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1、摘要随着我国基础设施建设的快速发展，混凝土搅拌运输车作为一种运输混凝土的专用车被广泛应用。其施工过程一般由满载运料和空载返回两种状态组成，在整个过程中满载和空载的时间各占50%。目前混凝土搅拌运输车的前悬架设计指标一般只考虑满载舒适安全的要求，而不考虑空载状态，导致空载时有明显的共振现象，严重影响搅拌车的舒适性。在悬架装置中，钢板弹簧起传递车轮与车架之间的力和力矩,缓和路面不平引起振动和冲击的作用，是车辆设计优劣的关键之一，因此优化其结构和性能参数对车辆安全性和舒适性具有重要意义。在各类钢板弹簧中，变刚度少片簧因结构简单，成本低，质量轻，适应性好等优点，已成为悬架装置研究的重点，是未来高性能搅
2、拌车前悬架装置的发展趋势。本文通过前期大量的调查和研究，拟设计一种搅拌车专用前悬架变刚度少片簧，使其既能保证搅拌车满载时的行驶安全，又能大大提高空载时的乘坐舒适性能。首先，对比分析各类钢板弹簧的特性，选择变刚度钢板簧作为研究目标；其次，根据多种理论方法，建立钢板弹簧的数学模型，并进行应力和模态分析，得到一种满足要求的变刚度少片簧；最后通过台架试验和道路试验，验证仿真分析结论。本研究既解决了搅拌车使用中遇到的现实问题，同时也促进了专用车设计水平的发展，在理论应用方面有积极意义。关键词： 混凝土搅拌运输车 钢板弹簧 仿真 应用 Abstract目录摘要1Abstract2目录3第一章 绪论51.1
3、 研究目的和意义51.2载货汽车用钢板弹簧的概况51.3、钢板弹簧的特性61.3.1多片钢板弹簧的特性61.3.2少片变截面钢板弹簧的特性81.4、钢板弹簧的功能结构81.5、钢板弹簧应用中存在的舒适性问题101.6本课题研究内容和意义11第二章 钢板弹簧的计算模型分析132.1 钢板弹簧的力学模型概况132.2 钢板弹簧计算的材料力学基础132.2.1 等截面简支梁和悬臂梁132.2.2 梯形简支梁和梯形悬臂梁152.3共同曲率法172.3.1板片厚度相同的多板弹簧的计算172.3.2 板厚不同的多板簧计算182.4 集中载荷法202.5 综合法222.6 有限元分析法242.6.1 什么是
4、有限元242.6.2 有限元法的发展概况252.6.3 通用有限元软件ANSYS的介绍262.6.4结构分析在ANSYS的实现262.7多片钢板弹簧有限元模型的建立272.7.1 多片钢板弹簧强度和刚度分析272.7.2 多片钢板弹簧模态分析322.7.3 多片钢板弹簧有限元计算结果分析342.7.4本章小结35第三章 钢板弹簧的试验研究与分析363.1 试验项目及其方法363.1.1 弹簧特性试验363.1.2 台架疲劳试验363.2试验验证373.2.1试验对象373.2.2 试验条件383.3试验过程简介383.4 样车的试验分析383.4.1 激励源识别383.4.2 悬架参数的影响分
5、析403.4.3 悬架参数调整的测试验证413.4.4 样车改善对策413.4.5 结论423.5 改进前少片簧应力道路试验433.5.1 试验用少片钢板弹簧433.5.2 试验状态433.5.3 试验结果443.6 改进后少片簧应力台架试验453.6.1 试验用少片钢板弹簧453.6.2 测试状态463.6.3 试验结果463.6.4 试验分析473.7 改进后少片簧整车道路试验483.7.1 试验用少片钢板弹簧493.7.2 台架试验493.7.3 道路试验493.8 本章小结493.9 整车振动对比试验503.9.1 试验测试基本情况及环境状况503.9.2 试验测试513.9.3本章小
