史小輝，許明恒，張 磊，高宏力

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

眾所周知，汽車懸架彈簧剪切應(yīng)力高低值直接影響彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝方法、材料選擇以及加工工藝，而有限元仿真為汽車懸架彈簧的快速設(shè)計提供了準(zhǔn)確高效的設(shè)計模式。

本文分析懸架彈簧在交替載荷作用下往復(fù)運(yùn)動的有限元模式。懸架彈簧的壽命主要取決于彈簧鋼絲截面上的剪切應(yīng)力，為了快速分析成型，因此，引入專業(yè)的有限元彈簧分析軟件[1]，從而得到準(zhǔn)確的、快速的設(shè)計、優(yōu)化方案，為懸架設(shè)計提供更有力的依據(jù)。

1 汽車懸架彈簧有限元仿真的必要性

目前，能夠適應(yīng)快速研發(fā)新車型的設(shè)計任務(wù)，其中之一就是有限元仿真與優(yōu)化設(shè)計。從美國通用、克萊斯勒、福特，德國的大眾以及國內(nèi)的長安、吉利、奇瑞等整機(jī)廠需要供應(yīng)的懸架彈簧，在技術(shù)環(huán)節(jié)都必須有有限元仿真分析這一要求，那么針對這種仿真分析，由主機(jī)廠提出技術(shù)要求，彈簧生產(chǎn)研究單位通過 CAE分析來滿足這一環(huán)節(jié)。采用有限元分析懸架彈簧不僅可以快速分析不同載荷、壓縮量、變形尺寸下的詳細(xì)剪切應(yīng)力，而且可以快速準(zhǔn)確的材料選擇，預(yù)測耐久疲勞[2]。

2 兩種不同類型的懸架彈簧有限元分析

2.1 GPXX采用的有限元分析方法。

按照要求增加載荷的分析。該方法的分析特點(diǎn)針對彈簧的上下端的類型進(jìn)行直接加載處理，如果上下端的模型近乎平端，那么就將彈簧的斷頭按照 110%的接觸面施加載荷，這樣測試出來的數(shù)據(jù)接近實(shí)驗測試數(shù)據(jù)。如圖 1中的加載區(qū)域顯示。

圖1 懸架彈簧模型

實(shí)驗方法：

(1)載荷：載荷施加在原型端面的平頭。如果彈簧端頭為平面，則無需導(dǎo)程座，如果兩端不屬于平面端，則需要定制適合的導(dǎo)程座進(jìn)行加載分析，端頭若為非平面端，增加導(dǎo)程座測量。如果為平面則不需要導(dǎo)程座，圖 2為平面端，則不需導(dǎo)程座而直接加載載荷[3]。

(2)夾具模式：上端約束為圓周固定，下端固定采用圓周約束與下端面固定約束雙約束機(jī)制。

圖2 懸架彈簧分析結(jié)果

(3)分析模式：采用靜態(tài)分析的方法。

(4)網(wǎng)格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的網(wǎng)格器劃分模式。

(5)采用光滑表面。

仿真結(jié)果：根據(jù)本懸架彈簧模型，可以明顯得知，該類型彈簧的最大應(yīng)力帶均處于彈簧的兩側(cè)，并且都在上表面。其次可以采用點(diǎn)采集數(shù)據(jù)方式獲得最大應(yīng)力。

2.2 HDXX類型彈簧采用的有限元分析方法

該系列彈簧上下端屬于非平面端，而且不能直接在彈簧端頭施加載荷，因此增加一個彈簧托盤模型，以便施加載荷在彈簧法向方向[4]，分析結(jié)果如圖 3、圖 4所示。

