汽车悬架弹簧的有限元分析Stressanalysisofacylindricallyhelicalspring.docx

          汽车悬架弹簧的有限元分析Stressanalysisofacylindricallyhelicalspring                    摘要：为了对汽车悬架弹簧有更深入的学习与研究，测定其工况下应力分布情况，采用了运用Solidworks建模再用有限元分析软件ANSYS仿真悬架螺旋弹簧的设计过程.分析结果显示汽车悬架螺旋弹簧的内侧剪切应力均大于外侧剪切应力；随着汽车悬架螺旋弹簧所承受载荷的变化，剪切应力最大值出现的位置会发生相应的变化有限元分析直观的反映了剪切应力发生的变化规律与分布情况，为后续的设计优化提供直观的数据与可靠、方便的参考依据关键词：汽车悬架；螺旋弹簧；有限元分析悬架弹簧通常在汽车行驶过程中，承受高频率的往复压缩运动，起着缓冲和减震作用，其质量好坏，对车辆平稳性、安全性起着至关重要的作用设计一个悬架弹簧需要根据材料力学和机械设计，应用弹簧的应力和变形的计算得出，若无相关实验、实践数据很难设计和制造出高精度的汽车悬架弹簧又由于汽车悬架弹簧剪切应力高低值直接影响弹簧的结构设计、安装方法、材料选择以及加工工艺[2],而有限元仿真为汽车悬架弹簧的快速设计提供了准确高效的设计模式,能够详细预测悬架螺旋弹簧应力对疲劳寿命和永久变形的影响，能准确反映材料对汽车悬架螺旋弹簧疲劳寿命和永久变形的关系。

本文通过有限元分析软件ANSYS对悬架弹簧进行分析，进行相应的设计过程1.悬架弹簧的设计汽车悬架螺旋弹簧设计方法是基于常规理论力学，将螺旋弹簧过度部分的扭转变形转换成等效长度直杆的扭转变形，采用直杆受到扭矩而扭转变形来设计计算本次采用汽车常用的圆形截面螺旋弹簧设计假设：空车满载为2吨(t)、最小载荷=0.8×2000×10=16kN设计参数初设如下表1-1所示：表1-1螺旋弹簧设计参数初设初算弹簧刚度：1-1工作极限载荷：（Ⅲ类弹簧）1-2材料直径：1-3式中：K—曲度系数，K=1.253C—旋绕比，C=6τp—弹簧材料许用应力，τp=740MPa得：1-4由于簧丝直径d按常规结构尺寸要求选定，优先选用第一系列尺寸，d=30mm弹簧中径D：1-5查表得工作极限Pj=34788N极限下单簧圈变形量fj=25.69单圈刚度Pd’=1354工作圈数n：1-6由于，取n为0.5的倍数或整数，n=7总圈数弹簧刚度P’：1-7极限变形量Fj：1-8节距t：1-9自由高度H0：1-10外径D2：1-11内径D1：1-12螺旋角α：1-13检验：最小载荷高度H1：1-14最大载荷高度Hn：1-15极限载荷高度Hj：1-16工作区范围：1-17高径比，不必进行稳定性检验展开长度L:1-18技术要求：1.旋向：右旋2.有效圈n=7、总圈数n1=93.展开长度L=5113.93mm4.未注精度要求按GB1239.2-2级5.弹簧做消应力回火处理图1-1为弹簧工作示意图图1-1圆柱螺旋弹簧工作图2.悬架弹簧三维模型的建立在汽车悬架系统中，螺旋弹簧的上端安装在车身的弹簧座内，下端安装在固定于后桥壳体的弹簧座内，只能承受轴向力的作用，以减缓因路面不平顺，后桥对车身造成的冲击，对车身起支撑作用[3]。

