鄭建校，趙航，賀利樂，郭寶良，羅丹

基于APDL車輛麥弗遜懸架裝置有限元分析*

鄭建校，趙航，賀利樂，郭寶良，羅丹

（西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

麥弗遜懸架是影響車輛行駛穩(wěn)定性和安全性的主要裝置。針對這一問題，以某家用轎車麥弗遜懸架裝置為研究對象，應(yīng)用ANSYS軟件參數(shù)化語言APDL建立有限元模型，求解車輛行駛過程中三種危險工況下的應(yīng)力和應(yīng)變大小。研究結(jié)果表明應(yīng)力變化梯度較大，應(yīng)變較小，麥弗遜懸架裝置設(shè)計滿足強度要求。在生產(chǎn)之前，對麥弗遜懸架進行有限元分析計算，發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計缺陷，改善設(shè)計方案，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高設(shè)計質(zhì)量和效率。

麥弗遜懸架；APDL；有限元分析

前言

麥弗遜懸架是車身與車轎之間連接裝置的總稱，承受路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力，同時這三種反力產(chǎn)生的力矩傳遞給車身，并緩沖來自凹凸路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷，以保證車輛的正常行駛，提高車輛的駕駛穩(wěn)定性。由此可見，懸架裝置的結(jié)構(gòu)強度是影響車輛正常行駛的主要因素之一。因此，在車輛設(shè)計初始階段，完成懸架裝置的力學(xué)性能研究，增強懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，保證車輛正常行駛。

ANSYS 軟件是基于有限元法開發(fā)的數(shù)值分析軟件，具有強大的求解計算能力，可以解決工程領(lǐng)域中各類復(fù)雜的問題。本文采用參數(shù)化語言APDL對懸架裝置進行有限元分析，獲得懸架裝置的強度特性，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。

1 麥弗遜懸架有限元模型

1.1 麥弗遜懸架裝置結(jié)構(gòu)

某型轎車麥弗遜式懸架裝置主要由A字形下擺臂、減振器、橫向穩(wěn)定桿和螺旋彈簧組成。麥弗遜式獨立懸架為支柱式減振器兼作主銷，受到車身抖動和地面沖擊的上、下預(yù)應(yīng)力。轉(zhuǎn)向節(jié)則沿著主銷轉(zhuǎn)動，主銷可擺動，特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上、下跳動而變化，且前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。

1.2 材料屬性

車輛行駛過程中，因路面工況不同，懸架要承受各種動載荷，對其各部件的強度和抗沖擊性能要求較高。因此，懸架轉(zhuǎn)向節(jié)材料選用球墨鑄鐵，下擺臂材料選用機動車用熱軋鋼，彈簧材料選擇60Si2MnA。

1.3 懸架裝置幾何模型建立

本文以某款車型麥弗遜懸架裝置為研究對象，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)，基于ANSYS軟件參數(shù)化語言APDL，采用自下向上建模方法，定義彈簧等零件參數(shù)，通過建立點、線、面和體，運用大量的布爾運算，建立懸架裝置三維幾何實體模型如圖1所示。

圖1 懸架裝置幾何模型

1.4 麥弗遜懸架裝置有限元模型建立

懸架裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單元類型選用帶中間節(jié)點的四面體單元—SOLID187。懸架裝置由多種材料組成，定義各個實體部分分配單元和材料屬性。

圖2 懸架有限元模型

采用參數(shù)化語言APDL 建立各個零部件幾何模型，通過相應(yīng)的連接方式裝配懸架裝置幾何模型。裝配零部件時，構(gòu)件之間建立接觸關(guān)系。創(chuàng)建接觸對，分別選擇轉(zhuǎn)向節(jié)的面與輪胎的內(nèi)表面、彈簧支柱內(nèi)表面、彈簧與彈簧上端蓋、創(chuàng)建彈簧與彈簧下座接觸對。通過耦合節(jié)點集合的自由度，模擬轉(zhuǎn)向節(jié)與下橫臂之間連接的球鉸。定義劃分網(wǎng)格尺寸大小為20mm，基于參數(shù)化語言APDL 建立麥弗遜懸架有限元模型，如圖2所示。

2 不同工況下麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)強度計算

2.1 有限元靜力學(xué)分析

車輛懸架裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行駛過程中會遇到各種復(fù)雜工況，車輛懸架裝置強度和剛度滿足設(shè)計要求，是保證懸架裝置實現(xiàn)其功能的必備條件。應(yīng)用有限單元法，依據(jù)第四強度理論，對懸架裝置進行靜態(tài)強度校核。

2.2 不同工況下懸架邊界載荷計算

車輛在行駛過程中，懸架裝置將受到靜載和動載兩種載荷，其中轉(zhuǎn)向節(jié)和下擺臂是承受載荷的主要部件。車輛行駛過程中，在三種受力極限工況下，載荷最大。依據(jù)汽車?yán)碚?，車輛行駛的三種受力極限工況為：通過不平路面工況、制動工況和轉(zhuǎn)向工況。

在三種危險工況下，對懸架構(gòu)件進行靜態(tài)受力分析，即懸架各構(gòu)件邊界載荷條件的準(zhǔn)靜力學(xué)求解。應(yīng)用Matlab軟件，編寫程序，三種工況下所受載荷計算結(jié)果如表1所示。

