大載荷滑柱合裝工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王欣揚(yáng) 高志勇 袁博 李陽(yáng) 周宇博 董恩惠

（中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

滑柱總成是連接乘用車懸架和車身的重要彈性部件。為了有效改善汽車行駛平順性，懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)有由螺旋彈簧、減振器等部件組成的滑柱總成，其可以有效過(guò)濾由地面?zhèn)鱽?lái)的部分沖擊和振動(dòng)，同時(shí)為汽車簧上結(jié)構(gòu)提供支撐力[1]。乘用車懸架系統(tǒng)減振器大多采用液壓阻尼減振器結(jié)構(gòu)，工作原理是當(dāng)車身和懸架間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振器內(nèi)的活塞上下移動(dòng)，減振器腔內(nèi)的液壓油反復(fù)地穿過(guò)活塞阻尼閥板，將汽車的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)為熱能，從而達(dá)到衰減振動(dòng)的目的。

D 級(jí)乘用車螺旋彈簧的設(shè)計(jì)載荷往往可達(dá)到近20000 N，是A 級(jí)、B 級(jí)普通家用轎車彈簧設(shè)計(jì)載荷的3 倍以上，為了保證滑柱安全、順暢的完成裝配，需要為螺旋彈簧提供更大、更穩(wěn)定的壓縮動(dòng)力源，同時(shí)也對(duì)工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的強(qiáng)度要求。本文將針對(duì)大載荷滑柱減振器的實(shí)際裝配工藝特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)1 套滑柱合裝工裝，以滿足裝配要求，保證操作者使用安全，同時(shí)將結(jié)合有限元分析軟件對(duì)工裝的重要組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

滑柱總成結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由于減振器活塞桿自由狀態(tài)長(zhǎng)度短，與螺旋彈簧裝配時(shí)無(wú)法伸出至上懸置螺栓安裝孔外，所以需要先將各組件按照?qǐng)D1 示意圖的位置關(guān)系進(jìn)行預(yù)裝配，待螺旋彈簧壓縮至一定長(zhǎng)度后，保證活塞桿端頭處螺紋漏出至上懸置安裝孔外，最終擰緊螺母，裝配完畢。

圖1 滑柱總成組成

本文設(shè)計(jì)了1 套大載荷滑柱合裝工裝，如圖2所示，整套工裝由推車、伺服電缸、電缸支座、電缸推桿連接支座、減振器裝夾工作臺(tái)、上懸置調(diào)整工作臺(tái)、彈簧裝夾工作臺(tái)7 部分組成。

圖2 滑柱總成裝配工裝

工裝動(dòng)力裝置為伺服電缸，減振器裝夾工作臺(tái)、上懸置調(diào)整工作臺(tái)、彈簧裝夾工作臺(tái)是工裝主要工作執(zhí)行部件，其中，減振器裝夾工作臺(tái)為減振器提供定位、限位和支撐，彈簧裝夾工作臺(tái)為螺旋彈簧提供限位和支撐，上懸置調(diào)整工作臺(tái)主要功能是保證上懸置的裝配角度。工裝操作方法總共分3 個(gè)階段：預(yù)安裝、彈簧壓縮、螺栓校緊。詳細(xì)步驟如圖3 所示。

圖3 滑柱總成裝配方法

2.2 彈簧裝夾工作臺(tái)

如圖4 所示，彈簧裝夾工作臺(tái)主要由夾片安裝座、滑桿、安裝擋板、三連桿壓塊、手柄、滑桿安裝座、墊塊、底板、夾片調(diào)整絲桿、夾片等零件組成。

圖4 彈簧裝夾工作臺(tái)

