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高性能前叶弹簧的设计、分析与多学科的优化设计
米哈依 马利佳 高冈的撒沃提乌 亚历山大萨瓦提斯b 圣克里斯多夫 弗朗茨·施瓦茨
塞萨洛尼基亚里士多德大学，机械工程系，机械元件与机械设计实验室，54124塞萨洛尼基，希腊B教育与技术教育学院，机械工程教育家系，
伊拉克利翁，雅典，希腊人卡车和巴士公司 ，工程悬挂卡车与客车，达豪Strasse 667，80995慕尼黑，德国
文章信息 文章历史
在线提供，2016年1月27日
关键词： 汽车板簧 设计 悬浮液 驾驶 结构完整性
摘要：
本文介绍了7.5吨和8.0吨汽车车轴载荷抛物线板簧的设计和优化过程。在这一过程中，需要满足的要求包括弹簧的运动特性（与转向臂的轨迹连接到弹簧的车轮接合处的轨迹的构造）、弹簧速度、强度以及最重要的耐久性标准。因此，针对某多轴载荷谱下车辆车轮关节运动学、叶片应力响应和损伤之间的微调问题，进行了多学科优化。利用适当的设计参数计算了优化后的运动学。根据（a）有限元计算的纯垂直载荷和制动事件下的应力，以及（b）基于矿工基本线性损伤累积的某些多轴载荷序列的分析损伤计算，对弹簧的耐久性进行了理论评估。规则。通过在试验轨道上驾驶样机，对汽车的运动学行为进行了实验验证。直行、转弯、舒适性和转向性能已由7名不同的专业驾驶员进行了定量评估。开发的弹簧性能与（8.0吨弹簧）相当，或明显优于（7.5吨弹簧）各自的系列弹簧。
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- 介绍
随着对更高效和更安全解决方案的需求与日俱增，高性能钢板弹簧如今正在极大地取代轻、中、重型汽车的常规性能前身。尽管它们的命名可能暗示了一种促进销售的营销技巧，但它们显著增强的属性和性能特性完全证明了前缀“high-”的使用是正确的，因为所有的需求都被推到了极限。
现代高性能钢板弹簧必须满足其操作性能（即弹簧刚度、各种操作下的驾驶舒适性和安全性、与转向系统的相互作用等）以及强度（最大容许应力）和（最重要的）操作疲劳寿命标准等方面的多项要求。可以很容易地认识到，上述要求是相互矛盾的：例如，良好的降低弹簧率，这将提高驾驶舒适性，并导致一个更轻的部件，将严重危害弹簧的耐久性，通过出现明显更高的应力在相同的负载下。因此，在车辆当前和未来要求更轻、更经济（油耗更低、有效载荷更高）和环保（回收）要求之间，以及材料（高强度钢的质量）、制造商和制造商各自的技术限制之间，妥协总是不可避免的。制造工艺（精度、公差和故障）和后处理能力（热处理和表面处理，即应力喷丸）。
因此，很明显，这类部件的设计是一个要求很高的过程，需要清楚地了解车辆总成（弹簧的尺寸和形状、转向系统位置和几何结构、可能的橡胶缓冲位置等）产生的几何限制、荷载大小和荷载系数。适用于每个操作区域（欧洲、亚太地区、非洲、中国、北/南美洲等）以及各自的疲劳载荷谱的（额定、最大垂直和制动载荷分量）。必须单独处理每个特定情况，考虑到有关车辆装配条件的所有细节（例如，在直轴或弯曲轴上装配、装配角度、钩环长度等），以这种方式启动一系列设计回路，最终得出最佳解决方案。问题限制通常非常窄，例如，由于板簧的平移和角位移，转向系统轨迹和车轮接合处各自轨迹之间的偏差不得超过1 mm，同时容易受到制造弹簧与名义设计偏差的影响。此外，疲劳评估所用的载荷谱主要基于假设而非实际测量，但欧洲道路的情况除外，在欧洲道路上存在全面且完善的谱[1,2]。此外，不同制造商（甚至同一制造商，但使用不同的钢材供应商）的板簧性能可能会有所不同，从而导致弹簧的特定“最佳”设计在耐久性方面完全无用。因此，尽管成本很高，但新设计的试验验证始终是必要的，因为需要生产原型以及对现有试验车辆进行一些修改。
本文以7.5-8.0吨额定轴载荷的前桥钢板弹簧为例，着重介绍了它们各自的设计和优化过程，并考虑了在同一转向系统上装配它们的运动轨迹的附加要求。基于卡迪萨斯 等人的基础工作的一系列预分析。[3,4]关于板簧设计参数对载重汽车前桥运动学的定性和定量影响，采用了各自合适的参数值，对其强度和耐久性进行了进一步的优化分析。
上述板簧是为新一代重型卡车开发的，并已生产出相应的原型。然后将原型装配在根据设计修改的试验车辆上（弹簧的新装配位置），并由几个专业驾驶员在试验轨道上驱动。新开发的弹簧的性能由每个驱动器进行评估，考虑到不同的性能特点，并与已经生产的系列设计进行比较。评估结果表明，新开发的设计取得了成功，设计分析和优化程序的能力是一个副作用。结果表明，除了新型弹簧的优良性能外，在试验前还分别对其与系列弹簧的性能差异进行了预测和评价。
