微型電動車中凸形減振彈簧的非線性分析

于玉真，李志斌，肖 健

（河北聯合大學 機械工程學院，唐山 063009）

微型電動車中凸形減振彈簧的非線性分析

于玉真，李志斌，肖 健

（河北聯合大學 機械工程學院，唐山 063009）

0 引言

隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，要求汽車制造商在設計制造時充分考慮“以人為中心”的設計理念，利用人體工程學設計室內及車身等布局。另外車輛在行駛過程中路況不可預測，需要我們合理的選擇和設計減振元件來緩沖吸振。

目前一些微型電動車的減振元件仍采用圓柱型、定直徑、定節距的線性彈簧，雖然在結構、成本、制造等方面具有一定優勢，但它不能滿足人們在操控性及舒適性等方面日益提高的苛刻要求，同時還需要配置阻尼器來吸收劇烈沖擊產生的能量，這樣亦增加了電動車的設計成本。隨著制造水平的不斷提高，非線性彈簧的設計與使用，很好的解決了這一問題。這不僅提高了汽車的行駛平順性，同時對汽車的穩定性，安全性都起到了改善作用[1]。這類彈簧的最大優點是變形與負載呈非線性關系，彈簧的剛度隨路況的不同，負載的大小而變化。中凸形彈簧是一種典型的非線性彈簧，該彈簧在結構上有利于減少彈簧的最大壓并高度及撓度，尤其是在軸向空間有限，徑向空間充足時這類彈簧優勢較明顯[2]。

本文以一款微型旅游觀光電動車前減震器中的中凸形減振彈簧為例，通過有限元分析法研究了其載荷與變形之間的關系，并利用實驗的方法對該分析結果進行了驗證。

1 彈簧有限元模型的建立

微型電動車前減振器上的彈簧分別連接在懸架與底盤的彈簧座上，一方面用來支撐車身載荷，另一方面用來緩解不良路況對車身造成的沖擊振動。結合減振彈簧的實際情況，以及考慮到分析該彈簧時所承受法向載荷的施加方式，在彈簧的兩端添加彈簧座，以保證彈簧法向力的施加[3]。彈簧的相關參數如表1所示。

表1 中凸形螺旋彈簧參數

用CREO2.0建立彈簧的三維實體模型，如圖1所示。

2 中凸形彈簧的有限元分析

2.1 網格劃分及相關參數設置

將模型導入ANSYS Workbench中進行網格劃分及非線性分析。這里采用可控性較強計算精度較高的六面體單元進行網格劃分，為了提高計算速度，又不影響計算精度，彈簧的網格尺寸設置為3mm，上下兩個彈簧座的網格尺寸設置為10mm。由于是非線性大變形分析，所以shape checking一項設置為aggressive mechanical，嚴格監控網格質量。劃分網格后的模型共有136278個節點，43324個單元，劃分結果如圖2所示。

圖1 彈簧三維實體模型

圖2 彈簧模型網格劃分結果

由于彈簧在被壓縮的過程中，端部可能會與彈簧座接觸，兩端小節距部分也可能會發生并圈現象，這會影響到彈簧剛度，所以要考慮接觸問題。基于接觸面與目標面的選擇原則：1）網格細密的元件為接觸面；2）凸面相對于凹面和平面為接觸面。所以定義彈簧面為接觸面，彈簧座為目標面，設置接觸類型為rough。

2.2 約束與載荷處理

彈簧所承受的力主要來自車架、人、電池等載荷，總重8000N。平均每個彈簧承受2000N的法向壓力，將彈簧底座設置為固定約束，上座釋放縱向自由度，約束其他方向的自由度，并施加2000N的法向力。

2.3 計算求解與結果分析

ANSYS Workbench的位移收斂是基于力的收斂而收斂的，以力為基礎的收斂提供了收斂量的絕對值，一般使用力收斂準則，否則會產生一定偏差，甚至造成假收斂[4]。經過Workbench非線性迭代求解，當第17步后殘差在收斂準則下方并小幅波動，此時力收斂。此時可進一步提高網格質量，合理調整步長大小以減小殘差的振蕩[5]。平衡迭代過程時間跟蹤情況如圖3所示。