滑桿安裝座通過(guò)螺栓與彈簧裝夾工作臺(tái)底板連接，并與安裝擋板通過(guò)螺栓連接?；瑮U穿過(guò)滑桿安裝座，兩者之間由滑動(dòng)軸承分隔，滑桿可以在滑桿安裝座中自由滑動(dòng)。夾片置于夾片安裝座的滑槽內(nèi)，并通過(guò)夾片調(diào)整絲桿裝配。壓縮螺旋彈簧時(shí)，先拉動(dòng)手柄，帶動(dòng)夾片安裝座，放入螺旋彈簧，并由夾片提供螺旋彈簧一端的限位，由墊塊支撐螺旋彈簧本體，最后將兩側(cè)夾片安裝座合攏。三連桿壓塊裝配在安裝擋板上，螺旋彈簧壓縮時(shí)，需要將三連桿壓塊鎖緊，防止螺旋彈簧彈出。

3 主要部件強(qiáng)度校核

本文介紹工裝的工作原理是通過(guò)壓縮螺旋彈簧長(zhǎng)度至安裝長(zhǎng)度，以保證滑柱總成的裝配要求。在彈簧壓縮過(guò)程中，其一端作用于減振器托盤，另一端作用于彈簧夾片，彈簧壓縮產(chǎn)生的壓縮力直接作用于彈簧夾片和減振器托盤支架。其中，因空間布置影響，彈簧夾片尺寸無(wú)法設(shè)計(jì)過(guò)大，下文將重點(diǎn)對(duì)彈簧夾片的強(qiáng)度進(jìn)行校核和優(yōu)化。

3.1 彈簧夾片建模

彈簧夾片立方塊一端嵌入夾片安裝座中，與夾片安裝座滑道間隙配合，螺紋孔與夾片調(diào)整絲桿配合；夾片的另一端需要與彈簧接觸為了使螺旋彈簧整個(gè)形變過(guò)程中保持充分接觸，減少非壓縮方向的應(yīng)力，這部分形狀設(shè)計(jì)成中間寬兩邊小的形狀，夾片厚度為D，夾片傾角為B，如圖5 所示。為適應(yīng)大部分乘用車用螺旋彈簧尺寸，同時(shí)保證壓裝完成后方便滑柱總成取出，夾片長(zhǎng)度C范圍最好在30～38 mm，曲面半徑A≥8 mm。彈簧夾片尺寸選?。篈=10 mm，B=8°，C=35 mm，D=14.1 mm，彈簧夾片模型見(jiàn)圖5。

圖5 彈簧夾片模型

3.2 材料屬性

彈簧夾片材料選取45 號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，楊氏模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。材料屈服極限強(qiáng)度為450 MPa。

在整個(gè)彈簧壓縮過(guò)程中，其動(dòng)力載荷由電動(dòng)推缸提供，過(guò)程均勻緩慢，彈簧夾片受彈簧反作用力作用，方向與電缸運(yùn)動(dòng)方向相同。為保證整個(gè)工裝機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)彈簧夾片結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證其最大應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力。根據(jù)本文中零件的受力情況，安全系數(shù)選取2.5，由此得到許用應(yīng)力為180 MPa。

3.3 彈簧夾片有限元模型的建立

本文應(yīng)用ANSYS Workbench 有限元軟件為彈簧夾片進(jìn)行靜力學(xué)分析。對(duì)彈簧夾片采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分28914 個(gè)網(wǎng)格單元，42154 個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖6。

圖6 網(wǎng)格劃分

3.4 彈簧夾片使用工況下的靜力學(xué)分析

彈簧壓縮過(guò)程中，彈簧壓縮量均勻變大，當(dāng)其長(zhǎng)度滿足上懸置安裝要求后，電缸即可停止運(yùn)動(dòng)。

3.4.1 彈簧壓縮量分析

圖7 所示為減振器與螺旋彈簧裝配時(shí)的位置關(guān)系圖，文中減振器活塞桿末端至托盤長(zhǎng)度H為308 mm，上懸置厚度d1 為12 mm，M14 鎖緊螺母厚度d2 為18.2 mm，因工程需要，螺母擰緊后還需保留3～5 扣螺紋，文中該處尺寸d3 取8 mm。

