基于APDL车辆麦弗逊悬架装置有限元分析*

郑建校，赵航，贺利乐，郭宝良，罗丹

基于APDL车辆麦弗逊悬架装置有限元分析*

郑建校，赵航，贺利乐，郭宝良，罗丹

（西安建筑科技大学机电工程学院，陕西 西安 710055）

麦弗逊悬架是影响车辆行驶稳定性和安全性的主要装置。针对这一问题，以某家用轿车麦弗逊悬架装置为研究对象，应用ANSYS软件参数化语言APDL建立有限元模型，求解车辆行驶过程中三种危险工况下的应力和应变大小。研究结果表明应力变化梯度较大，应变较小，麦弗逊悬架装置设计满足强度要求。在生产之前，对麦弗逊悬架进行有限元分析计算，发现其中的设计缺陷，改善设计方案，大幅度缩短产品开发周期，提高设计质量和效率。

麦弗逊悬架；APDL；有限元分析

前言

麦弗逊悬架是车身与车轿之间连接装置的总称，承受路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力，同时这三种反力产生的力矩传递给车身，并缓冲来自凹凸路面传给车身的冲击载荷，以保证车辆的正常行驶，提高车辆的驾驶稳定性。由此可见，悬架装置的结构强度是影响车辆正常行驶的主要因素之一。因此，在车辆设计初始阶段，完成悬架装置的力学性能研究，增强悬架结构设计质量，保证车辆正常行驶。

ANSYS 软件是基于有限元法开发的数值分析软件，具有强大的求解计算能力，可以解决工程领域中各类复杂的问题。本文采用参数化语言APDL对悬架装置进行有限元分析，获得悬架装置的强度特性，指导产品设计。

1 麦弗逊悬架有限元模型

1.1 麦弗逊悬架装置结构

某型轿车麦弗逊式悬架装置主要由A字形下摆臂、减振器、横向稳定杆和螺旋弹簧组成。麦弗逊式独立悬架为支柱式减振器兼作主销，受到车身抖动和地面冲击的上、下预应力。转向节则沿着主销转动，主销可摆动，特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上、下跳动而变化，且前轮定位变化小，具有良好的行驶稳定性。

1.2 材料属性

车辆行驶过程中，因路面工况不同，悬架要承受各种动载荷，对其各部件的强度和抗冲击性能要求较高。因此，悬架转向节材料选用球墨铸铁，下摆臂材料选用机动车用热轧钢，弹簧材料选择60Si2MnA。

1.3 悬架装置几何模型建立

本文以某款车型麦弗逊悬架装置为研究对象，根据产品设计参数，基于ANSYS软件参数化语言APDL，采用自下向上建模方法，定义弹簧等零件参数，通过建立点、线、面和体，运用大量的布尔运算，建立悬架装置三维几何实体模型如图1所示。

图1 悬架装置几何模型

1.4 麦弗逊悬架装置有限元模型建立

悬架装置结构较复杂，单元类型选用带中间节点的四面体单元—SOLID187。悬架装置由多种材料组成，定义各个实体部分分配单元和材料属性。

图2 悬架有限元模型

采用参数化语言APDL 建立各个零部件几何模型，通过相应的连接方式装配悬架装置几何模型。装配零部件时，构件之间建立接触关系。创建接触对，分别选择转向节的面与轮胎的内表面、弹簧支柱内表面、弹簧与弹簧上端盖、创建弹簧与弹簧下座接触对。通过耦合节点集合的自由度，模拟转向节与下横臂之间连接的球铰。定义划分网格尺寸大小为20mm，基于参数化语言APDL 建立麦弗逊悬架有限元模型，如图2所示。

2 不同工况下麦弗逊悬架结构强度计算

2.1 有限元静力学分析

车辆悬架装置结构复杂，行驶过程中会遇到各种复杂工况，车辆悬架装置强度和刚度满足设计要求，是保证悬架装置实现其功能的必备条件。应用有限单元法，依据第四强度理论，对悬架装置进行静态强度校核。

2.2 不同工况下悬架边界载荷计算

车辆在行驶过程中，悬架装置将受到静载和动载两种载荷，其中转向节和下摆臂是承受载荷的主要部件。车辆行驶过程中，在三种受力极限工况下，载荷最大。依据汽车理论，车辆行驶的三种受力极限工况为：通过不平路面工况、制动工况和转向工况。

