摘 要

为了让汽车朝着降低油耗，提高舒适性的方向走，当代社会在汽车板簧的舒适性，稳定性，耐久度，以及轻量化进行大量研究。因为复合材料的各项性能并不比钢材差，而且最关键的是，复合材料重量比钢材料轻很多，所以可以很好地替代我们目前通用的钢材。而且在此情况下它的刚度和强度还能满足我们所需的条件，节省油耗，提高耐久度。

所以，对于国家使用钢板弹簧的情况和现状来说，研究的车型是包含有主簧和副簧的，然后使用的材料是复合材料，从而来取代传统的钢材，需要借助复合材料层合板的理论，从而来建立起我们所需要的数学模型，将刚度和强度作为约束的条件，把板簧的最小质量当目标函数，再借助matlab里面的优化工具箱，对结构进行优化，从而就可以得到当板簧最小的质量的时候的最佳尺寸。

为了便于我们更好的进行有限元分析，板簧的三维建模可以在UG中进行建模，然后可以将这个模型导出来，改成有限元可以读取的格式，再弄到有限元软件中，转化成成有限元的实体模型，对模型进行分析，得出分析结果，验证我们的优化的结构是否合理。

关键词： 复合材料；板簧；优化；有限元

Abstract

In order to reduce fuel consumption and improve comfort of automobiles, a lot of research has been done on comfort, stability, durability and lightweight of leaf springs in contemporary society. Because the composite material has good corrosion resistance, high strength, and most importantly, the weight of the composite material is much lighter than that of the steel material, so it can be a good substitute for our current general steel. In this case, its stiffness and strength can also meet our requirements, save fuel consumption and improve durability.

Therefore, for the situation and current situation of using leaf springs in our country, the models we studied include the main spring and auxiliary spring, and then we use composite materials to replace the traditional steel. We need to use the theory of composite laminates to establish the mathematical model we need, and take stiffness and strength as constraints. The minimum mass of leaf spring is the objective function, and then we use the optimization toolbox in MATLAB to optimize the structure, so that we can get the optimum size when the minimum mass of leaf spring.

To make our own finite element analysis better, our three-dimensional modeling can be modeled in UG. Then we can derive this model, change it into a format that can be read by the finite element method, get the solid model of the finite element in the finite element software, analyze our model, get the analysis results, and verify whether our structure is reasonable.

Keywords: compound material; leaf spring; optimization; FEA

目 录

第 1章 绪论 1

1.1概述 1

1.2汽车的悬架系统 1

1.2.1 汽车悬架系统中的弹性元件 2

1.2.2悬架系统中的阻尼 3

1.3汽车钢板弹簧的发展以及国内外研究情况 3

1.3.1汽车钢板弹簧的发展 3

1.3.2汽车钢板弹簧的设计计算方法 4

1.4复合材料简介 4

1.4.1 复合材料定义和分类 4

1.4.2 复合材料的发展和应用 4

1.5本文的研究内容和意义 5

第2章 复合材料汽车板簧的优化设计 6

2.1优化理论基础 6

2.1.1最优化问题基本概念 6

2.1.2最优化问题分类 6

2.1.3优化算法 7

2.2板簧材料的选择 7

2.3 板簧的尺寸和选择 8

2.3.1 主簧尺寸的设计 9

2.4 板簧的优化设计 9

2.4.1 设计变量 9

2.4.2 目标函数 10

2.4.3 约束方程 10

2.5 算例 11

2.6 小结 12

第3章 复合材料板簧的有限元静态分析 13

3.1 板簧的三维建模 13

3.1.1板簧自由状态下的曲率半径 13

3.1.2板簧的三维模型的建立 14

3.2汽车板簧的有限元分析 17

3.2.1 汽车板簧有限元分析步骤 17

3.2.2 非线性有限元分析要注意的问题 17

3.2.3 汽车板簧有限元分析过程 18

3.2.4 关于接触对的设置 18

3.3有限元分析结果 18

3.3.1装配预应力分析 19

3.3.2变形、应力分析 21

3.4 本章小结 23

第 4章 结论与展望 24

4.1结论 24

4.2展望 24

参考文献 25

致谢 26

第 1章 绪论

1.1概述

用来连接我们车身、车轮、车架的结构系统，就是我们汽车当中的悬架系统，像什么避震器、悬架弹簧、防顺杆、下控臂、纵向杆、转向臂节等杆件都在这个结构里面。当汽车在路面上行驶的时候，汽车就会受到地面对汽车的冲击力，而这个冲击力，有一小部分是传给了轮胎，而更多的是被悬架装置吸收。

