懸架扭桿彈簧的結構仿真和驗證

曹小宇，吳佳俊

懸架扭桿彈簧的結構仿真和驗證

曹小宇，吳佳俊

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

針對一種新型臂式扭轉型電磁主動懸架中的核心子部件扭桿彈簧，提出一種驗證其強度的分析方法，通過分析其懸架的結構特征和扭桿的受力模型，建立相關的動力學方程和應變能理論。基于Ansys建立的扭桿有限元模型，通過觀察其受力狀態下的應力應變云圖，從而驗證該方法有效性，從而得到在該種類型懸架下分析扭桿強度的一種可行而又有效的工程方法。

扭桿彈簧；強度分析；有限元；結構仿真

近年來輪腿式機器人技術得到迅速發展，成為了機器人領域的研究熱點，為實現其優良的機動性能，多采用復合式的懸架結構來實現運動能力的突破。扭桿彈簧是一種利用扭桿的扭轉變形起作用的彈性元件，同時兼備高度調節桿的作用，另外有著結構簡單、易于布置、可改善懸架平順性的特點[1-2]。本文以某臂式扭轉型電磁主動懸架中的扭桿彈簧強度分析為例，分析其懸架結構特點，采用有限元技術，構建扭桿彈簧有限元分析模型用于評估其強度，形成適用于該臂式懸架強度的分析方法，驗證扭桿設計的可行性。

1 懸架結構特征

臂式扭轉型電磁主動懸架（In-Arm Torsional Electromagnetic Active Suspension，簡稱ITEAS）是一種由筆者團隊提出的新型主動懸架系統，如圖1所示。主體元件包括空心螺母、縱臂、扭桿彈簧、減振器殼體和套筒、減速電機和電機殼體等。該新型主動懸架系統可根據需要對其阻尼系數、彈簧剛度及車身高度進行快速調節，具備調節范圍廣、抗沖擊能力強的優點。

圖1 臂式扭轉型電磁主動懸架ITEAS結構圖

扭桿彈簧如圖2所示，作為系統的核心子部件承擔了懸架系統的彈性裝置和高度調節的傳動裝置功能，用其扭轉變形吸收沖擊能，緩和路面沖擊產生的震動和傾斜。扭桿彈簧貫穿于減振器套筒的內部，通過兩端花鍵進行固定，一端采用矩形花鍵，另一端采用漸開線花鍵。

圖2 扭桿彈簧模型圖

調節車身高度時，減速電機的輸出軸輸出扭矩，通過聯軸器作用于扭桿，此時扭桿因在矩形花鍵端處受到扭矩作用而發生轉動，進而將扭矩由扭桿傳遞至與縱臂相連的漸開線花鍵端處，帶動縱臂旋轉一定角度，實現快速調節車身高度和彈簧剛度的功能。

當受到路面沖擊時，縱臂自身會發生一定偏轉并帶動扭桿彈簧扭轉產生彈性力，此時需要減速電機輸出扭矩，通過扭桿彈簧轉動，從而帶動縱臂向與路面沖擊造成縱臂轉動的相反方向轉動，抵消路面沖擊造成的車身高度變化和剛度改變。

2 扭桿彈簧的運動分析

ITEAS系統簡化后的機構如圖3所示，扭桿在未承受載荷時，懸架的縱臂與鉛垂線的夾角為，此時車輪輪心位于C點。當懸架受到橫向作用的路面沖擊力作用后，扭桿扭轉角度為，縱臂轉到與鉛垂線夾角為位置，此時輪心位于D點，并且縱臂端沿力方向產生位移。這時扭桿彈簧所承受的扭矩=cos，。扭桿彈簧的扭轉角度=+，縱臂端處上升距離=（sin+sin）。

通過式（1）可以得到ITEAS中扭桿力矩T與路面沖擊P的關系，為后文的仿真模型建立提供理論依據。

3 扭桿彈簧的有限元分析

Ansys有限元分析是基于結構力學分析的一種現代計算方法[3]，可在軟件里施加適當的約束和載荷來模擬扭桿的受力情況，通過所生成的靜態云圖來評估扭桿的結構性能。在仿真模型建立時，為簡化仿真計算，將扭桿簡化為光桿，原兩花鍵端與中間桿之間的圓弧段部分對扭桿的有效工作長度有影響，將圓弧過渡處保留。懸架內部的減振器、軸承等硬件省略以簡化，忽略各元件之間的摩擦力，驅動電機簡化為作用在花鍵處的驅動力矩。扭桿彈簧結構材料為60Si2Mn，密度=7.85×103kg/m3，楊氏模量=206 GPa，泊松比=0.290，許用應力[]=590 MPa，且為各向同性材料。

通過Ansys軟件對扭桿受力后進行應力和應變的分 析[4-5]，當車輛在正常路面行駛時，受到路面的橫向沖擊時，扭桿的漸開線花鍵端會承受力矩并使縱臂產生偏移，為保證懸架系統的穩定性，電機會同時輸出扭矩，通過扭桿帶動縱臂向與之相反方向轉動，來抵消路面沖擊帶來的縱臂偏移量。此時扭桿的動力源為電機和路面的橫向沖擊，因此再在扭桿漸開線花鍵端施加扭矩＝2 N·m等效橫向路面沖擊。

仿真后應力云圖如圖4所示，應變云圖如圖5所示。

圖4 應力云圖（單位：MPa）

圖5 應變云圖（單位：mm）

扭桿同時受電機驅動和路面沖擊作用時，離受力端距離越近的地方變形越小，中間部分的應力值最大，并且在花鍵與扭桿的過渡段處應力集中。左側的光桿部分發生了輕微變形，其原因是路面沖擊時空心螺母對光桿處施加扭桿軸向的約束，限制扭桿軸向位移。所受最大應力值為179.58 MPa，沒有超過許用應力值590 MPa，扭桿的最大變形值為 0.384 mm，屬于彈性變形。因此懸架在路面行駛時，扭桿的尺寸結構滿足該工況要求。

4 結論

本文通過分析ITEAS懸架的結構特點和扭桿彈簧的使用工況，提出了扭桿彈簧受力時的理論模型，并詳細論述了該類結構靜強度的有限元分析方法和有限元仿真模型，通過校核結果發現扭桿的應力均未超過最大許用應力，變形量均屬于輕微變形，不會因受載荷過大而斷裂和失效，進而驗證了方法的有效性。本文旨在為該種類型懸架的強度分析提供一種可行而又有效的工程分析方法。

［1］孫為群，何鳳鳴.汽車扭桿彈簧的設計與制造［J］.汽車科技，2002（2）：23-25，47.

［2］王彥才.車輛扭桿彈簧設計與制造［M］.北京：國防工業出版社，1996.

［3］郭長城，李明.基于HyperWorks汽車扭桿彈簧結構分析和改進［J］.企業科技與發展，2014（7）：15-17.

［4］韓寶坤，黃華，殷兆輝.扭桿彈簧計算與優化［J］.機械工程師，2003（8）：64-66.

［5］汪佳棵，楊樹軍.EPAS扭桿彈簧的有限元分析和優化設計［J］.機械工程與自動化，2009（3）：26-28.

U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.030

2095－6835（2020）09－0080－02

〔編輯：嚴麗琴〕