汽車少片彈簧的優(yōu)化設(shè)計(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上汽車少片彈簧的優(yōu)化設(shè)計 1概述近幾年來，許多國家從節(jié)能角度出發(fā)，力求使車輛輕量化，而汽車鋼板彈簧則是實現(xiàn)汽車量化的一個不可忽視的部件。為減輕鋼板彈簧的重量和改善平順性，在汽車上越來越多地使用由一片或幾片縱向變厚端面彈簧組成的鋼板彈簧。這種彈簧不僅在轎車上用，而且在火車上應用也較多?，F(xiàn)在汽車上采用的變厚截面的彈簧主要有兩種型式：葉片寬度不變和寬度向兩端漸變的彈簧。這里指討論葉片寬度不變的少片彈簧。2等應力梁及其幾何形狀等應力梁是指任一截面處最大應力都相等的梁。如下圖所示，假設(shè)等應力梁的上面為一平面，下面為一個曲面，作用在彈簧端部的載荷為P，彈簧寬度為b，那么彈簧中央部位

2、AA處的最大應力為彈簧任一截面x處的最大應力為根據(jù)等應力梁的定義，二者影響等，故聯(lián)立得由此可見，等應力梁的厚度沿長度方向按拋物線規(guī)律變化。圖13 拋物線形葉片彈簧3.1理想的拋物線形彈簧和拋物線彈簧從理論上講，講葉片彈簧制造成等應力梁的形式，使各處最大應力相等時最合理的，材料作用也充分。一般把上圖所示的拋物線形狀制造的葉片彈簧成為理想的拋物線形彈簧。由于這種彈簧端部不能承受切向力，因此實際上是不能使用的。要想使其端部能承受切應力，則需要加強卷耳末端的強度。下圖為加強了的拋物線形葉片彈簧，稱之為拋物線形彈簧?？紤]到彈簧的裝夾情況，將彈簧的中央和兩端，將圖中AB段和CD段兩部分分別制成相等的厚度，

3、將BC部分制成按拋物線規(guī)律變化的厚度。圖23. 2拋物線形彈簧的剛度根據(jù)馬莫發(fā)(虛載荷法)可以求出在載荷作用點處的變形算式中 分別為由載荷P和單位力所引起的力矩；為葉片彈簧在任一截面處x處的慣性矩。彈簧在不同長度范圍內(nèi)值各不相同，分別為時，時，時， 可分別表示為將上訴各個公示帶入幾分算式中，求得式中n為彈簧的片數(shù)。當彈簧為對稱彈簧，長度為時，利用上式可求得彈簧的剛度為式中為修正系數(shù)，一般取=0.92.由于彎曲梁變形公式是根據(jù)等截面梁推到出來的，用它計算變截面梁的變形，其結(jié)果是近似的;另外，實際生產(chǎn)的彈簧的截面形狀不是理想的矩形。因此計算彈簧剛度是時需要乘以一個修正系數(shù)。4 梯形變厚度端面彈簧由

4、于拋物線形彈簧制造困難，因此實際使用中多用梯形變截面彈簧代替，這種葉片彈簧幾何形狀如圖所示。BC'O為拋物線形狀，如虛線所示.過B點做BC'的切線BC，交于等厚度為長度為的端部于C點，便得到梯形葉片彈簧ABCD。其中，BC段位梯形邊厚度區(qū)，AB段和CD段為等厚度區(qū)，統(tǒng)稱為梯形邊厚度端面彈簧，簡稱為梯形彈簧。圖3由圖所示幾何關(guān)系可得當時，4.1梯形彈簧剛度彈簧在載荷作用點處的變形彈簧在任一截面處的慣性矩為時，時，時， 可分別表示為將上訴各個公示帶入幾分算式中，求得式中 當彈簧為對稱彈簧。長度為2時，梯形葉片彈簧的剛度為4.2 梯形彈簧的最大應力點及最大應力由圖課件，在長度范圍內(nèi)，

