重卡钢板弹簧U形螺栓有限元分析

重卡钢板弹簧U形螺栓有限元分析
时间：2011-05-16 12:48:14 来源：（三一重工工程车辆研究院）袁根旺，赵季华，石迁, 邓星雄, 陈祥仕,
翟计托
摘要：本文以重卡钢板弹簧U形螺栓为研究对象，对其进行有限元建模和分析，并与试验数据对比，验证了有限元模型的准确性。

在此基础上，通过有限元分析，探讨两U形螺栓距离和U形螺栓预紧力的大小变化，对钢板弹簧和U形螺栓内部应力的影响，为钢板弹簧和U形螺栓的设计提供了依据。

Abstract：This paper sets up the analysis model of leaf spring and U-bolts on heavy truck. The analysis result was compared with the test result. Therefore the validity of the FEM model was proved. With the help of finite element method the relationship between the install distance of
U-bolts and the stresses in leaf spring and in bolts was investigated. Furthermore the influence of assembly preload of U-bolts on the change of stresses in leaf springs and in U-bolts was analyzed as well. The results can provide reasonable reference for design of leaf springs and U-bolts.
前言
钢板弹簧把车架和车桥弹性连接起来，除承受和传递各向作用力外，还起缓冲作用。

U形螺栓则将钢板弹簧刚性固定在车架上，承受并传递各向作用力和载荷。

钢板弹簧在悬架中起导向作用。

由于重卡很多时间行驶在工地上。

路面凹凸不平，使车架和车桥发生相对位移的倾向加大，由此产生的作用力和冲击载荷也较大。

这些力作用在钢板弹簧上，是一个交变负荷。

既有垂直载荷，又有横向载荷，并被传给U形螺栓承受。

随着冲击次数的增加，势必会使固定钢板弹簧的U形螺栓产生疲劳断裂[1]。

若出现超过U形螺栓承受能力(强度极限)的冲击载荷，U形螺栓会被瞬间剪断。

若增大螺栓材料的强度极限，则它抵抗破坏的能力增加。

因此，换用高强钢的U形螺栓对预防断裂有一定的作用，但毕竟加强型U形螺栓材料强度的空间有限。

因此有必要通过改变布置形式来寻找降低U形螺栓在承载时的最大应力的方法。

国外各大汽车厂在钢板弹簧和U形螺栓的布置形式上也各不相同，见图1至图4。

本文通过有限元分析方法对钢板弹簧和U形螺栓进行分析，找出U形螺栓之间距离的变化和U形螺栓预紧力的大小，对钢板弹簧和U形螺栓的受力影响因素，为重卡悬架系统设计提供一定
依据。