悬架系统是用来传递车轮和车架间的力和扭矩，还能逐渐减小车身由于受到力的作用下所产生的振动，这样就能让我们的汽车在路面上能平稳的行驶。

通用的汽车板簧都是用疲劳性能好的弹簧钢来进行制造的。但是随着汽车行业发展越来越迅速，安全、节能、环保型的汽车已成为 21 世纪汽车发展的主流，而要实现安全、节能和环保这一目标，汽车轻量化则是 佳的途径^{[ 1~3]}。汽车悬架又可成独立悬架和非独立悬架，而非独立悬架的两个车桥是相互影响的。比如当当这边的车轮因为受到冲击发生晃动的时候，那么另一边的车轮同样也是会受到影响的，而这样的悬架就是非独立的悬架。和非独立悬架不同，独立悬架的车身上的两个车桥是断开的，两侧的车轮是互不影响的，其中一个发生晃动但是不会影响到另外一个，所以才会叫独立悬架。悬架的组成里面有弹性元件，而弹性元件就有钢板弹簧等弹簧，每个弹簧的特点是不一样的，作用也不一样，应用的地方也是不一样的，然后汽车板簧是我们这次的研究对象，起到减震导向的作用，简化我们的悬架结构，可以降低我们汽车的制造成本，因为目前来说，钢板弹簧还是使用的最多的板簧。

1.2汽车的悬架系统

汽车的平顺性，指的是当汽车在行驶的时候，除掉那些因为意外而受到冲击的因素，让人觉得难受，劳累，平顺性因为是根据乘坐的舒适程度决定的，当代汽车重要的性能之一就有平顺性。

控制汽车振动系统的动态特性是研究汽车平顺性的重要目的，让振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过一定限制，从而保持舒适性。可以用客观和主观的评价方法去评价汽车的舒适性。主观评价法主要是靠乘坐人员自身的体验和感觉来判断的。客观评价法则是通过仪器，记录，计算总结归纳做出分析，作出客观评价。

而悬架同样也是保证汽车平顺性的一个非常重要的部件。悬架中的各种弹性元件都会汽车的平顺性产生较大的影响。

弹性元件一般来说都是起到缓冲作用的。因此减少汽车的悬架刚度 ，能够降低车身的固有频率，可以减小车身。我们可以通过悬架系统提高平顺性。通过悬架系统来提高汽车平顺性的方式有很多，如：（1）采用独立悬架结构，减小非簧载的质量。采用主动悬架，这样我们能够及时对悬架的参数进行调整，从而可以让我们的悬架性能接近于最优，兼顾汽车的操控稳定性与平顺性。（2）我们还可以选择那些具有非线性特性的弹性元件（3）可以通过改进减振器的性能，采用可调式减振器，比如磁流变减振器、电流变减振器、机械可调式减振器机械可调式减振器等。（4）在线性悬架结构里面，加入复合弹簧、辅助弹簧，还可以采用合适的导向机构。

1.2.1 汽车悬架系统中的弹性元件

可以通过一系列的研究，到最后是可以发现汽车平顺性的一个重要参数是悬架固有频率。而车身的前面部分和后部部分的振动频率则可以写成：

(1.1)

(1.2)

