汽车悬架螺旋弹簧应力分析

汽车悬架螺旋弹簧应力分析

在车辆的驾驶过程中，绝缘弹簧承担着频效存在的双重压缩运动，起到了缓冲和衰减的作用。它的质量对车辆的稳定性和安全性起着重要作用。目前,广泛应用的汽车悬架螺旋弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的,若无一定的实际经验,很难设计和制造出高精度的汽车悬架螺旋弹簧。随着设计应力的提高,以往的很多经验不再适用。为此,必须采用精密的解析技术,有限元法可以详细预测汽车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。基于此,本论文通过有限元分析软件ANSYS对汽车悬架螺旋弹簧进行分析,寻求了一种较为精确的方法进行相应的分析过程。1弹簧座的添加量要根据车辆悬架的自在汽车悬架系统中,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,只承受轴向的作用,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。考虑到汽车悬架弹簧的实际情况,为了恰当的分析螺旋弹簧的所承受法向载荷产生应力的力的情况,在螺旋弹簧的两端添加合适的弹簧座,保证螺旋弹簧的法向施加载荷受力。图1为在三维绘图软件Pro/E中绘制的某型号汽车悬架螺旋弹簧加弹簧座的三维模型。2螺旋弹弹簧的接触单元考虑到所用电脑的分析计算能力,本设计选择了梁单元beam188来划分弹簧网格由于螺旋弹簧两端的支撑圈的部分节距比较小,当螺旋弹簧受到轴向载荷时,随着载荷的增大,螺旋弹簧的支撑圈部分将首先和弹簧座接触,随着载荷的继续增大,弹簧的支撑圈和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将涉及到接触问题。接触设置包括了螺旋弹簧和弹簧座的接触以及螺旋弹簧的自接触。螺旋弹簧和弹簧座的接触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,螺旋弹簧的自接触也采用了同样的接触对单元。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,准确的模拟螺旋弹簧的接触。3计数据模型划分汽车悬架螺旋弹簧离散化,即有限元分割。将汽车悬架螺旋弹簧设计数据模型划分为有限个单元。将绘制的汽车悬架螺旋弹簧加弹簧座的三维模型保存为ParaSolid(X_T)格式,导入ANSYS中,将其进行离散化,建立其有限元模型如图2所示。4边界条件设定在分析过程中,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。在下端弹簧座的底端加上固定约束,同时要保证螺旋弹簧上下端相对于弹簧座的径向位移为0,完成上述边界约束后,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。5螺旋弹动力学分析的实现方式汽车悬架螺旋弹簧的CAE分析过程可以采用交互式的方式进行分析,也可以采用APDL语言进行分析,本文采用了交互式的方式,来实现螺旋弹簧的有限元分析。6分析的结果6.1应力对螺旋弹动力学的影响,在应力的情况下,螺旋弹动力学会在一定程度上发生了克由图3可以看出,随着螺旋弹簧所受的压力逐渐增加,螺旋弹簧的两端圈分别和底座接触,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发生了接触,这就直接导致了螺旋弹簧刚度的增加。6.2轴向施加负荷图4为螺旋弹簧XY方向剪应力云图。由剪切应力云图结果可以得出以下结论:(1)弹簧内侧的剪应力明显比弹簧外侧的剪应力要大(颜色从左面到右面变化,应力逐渐变大)。(2)螺旋弹簧轴向施加负荷,由0增加到3904N,最大剪切应力出现在螺旋弹簧上端1.5圈附近内侧,负荷继续增加到7899N之后,螺旋弹簧的最大剪切应力出现的位置转移至螺旋弹簧底端起始1.5圈附近内侧,在螺旋弹簧的负荷继续增加到螺旋弹簧的极限载荷11400时,螺旋弹簧的最大剪切应力958MPa的位置继续转移至底端起始2.5圈位置附近。这些最大应力位置都可能是螺旋弹簧的敏感位置,螺旋弹簧失效时的疲劳源发生的地方。7理论测试经典的理论计算圆柱螺旋弹簧的最大应力值公式为:计算得:τ8汽车悬架螺旋弹弹簧最大剪切应力的分布随高度在本论文中,通过采用有限元分析软件ANSYS,对汽车悬架螺旋弹簧进行了CAE分析,最后通过理论验证方法,对比发现:(1)该系列弹簧所选材料应力波动范围为70MPa,采用以上分析方法对带有弹簧座的汽车悬架螺旋弹簧进行分析所得的在最大应力958MPa相比于1012.13MPa仅相相差54.13MPa,这个结果是准确的。(2)汽车悬架螺旋弹簧最大应力的位置出现在汽车悬架螺旋弹簧的内一侧,也符合了经典理论对汽车悬架螺旋弹簧的分析结果。(3)随着所加载荷的变化,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,这一分析结果与文献[2]、[3中非线性螺旋弹簧的折断部位往往都发生在工作圈起始部位附近的统计结果相符。这种分析方法直观快速的反映出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