6、结54四 总结554.1研究的主要内容554.2研究展望56第一章 绪论1.1 研究背景及意义 安全、节能、环保、舒适性和耐久性是衡量现代载货汽车性能的五大指标，其中与顾客使用感受最密切的是车辆的乘坐舒适性，目前已受到各研究机构的广泛重视。其中对于载货汽车行驶平顺性、操作稳定性、横向稳定性及纵向稳定性、通行性、燃油经济性以及噪音和隔振性影响比较重要的载货汽车总成，就是汽车悬架。 悬架通常由弹性元件、导向机构及避震机构组成，其中弹性元件是最重要的。钢板弹簧是载货汽车悬架中最早采用的弹性元件。由于其具有：（1）结构简单，制造、维修方便、价格经济；（2）除了垂向载荷外，还能将侧向力、纵向力及其力矩从
7、车轮传递到车架或车身；（3）能使上述作用力合理地分布到车架或车身上；（4）可实现悬架弹性特性的渐变性等优点，从而获得了广泛的应用。随着在结构形式、设计方法及材料性能、加工工艺方面的不断发展，钢板弹簧能够更好地满足整车性能、疲劳寿命以及轻量化设计的要求。直到现在钢板弹簧仍是载货汽车和部分客车的非独立悬架中主要采用元件。目前混凝土搅拌运输车（以下简称搅拌车）采用的都是通用的载货汽车底盘背一个搅拌筒上装，搅拌车与普通的载货汽车相比，在运输方面有其特殊性，始终处于满载送料与空车返回循环中，空载和满载运输时间各占50%。目前大量搅拌车司机反馈空车回程车辆振动大，极不舒适。在通常的载货车板簧设计舒适性指标
8、方面，大多数只考虑满载舒适安全要求，牺牲了空载舒适要求，但针对搅拌车的特殊工况要求，必须考虑空车舒适安全要求【1-3】。该研究的目的，是研究设计开发一款搅拌车专用前悬架钢板弹簧，既能满足满载送料安全，又能满足空车回程舒适。1.2载货汽车用钢板弹簧的概况从汽车诞生到现在，钢板弹簧一直是汽车悬挂弹簧的主要形式，汽车钢板弹簧不仅起着弹性元件的作用，而且也能起导向元件的作用，并且能够传递各种力和扭矩，其中片间的摩擦还可以部分衰减振动，更重要的钢板弹簧具有结构简单，可靠性高和加工方便的优点所以汽车发展到今天，钢板弹簧始终没有被淘汰，它广泛的应用在除轿车外的各种载货汽车中。常见的汽车钢板弹簧有多片等截面式
9、、主副复合式、少片变截面式、渐变刚度式等几种，如图1-1中（a）、（b）、(c)、（d）所示。其中多片等截面式和少片变截面属于定刚度簧，主副复合式和渐变刚度式簧属于变刚度簧【4】。（a） 多片等截面式（b） 主副簧复合式（c） 少片变截面式（d） 渐变刚度式图1-1 常见的车用钢板弹簧在采用传统弹簧的吸震式悬架设计上，弹簧起支持车身以及吸收不平路面和其他施力对轮胎所造成的冲击的作用，而这里所谓的其他施力包含加速、减速、制动、转弯等对弹簧造成的施力。更重要的是在消除振动的过程中要保持轮胎与路面的持续接触，维持车辆的循迹性。如果弹簧很软，则很容易出现坐底的情况，即将悬架的行程用尽。假如在转弯时发生
10、坐底情况，则可视为弹簧的弹力系数变成无限大(已无压缩的空间)，车身会立即产生质量转移，使循迹性丧失。如果这辆车有着很长的避振行程，那么或许可以避免坐底，但相对的车身也会变得很高，而很高的车身意味着很高的车身重心，车身重心的高低对操控表现有决定性的影响，所以，太软的弹簧会导致操控上的障碍。 如果路面的崎岖度较大，那就需要比较软的弹簧才能确保轮胎与路面接触，同时弹簧的行程也必须增加。弹簧的硬度选择要由路面的崎岖程度来决定，越崎岖要越软的弹簧，但要多软则是个关键的问题，通常这需要经验的累积。一般来说，软的弹簧可以提供较佳的舒适性以及行经较崎岖的路面时可保持比较好的循迹性；但是，在行经一般路面时，却会