圖7 減振器與螺旋彈簧裝配關(guān)系

因此，彈簧壓縮后長(zhǎng)度L1 計(jì)算見(jiàn)公式（1）。

經(jīng)計(jì)算，L1 為269.8 mm。

彈簧自由長(zhǎng)度L0 為408.9mm，經(jīng)計(jì)算，彈簧壓縮長(zhǎng)度L=139.1 mm。

3.4.2 彈簧夾片受力分析

受裝配順序影響，在彈簧壓縮后，上懸置才能進(jìn)行安裝，因此，為了保證滑柱總成完成安裝后，能夠順利取出，彈簧夾片不能安裝至彈簧末圈。受此影響，彈簧夾片需要安裝至次末圈，如圖8 所示，少一圈狀態(tài)的彈簧剛度需要重新計(jì)算。

圖8 彈簧夾片夾持位置

彈簧剛度P計(jì)算公式見(jiàn)公式（2）。

式中，G為材料剪切模量；d為材料直徑；D為彈簧中徑；n為彈簧有效圈數(shù)。

文中彈簧設(shè)計(jì)剛度P0為125 N/mm,總?cè)?shù)為8.14；壓縮次末圈的彈簧剛度為P1，總?cè)?shù)為7.14，由剛度計(jì)算公式可知P0∶P1=7.14∶8.14，經(jīng)計(jì)算，P1=142.51 N/mm。

故彈簧壓縮壓力F計(jì)算公式見(jiàn)公式（3）。

經(jīng)計(jì)算，彈簧壓縮壓力F為19823.14 N。

如圖9 所示，彈簧夾片對(duì)稱分布于2 個(gè)夾片安裝座兩側(cè)。彈簧在自由狀態(tài)下，螺距最大，同時(shí)螺旋升角也最大，隨著彈簧壓縮，升角逐漸減小，在壓縮時(shí)，由于彈簧升角是由大到小變化，而彈簧夾片位置固定，所以彈簧夾片僅在壓縮初始階段有可能是4 個(gè)夾片同時(shí)受力，后期隨著螺距減小、螺旋升角減小，逐漸變?yōu)? 個(gè)、2 個(gè)夾片同時(shí)承受彈簧壓縮壓力。在壓縮初始時(shí)4 夾片同時(shí)作用螺旋彈簧，可以使彈簧受力均勻，壓縮方向更貼合減振器活塞桿軸線。隨著彈簧壓縮量逐漸增大，直到滿足安裝位置時(shí)停止，此時(shí)彈簧夾片所受載荷達(dá)到峰值，每個(gè)彈簧夾片的所受最大載荷為9911.57 N。彈簧夾片立方塊一端與夾片調(diào)整絲桿通過(guò)螺紋配合，壓縮過(guò)程中受摩擦力作用，彈簧夾片與夾片調(diào)整絲桿不發(fā)生相對(duì)作用，因此本文將約束簡(jiǎn)化為固定約束，作用位置為夾片調(diào)整絲杠螺紋安裝孔。彈簧夾片因尺寸較小，質(zhì)量忽略。彈簧夾片載荷與約束情況見(jiàn)圖10。

圖9 彈簧夾片位置分布

圖10 彈簧夾片載荷與約束

求解后，彈簧夾片的總變形云圖和應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11 和圖12。

圖11 總變形云圖

圖12 應(yīng)力云圖

由圖12 可知，彈簧夾片的最大應(yīng)力為206.06 MPa，超出了許用應(yīng)力180 MPa，最大位移為6.64×10-5m，變形量較小。從分析結(jié)果可以看出，彈簧夾片在當(dāng)前尺寸下，其立方塊結(jié)構(gòu)與扁夾片結(jié)構(gòu)結(jié)合處應(yīng)力較高，為此，需要合理優(yōu)化彈簧夾片尺寸，以滿足使用要求。

4 彈簧夾片尺寸優(yōu)化

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素、多水平的一種設(shè)計(jì)方法。它根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出有代表性的點(diǎn)，通過(guò)均衡搭配組合，以此來(lái)進(jìn)行符合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的試驗(yàn)。這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法[2]。

