兩極剛度少片鋼板彈簧在重型汽車上的應用及設計

楊銀輝，馬生平，張偉，任娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

兩極剛度少片鋼板彈簧在重型汽車上的應用及設計

楊銀輝，馬生平，張偉，任娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

以某公司6×2牽引車后板簧的設計開發為平臺，從主副簧剛度選擇、少片簧截面的理論分析、匹配計算、模擬應力分析和臺架試驗等方面，闡述了主副結構少片鋼板彈簧的設計過程。理論剛度值與臺架試驗誤差值僅為1%，符合工程需要；鋼板彈簧應力分布趨勢與理論計算曲線相符，MATLAB模擬分析結果顯示，主副簧根部應力較大，在理論要求范圍之內；經過臺架疲勞壽命試驗和用戶市場驗證，主副結構的4+3少片簧滿足設計使用要求，采用主副簧結構的少片鋼板彈簧，降低了整車重量和成本，可靠性高，經濟效益明顯。

兩極剛度；少片簧；應力分析；MATLAB；疲勞試驗

CLC NO.:U462.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-44-04

引言

一般載貨車的后懸架由于空、滿載負荷相差較大，采用非線性兩級剛度復式的鋼板彈簧，以便獲得較好的等頻性。同時在空滿載狀態下，固有頻率變化盡量小，并要求主副簧滿足靜強度和疲勞壽命要求。但是傳統的板簧均以多片簧為主，近年來由于整車輕量化的發展要求，少片簧作為整車降重的關鍵途徑，應用越來越廣泛，該類板簧可以通過對簧片進行特殊工藝處理, 提高簧片設計應力,減輕重量約30%-40%，且簧片應力分布均勻, 接近等應力梁,材料利用充分;還能大大減少片間摩擦, 減輕簧片磨損, 提高板簧壽命, 降低板簧動剛度, 從而改善車輛乘坐舒適性。

1、設計理論

1.1 主副簧剛度的選擇

主副簧剛度是從平順性角度選擇，平順性好要求固有頻

率變化小，一是整個負荷變化范圍內頻率的變化應最小，二是副鋼板彈簧接觸支架前、后的頻率突變不能太大。常用的方法有比例中項法和平均負荷法，下面詳細介紹這兩種方法的差異。

1.1.1 比例中項法

這種方法是假設彈簧滿載時頻率與副簧支架接觸前的頻率相等，而空載時頻率與副簧支架接觸后的頻率相等，即

1.1.2 平均負荷法

這種方法是假設副簧與支架剛度接觸時負荷為板簧空、滿載的平均值，并假設空載狀態下負荷和副簧剛接觸支架時負荷Pk的平均負荷所對應的懸架頻率與滿載負荷Pm和副簧剛接觸支架時的負荷Pk的平均負荷所對應的懸架頻率相等，即：

用第一種方法可使空、滿載范圍內懸架系統振動頻率變化不大，但副簧接觸托架前、后的頻率突變較大，對于運輸部門使用的貨車，因其半載運輸狀態少，所以采用此法計算效果好。為了減少副簧接觸支架前、后的頻率突變，可使副簧與前、后托架錯開接觸，但會使副簧前后段應力略有差別。用第二種方法確定的副簧接觸載荷，會使副簧接觸托架前、后的頻率突變小些，但卻使全部載荷變化范圍內的頻率差變化大。因此，對于經常處于半載狀態運輸或λ值較小的車輛，采用此法較為合適。

1.2 少片簧截面的選擇

變截面板簧設計要做到等應力，厚度沿片長的分布應該呈拋物線關系，實際上由于板簧結構的原因。我們不可能把板簧設計成完全拋物線形狀，變截面板簧的常見截面分布的輪廓線型式通常簡化為4種，如圖1所示。從理論上講，把變截面設計成拋物線形式，材料利用率最高的一種結構，似乎最為理想，但從疲勞損傷機理來分析，卻很不合理。一般材料疲勞損傷、斷裂都是從表面缺陷引發的，而由于材質或工藝上的原因，材料表面總有缺陷存在。如軋制時由于軋輥維護不良在板簧軋制表面形成壓痕以及氧化皮殘留形成凹坑，很容易產生應力集中而形成疲勞源。如果結構上高應力區所占的比例大，缺陷處在高應力點的概率就高，因此該結構就會出現早期損壞，即壽命降低。相反，如果高應力區所占比例小，缺陷碰到高應力點的概率就低得多，該結構的壽命就會高得多。所以少片變截面板簧的輪廓線的選擇，取決于兩個因素：

（1）最大應力處在什么部位。如果最大應力位于根部（根部不加厚、加軟墊或夾緊裝置不是很強），那么軋錐部分可選用拋物線形，以獲得較好的材料利用率，且可降低剛度。這種選擇多數用在轎車或輕型車的懸架上。相反，大中型客車或貨車，往往根部要加厚，最大應力點不在根部，而是在軋錐段。這時選用梯形輪廓較合適，使最大應力局限在極值點的小區域，碰上缺陷的概率較低，使壽命提高。