11、造成悬架系统较大的上下摆动，影响操控。而在配备有良好空气动力学组件的车辆上，软的弹簧在速度提高时会使车高发生变化，造成低速和高速时不同的操控特性。一般载货汽车均采用钢板弹簧作为弹性元件的非独立悬架，因钢板弹簧既有缓冲、减振的功能，又起传力和导向的作用，使得悬架结构大为简化。 为了充分利用材料，钢板弹簧做成接近于等应力粱的形式，分为2种类型：一种是等厚度，宽度呈现两端狭，中间宽，即多片钢板弹簧，传统的钢板弹簧就是这一类型。这种钢板弹簧由多片长度不等、宽度一样的钢片迭成，现在多数大客车、货车都使用这种钢板弹簧。另一种是等宽度、两端薄、中间厚的。常见的少片钢板弹簧就是这一类型，多用于轻中型汽车。多片
12、钢板弹簧的各片钢板叠加成倒三角形状，钢板的片数与支承汽车的质量和减振效果相关，钢板越多越厚越短，弹簧刚性就越大；但是，当钢板弹簧挠曲时，各片之间就会互相滑动摩擦产生噪声，摩擦还会引起弹簧变形，造成行驶不平顺，因此，在承载量不是很大的汽车上，就出现了少片钢板弹簧，以消除多片钢板弹簧的缺陷。少片钢板弹簧的钢板截面变化大，从中间到两端的截面是逐渐不同，因此轧制工艺比较复杂。为了减轻质量和轧制工艺难度，目前出现了一种纤维增强塑料(FRP)代替钢板，质量可减少1/2 以上【5】。 钢板弹簧的中部一般固定在车桥上。主片卷耳受力严重、是薄弱处，为改善主片卷耳的受力情况，常将第二片末端也弯成卷耳，包在主片卷耳
13、的外面(亦称包耳)。为了使得在弹簧变形时各片有相对滑动的可能，在主片卷耳与第二片包耳之间留有较大的空隙。有些悬架中的钢板弹簧两端不做成卷耳，而采用其他的支承连接方式( 如非独立悬架) 。中心螺栓用来连接各种弹簧片，并保证各片装配时的相对位置。中心螺栓到两端卷耳中心的距离可以相等，也可不相等者。 钢板弹簧端部有三种结构型式：端部为矩形的钢板，其制造简单，广泛应用在载货汽车上；端部为梯形的钢板，其质量小、节省钢材，较多的用在载货汽车上；端部为椭圆形的钢板，这种结构改善了应力分布状况，片端弹性好，片间摩擦小，重量也较轻，但制造工艺复杂，成本较高，一般在轿车上应用较多。钢板弹簧将车桥与车身连接起来，起
14、到缓冲、减振和传力的作用。由于载货汽车后悬架载质量变化较大，为了保持悬架的频率不变或变化不大，广泛地在后悬架中采用副钢板弹簧总成。副钢板弹簧总成一般装在主钢板弹簧总成上方，当后悬架负荷较小时，仅由主钢板弹簧起作用。在负荷增加到一定程度时，副钢板弹簧总成与车架上的支架接触，开始起作用。此时，主、副钢板弹簧一起工作，一起承受载荷而使悬架刚度增大，保证车身振动频率不至因载荷增加而变化过大。 为了进一步改善钢板弹簧的受力状况，可采用不同形状的断面。矩形断面钢板弹簧结构简单，但受拉应力一面的棱角处易产生疲劳裂纹；采用上下不对称的横断面，由于断面抗弯的中性轴线上移，不但可减小拉应力，而且节省了材料。在车架
15、加载弹簧变形时，钢板弹簧各片之间产生相对滑动进而产生摩擦，此时钢板弹簧本身具有一定的减振作用。如果钢板弹簧各片之间产生干摩擦时，轮胎所受到的冲击要直接传给车架，并直接使钢板弹簧各片磨损，故安装钢板弹簧时，应在各片之间涂上适量的石墨润滑剂。 钢板弹簧各片之间有相对滑动而产生摩擦，可以促进车架振动的衰减，即起减振作用。除此外，钢板弹簧本身还兼起导向机构的作用，控制车轮相对车身按规定轨迹进行运动，以获得较好的操纵稳定性。另外钢板弹簧还在车轮与车架间起传递各个方向力矩的作用。导向机构的断裂将直接危及整车安全性，对于独立悬架应尤为注意。 钢板弹簧多用于厢式车及卡车，由若干片长度不同的细长弹簧片组合而成。它比螺旋弹簧结构简单,成本低,可紧凑地装配于车身底部，工作时各片间产生摩擦，因此本身具有衰减效果。但如果产生严重的干摩擦, 就会影响吸收冲击的能力。重视乘坐舒适性的现代轿车很少使用。1.3 钢板弹簧的特性
