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        基于三次設(shè)計(jì)法的懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2020-08-09 08:38:37耿雪霄趙宸沈邵陽
        科教導(dǎo)刊·電子版 2020年13期
        關(guān)鍵詞:螺旋彈簧剛度優(yōu)化

        耿雪霄 趙宸 沈邵陽

        摘 要:麥弗遜螺旋彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)決定剛度,而剛度直接影響著汽車的舒適性。文章通過采用三次設(shè)計(jì)法進(jìn)行懸架系統(tǒng)平順性穩(wěn)健設(shè)計(jì),并計(jì)算彈簧剛度和車身垂直加速度均方值(汽車的舒適性指標(biāo))及其增益,分析實(shí)際車輛的懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為不合理,結(jié)合合理的車身固有頻率范圍來對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

        關(guān)鍵詞:螺旋彈簧;剛度;車身垂直加速度均方值;優(yōu)化

        中圖分類號:U463.33 ????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        0引言

        圓柱螺旋壓縮是麥弗遜式懸架的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要,直接決定了彈簧的剛度,而彈簧剛度對車身加速度的影響比較大,在彈簧剛度增加的同時(shí),車身垂向加速度也在不斷增大,但是考慮舒適性的問題,需盡可能的減小懸架彈簧剛度的大小,但是無限制的減小彈簧剛度時(shí),車輛的吸振能力會變的很弱,影響車輛的整體性能。因此采用三次設(shè)計(jì)法進(jìn)行懸架系統(tǒng)平順性穩(wěn)健設(shè)計(jì),可得出各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響關(guān)系。三次設(shè)計(jì)法包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)三個(gè)階段,文章根據(jù)實(shí)際情況只介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)兩種方法。計(jì)算彈簧剛度和車身垂直加速度均方值(汽車的舒適性指標(biāo))及其增益,分析實(shí)際車輛的懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為不合理,結(jié)合合理的車身固有頻率范圍來對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

        1懸架彈簧的三次設(shè)計(jì)

        1.1 懸架系統(tǒng)望目特性設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括望目特性、望大特性、望小特性等三類特性的設(shè)計(jì)模型。望目特性定義是在存在固定目標(biāo)值m(m≠O)時(shí),希望系統(tǒng)輸出值Y圍繞目標(biāo)值波動(dòng)越小越好的計(jì)量值特性。圓柱螺旋壓縮彈簧剛度和車身加速度均方值都是明確目標(biāo)的望目特性設(shè)計(jì)。

        剛度計(jì)算公式:

        式中G為材料切變模量,根據(jù)材料60Si2MnA選值為79000MPa;d為簧絲直徑,單位為mm;D為彈簧中徑,單位為mm;n為彈簧有效圈數(shù),確定為4。

        車身垂直加速度均方值計(jì)算公式:

        式中為參考空間頻率,;為車速;為剛度比;為車身固有頻率;為彈簧剛度,約為160000N/m;為彈簧剛度;為簧下質(zhì)量,約為40Kg;為簧上質(zhì)量,約為400Kg。

        在分析時(shí),利用增益的方法來對其變化趨勢進(jìn)行分析,定義第五個(gè)取樣(共九個(gè)取樣)數(shù)對應(yīng)的性能指標(biāo)均方根值為基準(zhǔn)值,車身加速度均方根值的增益計(jì)算公式:

        1.2 懸架彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

        結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)是懸架彈簧設(shè)計(jì)的核心,運(yùn)用正交設(shè)計(jì)技術(shù)尋求麥弗遜懸架系統(tǒng)的可控因的最佳參數(shù)匹配,從而設(shè)計(jì)出質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本較合理的零件。懸架螺旋壓縮彈簧旋繞比C=D/d,因此基本參數(shù)中的簧絲直徑d、彈簧中徑D是可選中心值的可控制因素。由于旋繞比的取值嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)結(jié)果,為保證懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)能達(dá)到可靠性要求,簧絲直徑可用校核公式(4)進(jìn)行初選,設(shè)置C的取值范圍為8.6 ~13.8,可用來初步計(jì)算簧絲直徑 (計(jì)算結(jié)果見表 1),再取離散的圓整值。然后由各圓整值對應(yīng)的彈簧旋繞比確定彈簧中徑的取值范圍,再根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取彈簧中徑的離散圓整值,則可得到彈簧的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的取值范圍,見表2。

