汽车悬挂系统结构强度优化分析

汽车悬挂系统结构强度优化分析

发表时间：2018-12-29T10:17:08.600Z 来源：《防护工程》2018年第29期作者：袁世林

[导读] 汽车悬挂系统中钢板弹簧是其中最为重要的部件，钢板弹簧的宽度对于汽车悬挂系统的强度具有很大的影响

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥 230601

摘要：汽车悬挂系统中钢板弹簧是其中最为重要的部件，钢板弹簧的宽度对于汽车悬挂系统的强度具有很大的影响，如果钢板弹簧宽度过大，那么汽车的舒适性会相应降低；反之，如果钢板弹簧的宽度过小，那么又会导致悬挂系统的刚度不够。传统的对于悬挂系统的优化方法多是静态分析忽略了钢板弹簧的动态。本篇文章针对某货车前悬挂的钢板弹簧为研究对象，应用有限元动态分析法对其进行分析。结果表明增加钢板弹簧的宽度会使得汽车行驶过程中的舒适性降低，通过对汽车悬挂系统进行改造来减少钢板弹簧承受的应力作用，从而提高汽车行驶的舒适性，延长钢板弹簧的使用寿命。

关键词：汽车悬挂系统；结构强度；优化分析

一、前言

汽车悬挂系统中钢板弹簧结构的设计对于汽车的行驶安全性和舒适性都有很大的影响。汽车在行驶过程中，由于地面平整度等多方面的因素，会使得悬挂系统中钢板弹簧引发震动而带动整车的震动，因此为了提高整车行驶的安全平稳性，有必要对悬挂系统的钢板弹簧进行优化设计，而钢板弹簧的模态分析则为其优化提供了参考依据。

对于钢板弹簧的优化设计中，遗传算法的权重系数变换法和混合法，以及拓扑优化方法都曾应用到其中，不过这些方法大多是进行多目标优化的方法而忽略了单一变量对于悬挂系统的影响。近些年来，钢板弹簧的优化方法也得到了进步，从以前的传统方法中只是针对钢板弹簧的静态特性进行分析而忽略动态特性，到如今将动态特性考虑在内。本篇文章利用有限元法对于钢板弹簧的刚度和应力进行研究，对三种不同宽度的钢板弹簧进行模态分析。

二、钢板弹簧结构建模

（一）钢板弹簧悬挂原理

汽车悬挂系统是连接车架和车轴的重要组件，悬挂系统能够传递车架和车轮之间的作用力，同时也能够有效的缓解汽车在行驶过程中由于路面凹凸不平产生的震动。由钢板弹簧组成的弹性元件的悬挂系统，由多片长度不同的钢板组合，当汽车在行驶过程中产生震动的情况下，路面对于汽车车轮的冲击会使得钢板弹簧产生震动，由于冲击荷载的存在，钢板弹簧在上下位移的过程中会产生变形，借此来缓解车身的震动。

（二）钢板弹簧宽度校验

本篇文章中选取钢板弹簧长度为1155毫米，宽度分别为40毫米、50毫米和64毫米，对这三种宽度的钢板弹簧进行分析。

（三）建立三维实体模型

利用Pro/E软件进行建模，针对三种不同宽度的钢板弹簧进行建模。钢板弹簧的卷耳和吊耳内装有橡胶衬套，橡胶衬套和转动轴之间具有一定的约束，可以将转动轴和卷耳、吊耳的连接看做一体。

