基于三次設(shè)計法的懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

耿雪霄 趙宸 沈邵陽

摘 要：麥弗遜螺旋彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)決定剛度，而剛度直接影響著汽車的舒適性。文章通過采用三次設(shè)計法進(jìn)行懸架系統(tǒng)平順性穩(wěn)健設(shè)計，并計算彈簧剛度和車身垂直加速度均方值（汽車的舒適性指標(biāo)）及其增益，分析實(shí)際車輛的懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為不合理，結(jié)合合理的車身固有頻率范圍來對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：螺旋彈簧;剛度;車身垂直加速度均方值;優(yōu)化

中圖分類號：U463.33 ????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

圓柱螺旋壓縮是麥弗遜式懸架的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計至關(guān)重要，直接決定了彈簧的剛度，而彈簧剛度對車身加速度的影響比較大，在彈簧剛度增加的同時，車身垂向加速度也在不斷增大，但是考慮舒適性的問題，需盡可能的減小懸架彈簧剛度的大小，但是無限制的減小彈簧剛度時，車輛的吸振能力會變的很弱，影響車輛的整體性能。因此采用三次設(shè)計法進(jìn)行懸架系統(tǒng)平順性穩(wěn)健設(shè)計，可得出各結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響關(guān)系。三次設(shè)計法包括系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、容差設(shè)計三個階段，文章根據(jù)實(shí)際情況只介紹系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計兩種方法。計算彈簧剛度和車身垂直加速度均方值（汽車的舒適性指標(biāo)）及其增益，分析實(shí)際車輛的懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為不合理，結(jié)合合理的車身固有頻率范圍來對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1懸架彈簧的三次設(shè)計

1.1 懸架系統(tǒng)望目特性設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計一般包括望目特性、望大特性、望小特性等三類特性的設(shè)計模型。望目特性定義是在存在固定目標(biāo)值m（m≠O）時，希望系統(tǒng)輸出值Y圍繞目標(biāo)值波動越小越好的計量值特性。圓柱螺旋壓縮彈簧剛度和車身加速度均方值都是明確目標(biāo)的望目特性設(shè)計。

剛度計算公式：

式中G為材料切變模量，根據(jù)材料60Si2MnA選值為79000MPa;d為簧絲直徑，單位為mm;D為彈簧中徑，單位為mm;n為彈簧有效圈數(shù)，確定為4。

車身垂直加速度均方值計算公式：

式中為參考空間頻率，;為車速;為剛度比;為車身固有頻率;為彈簧剛度，約為160000N/m;為彈簧剛度;為簧下質(zhì)量，約為40Kg;為簧上質(zhì)量，約為400Kg。

在分析時，利用增益的方法來對其變化趨勢進(jìn)行分析，定義第五個取樣（共九個取樣）數(shù)對應(yīng)的性能指標(biāo)均方根值為基準(zhǔn)值，車身加速度均方根值的增益計算公式：

1.2 懸架彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計是懸架彈簧設(shè)計的核心，運(yùn)用正交設(shè)計技術(shù)尋求麥弗遜懸架系統(tǒng)的可控因的最佳參數(shù)匹配，從而設(shè)計出質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本較合理的零件。懸架螺旋壓縮彈簧旋繞比C=D/d，因此基本參數(shù)中的簧絲直徑d、彈簧中徑D是可選中心值的可控制因素。由于旋繞比的取值嚴(yán)重影響設(shè)計結(jié)果，為保證懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)能達(dá)到可靠性要求，簧絲直徑可用校核公式（4）進(jìn)行初選，設(shè)置C的取值范圍為8.6 ～13.8，可用來初步計算簧絲直徑 （計算結(jié)果見表 1），再取離散的圓整值。然后由各圓整值對應(yīng)的彈簧旋繞比確定彈簧中徑的取值范圍，再根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取彈簧中徑的離散圓整值，則可得到彈簧的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的取值范圍，見表2。

式中為彈簧曲度系數(shù)，，也可在機(jī)械設(shè)計手冊中直接查詢可得，為彈簧負(fù)荷，是按材料為60Si2MnA選取662MPa。（見表1）

彈簧有效圈數(shù)是由簧絲直徑和彈簧中徑等可控因素確定的活動水平因素，只有一個確定的計算值，圓整后也只是一水平的因素 ，因此不作為可控因素考慮。（見表2）

1.3 輸出特性值的計算

根據(jù)懸架彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)、B級路面、車速為60m/s和系統(tǒng)設(shè)計公式（1）、（2）、（3）分別計算輸出特性值。

根據(jù)表3，螺旋彈簧的簧絲直徑變大，彈簧剛度隨之變大，車身加速度均方根值也變大;螺旋彈簧的中徑變大，彈簧剛度隨之變小，車身加速度均方根值也變小。車身加速度均方根值與彈簧剛度成正比。被研究的實(shí)際車輛的麥弗遜懸架彈簧的簧絲直徑為14mm，彈簧中徑為130mm，根據(jù)表3結(jié)合加速度大小與人體感覺對比表4，實(shí)際車輛的車身加速度對應(yīng)的是人體感覺不舒服范圍。

經(jīng)自行設(shè)計的懸架性能試驗(yàn)臺測試，得到車身加速度的FFT/FT細(xì)化頻譜分析圖如圖1，可得車身加速度的固有頻率為2.5HZ，超出人體敏感頻率2HZ。

綜上分析述，因此有必要對彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

若追求乘坐者的舒適性需要盡可能的減小懸架彈簧剛度的大小，但是車輛的吸振能力會變?nèi)?，懸架的動撓度就會很大，影響車輛的整體性能。使用較硬的彈簧可提高汽車的安全性但會影響著乘坐者的舒適性。因而，有必要確定一個合理的彈簧剛度值，從而使車輛達(dá)到整體最優(yōu)的效果。

通常從限制其固有頻率（舒適度）和靜撓度（安全性）兩方面來約束經(jīng)濟(jì)型轎車的彈簧剛度。即通過降低系統(tǒng)的固有頻率即可降低車身加速度來提高乘坐人員的舒適性。當(dāng)固有頻率過大會導(dǎo)致動撓度增大，懸架系統(tǒng)就有可能與車上的限位塊發(fā)生碰撞。因此確定汽車的固有頻率f 范圍為：。

則可計算得到剛度約束為：

根據(jù)表3，又要考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性，取序號18，即取d=14mm，D=168mm。

3結(jié)論

麥弗遜式懸架螺旋彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)簧絲直徑和彈簧中徑直接決定了彈簧剛度，從而影響著汽車的平順性。文章通過三次設(shè)計法即系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計對懸架的彈簧參數(shù)進(jìn)行分析選擇，彈簧剛度隨彈簧簧絲直徑減小、彈簧中徑變大而減小，汽車平順性指標(biāo)車身加速度均方根值也隨之減小，乘坐舒適性就增加。但是又考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性，必須要選擇合適的彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用三次設(shè)計法研究懸架彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其汽車平順性的影響情況，可達(dá)到縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及降低成本等目的。

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升計劃項(xiàng)目：“麥弗遜懸架主要零件結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)性能影響的分析研究”（編號：2017KY1391）;2018 年廣西區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目：“麥弗遜懸架二維非線性模型的仿真及驗(yàn)證”（編號：201813639031）。

作者簡介： 耿雪霄，（1980.2-），女，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院副教授，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計與理論。

參考文獻(xiàn)

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