的悬架特性.这样就可以缩短悬架总成的设计开发周期.

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