商用車斜置板簧獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉堯+劉向+王金勝+李應(yīng)濤+張博奇

摘 要：本文針對(duì)一種商用車斜置板簧獨(dú)立懸架，采用ANSYS建立斜置板簧獨(dú)立懸架參數(shù)化有限元分析模型，對(duì)板簧厚度、曲率等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)最大應(yīng)力的影響進(jìn)行敏感性分析；進(jìn)一步以最大應(yīng)力小于800Mpa時(shí)板簧質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用響應(yīng)面優(yōu)化方法得到板簧的各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

關(guān)鍵詞：斜置板簧獨(dú)立懸架；結(jié)構(gòu)參數(shù)；有限元；最大應(yīng)力；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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橋普遍采用鋼板彈簧非獨(dú)立懸架[1]，由于其左右車輪跳動(dòng)相互影響[2]、板簧片間摩擦[3]和非簧載質(zhì)量較大，導(dǎo)致整車操縱穩(wěn)定性和平順性較差。專利[4，5]中提出了一種斜置板簧獨(dú)立懸架，其較傳統(tǒng)鋼板彈簧非獨(dú)立懸架具有優(yōu)異車輪定位能力和無(wú)片間摩擦等優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅提升整車操縱穩(wěn)定性和平順性。

為研究斜置板簧懸架中板簧的力學(xué)特性，本文采用ANSYS建立了斜置板簧獨(dú)立懸架參數(shù)化模型，對(duì)板簧進(jìn)行強(qiáng)度分析；并通過(guò)參數(shù)敏感度分析，獲得對(duì)板簧最大應(yīng)力影響敏感的參數(shù)；最后通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化，以最大應(yīng)力小于800Mpa時(shí)板簧質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化得到了合適的板簧結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 斜置板簧獨(dú)立懸架建模

2.1 懸架三維建模

斜置板簧獨(dú)立懸架三維模型如圖1所示，其原理如圖2所示。其由四片相同板簧構(gòu)成，每片板簧中心面與車架存在一定夾角，故稱為斜置板簧。當(dāng)僅考慮板簧彎曲彈性變形時(shí)，其能夠保證末端具有垂向運(yùn)動(dòng)自由度[6]，使得車輪在跳動(dòng)過(guò)程中定位參數(shù)保持不變，從而改善輪胎的異常磨損，提升整車操縱穩(wěn)定性。四片板簧無(wú)相互接觸，不存在片間摩擦，使得其具有更好的動(dòng)剛度特性，通過(guò)減震器阻尼匹配可以獲得較好的阻尼特性，且非簧載質(zhì)量顯著降低，能夠有效提升整車行駛平順性。

2.2 懸架有限元建模

本文采用ANSYS建立斜置板簧獨(dú)立懸架有限元分析模型。為提升有限元分析效率，首先需要對(duì)原三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。刪除了螺栓、銷軸以及與車架端連接構(gòu)件等。

本文采用變截面板簧，其材料為52CrMnBA， 屈服強(qiáng)度為1125MPa，抗拉強(qiáng)度為1250MPa。每片板簧與車架端采用固定約束，與轉(zhuǎn)向節(jié)支架采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。網(wǎng)格劃分后共有25860個(gè)節(jié)點(diǎn)、12539個(gè)單元。加載條件為在轉(zhuǎn)向節(jié)支架中心面施加垂直向上的載荷30000N（軸荷約為6t），如圖3所示：

3 參數(shù)敏感性分析

敏感性分析用于定性或者定量評(píng)價(jià)參數(shù)變化對(duì)板簧最大應(yīng)力的影響大小，分為單參數(shù)敏感度分析和多參數(shù)敏感度分析兩類。本文主要的目標(biāo)是對(duì)斜置板簧進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)板簧的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，為后續(xù)的板簧優(yōu)化工作篩選必要的參數(shù)。本文采用的是多參數(shù)敏感度分析，具體采用的是響應(yīng)面法，借助ANSYS Workbench中的Response Surface模塊進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 參數(shù)設(shè)置

如圖4所示，板簧的關(guān)鍵參數(shù)為：車架端板簧厚度D1，輪端板簧厚度D2，過(guò)渡曲率R1以及圓弧半徑R2。設(shè)置板簧的最大應(yīng)力為輸出參數(shù)（Output Parameters）。

計(jì)算得到參數(shù)為R1=110mm、R2=500mm、D1=20mm、D2=10mm時(shí)，懸架的應(yīng)力云圖如圖5所示。由結(jié)果可知，最大應(yīng)力為978Mpa，其出現(xiàn)在下側(cè)板簧靠近車架固定端。

3.2 敏感性分析結(jié)果

計(jì)算得到的各個(gè)參數(shù)與板簧最大應(yīng)力敏感性結(jié)果如圖6和7所示。由結(jié)果可知，敏感度排序分別為D1>R1>D2>R2，因此厚度D1對(duì)板簧最大應(yīng)力影響最大。定義敏感度小于1%的為可忽略參數(shù)，介于1%到10%的參數(shù)為次要參數(shù)，大于10%的為主要參數(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）R1、R2和D2為次要參數(shù)，敏感度分別為6.8%、4.4%和4.5%，該參數(shù)對(duì)板簧應(yīng)力的影響較小，需在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)考慮此參數(shù)；

（2）D1為主要參數(shù)，敏感度為35%，該參數(shù)對(duì)板簧應(yīng)力的影響大，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮此參數(shù)；

（3）板簧兩端的厚度對(duì)板簧應(yīng)力的影響不同，驗(yàn)證了采用變截面板簧的正確性。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)敏感度分析中所得到相關(guān)結(jié)論，借助ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization 模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)定優(yōu)化的目標(biāo)為板簧最大應(yīng)力小于800MPa時(shí)板簧質(zhì)量最小，即其中mspring 表示單片板簧質(zhì)量，σmax表示懸架中板簧最大應(yīng)力。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到結(jié)果如表1所示，經(jīng)過(guò)圓整板簧靠近車架端與靠近輪端的兩端圓弧半徑分別為120mm、550mm，板簧車架端與輪端的板簧厚度分別為22mm、11mm，此時(shí)板簧的最大應(yīng)力值為768.29Mpa，單片板簧質(zhì)量為6.61kg，板簧安全系數(shù)為1.627。

根據(jù)優(yōu)化圓整后的數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，加工裝配后的懸架總成如圖8所示。

5 總結(jié)

本文以斜置板簧為主要研究對(duì)象，采用ANSYS軟件對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行了參數(shù)化建模，在進(jìn)行參數(shù)敏感度分析基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化，具體成果如下：

采用ANSYS軟件進(jìn)行板簧的參數(shù)化建模，并且通過(guò)響應(yīng)面法，對(duì)斜置板簧懸架總成垂向受力時(shí)，各參數(shù)對(duì)板簧最大應(yīng)力進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明變截面板簧末端厚度D1對(duì)最大應(yīng)力影響最大；

基于敏感性分析結(jié)果，以板簧最大應(yīng)力小于800Mpa時(shí)質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化得到板簧結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為D1=22mm，D2=11mm，R1=120mm， R2=550mm。

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