微型電動(dòng)車中凸形減振彈簧的非線性分析

于玉真，李志斌，肖 健

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009）

微型電動(dòng)車中凸形減振彈簧的非線性分析

于玉真，李志斌，肖 健

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009）

0 引言

隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，要求汽車制造商在設(shè)計(jì)制造時(shí)充分考慮“以人為中心”的設(shè)計(jì)理念，利用人體工程學(xué)設(shè)計(jì)室內(nèi)及車身等布局。另外車輛在行駛過程中路況不可預(yù)測，需要我們合理的選擇和設(shè)計(jì)減振元件來緩沖吸振。

目前一些微型電動(dòng)車的減振元件仍采用圓柱型、定直徑、定節(jié)距的線性彈簧，雖然在結(jié)構(gòu)、成本、制造等方面具有一定優(yōu)勢，但它不能滿足人們在操控性及舒適性等方面日益提高的苛刻要求，同時(shí)還需要配置阻尼器來吸收劇烈沖擊產(chǎn)生的能量，這樣亦增加了電動(dòng)車的設(shè)計(jì)成本。隨著制造水平的不斷提高，非線性彈簧的設(shè)計(jì)與使用，很好的解決了這一問題。這不僅提高了汽車的行駛平順性，同時(shí)對汽車的穩(wěn)定性，安全性都起到了改善作用[1]。這類彈簧的最大優(yōu)點(diǎn)是變形與負(fù)載呈非線性關(guān)系，彈簧的剛度隨路況的不同，負(fù)載的大小而變化。中凸形彈簧是一種典型的非線性彈簧，該彈簧在結(jié)構(gòu)上有利于減少彈簧的最大壓并高度及撓度，尤其是在軸向空間有限，徑向空間充足時(shí)這類彈簧優(yōu)勢較明顯[2]。

本文以一款微型旅游觀光電動(dòng)車前減震器中的中凸形減振彈簧為例，通過有限元分析法研究了其載荷與變形之間的關(guān)系，并利用實(shí)驗(yàn)的方法對該分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 彈簧有限元模型的建立

微型電動(dòng)車前減振器上的彈簧分別連接在懸架與底盤的彈簧座上，一方面用來支撐車身載荷，另一方面用來緩解不良路況對車身造成的沖擊振動(dòng)。結(jié)合減振彈簧的實(shí)際情況，以及考慮到分析該彈簧時(shí)所承受法向載荷的施加方式，在彈簧的兩端添加彈簧座，以保證彈簧法向力的施加[3]。彈簧的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 中凸形螺旋彈簧參數(shù)

用CREO2.0建立彈簧的三維實(shí)體模型，如圖1所示。

2 中凸形彈簧的有限元分析

2.1 網(wǎng)格劃分及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分及非線性分析。這里采用可控性較強(qiáng)計(jì)算精度較高的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高計(jì)算速度，又不影響計(jì)算精度，彈簧的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3mm，上下兩個(gè)彈簧座的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10mm。由于是非線性大變形分析，所以shape checking一項(xiàng)設(shè)置為aggressive mechanical，嚴(yán)格監(jiān)控網(wǎng)格質(zhì)量。劃分網(wǎng)格后的模型共有136278個(gè)節(jié)點(diǎn)，43324個(gè)單元，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 彈簧三維實(shí)體模型

圖2 彈簧模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

由于彈簧在被壓縮的過程中，端部可能會(huì)與彈簧座接觸，兩端小節(jié)距部分也可能會(huì)發(fā)生并圈現(xiàn)象，這會(huì)影響到彈簧剛度，所以要考慮接觸問題?；诮佑|面與目標(biāo)面的選擇原則：1）網(wǎng)格細(xì)密的元件為接觸面；2）凸面相對于凹面和平面為接觸面。所以定義彈簧面為接觸面，彈簧座為目標(biāo)面，設(shè)置接觸類型為rough。

2.2 約束與載荷處理

彈簧所承受的力主要來自車架、人、電池等載荷，總重8000N。平均每個(gè)彈簧承受2000N的法向壓力，將彈簧底座設(shè)置為固定約束，上座釋放縱向自由度，約束其他方向的自由度，并施加2000N的法向力。

2.3 計(jì)算求解與結(jié)果分析

ANSYS Workbench的位移收斂是基于力的收斂而收斂的，以力為基礎(chǔ)的收斂提供了收斂量的絕對值，一般使用力收斂準(zhǔn)則，否則會(huì)產(chǎn)生一定偏差，甚至造成假收斂[4]。經(jīng)過Workbench非線性迭代求解，當(dāng)?shù)?7步后殘差在收斂準(zhǔn)則下方并小幅波動(dòng)，此時(shí)力收斂。此時(shí)可進(jìn)一步提高網(wǎng)格質(zhì)量，合理調(diào)整步長大小以減小殘差的振蕩[5]。平衡迭代過程時(shí)間跟蹤情況如圖3所示。