表1 典型工況下懸架邊界載荷

2.3 不平路面工況

根據(jù)汽車?yán)碚摚囃ㄟ^凹凸路面時，車輪受到?jīng)_擊載荷，懸架主要受到法向力，動載系數(shù)最大。從懸架裝置實際受力及運動情況看，在輪胎下端線上節(jié)點處施加載荷，將更接近于實際受力情況。通過求解，獲得應(yīng)力如圖3所示，主要承受力的部位是懸架轉(zhuǎn)向節(jié)上端伸出部分，最大應(yīng)力點在下端伸出部分與下三角臂的連接處，大小為388MPa，下三角臂已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形，此處為懸架的危險截面。

圖3 不平路面工況下懸架的應(yīng)力云圖

2.4 制動工況

汽車在制動時，受到慣性力和地面縱向沖擊，懸架轉(zhuǎn)向節(jié)大軸頸處受到輪胎經(jīng)軸承傳遞過來的切向力。由于車輪輪轂安裝在軸承上，制動時轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸不受扭矩作用，在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處施加載荷。計算求解后，獲得制動工況下懸架應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 制動工況下懸架應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，受力主要區(qū)域在懸架轉(zhuǎn)向節(jié)上端與球鉸球柄處，上端伸出部分的頸根和球鉸球柄處是最大應(yīng)力點，其值為366MPa。在制動工況下，下擺臂前后支點是主要受力點，承受水平面內(nèi)彎矩和縱向平面內(nèi)扭矩，懸架裝置受到切向力作用，高應(yīng)力區(qū)集中在大跨度的臂體彎弧上。

2.5 轉(zhuǎn)向工況

汽車轉(zhuǎn)向時，兩個車輪上的側(cè)向力大小不等，法向作用力和側(cè)向力所產(chǎn)生的力矩方向不等，作用在車輪左、右轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上的彎矩也不相等。假設(shè)轎車左轉(zhuǎn)，出現(xiàn)向右側(cè)滑，此時，右懸架所承受的彎矩遠大于左側(cè)。因此，研究對象采用承受較大彎矩的右懸架。

圖5 轉(zhuǎn)向工況下懸架的應(yīng)力云圖

在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處和中心點施加載荷，計算求解，獲得應(yīng)力云圖如圖5所示，主要承受力的部位是懸架轉(zhuǎn)向節(jié)上端伸出部分，下端伸出部分與下三角臂的連接處是最大應(yīng)力點，其值為299MPa，下三角臂變形較大，此處為懸架的危險截面。

2.6 計算安全系數(shù)

通過以上分析可知，該車的麥弗遜前懸架最大應(yīng)力值為388MPa，其材料許用應(yīng)力值為450MPa，安全系數(shù)為：

從應(yīng)力集中分析，安全系數(shù)值較小，其余大部分強度滿足懸架裝置設(shè)計強度要求，且應(yīng)力變化梯度較大，存在結(jié)構(gòu)輕量化空間，能夠進行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，降低產(chǎn)品成本。

3 結(jié)論

本文采用有限單元法，應(yīng)用參數(shù)化語言APDL建立了麥弗遜懸架裝置有限元模型，針對懸架裝置三種危險工況，施加載荷、約束和求解，獲得應(yīng)力和應(yīng)變云圖，結(jié)論如下：

（1）應(yīng)用參數(shù)化語言APDL建立帶有復(fù)雜曲面的主要零部件幾何實體模型，通過裝配，建立懸架裝置幾何模型；選擇合適單元并進行網(wǎng)格劃分，建立了懸架裝置有限元模型。

（2）分析懸架裝置在三種危險工況下有限元計算結(jié)果。最大應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值不大于材料的屈服極限，結(jié)果表明懸架裝置的強度和剛度滿足設(shè)計要求。分析應(yīng)力分布云圖，應(yīng)力變化梯度較大，存在結(jié)構(gòu)輕量化空間。

[1] 陳家瑞主編.汽車構(gòu)造(下冊)[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2001.

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[3] 江迎春.基于剛?cè)狁詈系钠噾壹苡邢拊治鯷D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2008.

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Finite Element Analysisof Automobile McPherson SuspensionDevice based on APDL*

Zheng Jianxiao, Zhao Hang, He Lile, Guo Baoliang, Luo Dan

( School of mechanical and electrical engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Shaanxi Xi’an 710055 )

The McPherson suspension is the main device that affects the driving stability and safety of vehicles. Aiming at this problem, the McPherson suspension device of a family car is taken as the research object. And the finite element model is established by using ANSYS software parametric language APDL to solve the stress and strain under three dangerous conditions during vehicle driving. The research results show that the gradient of the stress change is larger and the gradient of the strain change is smaller. The strength requirements can be met by the design of McPherson suspension. Before the production, the McPherson suspension was analyzed and calculated by the finite element method and the design defects will be found, thus the design scheme will be improved. The product development cycle will be shortened greatly, and the design quality and efficiency will be increased.

McPherson suspension device; APDL; Finite element analysis

B

1671-7988(2019)21-59-03

鄭建校，男，副教授，就職于西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院。主要從事工程車輛優(yōu)化設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)強度分析研究。

U467

B

1671-7988(2019)21-59-03

*2017年校級研究生教改項目（編號JG021753）資助；西安建筑科技大學(xué)車輛工程擇優(yōu)立項專業(yè)建設(shè)項目（編號1609118 004）資助；陜西省教育廳專項科研項目（編號14JK1410）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.020

CLC NO.:U467