        式中為彈簧曲度系數(shù),,也可在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中直接查詢可得,為彈簧負(fù)荷,是按材料為60Si2MnA選取662MPa。(見表1)

        彈簧有效圈數(shù)是由簧絲直徑和彈簧中徑等可控因素確定的活動(dòng)水平因素,只有一個(gè)確定的計(jì)算值,圓整后也只是一水平的因素 ,因此不作為可控因素考慮。(見表2)

        1.3 輸出特性值的計(jì)算

        根據(jù)懸架彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)、B級路面、車速為60m/s和系統(tǒng)設(shè)計(jì)公式(1)、(2)、(3)分別計(jì)算輸出特性值。

        根據(jù)表3,螺旋彈簧的簧絲直徑變大,彈簧剛度隨之變大,車身加速度均方根值也變大;螺旋彈簧的中徑變大,彈簧剛度隨之變小,車身加速度均方根值也變小。車身加速度均方根值與彈簧剛度成正比。被研究的實(shí)際車輛的麥弗遜懸架彈簧的簧絲直徑為14mm,彈簧中徑為130mm,根據(jù)表3結(jié)合加速度大小與人體感覺對比表4,實(shí)際車輛的車身加速度對應(yīng)的是人體感覺不舒服范圍。

        經(jīng)自行設(shè)計(jì)的懸架性能試驗(yàn)臺測試,得到車身加速度的FFT/FT細(xì)化頻譜分析圖如圖1,可得車身加速度的固有頻率為2.5HZ,超出人體敏感頻率2HZ。

        綜上分析述,因此有必要對彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        2懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

        若追求乘坐者的舒適性需要盡可能的減小懸架彈簧剛度的大小,但是車輛的吸振能力會變?nèi)?,懸架的?dòng)撓度就會很大,影響車輛的整體性能。使用較硬的彈簧可提高汽車的安全性但會影響著乘坐者的舒適性。因而,有必要確定一個(gè)合理的彈簧剛度值,從而使車輛達(dá)到整體最優(yōu)的效果。

        通常從限制其固有頻率(舒適度)和靜撓度(安全性)兩方面來約束經(jīng)濟(jì)型轎車的彈簧剛度。即通過降低系統(tǒng)的固有頻率即可降低車身加速度來提高乘坐人員的舒適性。當(dāng)固有頻率過大會導(dǎo)致動(dòng)撓度增大,懸架系統(tǒng)就有可能與車上的限位塊發(fā)生碰撞。因此確定汽車的固有頻率f 范圍為:。

        則可計(jì)算得到剛度約束為:

        根據(jù)表3,又要考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性,取序號18,即取d=14mm,D=168mm。

        3結(jié)論

        麥弗遜式懸架螺旋彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)簧絲直徑和彈簧中徑直接決定了彈簧剛度,從而影響著汽車的平順性。文章通過三次設(shè)計(jì)法即系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)對懸架的彈簧參數(shù)進(jìn)行分析選擇,彈簧剛度隨彈簧簧絲直徑減小、彈簧中徑變大而減小,汽車平順性指標(biāo)車身加速度均方根值也隨之減小,乘坐舒適性就增加。但是又考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性,必須要選擇合適的彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用三次設(shè)計(jì)法研究懸架彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其汽車平順性的影響情況,可達(dá)到縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及降低成本等目的。

        基金項(xiàng)目:廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升計(jì)劃項(xiàng)目:“麥弗遜懸架主要零件結(jié)構(gòu)參數(shù)對動(dòng)態(tài)性能影響的分析研究”(編號:2017KY1391);2018 年廣西區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目:“麥弗遜懸架二維非線性模型的仿真及驗(yàn)證”(編號:201813639031)。

        作者簡介: 耿雪霄,(1980.2-),女,廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院副教授,碩士,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)與理論。

        參考文獻(xiàn)

        [1]韓之俊.三次設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

        [2]李泳鮮,孟慶國,李自貴.基于三次設(shè)計(jì)和模糊理論的圓柱螺旋彈簧穩(wěn)健設(shè)計(jì)[J].機(jī)械強(qiáng)度,2001,23(02):198-201.

        [3]耿雪霄,徐武彬,李冰等.麥弗遜懸架系統(tǒng)性能測試臺的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(11):163-165.

        [4]李芳.懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及基于卡爾曼濾波的主動(dòng)懸架控制研究[D].長春:吉林大學(xué),2017.

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