前言：钢板弹簧是轻型货车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，同时兼具弹性元件、减振元件和导向机构的功用，所以正确设计钢板弹簧对研究车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性有着至关重要的影响。有限元法给钢板弹簧设计提供了先进的设计手段、通过有限元计算，可以找到设计中存在的问题。

关键词：钢板弹簧、刚度、强度、三维建模、有限元

一、本课题研究目的及意义

现如今汽车产业的发展影响着一个国家的工业发展，因此世界各国都致力于汽车产业的发展。悬架是现代汽车重要总成之一，能够确保汽车车轮或者车桥与汽车承载系统之间具有弹性联系并且能够传递各种载荷、缓和路面传递给车身的冲击载荷、起到衰减车辆振动以及不断调整汽车行驶中车身位置,以确保汽车能够较为正常地行驶。悬架一般是由弹性元件、导向装置、减振器、缓冲块和横向稳定器等组成^[1]。钢板弹簧是汽车中广泛应用的弹性元件, 同时兼具弹性元件、减振元件和导向机构的功用，其作用是传递车轮与车身之间的力和力矩，缓和由于路面不平而传递给车身的冲击载荷，衰减冲击载荷所引起的振动，保证车辆的行驶平顺性。钢板弹簧结构简单，维修方便，成本低廉，在悬挂系统中可兼起导向作用，因此得到极为广泛的应用^[2]。而且钢板弹簧作为弹性元件能够将其所受的力及力矩从车轮转移到车身或者车架上，同时它能将侧向力、纵向力及其力矩合理地分布到车架或车身上，钢板弹簧还能够实现悬架弹性特征的渐变性。刚度是其重要的物理参量，其疲劳特性又对车辆行驶的可靠性和安全性有重要意义。

所以正确设计钢板弹簧对研究车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性有着至关重要的影响。有限元法给钢板弹簧设计提供了先进的设计手段、通过有限元计算，可以找到设计中存在的问题。通过对传统分析方法和现代分析方法的总结，了解各种设计方法的背景与发展过程，讨论新技术在钢板弹簧设计与分析中的应用，同时指出了各方法的优点和不足之处^[3]。

常见的汽车钢板弹簧结构型式主要有多片等截面式钢板弹簧,少片变截面式钢板弹簧,渐变刚度式钢板弹簧、主副簧复合式钢板弹簧，其中定刚度簧主要包括多片钢板弹簧和少片变截面钢板弹簧。多片等截面式钢板弹簧，是一种等厚度,宽度成两端狭,中间宽的结构形式的钢板弹簧，目前生活中的大客车、货车大多都使用这种结构类型的钢板弹簧；少片变截面钢板弹簧是一种宽度相等、厚度表现为两端薄、中间厚的结构型式的钢板弹簧，目前这种型式的钢板弹簧一般多用于轻中型汽车。多片钢板弹簧一般由6~14片组合而成,其结构一般呈现倒三角形状,最上面的那个簧片最长也称为主片,最下面的那一簧片最短。多片等截面钢板弹簧的设计大体上可以分为两步即是几何参数设计和进行强度校核。少片钢板弹簧具有的特点是片数比较少,质量轻、平顺性好等优点,这些特点有利于实现整车轻量化和提高整车的平顺性以及乘坐舒适性。不过少片簧对材质硬度的要求比较高,要有相匹配的减震器如损坏要换同规格的,以及少片钢板弹簧的表面需要涂一层含锌粉的环氧漆,在使用过程中如果发现簧片上油漆脱落,应该迅速地予已补涂。同时少片簧的抗疲劳能力,高应力性能、高强度也是有待于设计者不断进行研究和发展^[4]。

对钢板弹簧设计计算，需要确定弹簧上载荷Fw，弹簧长度L, 静挠度fc和动挠度fd, 满载弧高fa, 其设计计算包括钢板弹簧应力的计算、钢板弹簧各片长度的确定、钢板弹簧刚度校核、钢板弹簧总成在自由状态下的弧高以及曲率半径计算、钢板弹簧组装后总成弧高及钢板弹簧强度校核^[5]。

二、国外研究概况

国外对钢板弹簧的研究已提出了精益设计的概念，也就是强调考虑结构的大变形，准确模拟片间的接触状态，并精确计算包括组装时预应力的各簧片工作时的应力状况。并且零部件疲劳寿命的计算研究中已出现完整的软件解决方案。二十世纪七十年代,在美国、欧洲先后出现了采用单片钢板弹簧作为弹性元件的悬架系统，对比少片簧而言,设计者可以对单片簧进行精准的设计。而后,从节能和环保的角度出发,要求悬架系统既要满足整体设计要求又要尽可能质量轻,复合材料的钢板弹簧和类型繁多的静变刚度特征的结构型式诞生了^[6]。在国外某些公司应用中还出现CAD/CAE集成的软件解决方案，有研究人员对有限元仿真计算中钢板弹簧的非线性弹性模型进行了研究。充分考虑了接触、摩擦、预应力等的影响，所建立的非线性模型的计算结果更接近实验值，能克服传统设计方案的缺陷，能有效地评估车辆的稳定性。采用ANSYS对悬架系统中使用的钢板弹簧进行分析，有限元结果表明，应力和挠度验证分析和结果。考虑弹簧几何的优化问题，目标是获得一个具有最小重量的弹簧，它能够在没有失败的情况下携带给定的静态外力。设计约束是应力(Tsai-Wu失效准则)和dis- placements。结果表明，最佳的弹簧宽度减小了双曲线，厚度从弹簧的角度线性增加到轴座。与钢弹簧相比，优化后的复合弹簧的应力要低得多，固有频率较高，而无眼单位的弹簧重量则要低近80%^[7]。