圖4、圖5分別是中凸形螺旋彈簧變形及應力云圖，圖6為應力—變形曲線。由圖4、圖5知彈簧的最大位移量為58.3mm，最大應力為612MPa，最大應力分布在彈簧內側，并且應力由內到外，由中部到兩端遞減。同時還可以看出在2000N的壓力下，彈簧未發生并圈現象。

圖3 平衡迭代過程時間跟蹤圖

圖4 位移云圖

圖5 應力云圖

2.4 實驗驗證

為了驗證以上分析結果，對樣品彈簧在減震器靜態試驗臺上進行測試，測試用的實驗裝置如圖7所示。該裝置由壓力傳感器、XMT604智能控制（變送）儀及傳動絲杠等組成。變形大小用卡尺讀出，力由智能控制儀顯示，測試結果如表2所示。

圖6 位移—應力曲線

圖7 減震器靜態試驗臺

表2 實驗數據

測得中凸形彈簧在垂直方向上的載荷與位移的關系曲線并與有限元仿真結果進行比較，如圖8所示。

圖8 位移—力曲線

從圖中可以看出，當力由0增加到500N的時候，該曲線的變化率較小，當力由700N增加到1500N時，曲線的變化率明顯加大，當力超過1500N以后，曲線變化率又逐漸變小。實驗數據和仿真數據基本吻合，出現偏差是由于在彈簧參數的測繪中測量不精確所引起的。

3 結論

通過實驗與仿真對比表明中凸形螺旋彈簧具有明顯的非線性特性，彈簧內側應力大于外側應力，最大應力在彈簧內側中部，并向兩端遞減，說明彈簧疲勞破壞最有可能發生在彈簧內側中間位置。ANSYS Workbench12.0可以比較精確的計算彈簧應力分布情況，對彈簧加工工藝的優化提供一定參考。

在小載荷小沖擊下中凸形彈簧剛度較大，變形量較小。當載荷或沖擊增大到一定程度時，彈簧剛度減小，變形隨之增大，這無疑提高了電動汽車的行駛穩定性及乘客的舒適性。此型號中凸形螺旋彈簧在2000N的加載力下未并圈，設想當力繼續加大發生并圈現象，有效圈數減小，剛度增加，變形量減小。說明了現實模型在大沖擊下中凸形彈簧具有良好的非線性應變能力，中凸形螺旋彈簧在汽車減震器上的使用是非常適合的。

[1]雷鐳,左曙光,楊憲武,王紀瑞,秦立州. 汽車后橋懸架中凸形螺旋彈簧有限元分析[J].制造業自動化,2010,11:102-106.

[2]李小平,嚴世平.中凸型螺旋壓縮彈簧設計計算方法的探討[CDB/OL)http://www.doc88.com/p-499336532677.html.

[3]楊峰. 基于ANSYS的汽車懸架螺旋彈簧有限元分析[J].機械,2011,07:23-25.

[4]ANSYS的非線性收斂準則[EB/OL]http://hi.baidu.com/chendonghua123/item/e68134eaf04df20c65db001a.百度空間2010.05.14.

[5]FLUENT:“殘差曲線振蕩”新浪微博[EB/OL)http://blog.sina.com.cn/s/blog_6817db3a0100k5rh.html.2010.7.7.

Nonlinear analysis for the convex shock sbsorption spring of micro electric vehicles

YU Yu-zhen，LI Zhi-bin，XIAO Jian

中凸形彈簧作為汽車彈性元件的使用，在一定程度上改善了汽車的行駛平穩性。以唐山市電動汽車重點實驗室所研制的微型電動汽車前減震器中的中凸形減振彈簧為研究對象，通過測繪彈簧的相關參數，用CREO軟件建立彈簧的三維實體模型，并利用ANSYS workbench軟件對彈簧進行非線性分析，得出彈簧的應力、變形等相關數據，與實驗數據進行對比表明，中凸形彈簧的有限元分析精度較高，分析結果為其他非線性彈簧的設計和優化提供了參考。

中凸形彈簧；有限元；非線性；ANSYS workbench

于玉真（1974 -），男，河北武邑人，副教授，博士，研究方向為電動汽車技術和數字化仿真。

TH135

A

1009-0134(2014)06(上)-0065-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).18

2014-01-16

唐山市科技計劃：微型電動汽車車身成型設計與優化研究（13130232A）