鋼板彈簧輕量化設計

王寧 李光 李敏

摘要：本文采用HyperWorks軟件對鋼板彈簧進行應力要求分析，核準是否符合彈簧鋼應力工作要求，在滿足工作荷載情況下，分析設計鋼板彈簧輕量化所采用的方法，合理地設計使鋼板彈簧在不違背應力強度的條件下合理地設計出輕量化后的鋼板彈簧。

關鍵詞：鋼板;彈簧;輕量化

1、鋼板彈簧的優化

對鋼板彈簧進行輕量化設計。進行輕量化設計之前，要先清楚原汽車的鋼板彈簧的具體重量。賦予原鋼板彈簧材料、厚度，用HyperWorks軟件分析出其重量，如圖1原鋼板彈簧重量所示。先用軟件HyperWorks分析出原鋼板彈簧的重量為38.13kg，然后進行下一步輕量化設計操作。

在原鋼板彈簧符合實際工作情況的基礎上進行輕量化設計。輕量化設計當然是希望零件越輕越好，但是也要符合材料的各種應力要求，所以本小節采用的方法是在原來七片的基礎上去除五片，優化成只有兩片的鋼板彈簧[1]。

雖然鋼板彈簧只剩下兩片，但是兩片鋼板彈簧的約束、載荷等所有基本工作情況如七片的鋼板彈簧相同，因為要保證輕量化后的鋼板彈簧也可以正常使用，鋼板彈簧的片數減少了，就要增加其厚度來保證它可以正常工作[2]。只是需要兩片的鋼板彈簧在原來厚度的基礎上，增加一些厚度，來保證其工作能力基本不變。

用Hypemesh軟件把鋼板彈簧在原來的基礎上增加厚度，然后仿真分析其應力是否在所屬范圍內，即是否符合鋼板彈簧材料的應力要求。在分析結果符合要求的前提下，盡可能地縮減鋼板彈簧的重量，來達到鋼板彈簧輕量化的目的要求。

設計就是在原來鋼板彈簧厚度的基礎上，把每片鋼板彈簧厚度增加到25mm，如圖2輕量化鋼板彈簧厚度所示。

賦予了輕量化后鋼板彈簧新的厚度，其約束條件不變，就可以對其進行仿真分析，先對輕量化后的鋼板彈簧進行滿載時的分析，看其結果是否符合鋼板彈簧材料的應力要求。同樣給兩片的鋼板彈簧施加66.96N的y軸負向的力，輕量化鋼板彈簧滿載受力所示，然后進行仿真分析。

輕量化后鋼板彈簧位移分析所示，輕量化后的鋼板彈簧在力、約束等條件不變的情況下會向下波動10.55mm。位移主要波動地方還是集中在兩卷耳處，此處為直接受力接觸點。

應力的仿真結果為380.5Mpa，輕量化后鋼板彈簧應力分析所示。本文鋼板彈簧使用的材料為55CrMnA，其屈服強度為950MPa，抗拉強度極限為1225MPa[3]，應力的安全范圍大約為屈服強度的80%左右，即為760MPa。應力的分析結果鋼板彈簧的應力比材料的屈服強度小，符合實際情況，輕量化后的鋼板彈簧可以正常工作使用。這是滿載時的仿真分析，還要考慮輕量化后鋼板彈簧在路上遇到沖擊載荷的情況，再進行分析。

2、輕量化后鋼板彈簧的沖擊載荷分析

輕量化后的鋼板彈簧在滿載時符合材料的應力要求，但是也要分析輕量化后的鋼板彈簧是否能夠承受住最大沖擊載荷，這是輕量化的關鍵一步[3]，本小節就為輕量化后的鋼板彈簧進行滿載時沖擊載荷的仿真分析。

輕量化后滿載時受到沖擊載荷兩耳的受力需和前部分輕量化前汽車在上跳極限時承受的最大載荷相同，即與輕量化之前的鋼板彈簧滿載受到的沖擊載荷受力相同，沖擊載荷施加的大小輕量化后鋼板彈簧沖擊載荷所示。輕量化后鋼板彈簧滿載沖擊載荷位移分析所示，輕量化后的鋼板彈簧在承受到最大載荷時，鋼板彈簧會向下波動15.83mm，同樣也是兩卷耳處的位移波動最大，再進行應力的分析。

3、輕量化后鋼板彈簧滿載沖擊仿真之應力

輕量化后鋼板彈簧滿載沖擊載荷應力分析所示，鋼板彈簧承受最大載荷的應力為570.8MPa。本文鋼板彈簧使用的材料為55CrMnA，其屈服強度為950MPa，抗拉強度極限為1225MPa。應力的安全范圍大約為屈服強度的80%左右，即為760MPa。仿真結果比材料的屈服強度小，符合實際情況，輕量化后的鋼板彈簧可以正常工作使用。已經完成鋼板彈簧輕量化的設計，數據結果分析都符合實際情況，即可作出兩片的鋼板彈簧，也就是輕量化之后的鋼板彈簧。輕量化后的鋼板彈簧所示，即輕量化后的鋼板彈簧，符合汽車的實際工作情況，并且也可以保證鋼板彈簧的正常工作。

用HyperWorks軟件計算出輕量化后的鋼板彈簧的質量為29.47kg，輕量化鋼板彈簧重量所示。原鋼板彈簧的質量為38.13kg，在保證了鋼板彈簧各種工作性能穩定、正常的情況下，對鋼板彈簧進行輕量化22.7%。

（38.13-29.47）÷38.13≈22.7%

4、結論

本文結合之前的作用結果、設計方案，作出理想輕量化后的鋼板彈簧。輕量化的鋼板彈簧本文采用了減少鋼板彈簧的片數的方法來具體實施，也就是多片簧變成少片簧的方法。原來的鋼板彈簧是七片，現在減少了五片，減到只有兩片作用的鋼板彈簧，在減少了片數的情況下，增加其鋼板彈簧每一片的厚度，在對其進行仿真分析。先對其進行滿載時的分析，看其是否符合材料的應力要求。在符合應力要求的前提下，再進行滿載時受沖擊載荷的仿真分析，看結果是否符合應力要求。如果符合應力要求，即為設計正確，即輕量化設計成功。如果不符合應力要求，就要對其重新設計，必須保證輕量化后的鋼板彈簧可以滿足材料的應力要求，以此來保證鋼板彈簧的正常使用工作。

參考文獻：

[1] 左明遠 《汽車底盤細節詳解》北京：化學工業出版社，2015.05

[2] 夏長明叢書，涂潭生，肖楠榕等《汽車底盤構造與維修》北京：機械工業出版社，2011.10

[3]何效先《汽車底盤構造與維修》北京：中國農業出版社，2004.08