汽車懸架用組合發條彈簧機構底板沖壓件的設計

文/談正光·無錫鵬德汽車配件有限公司

本文針對提出的新型車用組合發條機構，分析了其底板結構和性能。利用ANSYS 軟件對其進行了靜力學分析和模態分析，結果表明底板的一階模態頻率較低，因此提出了增加加強筋、增大局部尺寸和增加局部臺階結構，通過模態仿真計算顯示增加局部臺階結構的方案能有效提升底板的機械性能。

國外資料有針對回收汽車懸架振動的研究，其中奧迪于2015 年展示了eRot 概念車，其改進的電動阻尼器已經能很好回收懸架振動能量，加拿大有大學報道進行了懸架振動能量回收的研究。國內吉林大學的于長淼等通過串聯齒輪齒條機構，將懸架的直線位移轉化為發電機的旋轉運動，在實現懸架需要的阻尼的同時回收懸架振動能量。上海交通大學的曹民等研究了改進后的主動懸架特性，同時也兼顧回收懸架振動能量。這些研究顯示回收懸架振動能量，在大部分道路條件下，能顯著改善汽車的整車效率和提升舒適性。因而提出了車輛懸架用組合發條彈簧，變懸架的直線位移運動為發電機的旋轉運動，實現懸架需要的彈性變形和阻尼功能，其結構如圖1 所示。通過內齒傳動并聯的發條彈簧滿足了懸架需要的彈性力要求，發電機軸與發條彈簧軸通過鋼絲繩實現連接傳動，將懸架的小位移變形轉化為發電機軸的大角度轉動。在懸架發生變形時，發電機轉動發電，控制發電機的輸出實現對阻尼的調節。因而該彈簧機構將懸架的彈性元件和阻尼元件扁平化，同時具有回收懸架振動能量的功能。

樣機的底板采用鋁合金底板，使用數控加工中心加工后獲得，這導致加工時間較長、生產效率低。而將底板改為沖壓件，則能大幅提高生產效率、材料利用率，進一步提升發條彈簧機構的輕量化和結構的緊湊。

底板機械性能分析

對底板進行沖壓件的改進設計，發條彈簧安裝孔進行壓延拉伸處理，使得安裝孔的強度得到加強。安裝發條彈簧的外溝槽采用盲槽結構，以加強這部分區域的強度。安裝電機的外圍采用通孔結構，與電機的外圍形狀相配合，由于該局部尺寸較小，均為薄壁件，為提高其仿真計算結果的精度，對其進行了局部加密，改進后的仿真模型如圖2 所示。

仿真模型施加的力和約束如圖3 所示，其中心具有周布的6 個發條彈簧，其尺寸受到傳動內齒圈尺寸的限制，同時也受到高度的限制。傳動內齒圈取較小的尺寸，則車身對應部位將不需要空出較大空間來容納懸架彈簧，使得車身內部容積增大。擴展發條彈簧用來補充發條彈簧的彈力，橫向布置是為了在汽車中更容易布置。

圖3 中，A 安裝螺栓處約束，B 安裝小軸承處約束，C 安裝大軸承處約束，選擇中心發條彈簧的截面高度為0.65mm，截面寬度為7mm，計算獲得的D、E、F、G、H、I 中心發條彈簧施加的最大彈力為20N，J、K 擴展發條彈簧施加的最大彈力為30N。

選擇材料為5mm 厚304 不銹鋼鋼板，其彈性模量為195GPa，泊松比為0.247。圖4a 為其應力和應變圖，從靜力學分析結果可以看出，底板的結構強度滿足要求。圖4b 為底板的自由模態，一階模態振動頻率為140.75Hz，局部的模態分析結果不合理，需要改進其局部結構，以提升其機械性能。

結構改進及模態分析

為提高底板局部的結構強度，獲得更好的模態分析結果，對零件進行了改進，具有兩種方案。方案一加大安裝電機孔的邊緣尺寸，并且設置了加強筋。方案二變安裝電機孔為沉孔結構，如圖5 所示。由于一階模態時變形較大的區域為安裝電機大孔一側的薄邊，需要加強該局部的結構強度。方案一采用了加大尺寸和設置加強筋的辦法，其模態分析結果顯示一階彎曲模態頻率稍低。方案二采用把安裝電機大孔沖壓成臺階孔，同時在局部設置加強筋。參考他人的研究結果和以往的經驗，加強筋的寬度取5mm，深度為3mm，臺階的深度為5mm，邊寬平均為12mm。底板四個角均采用圓角，半徑為3mm。

對方案二進行了模態仿真分析，在中間六個小孔處設置了X、Y 和Z 方向的約束，因而模態分析為有約束下的模態分析。模態分析結果如圖6 所示。

仿真結果分析

一般汽車的振動主要來源有發動機和路面兩個，其中發動機激振頻率與其最高轉速有關，路面激振與其車速和路面狀況有關。車速v 取120km/h，在較好路面的空間頻率N 取5，則路面激振頻率為166.67Hz。雖然路面激振經過輪胎的衰減，但其振動沒有經過懸架系統的衰減，因而其頻率偏安全取路面激振頻率。從表1 可以看出，初始模型的一階模態頻率不能滿足需要，而改進模型的一階模態頻率達到214.34Hz，滿足了要求。在后續設計生產中具有借鑒意義。

表1 兩種模型的模態分析結果

結束語

該結構懸架具有扁平化的特點，使用發條彈簧替換在用的螺旋彈簧和筒式減振器，具有更小的體積和更小的重量，而底板是其基體零件，選擇沖壓成形加工，使得基體具有更好的機械強度和更便于生產。

底板通過在大電機孔增加臺階結構和在大平面處增設加強筋，解決了其一階模態頻率過低的問題，且使得底板的尺寸和重量增加量較小。鑒于底板使用304 不銹鋼材料，厚度為5mm，在實際生產中擬采用精密沖壓一次成形，能較好提高產品品質和提高生產效率，使得制作成本更低，底板的結構強度更好。