基于APDL車輛麥弗遜懸架裝置有限元分析*

鄭建校，趙航，賀利樂，郭寶良，羅丹

基于APDL車輛麥弗遜懸架裝置有限元分析*

鄭建校，趙航，賀利樂，郭寶良，羅丹

（西安建筑科技大學機電工程學院，陜西 西安 710055）

麥弗遜懸架是影響車輛行駛穩定性和安全性的主要裝置。針對這一問題，以某家用轎車麥弗遜懸架裝置為研究對象，應用ANSYS軟件參數化語言APDL建立有限元模型，求解車輛行駛過程中三種危險工況下的應力和應變大小。研究結果表明應力變化梯度較大，應變較小，麥弗遜懸架裝置設計滿足強度要求。在生產之前，對麥弗遜懸架進行有限元分析計算，發現其中的設計缺陷，改善設計方案，大幅度縮短產品開發周期，提高設計質量和效率。

麥弗遜懸架；APDL；有限元分析

前言

麥弗遜懸架是車身與車轎之間連接裝置的總稱，承受路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側向反力，同時這三種反力產生的力矩傳遞給車身，并緩沖來自凹凸路面傳給車身的沖擊載荷，以保證車輛的正常行駛，提高車輛的駕駛穩定性。由此可見，懸架裝置的結構強度是影響車輛正常行駛的主要因素之一。因此，在車輛設計初始階段，完成懸架裝置的力學性能研究，增強懸架結構設計質量，保證車輛正常行駛。

ANSYS 軟件是基于有限元法開發的數值分析軟件，具有強大的求解計算能力，可以解決工程領域中各類復雜的問題。本文采用參數化語言APDL對懸架裝置進行有限元分析，獲得懸架裝置的強度特性，指導產品設計。

1 麥弗遜懸架有限元模型

1.1 麥弗遜懸架裝置結構

某型轎車麥弗遜式懸架裝置主要由A字形下擺臂、減振器、橫向穩定桿和螺旋彈簧組成。麥弗遜式獨立懸架為支柱式減振器兼作主銷，受到車身抖動和地面沖擊的上、下預應力。轉向節則沿著主銷轉動，主銷可擺動，特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上、下跳動而變化，且前輪定位變化小，具有良好的行駛穩定性。

1.2 材料屬性

車輛行駛過程中，因路面工況不同，懸架要承受各種動載荷，對其各部件的強度和抗沖擊性能要求較高。因此，懸架轉向節材料選用球墨鑄鐵，下擺臂材料選用機動車用熱軋鋼，彈簧材料選擇60Si2MnA。

1.3 懸架裝置幾何模型建立

本文以某款車型麥弗遜懸架裝置為研究對象，根據產品設計參數，基于ANSYS軟件參數化語言APDL，采用自下向上建模方法，定義彈簧等零件參數，通過建立點、線、面和體，運用大量的布爾運算，建立懸架裝置三維幾何實體模型如圖1所示。

圖1 懸架裝置幾何模型

1.4 麥弗遜懸架裝置有限元模型建立

懸架裝置結構較復雜，單元類型選用帶中間節點的四面體單元—SOLID187。懸架裝置由多種材料組成，定義各個實體部分分配單元和材料屬性。

圖2 懸架有限元模型

采用參數化語言APDL 建立各個零部件幾何模型，通過相應的連接方式裝配懸架裝置幾何模型。裝配零部件時，構件之間建立接觸關系。創建接觸對，分別選擇轉向節的面與輪胎的內表面、彈簧支柱內表面、彈簧與彈簧上端蓋、創建彈簧與彈簧下座接觸對。通過耦合節點集合的自由度，模擬轉向節與下橫臂之間連接的球鉸。定義劃分網格尺寸大小為20mm，基于參數化語言APDL 建立麥弗遜懸架有限元模型，如圖2所示。

2 不同工況下麥弗遜懸架結構強度計算

2.1 有限元靜力學分析

車輛懸架裝置結構復雜，行駛過程中會遇到各種復雜工況，車輛懸架裝置強度和剛度滿足設計要求，是保證懸架裝置實現其功能的必備條件。應用有限單元法，依據第四強度理論，對懸架裝置進行靜態強度校核。

2.2 不同工況下懸架邊界載荷計算

車輛在行駛過程中，懸架裝置將受到靜載和動載兩種載荷，其中轉向節和下擺臂是承受載荷的主要部件。車輛行駛過程中，在三種受力極限工況下，載荷最大。依據汽車理論，車輛行駛的三種受力極限工況為：通過不平路面工況、制動工況和轉向工況。

