小型商用車后鋼板彈簧設(shè)計方法研究

伍 剛，許秀美，楊程宇，許醇婷

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

汽車后鋼板彈簧作為汽車上重要的彈性元件，其性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性和安全可靠性都具有重要的影響。特別是在汽車整車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)初期，簡便、快速地計算出滿足整車總布置要求、底盤性能要求的鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，對快速推進汽車整車項目開發(fā)進度、縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本具有重要的現(xiàn)實意義。如何快捷的設(shè)計一套滿足整車性能要求，同時安全可靠、價格低廉的鋼板彈簧一直是底盤懸架設(shè)計工程師追求的目標。

目前常用的鋼板彈簧設(shè)計方法主要有各鋼板彈簧專業(yè)生產(chǎn)廠家自有的鋼板彈簧設(shè)計專用軟件，或者借助于CAE 分析軟件等方法進行。鋼板彈簧設(shè)計專業(yè)軟件使用上具有局限性，CAE 分析方法精度較高，但由于需考慮板片間的非線性接觸問題，需要進行大量的分析求解工作。

以某小型商用車后鋼板彈簧設(shè)計為例，探討一種基于常用的CAD 軟件UGNX/CAXA CAD 與辦公軟件WPS 的鋼板彈簧設(shè)計計算方法。該方法可以有效建立起后鋼板彈簧的正向開發(fā)模型進行求解計算，具有方法簡單、使用方便的特點,在鋼板彈簧設(shè)計過程中可以提高設(shè)計效率。

1 彈簧變形分析

在整車設(shè)計過程中，總布置根據(jù)車輛的使用需求，對整車總布置參數(shù)、車身姿態(tài)角和貨物的裝卸方便性提出總體要求，懸架設(shè)計工程師要盡可能通過懸架元件的彈性特性設(shè)計滿足總布置要求。總布置的輸入及已知的前懸架參數(shù)見表1，前懸架為麥弗遜等剛度螺旋彈簧獨立懸架。

表1 輸入?yún)?shù)

根據(jù)總布置的設(shè)計輸入?yún)?shù)要求和已知的前懸架參數(shù)，后懸架設(shè)計工程師需繪制出后鋼板彈簧變形量分析圖以及后懸架特性圖如圖1、圖2 所示。

圖1 后板簧變形分析

圖1 中1.3、1.4、1.9、1.14、1.18 是總布置的定義值，1.1、1.2、1.6、1.7、1.8、1.10、1.12、1.13、1.15、1.6 是總布置的期望值。1.5、1.11、1.17 是懸架工程師的設(shè)計值，此設(shè)計值在設(shè)計過程中，需與總布置反復討論，在滿足底盤性能要求的情況下盡可能滿足總布置的期望。

后鋼板彈簧懸架特性曲線一般根據(jù)圖2 的后懸行程關(guān)系，初選彈簧剛度和緩沖塊剛度繪制。對于小型商用車空、滿載載荷變化量較大的特點，后鋼板彈簧一般做成2 級變剛度的形式。后續(xù)根據(jù)偏頻的計算結(jié)果進行調(diào)整確定最終的后懸特性曲線。

圖2 后懸架特性曲線

2 平順性分析

衡量汽車的平順性指標，常用簧上質(zhì)量的振動頻率（偏頻）與人體感覺較舒適的自然振動頻率進行比較度量。大量研究表明，人體感覺較舒適的自然振動頻率大約為1 Hz。懸架設(shè)計時簧上質(zhì)量的偏頻盡量接近舒適的自然振動頻率[1]。過低的偏頻要求懸架需具有較大的彈跳行程，因此需要在平順性和車體結(jié)構(gòu)空間布置上進行設(shè)計平衡。當前輪采用獨立懸架，后輪采用鋼板彈簧非獨立懸架的小型商用車，前懸偏頻一般為1.7 Hz 左右，后懸偏頻一般為2 Hz 左右。同時為避免產(chǎn)生較大的角振動，前后偏頻比一般為0.75 耀0.95 之間。因此，需根據(jù)初選的懸架剛度分別計算空、滿載情況下的前后偏頻分別在合理的區(qū)間內(nèi)以保證整車具有良好的平順性。懸架偏頻算式：

式中：C1、2為前、后懸架剛度，N/mm；G1、2為前、后懸架簧載重力，N；g 為重力加速度，取9810 mm/s2。

根據(jù)圖2 初選的后軸空/滿載剛度43 N/mm（單側(cè)）和103 N/mm（單側(cè)），及已知的總布置質(zhì)量參數(shù)和前懸參數(shù)帶入即可得到前后懸架空/滿載偏頻為：n 前（空/滿）= 2 Hz/1.72 Hz，n 后（空/滿）= 2.57 Hz/2.21 Hz。則空滿載前后偏頻比為：n 前（空/滿）/n 后（空/滿）=0.77/0.78，計算結(jié)果在合理區(qū)間內(nèi)。

3 側(cè)傾運動分析

后鋼板彈簧懸架的側(cè)傾運動應滿足整車操縱穩(wěn)定性的要求。后鋼板彈簧即是后懸架彈性元件，也是后軸的導向元件。后鋼板彈簧懸架設(shè)計時應控制好彈簧的運動關(guān)系，減少后軸軸轉(zhuǎn)向帶來的過多轉(zhuǎn)向問題，使整車具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性[2]。因此需對后鋼板彈簧的安裝點進行適當?shù)脑O(shè)計，使后懸架在常用的載荷工況下具有合適的側(cè)傾運動特性。對于本例的小型貨車，常用的工況為滿載工況，滿載情況下后鋼板彈簧的側(cè)傾運動導向應使后軸的軸轉(zhuǎn)向效應盡可能的小，以減小軸轉(zhuǎn)向效應對整車的操縱穩(wěn)定性影響。

