魯言輝

摘 要：本文通過大型有限元分析軟件ANSYS對懸架螺旋彈簧進行全面的有限元分析。利用ANSYS Workbench的靜力分析分析懸架彈簧在最危險狀況下的應力分布狀態(tài)以及螺旋彈簧各個部分的變形情況；通過有限元疲勞分析的到懸架彈簧的最大損傷的位置。經(jīng)過以上分析，不但確定了懸架彈簧剛度和強度的合理性，同時也能得到螺旋彈簧在整個受力過程中的受力變形情況及最大損傷出現(xiàn)的位置，為以后對螺旋彈簧的優(yōu)化設計及研究分析提出可行性建議及依據(jù)。

關鍵詞：懸架彈簧；有限元分析；應力

引言

近年來，我國的私家車越來越多。為保證轎車行駛的性能，懸架彈簧的作用顯得尤為重要。目前，轎車懸架螺旋彈簧應用較為廣泛。而螺旋彈簧分為圓柱螺旋彈簧及錐截面螺旋彈簧。錐截面螺旋彈簧的圓錐角越大，彈簧的剛度變化越大，自振頻率的變化越高，對于消除和緩沖共振越有利。但是錐角越大，材料的利用率越低，達到一定程度，彈簧甚至會發(fā)生自鎖而不能回彈。因此，圓柱螺旋彈簧以其結構簡單、本身質量小、縱向安裝空間不大、無需潤滑等優(yōu)點被轎車廣泛應用。本文選擇轎車懸架圓柱螺旋彈簧進行有限元分析。

轎車懸架彈簧作為汽車底盤懸架的關鍵零件之一，它與轎車行駛的安全性、乘坐的舒適性和車體對復雜路面的適應性密切相關，良好的汽車懸架彈簧是保障汽車運行性能的關鍵因素之一。準確的預測了解懸架彈簧的壽命和損傷對彈簧的應用具有重大意義。

1、懸架螺旋彈簧三維模型的建立

本文以馬自達轎車的懸架螺旋彈簧為研究分析對象，其彈簧外徑D1=115.5mm，彈簧內徑D2=83.5mm，自有高度H0=320mm，標準編號A01-34-001，鋼絲直徑16mm，節(jié)距t=15mm，旋向為右旋，螺旋角tanα=t/πd。過Creo三維造型保存副本另存為**.stp格式。打開ANSYS Workbench中的DM平臺，將**.stp文件導入即可。

2、懸架螺旋彈簧有限元模型的網(wǎng)格劃分

有限元模型網(wǎng)格劃分的質量與計算精度有著密切關聯(lián)。質量太差會增長計算時間或是導致計算失敗等。通常網(wǎng)格每一個邊角相差不大，網(wǎng)格單元的面不過分變形的網(wǎng)格質量較好。網(wǎng)格質量可用細長比、錐度比、內角、翹曲量、拉伸值、邊節(jié)點位置偏差等指標度量。

本論文采用六面體方法進行有限元模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為5mm，劃分后模型求解較快，結果準確，證明劃分合理。

3、懸架螺旋彈簧模型的邊界定義

在有限元分析過程中，為了準確模擬懸架螺旋彈簧在轎車懸架系統(tǒng)中的實際工作情況，就必須對螺旋彈簧的有限元模型進行邊界條件設定。施加約束使螺旋彈簧的彈性形能正常發(fā)揮。本論文有限元分析對螺旋彈簧進行邊界定義為：在螺旋彈簧的一端施加固定約束，在其另一端施加法向力并給出力的大小。