在三種危險工況下，對懸架構件進行靜態受力分析，即懸架各構件邊界載荷條件的準靜力學求解。應用Matlab軟件，編寫程序，三種工況下所受載荷計算結果如表1所示。

表1 典型工況下懸架邊界載荷

2.3 不平路面工況

根據汽車理論，汽車通過凹凸路面時，車輪受到沖擊載荷，懸架主要受到法向力，動載系數最大。從懸架裝置實際受力及運動情況看，在輪胎下端線上節點處施加載荷，將更接近于實際受力情況。通過求解，獲得應力如圖3所示，主要承受力的部位是懸架轉向節上端伸出部分，最大應力點在下端伸出部分與下三角臂的連接處，大小為388MPa，下三角臂已經發生嚴重變形，此處為懸架的危險截面。

圖3 不平路面工況下懸架的應力云圖

2.4 制動工況

汽車在制動時，受到慣性力和地面縱向沖擊，懸架轉向節大軸頸處受到輪胎經軸承傳遞過來的切向力。由于車輪輪轂安裝在軸承上，制動時轉向節軸頸不受扭矩作用，在轉向節軸頸處施加載荷。計算求解后，獲得制動工況下懸架應力云圖如圖4所示。

圖4 制動工況下懸架應力云圖

從圖中可以看出，受力主要區域在懸架轉向節上端與球鉸球柄處，上端伸出部分的頸根和球鉸球柄處是最大應力點，其值為366MPa。在制動工況下，下擺臂前后支點是主要受力點，承受水平面內彎矩和縱向平面內扭矩，懸架裝置受到切向力作用，高應力區集中在大跨度的臂體彎弧上。

2.5 轉向工況

汽車轉向時，兩個車輪上的側向力大小不等，法向作用力和側向力所產生的力矩方向不等，作用在車輪左、右轉向節軸頸上的彎矩也不相等。假設轎車左轉，出現向右側滑，此時，右懸架所承受的彎矩遠大于左側。因此，研究對象采用承受較大彎矩的右懸架。

圖5 轉向工況下懸架的應力云圖

在轉向節軸頸處和中心點施加載荷，計算求解，獲得應力云圖如圖5所示，主要承受力的部位是懸架轉向節上端伸出部分，下端伸出部分與下三角臂的連接處是最大應力點，其值為299MPa，下三角臂變形較大，此處為懸架的危險截面。

2.6 計算安全系數

通過以上分析可知，該車的麥弗遜前懸架最大應力值為388MPa，其材料許用應力值為450MPa，安全系數為：

從應力集中分析，安全系數值較小，其余大部分強度滿足懸架裝置設計強度要求，且應力變化梯度較大，存在結構輕量化空間，能夠進行結構拓撲優化設計，降低產品成本。

3 結論

本文采用有限單元法，應用參數化語言APDL建立了麥弗遜懸架裝置有限元模型，針對懸架裝置三種危險工況，施加載荷、約束和求解，獲得應力和應變云圖，結論如下：

（1）應用參數化語言APDL建立帶有復雜曲面的主要零部件幾何實體模型，通過裝配，建立懸架裝置幾何模型；選擇合適單元并進行網格劃分，建立了懸架裝置有限元模型。

（2）分析懸架裝置在三種危險工況下有限元計算結果。最大應力和應變數值不大于材料的屈服極限，結果表明懸架裝置的強度和剛度滿足設計要求。分析應力分布云圖，應力變化梯度較大，存在結構輕量化空間。

[1] 陳家瑞主編.汽車構造(下冊)[M].北京:機械工業出版社, 2001.

[2] 夏長高,邵躍華,丁華.麥弗遜懸架運動學分析與結構參數優化[J]. 農業機械學報, 2005, 36(12): 5-8.

[3] 江迎春.基于剛柔耦合的汽車懸架有限元分析[D].合肥:合肥工業大學, 2008.

[4] 侯煒.汽車車架的有限元靜動態響應分析[D].秦皇島:燕山大學. 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

鄭建校，男，副教授，就職于西安建筑科技大學機電工程學院。主要從事工程車輛優化設計、機械結構強度分析研究。

U467

B

1671-7988(2019)21-59-03

*2017年校級研究生教改項目（編號JG021753）資助；西安建筑科技大學車輛工程擇優立項專業建設項目（編號1609118 004）資助；陜西省教育廳專項科研項目（編號14JK1410）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.020

CLC NO.:U467