1 有限元建模
在进行分析时，由于钢板弹簧和U形螺栓是对称布置。

为了简化模型，减少计算量，故分析时只取真实模型的四分之一作为有限元模型，对有限元模型施加对称边界条件。

在建模中，首先根据设计图纸对在装配以前处于自由状态的各片板簧分别建模。

所采用的都是六面体体单元。

采用这种单元有利于考虑板簧的设计细节，比较准确地反映应力集中情况。

在有限元法中，单元与单元之间通常是通过公共的节点来传递力的。

但是，在钢板弹簧的片与片之间，因为接触与否事先未知，而且接触后存在着滑移，所以不能建立公共的节点。

因此，在片与片的节点间加入接触条件，模拟片间的作用力[2]。

各片钢板在中心螺栓的作用下装配成板簧部件。

再用U形螺栓(两个有限元模型，U形螺栓的中心距分别为284mm和164 mm)安装在车桥上。

各片钢板在这些螺栓的作用区域(在各片钢板的中部)内被压平，并且没有相对滑移。

在建模时，把各片钢板在两个U形螺栓之间的部分变平。

在中间建出一个中心螺栓孔，然后将各片在中心孔孔上的节点耦合起来，以此来模拟板簧的装配过程。

即用中心螺栓和两个U形螺栓进行夹紧的过程。

由于此处不是板簧的危险部位，所以这样处理是合理的[3]，有限元模型如图5所示。

为了找出U形螺栓之间距离的变化对板簧和U形螺栓的受力影响，现做两种有限元模型如图6和图7所示。

图7所示有限元模型垫块比图6所示垫块短120mm（U形螺栓之间的距离缩短120mm）。

但图7所示模型的宽度比图6要宽16mm，来保证两个钢板弹簧有限元模型的刚度一致。

2 U形螺栓试验测试
2.1 试验方案
为了验证有限元模型的准确性，对U形螺栓(距离为284mm)进行了试验测试。

在U形螺栓上贴上应变片，如图9所示。

测量在加载过程中，U形螺栓的应变变化情况，进而可以计算出对应位置的应力变化。

实验设备采用北京航天数据技术有限公司的应变测量仪，如图10所示。

2.2 试验结果
经测量在U形螺栓贴应变片处的应变曲线如图11所示。

纵轴坐标为U形螺栓在150kN预紧力状态下，2.5倍满载载荷时贴应变片位置的应变变化量（单位为m/m），转换成应力值为399MPa。

按照下列公式计算：
式中：――材料的应力值
――材料的弹性模量
――材料的应变值
3 有限元分析结果对比
3.1 U形螺栓十五万牛预紧力有限元分析
从有限元计算结果得出，U形螺栓在受150kN预紧力且无外加载荷时，U形螺栓贴应变片处的有限元计算应力为391MPa（见图12）。

在U形螺栓受150kN预紧力及2.5倍满载载荷时，U形螺栓贴应变片处的有限元计算应力为802MPa，应力增加了411MPa(见图14)，和试验测得数据399MPa很接近，验证了有限元数模的准确性。

另外，同样刚度下，U形螺栓（U形螺栓距离284mm）在2.5倍动载下，其轴向载荷（bolt load）由150kN（预紧力）增大到302kN；U形螺栓（U形螺栓距离164mm）的轴向载荷由150kN（预紧力）增大到291kN。

U形螺栓之间的距离变小，U形螺栓轴向载荷最大值减小了11kN，应力值也相应变小。

但最大值位置不变，都在U形螺栓的折弯处，如图16所示。

钢板弹簧的最大应力值从803MPa降低到786MPa，并且最大应力值的位置发生了变化。

板簧（U形螺栓距离284mm）最大应力发生在第七块板簧上（从上往下数），如图17所示。

而板簧（U形螺栓距离164mm）最大应力发生在第一块板簧上（从上往下数），如图18所
示。

钢板弹簧应力值详细变化如表1所示。

3.2 U形螺栓一千牛预紧力有限元分析
同样刚度下，在预紧力都是1kN的时候，U形螺栓之间的距离变小，上述变化依然存在，但变化更明显。

在2.5倍满载载荷下，U形螺栓（U形螺栓距离284mm）的轴向载荷（bolt load）由1kN（预紧力）增大到261kN；U形螺栓（U形螺栓距离164mm）轴向载荷由1kN （预紧力）增大到229kN，U形螺栓轴向载荷最大值减小了32kN。

U形螺栓内部的最大应力由937MPa降到了797Mpa下降了140MPa，如图23所示。

（U形螺栓距离284mm）（U形螺栓距离164mm）
图23 一千牛预紧力2.5倍满载U形螺栓应力图
结论
通过对钢板弹簧和U形螺栓的有限元分析和试验对比，验证了钢板弹簧和U型螺栓有限元模型的正确性。

经过有限元分析对比（U形螺栓之间的距离284mm/164mm和预紧力
150kN/1kN），结果表明，在同样刚度的钢板弹簧系统中，同样载荷下，两个U型螺栓的距离越短，钢板弹簧和U型螺栓承载时的最大应力越小。

并且，U形螺栓预紧力的变化对钢板弹簧和U形螺栓的应力变化有明显作用。