- 设计要求
设计、分析和优化所需的输入包括三类数据：（a）几何限制（尺寸、形状和装配位置）；（b）荷载值（标称和最大值）；（c）应力和疲劳行为方面的复合材料和制造性能。以上每一个都在后面的小节中解释。
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- 几何限制车辆装配
钢板弹簧必须在预先描述的可用空间内安装和操作。因此，基本尺寸是根据总长度（拉伸位置）和允许宽度（取决于指定轴的固定位置）来定义的。另外，转向运动轨迹由转向系统的位置和尺寸明确规定，即转向中心、转向杆长度和车轮接合处的相对位置，从而强制采用一定的前臂长度值。这样，板簧的对称性或非对称性（就长度而言）就得以实现，这将根据卡迪萨斯等人的工作，对其他基本尺寸的适当参数值的确定进行预分析。[3，4]。图1说明了板簧的车辆总成，其中标出了上述参数。因此，7.5吨车轴有效载荷的单板簧显示在拉伸位置（接近额定载荷状态），位于弯曲的车轴上，与两个橡胶缓冲器一起在可用的装配位置（一个在中间，一个在后臂侧）工作。转向系统还从转向中心、操纵杆长度和相对车轮接合位置等方面进行了描述。
影响板簧运动行为的主要参数如图2所示。这些参数在弹簧拉伸位置定义，包括眼类型（正常、柏林或阶梯式）和杠杆E的尺寸（定义为眼-眼线和弹簧中心之间的距离）。卡迪萨斯等人[3,4]表明，由于这些参数的板簧中心平移和角位移，产生的运动曲线有很强的依赖性，并提供了一套综合的定性和定量指南，指导如何为一组给定的装配条件选择这些参数。
图3所示的图表说明了眼睛类型（柏林人和阶梯眼）和杠杆E的影响，根据卡迪萨斯等人[3]在垂直载荷和制动作用下的车轮关节运动曲线。其中，坐标x和z是从固定前眼的中心测量的。结果表明，杠杆e对每种眼型的影响不同，其组合的选择也必须考虑其他要求（即，如果需要多叶弹簧，则应避免选择柏林眼型，因为叶1和叶2之间没有明显的直接接触区域，或者抛物线区域——叶片弹簧的关键部分——应该缩小到很小的长度，以便形成非常直的区域。
必须指出的是，尽管上述参数对生成的运动曲线有决定性影响，但它们并不是唯一的影响因素。例如，由于每个臂的厚度分布不同，每个臂的相对刚度对弹簧中心的角位移起着至关重要的作用。然而，由于考虑对称（长度）弹簧时，臂刚度偏差相对较小，因此该系数通常不太重要。此外，台阶的半径和厚度（如果是阶梯眼型）可能会将弹簧中心的运动轨迹平移超过1 mm（这是特定车辆制造商的允许偏差），并要求随后对转向臂长度进行进一步调整。
最后，通过建立橡胶缓冲器与叶片接触后的运动曲线，明确了缓冲器的数量、位置和特性曲线。这意味着在达到最大位移和允许弹簧中心最大旋转的情况下，运动曲线的行为对提升荷载（接近最大垂直荷载或制动荷载）有严重影响。
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- 负荷值、部件和外壳
每个弹簧的设计都能承受一定的负载分量（垂直和纵向负载以及制动力矩），在运行过程中各有其各自的值。这些值取决于额定轴载荷、组装轴类型（直轴或弯轴由于弹簧与道路的距离不同而产生不同的制动力矩）和操作地理区域（由于道路条件不可比，因此欧洲和中国之间的负载系数不同）。不幸的是
图1。在车辆上为7.5吨的轴有效载荷装配单板簧
图2。弹簧中心运动轨迹主要影响参数的定义：（a）眼型和（b）杠杆E
图3。考虑柏林线和阶梯眼以及垂直方向上不
同e值的钢板弹簧行为产生的车轮关节运动曲线加载和制动，根据Karditsas等人〔3〕。
目前还没有为不同地理区域选择适当荷载系数的坚实基础，尽管在设计考虑的最大值方面预计会有很大差异。
纵向负载部件和制动力矩受轮胎特性（轮胎和道路之间的摩擦系数）和制动系统响应的限制，因此，尽管增加了，但对于欧洲以外的地理区域，不遵循相同的放大。图4说明了设计中考虑的基本荷载构件。
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- 疲劳载荷谱
钢板弹簧应能承受一定数量的负载序列重复，转换成公里数（km），可以在不出现故障的情况下运行。这就需要使用可靠的设计和测试载荷序列，这些载荷序列代表车辆的预期运行条件，并能够将其应用确定的疲劳寿命与车辆的实际运行疲劳寿命相关联。这样的序列存在
图4。负载部件的设计考虑：垂直，纵向和横向上的轮胎（loads应用固体箭”）和它们在弹簧上的转换位置以及相应的制动力矩（虚线箭头）。
