商用车斜置板簧独立悬架结构参数优化设计

刘尧+刘向+王金胜+李应涛+张博奇

摘 要：本文针对一种商用车斜置板簧独立悬架，采用ANSYS建立斜置板簧独立悬架参数化有限元分析模型，对板簧厚度、曲率等关键参数对最大应力的影响进行敏感性分析；进一步以最大应力小于800Mpa时板簧质量最小为优化目标，采用响应面优化方法得到板簧的各个关键参数。

关键词：斜置板簧独立悬架；结构参数；有限元；最大应力；优化设计

中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）03-0008-04

Structural Parameters Optimization of a Inclined Leaf Spring Independent Suspension

LIU Yao1， LIU Xiang1，2， WANG Jin-sheng1， LI Ying-tao1， ZHANG Bo-qi1

（ 1. Dongfeng commercial vehicle Technical Center，Wuhan430056；

2.Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University， Beijing100081， China ）

Abstract： This paper aims at optimizing the structural parameters of a inclined leaf spring independent suspension. The parametrical CAE model of the leaf spring was established through ANSYS. And then the sensitivity analysis of key parameters， such as thickness and curvature， on the maximum stress of leaf spring was carried out. Considering the maximum stress is no more than 800Mpa， the structural parameters were optimized based on the objective that minimizing the weight of leaf spring

Key Words： Inclined Leaf Spring Independent Suspension； Structural Parameters； Finite Element； Maximum Stress； Optimization

1 引言

目前中重型商用車前桥普遍采用钢板弹簧非独立悬架[1]，由于其左右车轮跳动相互影响[2]、板簧片间摩擦[3]和非簧载质量较大，导致整车操纵稳定性和平顺性较差。专利[4，5]中提出了一种斜置板簧独立悬架，其较传统钢板弹簧非独立悬架具有优异车轮定位能力和无片间摩擦等优点，能够大幅提升整车操纵稳定性和平顺性。

为研究斜置板簧悬架中板簧的力学特性，本文采用ANSYS建立了斜置板簧独立悬架参数化模型，对板簧进行强度分析；并通过参数敏感度分析，获得对板簧最大应力影响敏感的参数；最后通过响应面优化，以最大应力小于800Mpa时板簧质量最小为优化目标，优化得到了合适的板簧结构参数。

2 斜置板簧独立悬架建模

2.1 悬架三维建模

斜置板簧独立悬架三维模型如图1所示，其原理如图2所示。其由四片相同板簧构成，每片板簧中心面与车架存在一定夹角，故称为斜置板簧。当仅考虑板簧弯曲弹性变形时，其能够保证末端具有垂向运动自由度[6]，使得车轮在跳动过程中定位参数保持不变，从而改善轮胎的异常磨损，提升整车操纵稳定性。四片板簧无相互接触，不存在片间摩擦，使得其具有更好的动刚度特性，通过减震器阻尼匹配可以获得较好的阻尼特性，且非簧载质量显著降低，能够有效提升整车行驶平顺性。

2.2 悬架有限元建模

本文采用ANSYS建立斜置板簧独立悬架有限元分析模型。为提升有限元分析效率，首先需要对原三维模型进行适当简化。删除了螺栓、销轴以及与车架端连接构件等。

本文采用变截面板簧，其材料为52CrMnBA， 屈服强度为1125MPa，抗拉强度为1250MPa。每片板簧与车架端采用固定约束，与转向节支架采用转动副连接。网格划分后共有25860个节点、12539个单元。加载条件为在转向节支架中心面施加垂直向上的载荷30000N（轴荷约为6t），如图3所示：

3 参数敏感性分析

敏感性分析用于定性或者定量评价参数变化对板簧最大应力的影响大小，分为单参数敏感度分析和多参数敏感度分析两类。本文主要的目标是对斜置板簧进行参数优化设计，首先需要对板簧的相关参数进行敏感性分析，为后续的板簧优化工作筛选必要的参数。本文采用的是多参数敏感度分析，具体采用的是响应面法，借助ANSYS Workbench中的Response Surface模块进行计算分析。

