汽車(chē)懸架螺旋彈簧應(yīng)力分析

汽車(chē)懸架螺旋彈簧應(yīng)力分析

在車(chē)輛的駕駛過(guò)程中，絕緣彈簧承擔(dān)著頻效存在的雙重壓縮運(yùn)動(dòng)，起到了緩沖和衰減的作用。它的質(zhì)量對(duì)車(chē)輛的穩(wěn)定性和安全性起著重要作用。目前,廣泛應(yīng)用的汽車(chē)懸架螺旋彈簧應(yīng)力和變形的計(jì)算公式是根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的,若無(wú)一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),很難設(shè)計(jì)和制造出高精度的汽車(chē)懸架螺旋彈簧。隨著設(shè)計(jì)應(yīng)力的提高,以往的很多經(jīng)驗(yàn)不再適用。為此,必須采用精密的解析技術(shù),有限元法可以詳細(xì)預(yù)測(cè)汽車(chē)懸架螺旋彈簧應(yīng)力對(duì)疲勞壽命和永久變形的影響,能準(zhǔn)確反映材料對(duì)汽車(chē)懸架螺旋彈簧疲勞壽命和永久變形的關(guān)系?；诖?本論文通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)汽車(chē)懸架螺旋彈簧進(jìn)行分析,尋求了一種較為精確的方法進(jìn)行相應(yīng)的分析過(guò)程。1彈簧座的添加量要根據(jù)車(chē)輛懸架的自在汽車(chē)懸架系統(tǒng)中,螺旋彈簧的上端安裝在車(chē)身的彈簧座內(nèi),下端安裝在固定于后橋殼體的彈簧座內(nèi),只承受軸向的作用,以減緩因路面不平順后橋?qū)?chē)身造成的沖擊,對(duì)車(chē)身起支撐作用?？紤]到汽車(chē)懸架彈簧的實(shí)際情況,為了恰當(dāng)?shù)姆治雎菪龔椈傻乃惺芊ㄏ蜉d荷產(chǎn)生應(yīng)力的力的情況,在螺旋彈簧的兩端添加合適的彈簧座,保證螺旋彈簧的法向施加載荷受力。圖1為在三維繪圖軟件Pro/E中繪制的某型號(hào)汽車(chē)懸架螺旋彈簧加彈簧座的三維模型。2螺旋彈彈簧的接觸單元考慮到所用電腦的分析計(jì)算能力,本設(shè)計(jì)選擇了梁?jiǎn)卧猙eam188來(lái)劃分彈簧網(wǎng)格由于螺旋彈簧兩端的支撐圈的部分節(jié)距比較小,當(dāng)螺旋彈簧受到軸向載荷時(shí),隨著載荷的增大,螺旋彈簧的支撐圈部分將首先和彈簧座接觸,隨著載荷的繼續(xù)增大,彈簧的支撐圈和彈簧的工作圈部分開(kāi)始出現(xiàn)并圈,這就導(dǎo)致了螺旋彈簧限元分析將涉及到接觸問(wèn)題。接觸設(shè)置包括了螺旋彈簧和彈簧座的接觸以及螺旋彈簧的自接觸。螺旋彈簧和彈簧座的接觸采用了三維梁接觸單元CONTACT176,而和它對(duì)應(yīng)的目標(biāo)單元采用了Target171單元,螺旋彈簧的自接觸也采用了同樣的接觸對(duì)單元。選擇CONTACT176單元的好處在于,它可以設(shè)置螺旋彈簧的截面大小,在分析過(guò)程中,準(zhǔn)確的模擬螺旋彈簧的接觸。3計(jì)數(shù)據(jù)模型劃分汽車(chē)懸架螺旋彈簧離散化,即有限元分割。將汽車(chē)懸架螺旋彈簧設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型劃分為有限個(gè)單元。將繪制的汽車(chē)懸架螺旋彈簧加彈簧座的三維模型保存為ParaSolid(X_T)格式,導(dǎo)入ANSYS中,將其進(jìn)行離散化,建立其有限元模型如圖2所示。4邊界條件設(shè)定在分析過(guò)程中,為準(zhǔn)確模擬螺旋彈簧在汽車(chē)懸架系統(tǒng)中的實(shí)際工況,要對(duì)螺旋彈簧的有限元模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定。在下端彈簧座的底端加上固定約束,同時(shí)要保證螺旋彈簧上下端相對(duì)于彈簧座的徑向位移為0,完成上述邊界約束后,螺旋彈簧模型的空間位置就被固定下來(lái)了。