图2-1为在三维绘图软件Solidworks中绘制的某型号汽车悬架螺旋弹簧的三维模型图2-1悬架螺旋弹簧模型3.悬架弹簧有限元模型的建立对悬架螺旋弹簧模型的有限元分析，重点是螺旋弹簧有限元模型的建立主要包括了三维模型的建立、对模型进行前处理（包括定义单元类型、实常数、材料特性），对几何模型划分网格，定义接触、边界条件、施加载荷等，进行加载和求解，以及后处理等过程，其流程图如图3-1所示[4]图3-1有限元分析一般流程图有限元分析的最重要的就是网格的划分，网格的大小和好坏直接影响到加载后计算进程的收敛情况以及最终计算结果的精度，所以划分网格为有限元分析中最重要的一步考虑到第一次使用有限元分析软件与所用电脑的分析计算能力，本次选择了梁单元beam188来划分螺旋弹簧网格的梁单元，其优点是划分后节点和单元数量较少，计算规模与步骤较少，设置接触单元较为方便图3-2为螺旋弹簧的有限元模型由于螺旋弹簧两端部分节距比较小，当螺旋弹簧受到轴向的载荷时，随着载荷的增大，螺旋弹簧的两端的部分将首先接触，随着载荷的继续增大，弹簧的工作圈部分开始出现并圈，这就导致了螺旋弹簧限元分析会涉及到接触的问题，其中此次弹簧的接触设置涉及了螺旋弹簧的自接触[5]。

图3-3为悬架弹簧的接触设置图3-2螺旋弹簧有限元模型弹簧的自接触部分采用了三维梁接触单元CONTACT176，而和它对应的目标单元采用了Target171单元并且设置成弹簧的外表面间自相无相应的摩擦接触选择CONTACT176单元的好处在于，它可以设置螺旋弹簧的截面大小在分析过程中，模拟螺旋弹簧的接触[5]图3-3悬架弹簧的接触设置在系统ANSYS参数卡片中将LNSRCH和NLGEOM打开其中LNSRCH是线搜索项，与分析结果的收敛性有关；NLGEOM是非线性求解螺旋弹簧使用的材料是60Si2Mn，为同性线弹性材料，弹簧的几何形状和材料特性如密度、弹性模量等参考所给数据记录得出图3-4为弹簧材料参数的数据[6]材料参数：板簧材料为60Si2Mn，弹性模量E=1.35×105；泊松比υ=0.27；密度ρ=7.85×10-6Kg/mm3图3-4弹簧材料参数4.汽车悬架弹簧有限元模型的约束条件的施加在分析过程中，为准确模拟螺旋弹簧在汽车悬架系统中的实际工况，要对螺旋弹簧的有限元模型进行边界条件设定在下端弹簧的底端加上固定约束，限制其位移，保证螺旋弹簧的下端相对于支架的径向位移为0；在上端弹簧的顶端加上固定约束，限制其平动，保证螺旋弹簧的上端相对于支架的水平位移为0。

完成上述的边界约束后，螺旋弹簧模型的空间位置就被固定下来了要模拟螺旋弹簧在汽车悬架中承受法向载荷的作用，就在上弹簧座上面上施加法向力图4-1为悬架弹簧所施加的边界条件[7]图4-1悬架螺旋弹簧施加的边界条件5.悬架弹簧的有限元分析ANSYS有限元分析方法：按照要求增加载荷的分析通过该方法的分析特点为针对弹簧的上下端的类型进行直接加载载荷的处理，如果上下两端的模型近乎平端，将弹簧的断头处接触面施加载荷如图5-1中的加载区域显示[2]图5-1实验加载区域实验方法：（1）载荷：载荷施加在原型端面的平头如果弹簧端头为平面，则无需导程座，如果两端不属于平面端，则需要定制适合的导程座进行加载分析加载则使用三个载荷步，加载压力加载在弹簧顶部，并打开大变形2）夹具模式：上端约束弹簧平动，下端约束其径向位移，并与下断面固定做到双固定3）分析模式：采用静态分析的方法4）网格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的网格器划分模式5）采用光滑表面图5-2为加载、工况、载荷步、求解设置图5-2弹簧加载、工况、载荷步、求解设置6.分析结果6.1弹簧轴向变形结果由图6-1可以看出，随着螺旋弹簧所受的载荷逐渐增加，螺旋弹簧的两端开始被压缩，当应力增加到一定程度时，螺旋弹簧第一圈和第二圈之间也开始发生了接触，这就直接导致了螺旋弹簧刚度的增加。

