轎車(chē)懸架彈簧有限元分析

魯言輝

摘 要：本文通過(guò)大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)懸架螺旋彈簧進(jìn)行全面的有限元分析。利用ANSYS Workbench的靜力分析分析懸架彈簧在最危險(xiǎn)狀況下的應(yīng)力分布狀態(tài)以及螺旋彈簧各個(gè)部分的變形情況；通過(guò)有限元疲勞分析的到懸架彈簧的最大損傷的位置。經(jīng)過(guò)以上分析，不但確定了懸架彈簧剛度和強(qiáng)度的合理性，同時(shí)也能得到螺旋彈簧在整個(gè)受力過(guò)程中的受力變形情況及最大損傷出現(xiàn)的位置，為以后對(duì)螺旋彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究分析提出可行性建議及依據(jù)。

關(guān)鍵詞：懸架彈簧；有限元分析；應(yīng)力

引言

近年來(lái)，我國(guó)的私家車(chē)越來(lái)越多。為保證轎車(chē)行駛的性能，懸架彈簧的作用顯得尤為重要。目前，轎車(chē)懸架螺旋彈簧應(yīng)用較為廣泛。而螺旋彈簧分為圓柱螺旋彈簧及錐截面螺旋彈簧。錐截面螺旋彈簧的圓錐角越大，彈簧的剛度變化越大，自振頻率的變化越高，對(duì)于消除和緩沖共振越有利。但是錐角越大，材料的利用率越低，達(dá)到一定程度，彈簧甚至?xí)l(fā)生自鎖而不能回彈。因此，圓柱螺旋彈簧以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本身質(zhì)量小、縱向安裝空間不大、無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)被轎車(chē)廣泛應(yīng)用。本文選擇轎車(chē)懸架圓柱螺旋彈簧進(jìn)行有限元分析。

轎車(chē)懸架彈簧作為汽車(chē)底盤(pán)懸架的關(guān)鍵零件之一，它與轎車(chē)行駛的安全性、乘坐的舒適性和車(chē)體對(duì)復(fù)雜路面的適應(yīng)性密切相關(guān)，良好的汽車(chē)懸架彈簧是保障汽車(chē)運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素之一。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了解懸架彈簧的壽命和損傷對(duì)彈簧的應(yīng)用具有重大意義。

1、懸架螺旋彈簧三維模型的建立

本文以馬自達(dá)轎車(chē)的懸架螺旋彈簧為研究分析對(duì)象，其彈簧外徑D1=115.5mm，彈簧內(nèi)徑D2=83.5mm，自有高度H0=320mm，標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)A01-34-001，鋼絲直徑16mm，節(jié)距t=15mm，旋向?yàn)橛倚?，螺旋角tanα=t/πd。過(guò)Creo三維造型保存副本另存為**.stp格式。打開(kāi)ANSYS Workbench中的DM平臺(tái)，將**.stp文件導(dǎo)入即可。

2、懸架螺旋彈簧有限元模型的網(wǎng)格劃分

有限元模型網(wǎng)格劃分的質(zhì)量與計(jì)算精度有著密切關(guān)聯(lián)。質(zhì)量太差會(huì)增長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間或是導(dǎo)致計(jì)算失敗等。通常網(wǎng)格每一個(gè)邊角相差不大，網(wǎng)格單元的面不過(guò)分變形的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長(zhǎng)比、錐度比、內(nèi)角、翹曲量、拉伸值、邊節(jié)點(diǎn)位置偏差等指標(biāo)度量。

本論文采用六面體方法進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為5mm，劃分后模型求解較快，結(jié)果準(zhǔn)確，證明劃分合理。

3、懸架螺旋彈簧模型的邊界定義

在有限元分析過(guò)程中，為了準(zhǔn)確模擬懸架螺旋彈簧在轎車(chē)懸架系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，就必須對(duì)螺旋彈簧的有限元模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定。施加約束使螺旋彈簧的彈性形能正常發(fā)揮。本論文有限元分析對(duì)螺旋彈簧進(jìn)行邊界定義為：在螺旋彈簧的一端施加固定約束，在其另一端施加法向力并給出力的大小。