（2）彈簧材料和軋制工藝的優劣。優質的材料和軋制工藝，使表面缺陷減少或減輕，也就可以選取拋物線形，讓較多材料承受較高應力，以減輕重量。反之，材質與工藝較差者，宜選用梯形輪廓線。

根據以上分析，本文中板簧截面采用梯形截面，截面設計方案為:主簧第1片按照圖1所列中的1型設計，主簧其他片及副簧均按照圖1所列中的3型設計。

2、設計計算

現以某公司重型6×2牽引車后懸架為例，采用比例中項法對后鋼板彈簧進行了設計分析，其板簧設計參數輸入如表1所示。根據整車平順性要求，期望該車的滿載固有頻率取值為：

2.1 求總剛度

2.2 按比例中項法求剛度分配及接觸點撓度

根據和比關系，求得

2.3 按實際規格尺寸及應力規范修正設計參數

根據懸架系統布置，鋼板彈簧的規格及設計參數為：

極限動行程系數取d=3，則極限動行程為：

橡膠限位塊高度37mm，壓縮量為1/2，極限動行程計算值應取為：

式中：fD為計算的動行程加上限位塊的變形量。

修正后的副簧接觸點撓度為：

2.4 主、副簧負荷分配和應力核算

由以上計算分析結果可見，主副簧滿載及極限應力均在允許范圍內。

2.5 確定總成弧高和支架位置

式中：H1-滿載時主簧弧高（不計卷耳）

H2-滿載時副簧弧高

D1-主、副簧支架間的距離

D2-主、副簧第一片葉片間的距離

根據已知H1=30mm，D1=105.5mm，D2=74mm，得出H2=61.5mm，其中H1、H2均為板簧自由狀態時的滿載弧高，在板簧樣件試制完成后可再進行修正。

3、應力分析

在MATLAB中按照3型板簧截面編程，進行了模擬驗證分析，主簧和副簧根部應力最大，最大值分比為522.7Mpa、328.1Mpa，分析結果如圖3、圖4所示。模擬分析結果與計算結果基本一致，結合板簧理論分析及供應商建議最終確定板簧的設計參數如表2。

表2 板簧設計參數

4、試驗驗證分析

4.1 靜態剛度試驗

在設計完成后，制作了2架樣件，按照GB/T19844-2005中的要求進行了靜態剛度試驗，試驗結果如圖5，結果誤差1%以內，在設計要求公差以內。

4.2 疲勞試驗

靜態剛度試驗完成并合格后進行了疲勞試驗，按照企業標準，板簧壽命需大于12萬次，試驗到14.5萬次時，副簧第三片距離中心螺栓400mm處斷裂，但是疲勞壽命大于企業標準要求，疲勞強度滿足設計要求，臺架試驗情況如圖6所示。

5、結束語

根據平順性要求，確定了兩極剛度主副少片變截面鋼板彈簧的剛度和截面形狀，結合某公司6×2牽引車后懸架進行了設計計算，完成了鋼板彈簧剛度及弧高設計，在MATLAB環境下進行了應力分析，最后進行了靜態剛度和疲勞試驗，通過對模擬分析和臺架試驗分析表明，采用比例中項法設計的主副少片變截面鋼板彈簧，能夠實現理論計算與臺架試驗的一致性。目前，匹配4+3后板簧的6×2牽引車已批量投放市場，市場反饋效果良好，經濟效益也很顯著。

[1] 章炳芳.雙級復式鋼板彈簧的設計計算[J].河海大學機械學院學報，1996（4）49～54.

[2] 蔣立盛.少片彈簧的計算及其尺寸參數的選擇[J].汽車技術，1984(6)．

[3] 陳耀明.汽車懸架論文集.蘇州大學出版社[D],2012.

[4] 周站福，高鐵石，郭萬富，巨建輝.少片鋼板彈簧在實際應用中的開發與設計[J].汽車技術，2009（9）43～47.

Application and design of the two-stage stiffness of the little leaf spring in the heavy truck

Yang Yinhui, Ma Shengping, Zhang Wei,Ren Na
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shanxi Xi’an 710200）

taking a company 6 x 2tractor design spring as a platform ,from the choice of main spring stiffness ,less leaf spring section of theoretical analysis ,matching calculation, simulation, stress analysis and bench test etc, this paper expounds the main structure and little pieces of the design process of the leaf spring.Theory of stiffness value and bench test is only 1%, conform to the engineering need; Leaf spring stress distribution trend is consistent with theoretical calculation curve, MATLAB simulation results show that the principal deputy reed root stress is larger, the theory of requirement scope; After bench fatigue life test and verify user market, main structure and less 4+3 leaf spring meets the design requirement, adopt the structure of the main spring and little pieces of leaf spring, to reduce the weight of the vehicle and cost, high reliability, economic benefit is obvious.

Two-stage stiffness; little leaf spring; stress analysis; MATLAB; fatigue test

U462.3

A

1671-7988(2014)11-44-04

楊銀輝，碩士研究生，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事商用車底盤懸架系統設計。