基于Workbench的电动三轮车悬挂系统板簧强度的分析

神会存，汪友刚

（中原工学院，郑州450007）

基于Workbench的电动三轮车悬挂系统板簧强度的分析

神会存，汪友刚

（中原工学院，郑州450007）

利用Workbench对一款电动三轮车的板簧强度及其减震效果进行了分析，得出了各弹簧片的受力情况和主要性能参数，并以此调整悬挂系统，使其性能最优化．分析结果为电动三轮车设计提供了参考．

电动三轮车；板簧；悬挂系统；Workbench

钢板弹簧作为最常用的悬挂系统弹性元件，越来越普遍地在电动三轮车中得到使用．为了提高电动三轮车行驶的平稳性，现在的钢板弹簧多以非独立悬挂的形式出现，如图1所示［1］．这样的结构不但能够传递扭矩和力，还能利用各个弹簧片之间的摩擦来减震并提高悬挂系统的整体刚度．随着有限元技术的发展，Workbench仿真平台在工程中的应用日益成熟，引起了国内外钢板弹簧设计与分析方法的重大变革．用有限元法计算钢板弹簧的刚度和应力问题，突破了传统方法中的人为假设，与传统的解析方法相比，具有理论上严密、力学模型统一、精度高等优点［2－6］．

图1 非独立悬架系统结构图

本文先利用Solidworkes软件建立板簧装配体的三维模型，然后以iges的格式将其导入Workbench中进行相关强度的静力分析，在先后定义了分析类型、材料属性、约束和边界条件并划分其单元网格后，利用经典ansys求解器求解出了各个板簧片的最大变形量及最大等效应力，再将板簧片的最大等效应力与材料的许用应力相比较，用以验证在此工况下该板簧装配体是否满足减震要求．

1 Workbench静力结构分析

线性静力结构分析用于分析结构在静力载荷作用下的响应．一般情况下，人们比较关注的是结构的位移、约束反力、应力以及应变等参数［7］．

经典力学的动力学通用方程是：

式中：M－质量矩阵；C－阻尼矩阵；K－刚度系数矩阵；x－位移矢量；F－力矢量．

在线性静力结构分析中，所有与时间相关的选项都被忽略，于是从式（1）得到下面的方程式：

在研究一个点的应力的应力状态时，通常用σ1、σ2、σ3代表该点的3个主应力，并以σ1代表代数值最大的主应力，σ3代表代数值最小的主应力，即σ1＞σ2＞σ3．这几个应力遵循材料力学第四强度理论［8］．

在应力分析当中，应当满足以下假设条件：K矩阵必须是连续的；相应的材料需要满足线弹性和小变形理论要求．在静力结构分析中，力矢量F为静力载荷，可以不考虑惯性（如质量、阻尼等）对其的影响；Von Mises等效应力σr可以表示为：

零部件材料强度需要具备的条件为：σr≤［σ］．其中，［σ］为材料许用应力极限值；σ1、σ2、σ3为某一个点的3个主应力．

利用Workbench进行静力结构分析，一般包括以下基本步骤：

（1）建立模型和划分网络．有限元模型的建立主要包括两个方面内容：建立几何模型；划分网络．本文利用Solidworkes软件建立板簧装配体三维模型，将其保存为iges格式，然后导入Workbench中进行网格划分．在此之前，需要先确定分析类型（即静力结构分析），包括工作文件名、标题、单元类型、单元实常数、材料模型及其参数．

（2）加载求解．这一步骤包括定义分析类型、对板簧结构施加载荷并定义其分析选项和边界条件、设置分析后文件的输出格式并进行求解等．

（3）后处理．在定义好约束和边界条件后，利用Workbench导出分析结果文件Jobname．RST．通常此文件中包含下列数据：

基本数据：节点位移信息（UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ），即变形量；

导出数据：节点和单元应力、节点和单元应变、单元集中力及节点支反力，即等效应力．

2 板簧模型的建立

首先确定分析类型为静力结构分析，设定各片板簧的装配顺序从上往下依次为第1至第7片板簧．根据模型分析的需要，应该去掉该装配结构与后桥桥管相固定的U型螺栓、板簧限位器、板簧包箍和其他紧固件，因为这些零件可以在后面的分析中用约束条件来代替．板簧结构参数如表1所示．

根据上述条件和要求，利用Solidworks软件建立板簧装配体，并将其保存为Workbench支持的iges格式．将其导入Workbench后，该板簧装配体如图2所示．

表1 板簧结构参数

3 材料属性的确定及单元网格的划分

本文各片板簧所用的材料为60Si2Mn．该材料为合金钢，其杨氏模量E＝206 GPa；泊松比μ的值一般在0．25～0．3之间，本文取μ＝0．3．60Si2Mn的密度为7 850 kg／m3，屈服极限为1 275 MPa．

