基于ANSYS的汽车悬架螺旋弹簧有限元分析

悬架弹簧在汽车行驶过程中 ， 承受高频往
提高 ， 以往的很多经验不再适用。为此 ， 必须 采用精密的解析技术 ， 有限元法可以详细预测 汽车悬架螺旋弹簧应 力对疲 劳寿命和永久变 形的影响 ， 能准确反映材料对汽车悬架螺旋弹 簧疲劳寿命和永久变形的关系。 基于此 ， 本论 文通过有限元分析软件 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 对汽车悬架螺
图 ４为螺旋弹簧 方向剪应 力云图。 由剪切应力云图结果可以得 出以下结论 ：
（） １ 弹簧 内侧的剪应力明显 比弹簧外侧
的剪应力要大 （ 颜色从左面到右面变化 ， 应力
逐 渐 变 大 ）。
８ 结 论
在本论文 中，通过采用有限元分析软件
（ 转第３ 页） 下 Ｏ
（） ２ 螺旋弹簧轴向施加负荷 ，由 ０增加
旋弹簧进行分析 ， 寻求 了一种较为精确的方法
收 稿 日期 ：２ １ —０ ０ １ ５—０ ２
作 者 简介 ：杨 峰 （ ９ ２ ） １８ 一 ，女 ，山西 长治 人 ，硕士 ，助教 ，主 要研 究方 向为机 械 设 汁及制 造 自动化 。
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２ ４・
设计 与研 究
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割。 将汽车悬架螺旋弹簧设计数据模型划分为
有限个单元。 将绘制 的汽车悬架螺旋弹簧加弹簧座的三
维 模 型 保 存 为 Ｐｒ ｏｉ（ Ｔ 格 式 ，导 入 ａａ Ｓ ｌ Ｘ ） ｄ
＿
型号汽车悬架螺旋弹簧加弹簧座的三维模型。
Ａ Ｓ 中， Ｎ ＹＳ 将其进行离散化 ， 建立其有限元模
型 如图 ２ 示 。 所
近 。这 些最 大应 力位置 都 可能是 螺旋 弹簧 的敏
６ 分 析 结 果
感位置 ， 螺旋弹簧失效时的疲劳源发生的地方。
６１轴 向形 变结 果 ．
力逐渐增加 ， 螺旋弹簧的两端圈分别和底座接 圈和第二 圈之间也发生了接触 ， 这就直接导致 了螺旋弹簧刚度的增加。
触， 当应力增 加到一定程度时 ， 螺旋弹簧第一
３汽车悬架螺旋弹簧有限元模型的建立
汽车悬 架螺旋弹簧离散化 ，即有限元分
考虑到汽车悬架弹簧的实际情况 ， 了恰 为 当的分析螺旋弹簧 的所承受 法向载荷产生应 力的力的情况 ， 在螺旋弹簧的两端添加合适的 弹簧座 ，保证螺旋弹簧的法 向施加载荷受力。
图ｌ 为在 三 维绘 图软 件 ＰｏＥ中绘 制 的某 ｒ／
图 １弹簧加压板模型
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２ 汽车悬架螺旋弹簧有 限元分析单元
类 型 的确 定