本例探討在UGNX draw 環(huán)境下進行后鋼板彈簧的布置。首先確定后鋼板彈簧在后橋殼是上置還是下置，本例為下置。其次初選第一板片的伸直長度、后吊耳擺動半徑、前、后卷耳直徑、橋殼中心到板片安裝高度，本例為1040 mm、R65、椎45、椎25、40 mm。一般選擇板片在滿載時位置相對展直位置低10 耀20 mm。本例取20 mm。在UGNX draw 環(huán)境下進行后鋼板彈簧的布置分析圖見圖3（a）。

從圖3 中可以看到，當板片傾斜角為5毅時，可以獲得比較合理的后輪輪跳曲線。有利于車輛在常用工況下減小由于車輛側(cè)傾時軸轉(zhuǎn)向帶來的過多轉(zhuǎn)向趨勢，維持車輛側(cè)傾運動下的操縱穩(wěn)定性。

圖3 后板簧分析

4 彈簧剛度和強度校核

后鋼板彈簧一般由多副板片組成，主簧提供輕載時的剛度和強度，主簧和副簧接觸后提供重載時的剛度和強度。鋼板彈簧剛度和強度的計算一般采用共同曲率法和集中載荷法[3]。共同曲率法（圖3（b））認為各板片在自由狀態(tài)下具有不同的曲率半徑，在中心螺栓夾緊后各片間可以很好的貼合，工作時各片都能充分參與工作。在負載后各片認為具有相同的曲率半徑，從而使板片的計算變得簡單[4]。不過應用共同曲率法計算板片剛度過程中誤差偏大，需要引入剛度經(jīng)驗修正系數(shù)加以修正，對相似小型貨車的多種后鋼板彈簧的計算統(tǒng)計，主簧和合成簧剛度修正系數(shù)分別采用0.85 和0.75 時的計算剛度與實際測試剛度還是具有相當高的符合度。因此，本方法計算板片剛度時采用共同曲率法結(jié)合剛度修正系數(shù)進行板片剛度的計算。共同曲率法在計算板片強度時對最末幾片的強度計算誤差較大，而集中載荷法計算鋼板彈簧最末幾片時比較準確，一般小型商用車的板片最大應力多發(fā)生在最末幾片上，因此，本方法計算板片強度時采用集中載荷法（圖3（c））。強度校核中，采用常用彈簧鋼60Si2Mn 時滿載應力不大于550 MPa，極限載荷時應力不大于1100 MPa。

本例初選為5 片簧結(jié)構(gòu)，其中1、2、3 片單獨工作時為主簧、4、5 片完全參與工作后組成合成簧。因此，在進行剛度校核時分別計算主簧和合成簧剛度。強度校核時，因最大應力發(fā)生在合成簧工作狀態(tài)下，因此只需校核5 片簧都參與工作的合成簧情況下各板片的應力水平即可。預選各板片長度、寬度、厚度及U型螺栓跨距，板片材料選擇常用彈簧鋼60Si2Mn。應用WPS 軟件表格模版建立板片參數(shù)計算可以很方便進行各項計算參數(shù)的調(diào)整，從而獲得理想的各板片參數(shù)。計算模型及表格（表2、表3）。

表2 剛度計算結(jié)果

表3 強度計算結(jié)果

根據(jù)上述的計算結(jié)果，后鋼板彈簧的設(shè)計結(jié)果如圖4 所示。

圖4 后懸架數(shù)模結(jié)構(gòu)

5 設(shè)計驗證

對產(chǎn)品樣件在鋼板彈簧剛度測試機上進行彈簧剛度測試，測試曲線見圖5。從測試曲線看，主簧和合成簧剛度分別為45 N/mm，106 N/mm。可見按本方法計算的剛度與測試值符合度較高。

圖5 剛度曲線實測

對產(chǎn)品樣件按QCn29035 汽車鋼板彈簧技術(shù)條件中的試驗方法，模擬整車裝配位置進行臺架耐久疲勞試驗，試驗后板片無斷裂，產(chǎn)品疲勞耐久性符合設(shè)計要求。在整車裝配狀態(tài)下按GB/T6323、QC/T4970進行整車操縱穩(wěn)定性及行駛平順性測試，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。按海南試驗場整車道路可靠性試驗規(guī)范搭載整車進行道路可靠性試驗，試驗結(jié)果鋼板彈簧無故障，滿足整車可靠性要求。

6 結(jié)語

以整車總布置要求為依據(jù)，滿足整車操縱穩(wěn)定性、行駛平順性要求為前提的一種小型商用車后鋼板彈簧設(shè)計方法。 分析了板片剛度和強度計算時采用共同曲率法和集中載荷法的各自優(yōu)勢和缺點，并給出了采用共同曲率法計算主簧及合成簧剛度時的修正系數(shù)。

本方法計算式簡單，計算工作量少，所使用的計算程序和制圖軟件都是常用的軟件，在小型商用車后鋼板彈簧的設(shè)計計算中易于推廣。