基于Abaqus的汽车钢板弹簧制动工况应力分析

江伟滨，豆力，居刚，李海波

（1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽江淮汽车股份有限公司商用车研究院，安徽合肥 230601）

基于Abaqus的汽车钢板弹簧制动工况应力分析

江伟滨1，豆力1，居刚2，李海波2

（1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽江淮汽车股份有限公司商用车研究院，安徽合肥 230601）

为了准确的分析钢板弹簧上的应力分布，本文首先利用Hypermesh软件对钢板弹簧组件进行网格划分，对钢板弹簧与前、后支架之间的连接进行了独特的处理，并用Abaqus软件对钢板弹簧进行了应力分析。分析结果表明，在制动工况下，钢板弹簧组件可以满足的强度要求。

Abaqus；钢板弹簧；有限元；制动；应力

钢板弹簧在汽车上的应用具有悠久的历史，由于它结构简单、占用空间小、维修保养方便、制造成本低，至今仍然得到广泛的应用。相对于其他的弹性元件，钢板弹簧不仅能够起着基本的弹性元件的功能，还能起到导向元件的功能。而且，钢板弹簧的簧片间的接触和摩擦在弹簧振动的时候也能起到阻尼的作用，减小振动的传递。由于钢板弹簧所具有的优点，目前在商用车悬架特别是货车悬架上被广泛采用［1-2］。

本文所分析的钢板弹簧模型（图1）是基于某挂车牵引车的前钢板弹簧所建立的UG模型，通过计算得出在制动工况下钢板弹簧上的受力大小，并利用Abaqus软件对其进行有限元分析，利用点—面接触、面—面接触来模拟钢板弹簧组件中存在的接触，为了能够更加真实准确的得到钢板弹簧上的应力分布，加载位置尽可能与实际工况接近。

1 钢板弹簧有限元模型的建立

本文所分析的某挂车牵引车的前钢板弹簧共有3片，平均厚度为12mm，宽度为90mm，长度为1840mm。

为了能够划分出质量较高的网格模型，需要对钢板弹簧模型进行几何清理。将与钢板弹簧相连的支架也参与到分析中，能够更准确的分析钢板弹簧上的应力。钢板弹簧簧片采用尺寸为10mm的六面体单元；板簧支架形状较为复杂，均采用尺寸为3mm的四面体单元。为了保证计算分析的准确性，网格需要进行质量检查，修改不合格的单元，最后得到合格的网格模型。整个模型的网格数为370488个，其中钢板弹簧簧片和橡胶垫采用六面体单元C3D20（20节点六面体二次完全积分单元），共有30160个；板簧支架采用四面体单元C3D10（10节点四面体二次积分单元），共有340324个。最终得到网格模型如图2所示。模型在Hypermesh中划分完网格后，导入到Abaqus中进行分析求解。

将前支架连接销孔、活动支架连接销孔、后支架连接销孔以及钢板弹簧吊耳上的节点分别用MPC单元耦合到各连接销孔的轴线中间节点，然后这些中间节点之间采用Hinge连接（图3）。Hinge单元连接的两点之间相对平移自由度被全部约束，只有沿着第一点的X轴方向的转动自由度。

钢板弹簧在中心螺栓和U型螺栓的作用下夹紧，各簧片之间紧密贴合并且被压平，几乎不发生相对错动［3-4］。因此可利用tie来使得各簧片之间贴合，来模拟钢板弹簧的夹紧状态。钢板弹簧簧片与橡胶垫之间会发生相对滑动，因此需要定义接触，滑动形式定义为有限滑移，摩擦系数定义为0.2。

根据钢板弹簧、支架的物理特性，钢板弹簧采用60CrMnBa，其弹性模量E为210 GPa，泊松比μ为0.3，密度ρ为7850kg·m-3，屈服极限为1100MPa；支架材料为QT500-7，其弹性模量E为173 GPa，泊松比μ为0.3，密度ρ为7500 kg·m-3，屈服极限为320MPa。对网格单元赋予相应的材料属性。

2 力学分析与边界条件

2.1 力学分析

在制动时，汽车的质心前移，钢板弹簧承受的载荷最大，质心前移对钢板弹簧变形的影响，主要是使得牵引车的质量向前转移，增大了钢板弹簧所受到的载荷。此时钢板弹簧上的准静态载荷需要乘上一个质量转移系数m′，即可表示出制动时质心移动对钢板弹簧所受载荷的影响。另外，在制动时，制动力对钢板弹簧形成一个纵向的扭矩，这个扭矩使得钢板弹簧发生S形的变形，如图4所示。取制动减速度a为3m·s-2。最大垂直载荷为