5、梯形彈簧BC長度范圍內(nèi)任一一點厚度均大于拋物線形彈簧上對應點的厚度。因此梯形彈簧在這段上的任一截面的應力均應小于拋物線形彈簧上的應力。又因為拋物線上各處應力相等，且等于B點的應力，所以梯形彈簧BC長度范圍內(nèi)任一截面上的應力必然小于B點的應力。如中梯形彈簧BC直線的方程通過切線定義求得為如果彈簧端部厚度=，則利用上式即可求出梯形葉片等厚部分的理論長度值假設(shè)梯形葉片實際等厚部分長度為，那么當時，梯形葉片在的范圍內(nèi)任一處的應力均小于或等于B點的應力。反之，當時，梯形葉片在變厚部分的輪廓與拋物線相割，使梯形葉片該部分厚度小于拋物線形彈簧對應點的厚度。這樣梯形葉片厚度部分的應力就會大于拋物線葉片對應點的

6、應力，即大于B點處的應力。因此，可由上式判斷梯形彈簧的最大應力點的位置，就是說時，彈簧最大應力出現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)；當，最大應力出現(xiàn)在B點。另外，由上式可以看出，當<0.5時，即時，彈簧的最大應力點位置按下述方法求。彈簧在的區(qū)段內(nèi)任一截面處的最大應力為對于上式關(guān)于x求導，并令，則可得彈簧最大應力點的位置彈簧的最大應力為在設(shè)計少片彈簧時除了要設(shè)計計算彈簧的最大應力點以外，還須校核在彈簧夾處的應力。因為一般變截面厚度的彈簧近似等于等應力梁，各處應力相差很小，而彈簧夾對彈簧的受力狀態(tài)會有一定的影響。另外，在彈簧剛度確定的條件下，為降低彈簧的應力，改善其應力分布及減小彈簧質(zhì)量，一般力求增大的長度。但是加

7、大后彈簧子啊段內(nèi)的應力可能會過大，所以的選擇應恰到好處。5 少片變厚度斷面彈簧尺寸參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學模型設(shè)計少片彈簧時，一般采用試湊法，即根據(jù)經(jīng)驗楚軒尺寸參數(shù)，然后代入公式驗算，經(jīng)過幾輪反復，一直到選擇的參數(shù)能滿足剛度和強度要求為止。這種設(shè)計方法不容易獲得最佳的設(shè)計方案，且費工時。為了克服上述缺點，可按優(yōu)化方法對少片簧進行優(yōu)化設(shè)計。5.1設(shè)計變量對于梯形變厚度端面彈簧，如圖，其設(shè)計參數(shù)包括：長度尺寸，厚度尺寸，葉片寬度b及葉片數(shù)n。一般取決于彈簧在汽車上的裝夾情況，因此是預先確定的，即為常數(shù)；寬度b取決于整車布置和彈簧扁鋼的尺寸規(guī)則，在彈簧設(shè)計之前可以選定一合適的值；葉片數(shù)n一般小于或等于4，在優(yōu)

8、化設(shè)計過程中，可以將其作為常數(shù)。因此，優(yōu)選少片彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)時，其設(shè)計變量共有4個，并作為連續(xù)變量來考慮，即 5.2 目標函數(shù)以彈簧在理論上所需要的質(zhì)量最小為目標函數(shù),則得到式中 彈簧材料的密度5.3約束條件考慮到彈簧的總體布置，剛度，強度，材料，尺寸規(guī)格以及制造工藝等方面的要求，可以列出下列約束方程：(1).為確保彈簧卷耳具有足夠的強度，彈簧端部等厚部分的厚度應大于其最小的允許厚度，因此得約束方程 (2).為了保證彈簧鋼材的淬透性，彈簧中部最大厚度應限制在某一允許厚度內(nèi)，由此得約束方程(3).根據(jù)彈簧厚度不相等，兩者只差應大于=0.1cm的要求得約束方程(4).由卷耳尺寸要求得約束方程(5).

9、彈簧主片最大伸直長度之半應限制在一允許長度之內(nèi)的彈簧總體布置要求，得約束方程 (6).為保證汽車具有良好的平順性，彈簧剛度對于設(shè)計要求的剛度的誤差應小于，由此得約束方程(7).考慮彈簧的應力分布和其在區(qū)段內(nèi)的強度，最大應力應小于允許應力，由此得約束方程(8).按彈簧強度要求，彈簧在載荷的作用下，其計算應力應小于材料的許用應力。應首先判斷出最大應力位置，然后計算其最大應力位置，然后計算其最大應力，即 當時當時約束方程1-3是對彈簧厚度的約束要求，約束方程4-5是對彈簧長度的約束要求，約束方程6是對彈簧剛度的約束要求，約束方程7-8是對彈簧應力的約束要求。6 運行結(jié)果：以下圖片中圖片中sigma1表示1；S