考虑到所用电脑的分析计算能力 ， 本设计 选择了梁单元 ｂａ ８ 来划分弹簧网格¨ 梁 ｅｍ１８ Ｊ 单元的优点是节点和单元数少 ，计算规模小 ， 实体单元设置接触单元方便 。 由于螺旋弹簧 两端 的支撑 圈的部分节距 在分析过程 中， 为准确模拟螺旋弹簧在汽 车悬架系统 中的实际工况 ， 要对螺旋弹簧的有 限元模型进行边界条件设定 。 在下端弹簧座 的底端加上固定约束 ， 同时 要保证螺旋弹簧上下端相对于弹簧座 的径 向 位移为 ０ ，完成上述边界约束后 ， 螺旋弹簧模 型的空间位置就被 固定下来了。 要模拟螺旋弹 簧在汽车悬架 中承受法向载荷的作用 ， 就在上 弹簧座上面上施加法向力。
触 以及螺旋弹簧的 自接触 。 螺旋弹簧和弹簧座
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设计 与研 究
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５汽 车悬架螺旋 弹簧 Ｃ ＡＥ分析过程
汽车悬架螺旋弹簧的 Ｃ Ｅ分析过程可以 Ａ 采用 交 互式 的方 式进 行 分 析 ，也 可 以 采 用 ＡＤ Ｐ Ｌ语言进行分析 ， 本文采用了交互式的方 式 ，来实现螺旋弹簧 的有限元分析。
（ 变形云图 ４（ １０ Ｎ） ｄ） １４ ０
图 ３螺旋 弹簧变形云图
式中 ： ＝
＋
；ｃ＿Ｄ／ 为曲 ；
６２ 剪切 应 力 结 果 ．
度指数 ； Ｄ为圆柱螺旋弹簧 中径 ； Ｃ为缠绕 比； ｄ 为簧丝直径 ；Ｐ为负荷值 。
计 算 得 ： ｒ ＝１１ ． ａ。 ｍ ０ ２１ ＭＰ ３
进行相应的分析过程 。
的接触 采用 了三维梁接触 单元 Ｃ ＮＴ Ｔ ７ ， Ｏ ＡＣ １６
而 和它对应 的 目标 单元采用了 Ｔ ｒｅ ７ ａ ｔ ｌ单 ｇｌ
１汽 车悬架螺旋弹簧三维模型 的建立
在汽车悬架系统 中， 螺旋弹簧的上端安装 在车身 的弹簧座内 ， 下端安装在固定于后桥壳 体 的弹簧座 内， 只承受轴向的作用 ， 以减缓因
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｔｈ ｔｅ ｓｄ ｓｒｂ ｔｏ ｆａｖ ｈｃ ｅｓ ｓ ｅ ｉｎｈ ｌｃ ｌ ｐ ｉｇ ｉ ｎ ｌ ｚ ｄｂ ｓ ｄｏ ｔａｔ ｅｓｒ ｓ ｉｔｉｕ ｉ ｎｏ ｅ ｉｌ ｕ ｐ ｎｓｏ ｅ ｉａ ｒｎ ａ ａｙ ｅ ａ ｅ ｎＡＮ Ｓ Ｆ ｓ ｆｗ ａｅ ｓ ｓ Ｙ Ｅ ｏ ｔ ｒ ｉ ｈ ｓｐ ｐｅ， ｎ ｈｅｒ ｓ ｔｓ ｏ ｓｔ ａ ｈ ａ ｔｅ ｓｉ ｈ ｎｓｄ ｅ ｉｌ ｕ ｐ ｎ ｉ ｎ ｈ ｌｃ ｌ ｐ ｉｇ ｉ ａｇ ｒ ｎｔ ｉ ａ ｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｕｌ ｈ ｗ ｈ ｔｓ ｅ ｒｓｒ ｓ ｎ ｔ ｅ ｉ ｉ ｅｏｆａｖ ｈｃ ｅｓ ｓ ｅ ｓｏ ｅｉａ ｒｎ ｓｌｒ ｅ ｓ ｔ ｎｔ ｅｏ ｔｉｅ ｔ ｅｌｃ ｔｏ ｆｔｅｍ ａ ｉ ｕ ｈ ａ ｔｅ ｓｗｉｌ ｈ ｎ ｅｗ ｉ ｅｌ ａ ｈ ｎ ｅ ； ｅｍ ａ ｉ ｍ ｈ ａ ｈａ ｕ ｓｄ ； ｈ ａｉ ｎｏ ｈ ｘ ｍ ｍ ｓ ｅ ｒｓｒ ｓ ｌ ｃ ａ ｇ ｔ ｔ ｏ ｄｃ ａ ｇ ｓｔ ｘ ｍｕ ｓ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｈ ｈ ｓｒ ｓ ｃ ｕ ｒ ｔｔ ｅ ｍ ｕｌ ｐ ｅ ｆ ０５ ｃ ｃｅ ｆａ ｖ ｈ ｃｅ ｓ ｐｅ ｓｏ ｅｉａ ｐ ｉｇ．