根據(jù)車(chē)身的質(zhì)量及懸架螺旋彈簧的個(gè)數(shù)，對(duì)其加載的載荷是2500N。

4、懸架螺旋彈簧的有限元靜力分析

對(duì)螺旋彈簧施加2500N的軸向載荷后，得到螺旋彈簧的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，懸架螺旋彈簧在受固定載荷時(shí)，其彈簧圈內(nèi)側(cè)所受的應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力是381Mp。螺旋彈簧所受的最大切應(yīng)力為162.03Mp。經(jīng)由上節(jié)公式，計(jì)算得到的彈簧所受的最大切應(yīng)力為167.4Mp基本相符。所以，校核螺旋彈簧的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)注意其內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值是否超過(guò)彈簧本身材料的應(yīng)力值。由此可見(jiàn)，在懸架螺旋彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意提高懸架螺旋彈簧內(nèi)側(cè)的強(qiáng)度及彈性性能，如降低粗糙度值、拋光、打磨等。

經(jīng)過(guò)懸架螺旋彈簧有限元靜力分析，得到螺旋彈簧各部分的位移云圖。從圖中可以得到，彈簧位移變化量最大的地方在載荷的作用點(diǎn)位置，也就是彈簧的頂端，其位移量由上到下依次遞減，最大的位移為28.231mm。其結(jié)果與實(shí)際理論相符，表明了螺旋彈簧在2500N的載荷作用下并未發(fā)生失效，其彈性性能良好。

對(duì)螺旋彈簧進(jìn)行有限元靜力分析得到彈簧應(yīng)變?cè)茍D。從直觀上可以看出，螺旋彈簧的最大應(yīng)變出現(xiàn)在彈簧內(nèi)圈。應(yīng)變的分布與應(yīng)力的分布大致相同。這充分證實(shí)了應(yīng)變是由應(yīng)力引起的材料力學(xué)基本理論。通過(guò)螺旋彈簧受載后的應(yīng)力變化便可以得知螺旋彈簧的應(yīng)變變化。這為懸架螺旋彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)及受力分析，提供可行性依據(jù)。以后，在懸架螺旋彈簧受力較為簡(jiǎn)單時(shí)，可以只進(jìn)行應(yīng)力分析，由此推測(cè)彈簧的應(yīng)變情況。簡(jiǎn)化步驟，提高效率。

5、懸架螺旋彈簧的有限元疲勞分析

首先在求解完成后，選擇Solution工具欄中的Tools→Fatigue Tool，此時(shí)在樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中Solution下將出現(xiàn)Fatigue Tool對(duì)象。在設(shè)置細(xì)節(jié)窗口中吧Fatigue strength Factor改為0.8，Mean Stress Theory改為Mean Stress Curves。

依次求解輸出壽命（Life）云圖、安全系數(shù)（Safety Factor）云圖、損傷（Damage）云圖和等效交變應(yīng)力（Equivalent Alternating Stress）云圖。由懸架彈簧的疲勞壽命云圖可以看出，螺旋彈簧的疲勞壽命所在的范圍是5767.4min周?chē)壹苈菪龔椈蓧勖^長(zhǎng)，性能良好。由螺旋彈簧疲勞安全系數(shù)云圖可以看出，螺旋彈簧的安全系數(shù)普遍都在1以下，清楚明了。從螺旋彈簧疲勞損傷云圖可以看出，螺旋彈簧內(nèi)側(cè)損傷最為嚴(yán)重，大約是7.617e5左右。為懸架螺旋彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。由螺旋彈簧等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可以看出，螺旋彈簧所受的最大等效應(yīng)力為439.34Mp，還在彈簧的承受范圍內(nèi)。

總結(jié)得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

本彈簧在2500N的平均載荷作用下，彈簧整體損傷不大，壽命較長(zhǎng)，并未發(fā)生疲勞斷裂而引起彈簧的失效。說(shuō)明此彈簧在正常工作的情況下，具有良好的疲勞壽命，能使彈簧的彈性形能的良好發(fā)揮，保證轎車(chē)行駛的安全性。

6、總結(jié)與展望

螺旋彈簧在2500N靜力作用下，彈簧的應(yīng)變隨著應(yīng)力發(fā)生變化。其最大應(yīng)力總是分布在螺旋彈簧的內(nèi)側(cè)，這個(gè)地方可能是彈簧的應(yīng)力集中處。彈簧所受最大應(yīng)力并未超過(guò)彈簧的許用值，彈簧的彈性性能可以得到良好發(fā)揮。

通過(guò)對(duì)螺旋彈簧進(jìn)行疲勞分析得知螺旋彈簧在2500N固定載荷下的疲勞壽命及疲勞損傷分布。此時(shí)，彈簧的壽命較長(zhǎng)，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)彈簧不會(huì)發(fā)生疲勞失效。

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