圖3 剪切應(yīng)力云圖

圖4 HDXX網(wǎng)格化和安全系數(shù)顯示

實(shí)驗方法：

(1)載荷：載荷施加在增加了模擬彈簧盤的上下端面。

(2)夾具模式：上端約束為圓周固定，下端固定采用圓周約束與下端面固定約束雙約束機(jī)制。

(3)分析模式：采用靜態(tài)分析的方法。

(4)網(wǎng)格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的網(wǎng)格器劃分模式。

(5)采用光滑表面。

通過上述兩種方法，可以清楚的得出，懸架彈簧的最大應(yīng)力帶分布在彈簧軸線的兩側(cè)，另外通過優(yōu)化，最大應(yīng)力點(diǎn)相對轉(zhuǎn)移，甚至到上限托盤區(qū)域，以致提高使用壽命。

3 采用有限元與實(shí)驗的驗證對比方法

通過不同類型的彈簧的有限元分析后，為了驗證該仿真的準(zhǔn)確性，必須通過實(shí)驗驗證，對懸架彈簧的仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗數(shù)據(jù)采集。圖 5、圖 6是實(shí)際實(shí)驗測試平臺。對于圖 5中 HDXX用 24通道采集實(shí)驗數(shù)據(jù)，通道分別是從磨平端到頂端，首通道 1(CH1)，末通道 24(CH24)。數(shù)據(jù)采集所用軟件為 7V應(yīng)力測試機(jī)自帶軟件，所有數(shù)據(jù)全部采用四舍五入法省去小數(shù)部分。7V系列實(shí)驗數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的分辨率為 1με，測量范圍為 ±30000με，靈敏系數(shù) 2.15，補(bǔ)償系數(shù) 0。

圖5 HDXX懸架彈簧實(shí)驗?zāi)Ｐ?/p>

圖6 CAXX彈簧實(shí)驗?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)應(yīng)力計算公式[6～8]：

其中：m=2.15是靈敏系數(shù);G=7.9×1010是切變模量;ε是應(yīng)變量，第 5次的測試時 ε=6116με。最大應(yīng)力處的應(yīng)變在通道 CH20(彈簧頂端第二圈位置處)，最大應(yīng)力為 ：τmax=1038.8MPa。

結(jié)果對比，通過有限元分析 HDXX模型的最大應(yīng)力在上側(cè)第 2圈，剪切應(yīng)力為 1046 MPa，而實(shí)驗測得結(jié)果為 1038.8MPa，這個結(jié)果非常接近，圖 6的懸架彈簧實(shí)驗和分析最終結(jié)果也是一致。由此可知有限元分析和實(shí)驗驗證的一致性。

4 結(jié)論

通過有限元仿真優(yōu)化模型分析，給出了不同類型的懸架的有限元仿真方法，為汽車懸架彈簧 CAE分析與開發(fā)提供快速高效的工作依據(jù)。

本文得出以下結(jié)論：

(1)汽車懸架彈簧的應(yīng)力帶分布在彈簧軸線對稱的兩側(cè)。

(2)懸架彈簧的最大應(yīng)力可以通過模型優(yōu)化，進(jìn)行最大應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，從而提供彈簧的疲勞壽命。

(3)本文首次采用 Solidworks Simulation為懸架彈簧領(lǐng)域開辟了快速通道。

[1] School ofmetallurgy andmaterials residual stresses at the surfaceof automotive suspension springs[J].Journal ofmaterials science，35(2000)：3313-3320.

[2] 李慶華.材料力學(xué)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1990.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊(第五版)彈簧[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[4] Kotaro Watanabe，KMasahi Tamura，Ken Yamaya.Development of a new-type suspension spring for rally cars[J].Journal of materials processing Technology，111(2001)：132-134.

[5] 王仁智.殘余應(yīng)力與彈簧的疲勞性能[J].理化檢驗：物理分冊，2005，11：541-548.

[6] には、杉田スプリング技術(shù)センター.懸架?スプリング主要部品の強(qiáng)度計算[C].日本杉田彈簧技術(shù)文件，2007.

[7] 史小輝，余磊.給通用 GP50-CAE技術(shù)分析綱要(C).寧興彈簧企業(yè)文獻(xiàn)，2010.

[8] 史小輝，許明恒，高宏力.汽車懸架彈簧應(yīng)力產(chǎn)生模式的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(8)：1069-1071.