在三种危险工况下，对悬架构件进行静态受力分析，即悬架各构件边界载荷条件的准静力学求解。应用Matlab软件，编写程序，三种工况下所受载荷计算结果如表1所示。

表1 典型工况下悬架边界载荷

2.3 不平路面工况

根据汽车理论，汽车通过凹凸路面时，车轮受到冲击载荷，悬架主要受到法向力，动载系数最大。从悬架装置实际受力及运动情况看，在轮胎下端线上节点处施加载荷，将更接近于实际受力情况。通过求解，获得应力如图3所示，主要承受力的部位是悬架转向节上端伸出部分，最大应力点在下端伸出部分与下三角臂的连接处，大小为388MPa，下三角臂已经发生严重变形，此处为悬架的危险截面。

图3 不平路面工况下悬架的应力云图

2.4 制动工况

汽车在制动时，受到惯性力和地面纵向冲击，悬架转向节大轴颈处受到轮胎经轴承传递过来的切向力。由于车轮轮毂安装在轴承上，制动时转向节轴颈不受扭矩作用，在转向节轴颈处施加载荷。计算求解后，获得制动工况下悬架应力云图如图4所示。

图4 制动工况下悬架应力云图

从图中可以看出，受力主要区域在悬架转向节上端与球铰球柄处，上端伸出部分的颈根和球铰球柄处是最大应力点，其值为366MPa。在制动工况下，下摆臂前后支点是主要受力点，承受水平面内弯矩和纵向平面内扭矩，悬架装置受到切向力作用，高应力区集中在大跨度的臂体弯弧上。

2.5 转向工况

汽车转向时，两个车轮上的侧向力大小不等，法向作用力和侧向力所产生的力矩方向不等，作用在车轮左、右转向节轴颈上的弯矩也不相等。假设轿车左转，出现向右侧滑，此时，右悬架所承受的弯矩远大于左侧。因此，研究对象采用承受较大弯矩的右悬架。

图5 转向工况下悬架的应力云图

在转向节轴颈处和中心点施加载荷，计算求解，获得应力云图如图5所示，主要承受力的部位是悬架转向节上端伸出部分，下端伸出部分与下三角臂的连接处是最大应力点，其值为299MPa，下三角臂变形较大，此处为悬架的危险截面。

2.6 计算安全系数

通过以上分析可知，该车的麦弗逊前悬架最大应力值为388MPa，其材料许用应力值为450MPa，安全系数为：

从应力集中分析，安全系数值较小，其余大部分强度满足悬架装置设计强度要求，且应力变化梯度较大，存在结构轻量化空间，能够进行结构拓扑优化设计，降低产品成本。

3 结论

本文采用有限单元法，应用参数化语言APDL建立了麦弗逊悬架装置有限元模型，针对悬架装置三种危险工况，施加载荷、约束和求解，获得应力和应变云图，结论如下：

（1）应用参数化语言APDL建立带有复杂曲面的主要零部件几何实体模型，通过装配，建立悬架装置几何模型；选择合适单元并进行网格划分，建立了悬架装置有限元模型。

（2）分析悬架装置在三种危险工况下有限元计算结果。最大应力和应变数值不大于材料的屈服极限，结果表明悬架装置的强度和刚度满足设计要求。分析应力分布云图，应力变化梯度较大，存在结构轻量化空间。

[1] 陈家瑞主编.汽车构造(下册)[M].北京:机械工业出版社, 2001.

[2] 夏长高,邵跃华,丁华.麦弗逊悬架运动学分析与结构参数优化[J]. 农业机械学报, 2005, 36(12): 5-8.

[3] 江迎春.基于刚柔耦合的汽车悬架有限元分析[D].合肥:合肥工业大学, 2008.

[4] 侯炜.汽车车架的有限元静动态响应分析[D].秦皇岛:燕山大学. 2006.

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

郑建校，男，副教授，就职于西安建筑科技大学机电工程学院。主要从事工程车辆优化设计、机械结构强度分析研究。

U467

B

1671-7988(2019)21-59-03

*2017年校级研究生教改项目（编号JG021753）资助；西安建筑科技大学车辆工程择优立项专业建设项目（编号1609118 004）资助；陕西省教育厅专项科研项目（编号14JK1410）资助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.020

CLC NO.:U467