钢板弹簧轻量化设计

王宁 李光 李敏

摘要：本文采用HyperWorks软件对钢板弹簧进行应力要求分析，核准是否符合弹簧钢应力工作要求，在满足工作荷载情况下，分析设计钢板弹簧轻量化所采用的方法，合理地设计使钢板弹簧在不违背应力强度的条件下合理地设计出轻量化后的钢板弹簧。

关键词：钢板;弹簧;轻量化

1、钢板弹簧的优化

对钢板弹簧进行轻量化设计。进行轻量化设计之前，要先清楚原汽车的钢板弹簧的具体重量。赋予原钢板弹簧材料、厚度，用HyperWorks软件分析出其重量，如图1原钢板弹簧重量所示。先用软件HyperWorks分析出原钢板弹簧的重量为38.13kg，然后进行下一步轻量化设计操作。

在原钢板弹簧符合实际工作情况的基础上进行轻量化设计。轻量化设计当然是希望零件越轻越好，但是也要符合材料的各种应力要求，所以本小节采用的方法是在原来七片的基础上去除五片，优化成只有两片的钢板弹簧[1]。

虽然钢板弹簧只剩下两片，但是两片钢板弹簧的约束、载荷等所有基本工作情况如七片的钢板弹簧相同，因为要保证轻量化后的钢板弹簧也可以正常使用，钢板弹簧的片数减少了，就要增加其厚度来保证它可以正常工作[2]。只是需要两片的钢板弹簧在原来厚度的基础上，增加一些厚度，来保证其工作能力基本不变。

用Hypemesh软件把钢板弹簧在原来的基础上增加厚度，然后仿真分析其应力是否在所属范围内，即是否符合钢板弹簧材料的应力要求。在分析结果符合要求的前提下，尽可能地缩减钢板弹簧的重量，来达到钢板弹簧轻量化的目的要求。

设计就是在原来钢板弹簧厚度的基础上，把每片钢板弹簧厚度增加到25mm，如图2轻量化钢板弹簧厚度所示。

赋予了轻量化后钢板弹簧新的厚度，其约束条件不变，就可以对其进行仿真分析，先对轻量化后的钢板弹簧进行满载时的分析，看其结果是否符合钢板弹簧材料的应力要求。同样给两片的钢板弹簧施加66.96N的y轴负向的力，轻量化钢板弹簧满载受力所示，然后进行仿真分析。

轻量化后钢板弹簧位移分析所示，轻量化后的钢板弹簧在力、约束等条件不变的情况下会向下波动10.55mm。位移主要波动地方还是集中在两卷耳处，此处为直接受力接触点。

应力的仿真结果为380.5Mpa，轻量化后钢板弹簧应力分析所示。本文钢板弹簧使用的材料为55CrMnA，其屈服强度为950MPa，抗拉强度极限为1225MPa[3]，应力的安全范围大约为屈服强度的80%左右，即为760MPa。应力的分析结果钢板弹簧的应力比材料的屈服强度小，符合实际情况，轻量化后的钢板弹簧可以正常工作使用。这是满载时的仿真分析，还要考虑轻量化后钢板弹簧在路上遇到冲击载荷的情况，再进行分析。

2、轻量化后钢板弹簧的冲击载荷分析

轻量化后的钢板弹簧在满载时符合材料的应力要求，但是也要分析轻量化后的钢板弹簧是否能够承受住最大冲击载荷，这是轻量化的关键一步[3]，本小节就为轻量化后的钢板弹簧进行满载时冲击载荷的仿真分析。

轻量化后满载时受到冲击载荷两耳的受力需和前部分轻量化前汽车在上跳极限时承受的最大载荷相同，即与轻量化之前的钢板弹簧满载受到的冲击载荷受力相同，冲击载荷施加的大小轻量化后钢板弹簧冲击载荷所示。轻量化后钢板弹簧满载冲击载荷位移分析所示，轻量化后的钢板弹簧在承受到最大载荷时，钢板弹簧会向下波动15.83mm，同样也是两卷耳处的位移波动最大，再进行应力的分析。

3、轻量化后钢板弹簧满载冲击仿真之应力

轻量化后钢板弹簧满载冲击载荷应力分析所示，钢板弹簧承受最大载荷的应力为570.8MPa。本文钢板弹簧使用的材料为55CrMnA，其屈服强度为950MPa，抗拉强度极限为1225MPa。应力的安全范围大约为屈服强度的80%左右，即为760MPa。仿真结果比材料的屈服强度小，符合实际情况，轻量化后的钢板弹簧可以正常工作使用。已经完成钢板弹簧轻量化的设计，数据结果分析都符合实际情况，即可作出两片的钢板弹簧，也就是轻量化之后的钢板弹簧。轻量化后的钢板弹簧所示，即轻量化后的钢板弹簧，符合汽车的实际工作情况，并且也可以保证钢板弹簧的正常工作。

用HyperWorks软件计算出轻量化后的钢板弹簧的质量为29.47kg，轻量化鋼板弹簧重量所示。原钢板弹簧的质量为38.13kg，在保证了钢板弹簧各种工作性能稳定、正常的情况下，对钢板弹簧进行轻量化22.7%。

（38.13-29.47）÷38.13≈22.7%

4、结论

本文结合之前的作用结果、设计方案，作出理想轻量化后的钢板弹簧。轻量化的钢板弹簧本文采用了减少钢板弹簧的片数的方法来具体实施，也就是多片簧变成少片簧的方法。原来的钢板弹簧是七片，现在减少了五片，减到只有两片作用的钢板弹簧，在减少了片数的情况下，增加其钢板弹簧每一片的厚度，在对其进行仿真分析。先对其进行满载时的分析，看其是否符合材料的应力要求。在符合应力要求的前提下，再进行满载时受冲击载荷的仿真分析，看结果是否符合应力要求。如果符合应力要求，即为设计正确，即轻量化设计成功。如果不符合应力要求，就要对其重新设计，必须保证轻量化后的钢板弹簧可以满足材料的应力要求，以此来保证钢板弹簧的正常使用工作。

参考文献：

[1] 左明远 《汽车底盘细节详解》北京：化学工业出版社，2015.05

[2] 夏长明丛书，涂潭生，肖楠榕等《汽车底盘构造与维修》北京：机械工业出版社，2011.10

[3]何效先《汽车底盘构造与维修》北京：中国农业出版社，2004.08