以荷载谱的形式，作为对试验轨道和各种道路条件进行全面且记录良好的试验测量的结果，格鲁比斯克[1]和菲舍尔等人[2]。以上测量的光谱明确指的是欧洲道路，因此对于其他地理区域应格外小心，因为他们没有同行建议采用替代光谱。其发生概率为1%。
这些载荷谱包含所有类型的载荷（垂直、纵向和横向载荷以及制动力矩），模拟运行期间满足的所有组合。图5举例说明了垂直和制动情况下的载荷谱与累积循环次数的关系。请注意，设计光谱和测试光谱之间的差异，为了加快测试过程，省略了不造成重大损坏的部分。这种遗漏通常基于使用Palmgren和Miner线性损伤累积规则的简单计算损伤评估。当然，由于谱（与序列相反）不包含此类信息，因此忽略了荷载序列效应。因此，各车辆制造商可自行决定选择和验证适当的试验顺序，尽管这超出了本文的检查范围，因为疲劳寿命的计算不能明确考虑这些顺序。
钢板弹簧的疲劳寿命计算中通常忽略了侧向载荷谱（偏转角），因为它不会对钢板弹簧造成任何显著的损伤。实验证明，侧向载荷主要是由底盘和外围部件（衬套、卸扣等）承受疲劳载荷，而不是弹簧本身。同样，制动力矩谱的制动向后部分通常可以忽略，因为它造成的损伤远远超出疲劳极限。
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- 材料性能及要求
钢板弹簧材料的主要特点是其疲劳性能，而不是简单的单调屈服或拉伸强度极限。这意味着，优化设计应考虑最终产品（经过热处理，尤其是表面处理）中材料特性的性能，以便充分利用设计能力。如前所述，弹簧制造商之间，甚至同一制造商使用不同的钢材供应商，其疲劳材料性能可能存在显著差异。这是由于即使在略有不同的材料上进行相同的处理后得到的不同的最终结果。
为了避免优化过程中材料疲劳性能的变化，已经从设计阶段规定了材料（最终产品）的疲劳特性。这主要是通过根据大多数弹簧制造商能够支持的车辆制造商的以往经验选择一组设计数据来实现的。否则，可以根据能够处理和交付满足要求的产品的特定弹簧制造商选择相同的数据集。换言之，这被翻译成一个明确面向弹簧制造商的优化，而不是一个简单的设计优化，特别是对于那些不在公共基础上的情况。
材料疲劳性能表示为一定平均应力的W-H（S-N）曲线和平均应力敏感系数m[5]。W-H曲线的特点是，在一定次数的循环n和坡度k下，其在S–N图上的定位Ra（给定平均应力Rm的应力振幅）。利用上述数据，设计可继续计算载荷谱造成的损伤，并评估疲劳寿命。图6展示了一组来自不同制造商的标准化、经实验验证的W-H曲线，这些曲线可用于针对载荷谱造成的损伤优化板簧。根据车辆制造商的规范，至少有15个疲劳试验结果应涵盖高关注范围105lt;nlt;106，以获得统计上合理的W-H曲线，即可用于统计上可靠的板簧设计。实验验证的曲线部分用实线表示，而虚线则表示该区域外的简化估计（外推）。请注意，曲线（位置和坡度）之间存在显著差异，这将明显导致不同的疲劳寿命估计。应该认为，最佳的W-H 曲线，即在一定应力幅度下表现出较高疲劳寿命的曲线，通常与较高的生产成本有关。应考虑到，如果技术上“最佳”的生产过程与最终板簧成本不平衡，有时可能会被拒绝。此外，很明显，由于缺乏实验验证，导致疲劳寿命数小于低周疲劳极限（nlt;104个周期）的应力无法（也不应）准确评估。
应强调的是，一旦对部件的疲劳寿命进行了调查，就不可避免地要进行统计评估。因此，图6所示的曲线表示存活概率ps=90%，这是板簧耐久性问题中常见的一种，当与图5所示的设计谱一起使用时，尽可能避免早期失效的出现。
图5。（a）垂直荷载和（b）和（c）制动作用的荷载谱（分别为垂直荷载和纵向荷载）。
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- 制造要求
包括设计一致性（形状和尺寸在规定公差内）以及最终产品材料性能。第一部分非常简单，而第二部分则更加复杂。例如，最终产品疲劳数据必须整合所有疲劳影响因素，如尺寸（此处表示为叶片厚度）、表面粗糙度、残余应力因素等。这些因素高度依赖于制造质量（缺乏缺陷，如重叠），尤其是表面处理性能（DEC碳化程度，应力喷丸过程，凝固过程）
图6。标准化设计W_hler（S–N）曲线和不同弹簧制造商的相应曲线。
如果图7符合EN 10092标准[6]，则必须特别注意在不同剖面类型上施加应力冲击。剖面A有一个圆形边缘，在这里，即使没有以入射角进行爆破，也可以在喷丸过程中很容易地击中弹丸，而由于与弯曲中性轴的距离较小，该区域的弯曲应力会减小。另一方面，剖面C需要以入射角爆破，以
资料编号：[3303]
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