轮胎制动力为

式中：G1为前桥的簧载质量，4540×9.8/2N；m′为制动时前轴载荷分配系数，对于载货汽车而言，m′为1.4～1.6，本次分析取m′为1.5；m为前桥的轴荷，5400kg。

2.2 边界条件

约束钢板弹簧前支架、后支架上螺栓安装孔处节点的全部自由度，约束前支架、后支架上平面与车架接触位置的z向移动的自由度，约束前支架、后支架侧面与车架接触位置沿着x轴移动的自由度。

在紧急制动工况时，加载在钢板弹簧上的载荷主要是来自车身的沿着z轴方向载荷，将这些力加载在钢板弹簧与车轴连接位置的节点上。除此之外，还受到了来自于车轴传递过来的纵向扭矩。此时，可以将轮胎接地点与钢板弹簧夹紧部分用刚性单元进行耦合，然后在轮胎接地点处加载制动力，加载情况如图5所示。

3 结果与分析

将文件提交Abaqus求解，求解后得到钢板弹簧组件的Von Mises分布图，如图6所示。在制动工况下，钢板弹簧上的最大应力SMX为917.7MPa，最大应力小于钢板弹簧材料的许用应力，满足强度要求。最大应力出现在钢板弹簧的后吊耳位置（图7）。钢板弹簧其余部位上的应力值均在611.8MPa以下。

钢板弹簧组件的变形分布如图8所示，钢板弹簧上最大变形位置出现在夹紧位置后位置上，而没有出现在中间位置上，这说明钢板弹簧在制动工况下发生了扭转，钢板弹簧有出现S形变形的趋势，由于钢板弹簧的刚度较大，扭转程度较小。

在分析过程中，同时可以得到钢板弹簧各个支架上的应力和变形量（表1）。

表1中列出了钢板弹簧组件中的各个支架上的最大应力值和最大变形量，从表中可以看出，支架中应力最大的部件出现在前支架上，最大应力SMX为208.2MPa，最大应力小于QT500-7的许用应力，满足强度要求。最大变形出现在活动支架上，这主要是因为活动支架在分析时发生了转动。

表1 其余零部件上的应力与变形

4 结论

本文采用Abaqus软件进行了挂车牵引车钢板弹簧在制动工况下的应力分析，通过对3片钢板弹簧的非线性有限元分析，得到了钢板弹簧的应力分布图，并且得到了钢板弹簧上的薄弱位置，为钢板弹簧的改进设计提供了参考依据。

由于钢板弹簧吊耳处比较薄弱，在制动工况时，应力较大，需要对吊耳进行加强。除吊耳位置以外，钢板弹簧簧片其余部位上的应力数值都在611.8MPa以下，安全系数还是较大的。

钢板弹簧的安装支架上的应力小于材料的强度极限，可以在后续工作中进行拓扑优化，以节省材料的使用，实现轻量化设计。

［1］黄希宾，郑忠才，高岩，王金虎，姜振廷.汽车紧急制动时钢板弹簧有限元分析 ［J］.内燃机与动力装置，2012（1）：32-34.

［2］王望予.汽车设计［M］.4版.北京：机械工业出版社，2010.

［3］王霄峰，涂敏.汽车钢板弹簧的应力和变形分析［J］.机械强度，2005，27（5）：647-650.

［4］徐建全，林佳峰，陈铭年.基于ANSYS的钢板弹簧有限元分析［J］.机电技术：2010（4）：7-8.

Stress Analysis on Braking Condition of Automotive Leaf Spring Based on Abaqus

Jiang Weibin1，Dou Li1，Ju Gang2，Li Haibo2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China；2.Commercial Vehicle Research Institute,Anhui Jianghuai Automobile Co.Ltd.,Hefei 230601,China）

In order to analyze the stress distribution on the leaf spring accurately,the leaf spring assembly was meshed with the Hypermesh.The connection between the leaf springs and front bracket,also the leaf spring and rear bracket were dealt with in special ways.The stress distribution on the leaf spring was analyzed with Abaqus Software.The results show that the leaf spring meets the strength requirements in the braking condition.

Abaqus;leaf spring;FE；brake;stress

TH123.4

A

1008-5483（2013）01-0023-03

10.3969/j.issn.1008-5483.2013.01.007

2012-11-22

江伟滨（1988-），男，福建连城人，硕士生，从事现代车辆系统动力学与控制技术研究。