采用Workbench自适应网格划分方法进行网格划分，网格划分结果如图3所示．

该装配体一共有7个单元体，划分网格后有6 233个节点、1 634个元素．

图3 网格划分图

4 接触及约束和边界条件的确定

由于该装配体涉及到摩擦，故在确定约束和边界条件前需要先定义接触，即设定板簧片摩擦系数和接触法向刚度因子并选取接触面和目标面．

本文采用不对称结构来进行分析，选择板簧片1的下表面为接触面，板簧片2的上表面为目标面，选定二者之间的摩擦系数为0．3．按此方法依次定义板簧片2与板簧片3、板簧片3与板簧片4、板簧片4与板簧片5、板簧片5与板簧片6、板簧片6与板簧片7的接触，共6个接触对，如图4所示．

图4 板簧装配体定义接触后的效果图

在确定约束和边界条件前，首先需要了解一下电动三轮车的结构．本文分析所用的电动三轮车是河南隆鑫机车有限公司新生产的一款载货用电动三轮车，其整车结构如5所示．该车采用链式传动后桥（双链条），5块6×12 V的蓄电池串接在一起，车上装配有直流接触器、控制器、断路器、充电插槽以及语音倒车报警器等电器件，最大行程能达到130 km．该车采用ZLC80－260V1100W型号电动机．

图5 电动三轮车整车结构图

作为传递扭矩和力的钢板弹簧，在此车中是通过U型螺栓和板簧限位器与后桥桥管固定在一起作为悬挂系统使用的．U型螺栓作用在板簧片的中部，上面三片板簧在对称的位置各有一个板簧包箍，用以限制各片板簧沿Z向的移动，第1片板簧左右两端各有一个卷耳，用于把板簧装配体与车架吊耳连接在一起．

在充分了解整车结构的基础上，对该板簧结构施加如下约束和边界条件：整车质量为500 kg，最大负载为450 kg；整车前部承重约为最大负载的1／4，其他重量通过车架吊耳传递到板簧上．由于整车两侧的板簧结构对称，取标准重力加速度值g＝9 806．6 mm／s2，故作用在每个板簧装配体卷耳两端的重量大约有1 765 N．由于板簧中部用U型螺栓与桥管固定，所以需要将第7片板簧的底面以及该片板簧的螺栓孔固定，其余板簧片的螺栓孔只需要约束其Z向位移即可，并不需要限制其沿X、Y向的位移．施加上述约束后的板簧状态如图6所示．

5 计算结果分析

根据上述工况、载荷和约束条件，分别建立模型并进行计算，得出车架的最大等效应力云图、最大位移云图及力作用云图，如图7－图9所示．

由图7和图8可知：最大应力值为349．48 MPa，发生在板簧片2的左端；最小应力为8．5704e－002 MPa，发生在板簧片4左端的铆钉定位孔处．由于该材料的最大屈服应力为1 275 MPa，因此在此工况下板簧的等效应力远小于材料的最大屈服应力，而最大变形量仅为2．418 8 mm，发生在板簧片2的右端卷耳处．可见，该板簧结构满足设计要求．

6 结 语

该款电动三轮车在整车整备、满载的工况下，板簧结构满足设计的使用要求．然而，这仅是静力状态下的情况，为了更全面、更合理地分析、评估其使用性能，还需要进一步分析其动态性能参数．

图9 力作用云图

［1］钱立军，阚萍．变截面少片簧刚度和强度有限元分析［J］．拖拉机与农用运输车，2001（5）：27－28．

［2］李敏兰，单颖春，石磊．等截面叶片钢板弹簧的有限元分析［J］．设计与研究，2005，32（8）：17－18．

［3］曲昌荣，潮凯年．钢板弹簧的有限元分析［J］．轻型汽车技术，2005（10）：15－19．

［4］于安和，桂良进，范子杰．钢板弹簧刚度特性的有限元分析［J］．设计计算研究，2007（2）：26－30．

［5］邹海荣，黄其柏．国内外汽车钢板弹簧设计与分析发展的进程［J］．上海汽车技术导向，2004（7）：37－41．

［6］郭洪强，李衡，郭世永．汽车钢板弹簧的接触有限元分析［J］．湖北汽车工业学院学报，2006，20（2）：11－13．

［7］王晶，神会存．三轮摩托车车架的有限元分析［J］．中原工学院学报，2010（5）：29－31．

［8］刘鸿文．材料力学［M］．北京：高等教育出版社，2006．

Strength Analysis of Electro－tricycle Suspension System Leaf－Spring Based on Workbench

SHEN Hui－cun，WANG You－gang
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In this paper，using Workbench software the spring and damping strength of on electric tricycle is analyzed．Force of the spring and main performance parameter are obtained．In order to adjust the suspension system，optinize its performance．Analysis results provide some reference for electric fricycle design．

electro－tricycle；leaf－spring；suspension system；Workbench

TH135

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．005

1671－6906（2012）01－0017－06

2011－11－26

河南省科技攻关计划项目（092102210289）

神会存（1963－），男，山东潍坊人，教授，博士．