根據(jù)車身的質量及懸架螺旋彈簧的個數(shù)，對其加載的載荷是2500N。

4、懸架螺旋彈簧的有限元靜力分析

對螺旋彈簧施加2500N的軸向載荷后，得到螺旋彈簧的等效應力云圖。從圖中可以看出，懸架螺旋彈簧在受固定載荷時，其彈簧圈內側所受的應力值最大，最大應力是381Mp。螺旋彈簧所受的最大切應力為162.03Mp。經(jīng)由上節(jié)公式，計算得到的彈簧所受的最大切應力為167.4Mp基本相符。所以，校核螺旋彈簧的強度時，應注意其內側的應力值是否超過彈簧本身材料的應力值。由此可見，在懸架螺旋彈簧的優(yōu)化設計時，應注意提高懸架螺旋彈簧內側的強度及彈性性能，如降低粗糙度值、拋光、打磨等。

經(jīng)過懸架螺旋彈簧有限元靜力分析，得到螺旋彈簧各部分的位移云圖。從圖中可以得到，彈簧位移變化量最大的地方在載荷的作用點位置，也就是彈簧的頂端，其位移量由上到下依次遞減，最大的位移為28.231mm。其結果與實際理論相符，表明了螺旋彈簧在2500N的載荷作用下并未發(fā)生失效，其彈性性能良好。

對螺旋彈簧進行有限元靜力分析得到彈簧應變云圖。從直觀上可以看出，螺旋彈簧的最大應變出現(xiàn)在彈簧內圈。應變的分布與應力的分布大致相同。這充分證實了應變是由應力引起的材料力學基本理論。通過螺旋彈簧受載后的應力變化便可以得知螺旋彈簧的應變變化。這為懸架螺旋彈簧的優(yōu)化設計及受力分析，提供可行性依據(jù)。以后，在懸架螺旋彈簧受力較為簡單時，可以只進行應力分析，由此推測彈簧的應變情況。簡化步驟，提高效率。

5、懸架螺旋彈簧的有限元疲勞分析

首先在求解完成后，選擇Solution工具欄中的Tools→Fatigue Tool，此時在樹結構圖中Solution下將出現(xiàn)Fatigue Tool對象。在設置細節(jié)窗口中吧Fatigue strength Factor改為0.8，Mean Stress Theory改為Mean Stress Curves。

依次求解輸出壽命（Life）云圖、安全系數(shù)（Safety Factor）云圖、損傷（Damage）云圖和等效交變應力（Equivalent Alternating Stress）云圖。由懸架彈簧的疲勞壽命云圖可以看出，螺旋彈簧的疲勞壽命所在的范圍是5767.4min周圍。懸架螺旋彈簧壽命較長，性能良好。由螺旋彈簧疲勞安全系數(shù)云圖可以看出，螺旋彈簧的安全系數(shù)普遍都在1以下，清楚明了。從螺旋彈簧疲勞損傷云圖可以看出，螺旋彈簧內側損傷最為嚴重，大約是7.617e5左右。為懸架螺旋彈簧的優(yōu)化設計提供了數(shù)據(jù)支持。由螺旋彈簧等效應力應變云圖可以看出，螺旋彈簧所受的最大等效應力為439.34Mp，還在彈簧的承受范圍內。

總結得到以下幾點結論：

本彈簧在2500N的平均載荷作用下，彈簧整體損傷不大，壽命較長，并未發(fā)生疲勞斷裂而引起彈簧的失效。說明此彈簧在正常工作的情況下，具有良好的疲勞壽命，能使彈簧的彈性形能的良好發(fā)揮，保證轎車行駛的安全性。

6、總結與展望

螺旋彈簧在2500N靜力作用下，彈簧的應變隨著應力發(fā)生變化。其最大應力總是分布在螺旋彈簧的內側，這個地方可能是彈簧的應力集中處。彈簧所受最大應力并未超過彈簧的許用值，彈簧的彈性性能可以得到良好發(fā)揮。

通過對螺旋彈簧進行疲勞分析得知螺旋彈簧在2500N固定載荷下的疲勞壽命及疲勞損傷分布。此時，彈簧的壽命較長，較長時間內彈簧不會發(fā)生疲勞失效。

參考文獻

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