液壓可變剛度螺旋彈簧設計與分析

王強 任國華

摘要：針對目前可變剛度螺旋彈簧存在的缺陷，設計了一種液壓可變剛度螺旋彈簧。該彈簧通過螺旋彈簧絲內(nèi)部的液體壓力變化，實現(xiàn)螺旋彈簧剛度可變，為設計出新的汽車懸架系統(tǒng)提供了新的參考方案。

關鍵詞：螺旋彈簧;剛度;液壓;ANSYS Workbench

0 引言

在機械工程中，螺旋彈簧種類繁多，應用范圍廣，是一種可靠性很強的機械元件，它普遍應用于交通運輸工具、電器、航空航天、造船、儀表、內(nèi)燃機等機械工程領域，主要用于元件復位、限位、緩沖吸振、控制振動、儲存能量。螺旋彈簧通過合理選擇設計參數(shù)，即可得到優(yōu)良的綜合性能，包括承壓穩(wěn)定性、軸向變形、應力強度、側(cè)向變形、動力特性以及疲勞強度等，以適應不同的工況要求。近年來，國內(nèi)不少學者都在螺旋彈簧的工藝加工技術和理論研究方面做出了很大貢獻，隨著科學技術的進步，不斷涌現(xiàn)出各種型式的螺旋彈簧。

彈簧在整個變形過程中，彈簧剛度可能是常量，也可能是變量。彈簧柔度的定義是單位力使彈簧所產(chǎn)生的變形，即彈簧的柔度是其剛度的倒數(shù)。彈簧特性曲線是指載荷與變形之間的關系曲線。彈簧特性曲線的切線表示彈簧剛度值，即彈簧產(chǎn)生單位變形所需的載荷量。

彈簧的剛度特性曲線對于設計彈簧以及選擇彈簧的類型起到了指導性作用。當彈簧剛度為常量時，其特性曲線為一條線性直線。對于彈簧特性曲線為直線的彈簧，其剛度也稱為彈簧常量或彈性系數(shù)。彈簧剛度為變量時，其特性曲線為曲線，這種彈簧被稱為變剛度彈簧

目前可變剛度螺旋彈簧主要有變直徑可變剛度彈簧和彈簧疊加可變剛度彈簧兩種。變直徑可變剛度彈簧存在如下問題：（1）變化的彈簧直徑制造相對困難，增加制造成本;（2）在直徑較小的地方，當受力較大時，彈簧絲會相互疊加，甚至造成直徑較小處發(fā)生塑性變形。彈簧疊加可變剛度彈簧存在如下問題：（1）不同彈簧的連接難度很大，不牢固;（2）對于彈簧絲直徑較小的彈簧，當受力較大時，彈簧絲會疊加，造成直徑較小處發(fā)生塑性變形。為此，本文設計了一種液壓可變剛度螺旋彈簧。

1 液壓可變剛度螺旋彈簧結構設計

本文所設計的液壓可變剛度螺旋彈簧結構示意圖如圖1所示。

此螺旋彈簧由1柱塞、2螺旋彈簧、3缸體、4液壓油管組成，1柱塞與3缸體配合，2螺旋彈簧位于1柱塞和3缸體中間，4液壓油管安裝在3缸體側(cè)面。

該液壓可變剛度螺旋彈簧的設計關鍵是螺旋彈簧的彈簧絲為中空結構，螺旋彈簧的彈簧絲末端與柱塞及缸體配合形成的型腔連接在一起，此外液壓油管可外接液壓油，并連接壓力溢流閥。

該彈簧在工作時，彈簧受到擠壓，柱塞和缸體配合形成的液壓腔體變小，內(nèi)部的液壓油通過螺旋彈簧末端與缸體的連接進入螺旋彈簧內(nèi)部，從而達到改變彈簧剛度的目的。此外內(nèi)部液壓油通過液壓油管可與外部裝置連接，實現(xiàn)對彈簧內(nèi)部供油或溢油，進而改變彈簧系統(tǒng)整體剛度，并提供一定的阻尼。