K1、K2是前后悬架的刚度；m1和m2是前后悬架簧载质量；

悬架的静挠度与刚度和簧载质量见得表达式为 ，

代入1.1和1.2后得到

（1.3）

（1.4）

，是前悬架和后悬架分别在簧载质量m1和m2作用下的静挠度

因此我们可以能够看出来，汽车的振动频率适合悬架的静挠度有一定关系的，同样的还能看出来，降低汽车振动的固有频率我们是可以通过减小板簧的刚度来实现的，这样的话汽车的平顺性就能得到提高。所以我们在设计悬架的时候，先按照平顺性决定汽车的固有频率，再按照1.3和1.4决定静挠度。而且，如何去进行前后悬架刚度的搭配也是我们要考虑的问题，我们必须要让前面悬架后面悬架的静挠度和偏频尽可能的接近，这样做是为了能够减少共振，不过后面的悬架的固有频率是要比前面的悬架的固有频率要高一点点。

如果汽车在凹凸不平的路面上行驶的时候，那么汽车的平顺性就不会太好，所以悬架系统应该还需要具有一定的动挠度，而动挠度则是和汽车的车型和路面情况有关的，用静挠度确定。各车型的偏频和静挠度范围如下表1.1^{[ 6]}

表1-1 不同车型悬架系统的静挠度、动挠度、固有频率的关系

通过以上我们可得，增加静挠度是肯定可以减小刚度的，继而能改变平顺性，但是刚度太大的话明显是不可以的，这样的结果就是会导致车声侧偏比较明显，会极大的影响我们汽车的平顺性。

所以为了改善这种情况，我们必须采用一些方法，从而来改善这种情况。

1.2.2悬架系统中的阻尼

连接车轮和主体的弹性构建就是悬架，悬架虽然是有弹性的，但是刚度的确是能够确保汽车的平顺性以以及稳定性 当汽车在路面上行驶的时候，悬架不仅仅可以抵消路面给汽车带来的冲击力，还能保持车身的稳定行驶。悬架里面是有包括阻尼器的，而阻尼器的一个很重要作用就是用来减弱振动的。

因此为了能够更多的减少汽车在垂直方向振动，就有必要添加阻尼。阻尼系数小的话，振动时间就会较长，会感觉有不适感，但阻尼系数太多，将会使地面的冲击传到车身。因此我们还是必须选一个比较合理的阻尼，不仅可以是舒适性比较合适，而且对车身的冲击也是在一个合适的范围内的。

1.3汽车钢板弹簧的发展以及国内外研究情况

1.3.1汽车钢板弹簧的发展

目前汽车领域所使用悬挂弹簧有元簧和弹簧钢板两种类型，一般的汽车钢板弹簧类型为：有渐变刚度式、多片等截面式、主副簧复合式、少片变截面式、这四种^[4]。

轻型货车、中型货车、重型货车以及客运车所使用钢板弹簧都为弹簧扁钢，卡车一般所使用的板簧为等截面钢板簧，重型车则用的是等截面，而客车用的则是变截面。不过变截面制造难度相对来说比较大，目前全国只有东风公司才可以做。

汽车板簧的质量大约站整个汽车质量5％-7％，随着人们的需求，和对汽车要求的不断提高，要求就要求汽车板簧的轻量化，所以钢板弹簧有着向变截面刚度发展的趋势。美国的某一家公司从1955年就开始研制少片变截面钢板弹簧。1961年的时候美国在轿车上使用了加大宽度的板簧，再往后发展，使用变截面钢板弹簧的汽车已经越来越多，而且发展的越来越快，变截面钢板弹簧的发展已经越来越迅速。通用汽车公司 1961 年在Chevy II轿车上装用了两端宽度稍有扩展的变截面弹簧，1966年的Oldsmobile Tovonado高级轿车上也采用了变截面弹簧。美国三大汽车公司在 1978年采用变截面板簧的汽车占采用板簧的汽车的 60％^[5]

少片变截面钢板弹簧各片的工作强度相似，厚度沿着片长方向有着一定的规律，片中的应力均匀分布的，片之间的垫片缩短了接触的长度、减少了动摩擦和刚度，对平顺性有很大的提高。而且这类板簧使用的材料比同功能的少了将近一半，降低了承办，所以这类板簧发展十分迅速。

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