4.1 因素和水平的選取

本文所設(shè)計(jì)的彈簧夾片結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要參數(shù)有：圓角尺寸A、夾片傾角B、夾片長(zhǎng)度C、夾片厚度D，以上4 個(gè)參數(shù)的變化直接影響彈簧夾片的受力情況，因此將以上4 個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)因素。因受工裝和螺旋彈簧裝配時(shí)位置關(guān)系影響，文中設(shè)計(jì)的彈簧夾片尺寸不宜過(guò)大，所以需要盡可能的提高夾片材料利用率。為此本文將引入一個(gè)指標(biāo)γ來(lái)評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)公式（1），因素水平表見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平表

式中，σS彈簧夾片承受最大應(yīng)力，基于不同試驗(yàn)因素下的彈簧夾片模型，通過(guò)ANSYS Workbench靜力學(xué)分析得出；m為彈簧夾片質(zhì)量。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)正交表L9(3)4提供的數(shù)據(jù)組合，通過(guò)γ對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2 所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

利用極差分析的方法計(jì)算相同因素不同水平的均值以及均值的平方，得到的極差分析結(jié)果如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

Ki為i水平的水平均值。極差值R為同列中最大值與最小值差值，越大說(shuō)明該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)影響越大，由表3 中得到的極差數(shù)據(jù)R可知因素影響的主次關(guān)系：擋片厚度D（66.56）>圓角尺寸A（53.71）>擋片長(zhǎng)度C（16.93）>擋片傾角B（16.06）。本試驗(yàn)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)γ可理解為單位質(zhì)量的承受的最大應(yīng)力，該指標(biāo)越小，表示在相同材料下，該尺寸的彈簧夾片的受力分布最好。由表3可以得出，同一試驗(yàn)因素下，水平均值越小則該水平下試驗(yàn)效果最好，即圓角越大，結(jié)構(gòu)越好；擋片傾角為6°時(shí)，效果最好；擋片長(zhǎng)度越短，效果越好；擋片厚度越厚，受力情況越好。

綜上可以得出，本試驗(yàn)的最優(yōu)解為A3B1C1D3，所以選取優(yōu)化后的參數(shù)為圓角尺寸A為12 mm，擋片傾角B為6°，擋片長(zhǎng)度C為33 mm，擋片厚度D為16.1 mm。

5 彈簧夾片優(yōu)化后的仿真校核分析

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)優(yōu)化尺寸后的彈簧夾片進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到應(yīng)力如圖13 所示，從應(yīng)力云圖可以看出，其最大應(yīng)力減小至145.57 MPa，小于許用應(yīng)力180 MPa，相較于優(yōu)化前的最大應(yīng)力206.06 MPa，減小29.36%，彈簧夾片的受力情況得到了較大提升。

圖13 優(yōu)化后彈簧夾片應(yīng)力仿真云圖

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，按試驗(yàn)最優(yōu)解尺寸制作彈簧夾片以及工裝所有組件，最終裝配完成滑柱合裝實(shí)物，如圖14 所示。實(shí)物在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，增設(shè)外圍防護(hù)圍欄，防止工裝組件失效時(shí)，彈簧蹦出，有效的保證了工人操作的安全性。

圖14 滑柱合裝工裝實(shí)物

經(jīng)過(guò)實(shí)物操作試驗(yàn)，螺旋彈簧壓縮平穩(wěn)；電缸啟動(dòng)平順，無(wú)卡滯現(xiàn)象，起動(dòng)力矩滿足使用要求；工裝在使用一段時(shí)間后，彈簧夾片未發(fā)生明顯形變。經(jīng)驗(yàn)證，本工裝可以滿足滑柱總成裝配需求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套滑柱合裝工裝，用于乘用車用大載荷螺旋彈簧和減振器的合裝。因工裝使用工況的特殊性，其在滿足裝配要求的前提下，還需要保證操作者的安全性和使用便利性?；诖耍闹谢贏NSYS Workbench 有限元分析軟件，對(duì)工裝中最為薄弱的組件彈簧夾片進(jìn)行強(qiáng)度校核，并結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)其尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終尺寸優(yōu)化后的彈簧夾片強(qiáng)度滿足使用要求，并且較優(yōu)化前有較大提升，能夠更好的保證操作者的作業(yè)安全。