要模擬螺旋彈簧在汽車(chē)懸架中承受法向載荷的作用,就在上彈簧座上面上施加法向力。5螺旋彈動(dòng)力學(xué)分析的實(shí)現(xiàn)方式汽車(chē)懸架螺旋彈簧的CAE分析過(guò)程可以采用交互式的方式進(jìn)行分析,也可以采用APDL語(yǔ)言進(jìn)行分析,本文采用了交互式的方式,來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋彈簧的有限元分析。6分析的結(jié)果6.1應(yīng)力對(duì)螺旋彈動(dòng)力學(xué)的影響,在應(yīng)力的情況下,螺旋彈動(dòng)力學(xué)會(huì)在一定程度上發(fā)生了克由圖3可以看出,隨著螺旋彈簧所受的壓力逐漸增加,螺旋彈簧的兩端圈分別和底座接觸,當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度時(shí),螺旋彈簧第一圈和第二圈之間也發(fā)生了接觸,這就直接導(dǎo)致了螺旋彈簧剛度的增加。6.2軸向施加負(fù)荷圖4為螺旋彈簧XY方向剪應(yīng)力云圖。由剪切應(yīng)力云圖結(jié)果可以得出以下結(jié)論:(1)彈簧內(nèi)側(cè)的剪應(yīng)力明顯比彈簧外側(cè)的剪應(yīng)力要大(顏色從左面到右面變化,應(yīng)力逐漸變大)。(2)螺旋彈簧軸向施加負(fù)荷,由0增加到3904N,最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在螺旋彈簧上端1.5圈附近內(nèi)側(cè),負(fù)荷繼續(xù)增加到7899N之后,螺旋彈簧的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)的位置轉(zhuǎn)移至螺旋彈簧底端起始1.5圈附近內(nèi)側(cè),在螺旋彈簧的負(fù)荷繼續(xù)增加到螺旋彈簧的極限載荷11400時(shí),螺旋彈簧的最大剪切應(yīng)力958MPa的位置繼續(xù)轉(zhuǎn)移至底端起始2.5圈位置附近。這些最大應(yīng)力位置都可能是螺旋彈簧的敏感位置,螺旋彈簧失效時(shí)的疲勞源發(fā)生的地方。7理論測(cè)試經(jīng)典的理論計(jì)算圓柱螺旋彈簧的最大應(yīng)力值公式為:計(jì)算得:τ8汽車(chē)懸架螺旋彈彈簧最大剪切應(yīng)力的分布隨高度在本論文中,通過(guò)采用有限元分析軟件ANSYS,對(duì)汽車(chē)懸架螺旋彈簧進(jìn)行了CAE分析,最后通過(guò)理論驗(yàn)證方法,對(duì)比發(fā)現(xiàn):(1)該系列彈簧所選材料應(yīng)力波動(dòng)范圍為70MPa,采用以上分析方法對(duì)帶有彈簧座的汽車(chē)懸架螺旋彈簧進(jìn)行分析所得的在最大應(yīng)力958MPa相比于1012.13MPa僅相相差54.13MPa,這個(gè)結(jié)果是準(zhǔn)確的。(2)汽車(chē)懸架螺旋彈簧最大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在汽車(chē)懸架螺旋彈簧的內(nèi)一側(cè),也符合了經(jīng)典理論對(duì)汽車(chē)懸架螺旋彈簧的分析結(jié)果。(3)隨著所加載荷的變化,汽車(chē)懸架螺旋彈簧的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)的位置會(huì)發(fā)生變化,而且每次出現(xiàn)的位置均在螺旋彈簧底圈開(kāi)始0.5圈倍數(shù)附近,這一分析結(jié)果與文獻(xiàn)[2]、[3中非線(xiàn)性螺旋彈簧的折斷部位往往都發(fā)生在工作圈起始部位附近的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符。這種分析方法直觀(guān)快速的反映出了汽車(chē)懸架螺旋彈簧的剪切應(yīng)力的分布情況,最大剪切應(yīng)力值及其出現(xiàn)的位置,為后續(xù)優(yōu)