图6-1螺旋弹簧变形分析图6.2剪切应力结果图6-2为螺旋弹簧XY方向剪应力分析图由剪切应力分析图所得的结果可以得出以下结论：（1）弹簧内侧的剪切应力明显比弹簧外侧的剪应力要大（颜色由下面到上面的变化逐渐变大则应力也逐渐变大）2）螺旋弹簧轴向施加负荷，由750MPa增到1179MPa，最大剪切应力出现在螺旋弹簧上端1.5圈附近内侧，负荷继续施加后，螺旋弹簧的剪切应力由图像得知开始有减少的趋势并趋于平缓，在螺旋弹簧的负荷继续增加到螺旋弹簧的极限载荷施加载荷3s过后，螺旋弹簧的剪切应力达到1162.5MPa时螺旋弹簧无法继续被施加载荷，各节弹簧出现自接触，此时最大剪切应力的位置出现在下端2.5圈位置附近这些最大应力位置都可能是螺旋弹簧的危险截面的位置，螺旋弹簧在失效时的易发生疲劳破坏的地方[5][8]图6-2螺旋弹簧剪切应力分析图7.理论检验由理论计算螺旋弹簧的最大应力值公式为：式中：K—曲度系数，K=1.253；D为螺旋弹簧中径；d为簧丝直径；P为负荷值计算得：τmax=1238.78MPa8.结论本论文通过有限元分析从传统的弹簧设计计算开始了解弹簧的设计过程到用solidworks软件进行弹簧的三维建模，最后用有限元分析软件对弹簧进行综合应力与变形的分析来设计与系统学习悬架弹簧的设计过程。

由于第一次使用ANSYS有限元软件分析一个零部件，设计部分可能不严谨、不规范完整，但在设计过程中也学到了很多本次设计采用solidworks软件进行弹簧的三维建模，而后确定采用双线性材料模拟弹簧，建立有限元模型，确定材料的使用参数如泊松比和弹性模量等，合理的网格划分，通过设置合理的边界条件及施加载荷，确定了弹簧自接触的接触分析并合理设置了弹簧下端限制位移，上端限制平动的约束边界条件最后开始对弹簧的有限元分析，通过设置加载使用三个载荷步，加载压力到弹簧顶部，打开大变形，开始分别对弹簧的变形量和弹簧剪切应力的分析，并得出最后的结果所得结果如下：（1）本次分析采用上述方法对汽车悬架螺旋弹簧进行分析所得到的最大应力为1179MPa相比于1238.78MPa仅相相差59.78MPa，结果较为准确2）汽车悬架螺旋弹簧的最大应力的位置出现在汽车悬架螺旋弹簧的内侧，其弹簧内侧的剪切应力明显比弹簧外侧的剪应力要大，这也符合了经典理论对汽车悬架螺旋弹簧的分析结果3）随着弹簧所施加的载荷的变化，汽车悬架螺旋弹簧的最大剪切应力出现的位置会发生变化，而且每次出现的位置均在螺旋弹簧底圈开始0.5圈倍数附近，也与其他文献所得的规律，非线性螺旋弹簧的折断处往往都发生在工作圈起始部位附近的统计结果相符[9][10]。

有限元分析方法直观快速的反映了汽车悬架螺旋弹簧的剪切应力的分布情况，最大剪切应力值及其出现的位置，为后续优化设计悬架螺旋弹簧提供了直观、可靠的参考数据通过这种分析方法能直观的看出悬架螺旋弹簧的最大应力值的位置的转变，能方便优化悬架螺旋弹簧，降低汽车悬架螺旋弹簧因为疲劳而出现的失效问题参考文献[1]成大先.机械设计手册(第五版)弹簧[M].北京:化学工业出版社,2010.[2]史小辉,许明恒,张磊,高宏力.基于SolidworksSimulation的汽车悬架弹簧有限元优化的研究[J].液压与气动,2011(01):8-10.[3]孙君钧.悬架弹簧有限元仿真分析[J].金属制品,2015,41(01):47-49+53.[4]杨雪峰.基于HyperWorks汽车扭杆弹簧有限元分析与优化[D].西北农林科技大学,2012.[5]杨峰.基于ANSYS的汽车悬架螺旋弹簧有限元分析[J].机械,2011,38(07):23-25+30.[6]李轶石.基于有限元的某多片钢板弹簧性能仿真研究[D].湖南大学,2007.[7]刘丽文.麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧计算机辅助设计[D].燕山大学,2014.[8]杨成龙,孙付春,王小龙,郭长红.汽车悬架螺旋弹簧模态分析和试验验证[J].成都大学学报(自然科学版),2016,35(02):174-177.[9]陈士伟.影响货车圆柱螺旋压缩弹簧疲劳的主要因素[J].机车车辆工艺,2004,(2):35-37[10]王兴辉,邓立,王振军,等.转K2型转向架减振内圆弹簧折。