钢板弹簧施加载荷分析研究

王宁 李光 李敏

摘要：本文通过建立标准化钢板弹簧的仿真模型，并通过三维设计软件分析和應用，仿真模拟荷载的钢板弹簧相关的力学模型，从而建立新的数据模型。在满足汽车钢板弹簧应力条件的要求下，使钢板弹簧的质量尽可能地减少，从而来达到轻量化设计的目的。减少了油耗的同时还可以降低其生产成本，并且降低了车辆的重量还可以有效地减少汽车尾气污染物的排放。

关键词：仿真;模拟;分析

我国的汽车行业现在发展迅速，各种技术、研究都在不断地创新。中国拥有很大的汽车市场，并且汽车行业发展迅速，这就会必然推进汽车零部件相关行业的发展。例如在车辆钢板弹簧这一方面的应用，所以提高钢板弹簧的轻量化性能就会有利于提高我国汽车市场的竞争力。

1.钢板弹簧施加载荷

（1）样本汽车基本数据

表1.1表示样本车辆基本参数所示。汽车的整车重量为3.45t，满载总质量为6.122t。假设汽车满载之后的总质量为6.122t。依照此数据用HyperWorks软件开始进行第一步满载的情况下的仿真分析。

（2）承受的力的计算

假设汽车满载总质量为6.122t，即分担到每个车轮承载为1.53t，也就是每个车轮的钢板弹簧的承载量为1.53t，钢板弹簧有两处卷耳，把数值带入公式（1）计算，即每个钢板弹簧的每个卷耳出分担765.25kg的重量。一处钢板弹簧卷耳承受的力为7500N。此时车轮满载承受载荷前轮应比后轮小，此处没有明确这么清晰，但按照平均分配载荷原理，可以使验证更加充分[1]。

G=mg（g取9.8m/s^2） （1）

G=mg=765.25×9.8=7500N

汽车钢板弹簧卷耳处承载力从边缘处向下，也就是包括了卷耳圆的四分之一处，共112个节点。如图1卷耳受力节点所示。

（3）每个节点力的计算

钢板弹簧卷耳处受总力为7500N。经计算得知，钢板弹簧卷耳每处节点受力大小为66.96N，钢板弹簧卷耳处节点的受力方向向下，所以应施加-66.96N的力，共施加7500N的力。

2.钢板弹簧模型仿真

（1）建立组合工况

Load Steps中的工况1，下拉列表中，SPC选择spc，LOAD选择li，建立工况所示，这样才能完全建立组合工况，才可以得出最后的仿真结果。

（2）钢板弹簧的仿真之位移

钢板弹簧满载位移仿真分析所示，给钢板弹簧卷耳施加了7500N的力之后，钢板弹簧会向下移动3.19mm左右。波动最大的地方在于钢板弹簧两边的卷耳处，因为卷耳处是直接接触到的受力点，所以此处波动的位移会比较大。

用HyperWorks仿真钢板弹簧的结果为190.4MPa，钢板弹簧满载应力仿真分析所示。本文钢板弹簧使用的材料为55CrMnA，应力的安全范围大约为屈服强度的80%左右，即为760MPa。应力的分析结果钢板弹簧的应力比材料的屈服强度小，符合实际情况。

3.钢板弹簧的冲击载荷

钢板弹簧在满载行驶时会受到路面不平处的冲击载荷。当汽车行驶在乡村不平路面时，车的车轮会压到石头或者遇到凸起路面，这个时候轮胎会有上跳极限。上跳极限就是指车辆在运行过程中，汽车的钢板弹簧所能承受的最大载荷[2]。

当车辆前轮压到石头或者凸起路面，前轮的钢板弹簧受力增大，此时假设车辆所有的重量都集中到了前轮，两前轮会比满载时多承载百分之五十多的力。这个时候一个前钢板弹簧的受力为22500N，一个卷耳的受力为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）钢板弹簧满载冲击仿真之位移

当车辆钢板弹簧满载受到极限载荷的情况下，会向下移动4.786mm。如图10钢板弹簧满载冲击载荷位移分析所示。

（2）钢板弹簧满载冲击仿真之应力

钢板弹簧满载冲击载荷应力分析所示。钢板弹簧满载受到冲击的仿真结果显示钢板弹簧的应力为285.6MPa。本文钢板弹簧使用的材料为55CrMnA，应力的安全范围大约为屈服强度的80%左右，即为760MPa。应力的分析结果钢板弹簧的应力比材料的屈服强度小，符合实际情况。

4.结论

文章主要针对汽车的钢板弹簧进行轻量化的仿真分析，在进行仿真分析的过程中，需要用到CREO、HyperWorks等软件。先用CREO软件按照正确的尺寸画出钢板弹簧，然后再用HyperWorks软件对其进行应力仿真分析，HyperWorks软件只有在应力结果符合材料的屈服强度之后才能对其进行轻量化设计。

用HyperWorks软件分析出原车钢板弹簧的应力情况是否符合正常工作要求。在分析过程期间要注意其约束条件，比如力的要求、约束要求、工况的情况等，并且要考虑到汽车在满载时受到上跳极限状况时钢板弹簧的应力承受情况，是否能够承受最大载荷状况，在给予正确的工况的时候才能分析出正确的结论。在结果符合正常工作要求的情况下，再对其进行轻量化设计。

参考文献：

[1]李晓《汽车底盘构造与维修》 北京：人民邮电出版社，2010.04

[2] 邢春夏，邵定文《汽车结构与拆装》北京：人民交通出版社，2013.06

[3] 李晓《汽车底盘构造与维修》 北京：人民邮电出版社，2010.04

（作者简介：王宁1998.06，山东交通学院本科学生，指导老师：李光、李敏）