3.1 参数设置

如图4所示，板簧的关键参数为：车架端板簧厚度D1，轮端板簧厚度D2，过渡曲率R1以及圆弧半径R2。设置板簧的最大应力为输出参数（Output Parameters）。

计算得到参数为R1=110mm、R2=500mm、D1=20mm、D2=10mm时，悬架的应力云图如图5所示。由结果可知，最大应力为978Mpa，其出现在下侧板簧靠近车架固定端。

3.2 敏感性分析结果

计算得到的各个参数与板簧最大应力敏感性结果如图6和7所示。由结果可知，敏感度排序分别为D1>R1>D2>R2，因此厚度D1对板簧最大应力影响最大。定义敏感度小于1%的为可忽略参数，介于1%到10%的参数为次要参数，大于10%的为主要参数，得到以下结论：

（1）R1、R2和D2為次要参数，敏感度分别为6.8%、4.4%和4.5%，该参数对板簧应力的影响较小，需在优化设计时考虑此参数；

（2）D1为主要参数，敏感度为35%，该参数对板簧应力的影响大，优化设计时需着重考虑此参数；

（3）板簧两端的厚度对板簧应力的影响不同，验证了采用变截面板簧的正确性。

4 结构参数优化

根据敏感度分析中所得到相关结论，借助ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization 模块进行优化设计，设定优化的目标为板簧最大应力小于800MPa时板簧质量最小，即其中mspring 表示单片板簧质量，σmax表示悬架中板簧最大应力。

经过优化计算得到结果如表1所示，经过圆整板簧靠近车架端与靠近轮端的两端圆弧半径分别为120mm、550mm，板簧车架端与轮端的板簧厚度分别为22mm、11mm，此时板簧的最大应力值为768.29Mpa，单片板簧质量为6.61kg，板簧安全系数为1.627。

根据优化圆整后的数值进行设计，加工装配后的悬架总成如图8所示。

5 总结

本文以斜置板簧为主要研究对象，采用ANSYS软件对研究对象进行了参数化建模，在进行参数敏感度分析基础上实现了参数优化，具体成果如下：

采用ANSYS软件进行板簧的参数化建模，并且通过响应面法，对斜置板簧悬架总成垂向受力时，各参数对板簧最大应力进行敏感性分析，结果表明变截面板簧末端厚度D1对最大应力影响最大；

基于敏感性分析结果，以板簧最大应力小于800Mpa时质量最小为优化目标，优化得到板簧结构参数分别为D1=22mm，D2=11mm，R1=120mm， R2=550mm。

参考文献：

[1]陈家瑞. 汽车构造（第3版）[M]. 北京： 机械工业出版社， 2009.

[2]刘惟信. 汽车设计[M]. 北京：清华大学出版社， 2001.

[3]叶南海， 王利， 闫彩伟， 侯飞， 马建. 不同摩擦系数的少片变截面钢板弹簧性能分析[J]. 湖南大学学报： 自然科学版， 2015， 8：29-33.

[4]赵景山， 刘向， 侯帅松. 一种采用半独立斜置板簧的汽车双前桥结构[P].申请号： CN201510330386.7，公开（公布）号： CN104890463A，公开（公告）日2015.09.09.

[5]赵景山， 刘向侯帅松. 一种采用斜置板簧的半独立悬架[P]. 申请号： CN201510330387.1，公开（公告）号： CN104890464A，公开（公告）日：2015.09.09.

[6]Jingshan Zhao， Jianyi Wang， Fulei Chu， Jian S Dai. Independent suspension of invariable alignment parameters by using flexible links with anisotropic elasticity[J]. Journal of Mechanisms and Robotics， 6： 041002-1～8， 2014.