轿车悬架弹簧有限元分析

鲁言辉

摘 要：本文通过大型有限元分析软件ANSYS对悬架螺旋弹簧进行全面的有限元分析。利用ANSYS Workbench的静力分析分析悬架弹簧在最危险状况下的应力分布状态以及螺旋弹簧各个部分的变形情况；通过有限元疲劳分析的到悬架弹簧的最大损伤的位置。经过以上分析，不但确定了悬架弹簧刚度和强度的合理性，同时也能得到螺旋弹簧在整个受力过程中的受力变形情况及最大损伤出现的位置，为以后对螺旋弹簧的优化设计及研究分析提出可行性建议及依据。

关键词：悬架弹簧；有限元分析；应力

引言

近年来，我国的私家車越来越多。为保证轿车行驶的性能，悬架弹簧的作用显得尤为重要。目前，轿车悬架螺旋弹簧应用较为广泛。而螺旋弹簧分为圆柱螺旋弹簧及锥截面螺旋弹簧。锥截面螺旋弹簧的圆锥角越大，弹簧的刚度变化越大，自振频率的变化越高，对于消除和缓冲共振越有利。但是锥角越大，材料的利用率越低，达到一定程度，弹簧甚至会发生自锁而不能回弹。因此，圆柱螺旋弹簧以其结构简单、本身质量小、纵向安装空间不大、无需润滑等优点被轿车广泛应用。本文选择轿车悬架圆柱螺旋弹簧进行有限元分析。

轿车悬架弹簧作为汽车底盘悬架的关键零件之一，它与轿车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性密切相关，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。准确的预测了解悬架弹簧的寿命和损伤对弹簧的应用具有重大意义。

1、悬架螺旋弹簧三维模型的建立

本文以马自达轿车的悬架螺旋弹簧为研究分析对象，其弹簧外径D1=115.5mm，弹簧内径D2=83.5mm，自有高度H0=320mm，标准编号A01-34-001，钢丝直径16mm，节距t=15mm，旋向为右旋，螺旋角tanα=t/πd。过Creo三维造型保存副本另存为**.stp格式。打开ANSYS Workbench中的DM平台，将**.stp文件导入即可。

2、悬架螺旋弹簧有限元模型的网格划分

有限元模型网格划分的质量与计算精度有着密切关联。质量太差会增长计算时间或是导致计算失败等。通常网格每一个边角相差不大，网格单元的面不过分变形的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。

本论文采用六面体方法进行有限元模型网格划分，网格大小为5mm，划分后模型求解较快，结果准确，证明划分合理。

3、悬架螺旋弹簧模型的边界定义

在有限元分析过程中，为了准确模拟悬架螺旋弹簧在轿车悬架系统中的实际工作情况，就必须对螺旋弹簧的有限元模型进行边界条件设定。施加约束使螺旋弹簧的弹性形能正常发挥。本论文有限元分析对螺旋弹簧进行边界定义为：在螺旋弹簧的一端施加固定约束，在其另一端施加法向力并给出力的大小。

根据车身的质量及悬架螺旋弹簧的个数，对其加载的载荷是2500N。

4、悬架螺旋弹簧的有限元静力分析

对螺旋弹簧施加2500N的轴向载荷后，得到螺旋弹簧的等效应力云图。从图中可以看出，悬架螺旋弹簧在受固定载荷时，其弹簧圈内侧所受的应力值最大，最大应力是381Mp。螺旋弹簧所受的最大切应力为162.03Mp。经由上节公式，计算得到的弹簧所受的最大切应力为167.4Mp基本相符。所以，校核螺旋弹簧的强度时，应注意其内侧的应力值是否超过弹簧本身材料的应力值。由此可见，在悬架螺旋弹簧的优化设计时，应注意提高悬架螺旋弹簧内侧的强度及弹性性能，如降低粗糙度值、抛光、打磨等。

经过悬架螺旋弹簧有限元静力分析，得到螺旋弹簧各部分的位移云图。从图中可以得到，弹簧位移变化量最大的地方在载荷的作用点位置，也就是弹簧的顶端，其位移量由上到下依次递减，最大的位移为28.231mm。其结果与实际理论相符，表明了螺旋弹簧在2500N的载荷作用下并未发生失效，其弹性性能良好。

对螺旋弹簧进行有限元静力分析得到弹簧应变云图。从直观上可以看出，螺旋弹簧的最大应变出现在弹簧内圈。应变的分布与应力的分布大致相同。这充分证实了应变是由应力引起的材料力学基本理论。通过螺旋弹簧受载后的应力变化便可以得知螺旋弹簧的应变变化。这为悬架螺旋弹簧的优化设计及受力分析，提供可行性依据。以后，在悬架螺旋弹簧受力较为简单时，可以只进行应力分析，由此推测弹簧的应变情况。简化步骤，提高效率。

5、悬架螺旋弹簧的有限元疲劳分析

首先在求解完成后，选择Solution工具栏中的Tools→Fatigue Tool，此时在树结构图中Solution下将出现Fatigue Tool对象。在设置细节窗口中吧Fatigue strength Factor改为0.8，Mean Stress Theory改为Mean Stress Curves。

依次求解输出寿命（Life）云图、安全系数（Safety Factor）云图、损伤（Damage）云图和等效交变应力（Equivalent Alternating Stress）云图。由悬架弹簧的疲劳寿命云图可以看出，螺旋弹簧的疲劳寿命所在的范围是5767.4min周围。悬架螺旋弹簧寿命较长，性能良好。由螺旋弹簧疲劳安全系数云图可以看出，螺旋弹簧的安全系数普遍都在1以下，清楚明了。从螺旋弹簧疲劳损伤云图可以看出，螺旋弹簧内侧损伤最为严重，大约是7.617e5左右。为悬架螺旋弹簧的优化设计提供了数据支持。由螺旋弹簧等效应力应变云图可以看出，螺旋弹簧所受的最大等效应力为439.34Mp，还在弹簧的承受范围内。

总结得到以下几点结论：

本弹簧在2500N的平均载荷作用下，弹簧整体损伤不大，寿命较长，并未发生疲劳断裂而引起弹簧的失效。说明此弹簧在正常工作的情况下，具有良好的疲劳寿命，能使弹簧的弹性形能的良好发挥，保证轿车行驶的安全性。

6、总结与展望

螺旋弹簧在2500N静力作用下，弹簧的应变随着应力发生变化。其最大应力总是分布在螺旋弹簧的内侧，这个地方可能是弹簧的应力集中处。弹簧所受最大应力并未超过弹簧的许用值，弹簧的弹性性能可以得到良好发挥。

通过对螺旋弹簧进行疲劳分析得知螺旋弹簧在2500N固定载荷下的疲劳寿命及疲劳损伤分布。此时，弹簧的寿命较长，较长时间内弹簧不会发生疲劳失效。

参考文献

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[2]金花.基于MATLAB的圆柱螺旋弹簧结构优化设计.内燃机.2010.

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