圖4、圖5分別是中凸形螺旋彈簧變形及應(yīng)力云圖，圖6為應(yīng)力—變形曲線。由圖4、圖5知彈簧的最大位移量為58.3mm，最大應(yīng)力為612MPa，最大應(yīng)力分布在彈簧內(nèi)側(cè)，并且應(yīng)力由內(nèi)到外，由中部到兩端遞減。同時(shí)還可以看出在2000N的壓力下，彈簧未發(fā)生并圈現(xiàn)象。

圖3 平衡迭代過程時(shí)間跟蹤圖

圖4 位移云圖

圖5 應(yīng)力云圖

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上分析結(jié)果，對樣品彈簧在減震器靜態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測試，測試用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。該裝置由壓力傳感器、XMT604智能控制（變送）儀及傳動(dòng)絲杠等組成。變形大小用卡尺讀出，力由智能控制儀顯示，測試結(jié)果如表2所示。

圖6 位移—應(yīng)力曲線

圖7 減震器靜態(tài)試驗(yàn)臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

測得中凸形彈簧在垂直方向上的載荷與位移的關(guān)系曲線并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 位移—力曲線

從圖中可以看出，當(dāng)力由0增加到500N的時(shí)候，該曲線的變化率較小，當(dāng)力由700N增加到1500N時(shí)，曲線的變化率明顯加大，當(dāng)力超過1500N以后，曲線變化率又逐漸變小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)基本吻合，出現(xiàn)偏差是由于在彈簧參數(shù)的測繪中測量不精確所引起的。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)與仿真對比表明中凸形螺旋彈簧具有明顯的非線性特性，彈簧內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)應(yīng)力，最大應(yīng)力在彈簧內(nèi)側(cè)中部，并向兩端遞減，說明彈簧疲勞破壞最有可能發(fā)生在彈簧內(nèi)側(cè)中間位置。ANSYS Workbench12.0可以比較精確的計(jì)算彈簧應(yīng)力分布情況，對彈簧加工工藝的優(yōu)化提供一定參考。

在小載荷小沖擊下中凸形彈簧剛度較大，變形量較小。當(dāng)載荷或沖擊增大到一定程度時(shí)，彈簧剛度減小，變形隨之增大，這無疑提高了電動(dòng)汽車的行駛穩(wěn)定性及乘客的舒適性。此型號中凸形螺旋彈簧在2000N的加載力下未并圈，設(shè)想當(dāng)力繼續(xù)加大發(fā)生并圈現(xiàn)象，有效圈數(shù)減小，剛度增加，變形量減小。說明了現(xiàn)實(shí)模型在大沖擊下中凸形彈簧具有良好的非線性應(yīng)變能力，中凸形螺旋彈簧在汽車減震器上的使用是非常適合的。

[1]雷鐳,左曙光,楊憲武,王紀(jì)瑞,秦立州. 汽車后橋懸架中凸形螺旋彈簧有限元分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,11:102-106.

[2]李小平,嚴(yán)世平.中凸型螺旋壓縮彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算方法的探討[CDB/OL)http://www.doc88.com/p-499336532677.html.

[3]楊峰. 基于ANSYS的汽車懸架螺旋彈簧有限元分析[J].機(jī)械,2011,07:23-25.

[4]ANSYS的非線性收斂準(zhǔn)則[EB/OL]http://hi.baidu.com/chendonghua123/item/e68134eaf04df20c65db001a.百度空間2010.05.14.

[5]FLUENT:“殘差曲線振蕩”新浪微博[EB/OL)http://blog.sina.com.cn/s/blog_6817db3a0100k5rh.html.2010.7.7.

Nonlinear analysis for the convex shock sbsorption spring of micro electric vehicles

YU Yu-zhen，LI Zhi-bin，XIAO Jian

中凸形彈簧作為汽車彈性元件的使用，在一定程度上改善了汽車的行駛平穩(wěn)性。以唐山市電動(dòng)汽車重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所研制的微型電動(dòng)汽車前減震器中的中凸形減振彈簧為研究對象，通過測繪彈簧的相關(guān)參數(shù)，用CREO軟件建立彈簧的三維實(shí)體模型，并利用ANSYS workbench軟件對彈簧進(jìn)行非線性分析，得出彈簧的應(yīng)力、變形等相關(guān)數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比表明，中凸形彈簧的有限元分析精度較高，分析結(jié)果為其他非線性彈簧的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。

中凸形彈簧；有限元；非線性；ANSYS workbench

于玉真（1974 -），男，河北武邑人，副教授，博士，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車技術(shù)和數(shù)字化仿真。

TH135

A

1009-0134(2014)06(上)-0065-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).18

2014-01-16

唐山市科技計(jì)劃：微型電動(dòng)汽車車身成型設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究（13130232A）