三、钢板弹簧模态分析

汽车在行驶的过程中，钢板弹簧在地面的影响之下产生震动。如果弹簧的震动频率和地面激励想接近那么就会引发共振，产生共振的后果就是会导致钢板弹簧的寿命减少。为了避免路面和钢板弹簧产生共振，有必要对钢板弹簧进行模态分析来了解钢板弹簧的动态特性。本篇文章通过计算模态分析的方法来分析钢板弹簧的模态。将建立好的钢板弹簧三维几何模型导入有限元分析软件，设计好各项参数，然后对钢板弹簧进行网格划分。钢板弹簧的低阶模态结果能够对钢板弹簧的动态分析结果产生影响，要利用Block Lanczos模态提取法来对钢板弹簧的前五阶模态进行提取。最终根据对三种不同宽度的钢板弹簧的模态振型图进行分析可以得出结论，钢板弹簧的宽度越大，其固有频率会越高。轻型载货汽车路面凹凸不平而产生的激励不会高于20赫兹，车轮不平衡引发的震动频率不超过11赫兹；当载货汽车的车速在每小时八十公里以下的时候，由传动轴直线引发的震动频率要低于46赫兹。但是钢板弹簧的一阶固有频率已经高于这个频率值，所以通过增加钢板弹簧的宽度而提高弹簧的固有频率便没有任何实际的影响。而且钢板弹簧的宽度增加，随之而来的就是悬挂系统的重量也会增加，这对汽车的轻便化设计也是不利的影响。

四、改进汽车悬挂系统

钢板弹簧的中心孔是应力集中的地方，而且钢板弹簧发生的折断也大多位于这个部位。如果将钢板弹簧底部和后桥接触的地方增添一个高弹性的垫片，那么就能够有效的缓解由于集中应力而造成的钢板弹簧的折断。本篇文章中以40毫米宽度的钢板弹簧为例，增加5毫米的橡胶减震垫，之后再来分析橡胶垫对于钢板弹簧性能是否产生影响。橡胶垫的材料是聚丁二烯橡胶，该种材料的抗压性能和抗磨性能都较强。通过对添加橡胶垫前后钢板弹簧的变形进行分析得知，添加橡胶减震垫片之后，当钢板弹簧在应力的作用下产生变形时，橡胶减震垫发生最大变形量，而减震垫的最大变形量则有效的缓解了钢板弹簧的变形。

钢板弹簧的最大应力在板簧中心孔的两侧以及吊耳部位，而钢板弹簧发生折断者大多在这个部位。通过添加弹簧垫片能够有效的降低钢板弹簧的应力。所以添加橡胶减震垫片能够有效的减少钢板弹簧因为集中应力而造成的折断，而且相对于钢板弹簧来说，减震橡胶垫的弹性更大，能够抵抗由于路凹凸不平而对车身产生的冲击，从而提高汽车的舒适度。

五、结论

文章利用建模软件有限元分析，对于汽车钢板弹簧进行模态分析，以期能够为钢板弹簧的优化提供思路。文中分析了不同宽度的钢板弹簧，并且分别进行模态分析，结果表明：钢板弹簧的固有频率和自身的宽度相关，且钢板弹簧的宽度越宽，固有频率越大。并且固有频率的提高无法提升汽车的性能。钢板弹簧的宽度在40-50毫米之间时能够同时满足性能要求和较小形变的要求，保证钢板弹簧运行良好，而且宽度较小的钢板弹簧能够减轻汽车重量。

相比较于钢板弹簧来说，橡胶减震垫的塑性较好，并且具有良好的抗压能力和耐磨性能，即便是在变形之后也能很快的回复原状，能

够帮助提高汽车的使用性能。添加橡胶减震垫能够有效的缓解钢板弹簧的应力集中而导致的折断，并且能够吸收部分钢板弹簧的形变，减轻车轮对车身的冲击，并且最终提高汽车的驾驶安全性以及舒适性。

参考文献

[1]曹妍妍，赵登峰.有限元模态分析理论及其应用[J].机械工程与自动化，2007（1）：73-74.

[2]张兵，王宗彦，陆春月，等.面向轻量化的重型卡车板簧压板优化设计[J].机械强度，2015（1）：88-93.

[3]胡艳云，干年妃，刘良.某轿车的前双横臂独立悬挂优化设计[J].计算机仿真，2015（1）：174-178,214.

[4]滕绯虎，刘广璞，孙新东，等.汽车悬挂系统的结构强度分析与优化[J].计算机仿真，216,33（8）：121-124,157.