該液壓可變剛度螺旋彈簧柱塞存在不同的變化形式，其中一種柱塞變化形式如圖2所示，螺旋彈簧由1端蓋、2螺旋彈簧、3柱塞、4缸體及5液壓油管組成，該螺旋彈簧的柱塞上開設了若干個孔，在彈簧工作時，這些孔起到一定的溢流作用，通過調(diào)整孔的個數(shù)和大小，實現(xiàn)液壓阻尼的不同變化，從而改變此彈簧的整體剛度。

2 液壓可變剛度螺旋彈簧分析

2.1 ? ?液壓可變剛度螺旋彈簧建模

為了分析液壓可變剛度螺旋彈簧的剛度變化情況，本文簡化了彈簧結構，實例分析的彈簧幾何參數(shù)如下：中空彈簧絲外徑D=10 mm，中空彈簧絲內(nèi)徑d=7 mm，自由高度H=200 mm，有效圈數(shù)n=10，彈簧中徑Dz=80 mm。本文通過Pro/E軟件，建立了液壓可變剛度螺旋彈簧有限元分析模型，如圖3所示。

2.2 ? ?ANSYS Workbench設置與分析

本文采用ANSYS Workbench軟件，分析隨著中空管內(nèi)液體壓力變化而產(chǎn)生的螺旋彈簧剛度變化情況。

在ANSYS Workbench環(huán)境下，直接調(diào)入Pro/E的模型文件（格式為STP）。本文采用的彈簧材料為一般彈簧用鋼，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為209 GPa，切變模量為80 GPa，泊松比為0.3。

此液壓可變剛度螺旋彈簧結構不復雜，無細小結構，使用軟件自動劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分物理優(yōu)選項設為Mechanical，網(wǎng)格劃分結果如圖4所示。

在ANSYS Workbench中設置5個求解步，每步1 s，根據(jù)螺旋彈簧實際工作情況，設置一端面固定面約束如圖5所示，彈簧另一端面位移面約束如圖6所示，Z方向自由移動，X、Y方向進行0位移約束，并在彈簧此端面Z方向進行加載，彈簧加載量如圖7所示，在彈簧絲中空內(nèi)表面加載液壓載荷，液壓載荷介質(zhì)采用水，液壓載荷加載量分別為1 000 m/s2、2 000 m/s2、3 000 m/s2、4 000 m/s2、5 000 m/s2。

經(jīng)過ANSYS Workbench軟件計算與分析，彈簧壓縮量如表1所示。

彈簧加載500 N時，在不同液體壓力下彈簧的壓縮量如圖8所示，隨著彈簧絲空腔內(nèi)的液體壓力增大，彈簧壓縮量逐漸降低，說明彈簧的剛度隨著液體壓力增大而增大，達到改變螺旋彈簧剛度的目的。

圖9所示為在6種不同液體壓力情況下的彈簧壓縮量對照情況，在不同的液體壓力下，彈簧壓縮量及剛度曲線是不一樣的，隨著液體壓力的增加，彈簧壓縮量及剛度曲線從原來的線性逐漸向非線性轉(zhuǎn)變，說明該液體可變剛度螺旋彈簧可實現(xiàn)螺旋彈簧剛度的非線性調(diào)節(jié)。

3 結語

本文基于液體壓力設計了一種液壓可變剛度螺旋彈簧，利用Pro/E以及ANSYS Workbench軟件，分析得出該螺旋彈簧剛度可實現(xiàn)非線性調(diào)節(jié)，可用此種液壓可變剛度螺旋彈簧替換傳統(tǒng)的螺旋彈簧，將其作為汽車懸架的減振彈簧，可設計出一款新型汽車懸架系統(tǒng)。

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收稿日期：2020-08-10

作者簡介：王強（1981—），男，江蘇徐州人，講師，工程師，研究方向：機械設計與制造。