Ｔｈ ｅｈ ｄ ｐｒ ｖ ｄ ｓ ａ ｔｅ ｓ ｏ ｃ ｒｓ ａ ｈ ｔ ｌｓ ｏ ． ｙ ｌ ｓ ｏ ｅ ｉｌ ｕｓ ｎ ｉｎ ｈ ｌｃ ｌｓ ｒｎ ｉ ｅ ｍ ｔｏ ｏ ｉｅ ｃ ｎ ｅ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｖ ｎ ｅｉｂｌ ｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｒ ｆｒ ｎ ｅｍ ａｅ ｉｌ ｏ ｈ ｐ ｉ ａ ｅ ｉ ｎｏｆｃ ｌ ｒｃ ｌ ｅｉａ ｏ ｖ ｎｉｎ ， ｎ ｕｔ ｅ ａ ｄ ｒ ｌ ｉ ａ ｅｍ ｔ ｏ ｎ ｅ ｅ ｅ ｃ ｔｒａｓｆ ｒｔ ｅｏ ｔｍ ｌｄ ｓｇ ｙ ｉ ｉａｌ ｈ ｌｃ ｌ ｎｄ ｙ ｓ ｒｎ ． ｐ ｉ ｇ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ ｖ ｈ ｃｅＳｕ ｐｅ ｓｏ ｙｗ ｒ ： ｅ ｉ ｌ ｓ ｎ ｉ ｎ： ｈ ｌ ａ ｐ ｉｇ： ＡＮ Ｓ Ｓ： ｓｒ ｓ ｅｉ ｌ ｒｎ ｃ ｓ Ｙ ｔｅ ｓ
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设计 与研 究
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基 于 Ａ ＹＳ的汽 车悬 架 螺 旋 弹 簧 ＮＳ 有 限元分 析
杨 峰
（ 电子科技大 学 成都 学院 ，四川 成 都 ６ １３ ） １７ １
摘要：为 了准确 的测定 汽车悬架 螺旋 弹簧 的应 力分布 情况 ，采 用有 限元 分析软 件 Ａ Ｙ ，对某型号 ＮＳ Ｓ 汽车悬架 螺旋 弹簧进行 了 Ｃ Ｅ 分析 。分 析 结果显示 ，汽车悬架 螺旋 弹簧 内侧 剪切应 力均大 于外侧 剪 Ａ
■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
由图 ３ 可以看 出 ， 随着螺旋弹簧所受 的压
（） 形 图１２ｏ ）（） 形 图２３４ ） ａ变 云 （６ ３ Ｎ ｂ变 云 （０Ｎ ９
７理论检验
经典 的理论计算 圆柱 螺旋弹簧的最大应
力值 公 式 为 ：
８ＫＰＤ
ａ ｘ
（ ）变形云图 ３（ ８ ９ ｃ ７ ９ Ｎ）
Ｓ ｒ ｓ ｎ ｌ ｓｓｏ ｙ ｉ ｄ ｉ ａ ｌ ｅ ｉ ａ ｐ ｉ ｇ ｂａ ｅ ｉ ＡＮＳ ｔ ｅ ｓａ ａ ｙ ｉ ｆａ ｃ ｌ ｒ ｃ ｌ ｈ ｌ ｌ ｒ ｎ ｓ ｄ Ｏ ｌ ｎ ｙ ｃ ｓ ＹＳ ＹＡＮＧ Ｆ ｎ ｅ ｇ （ ｅ ｇ ｕＣｏ ｌ ｇ ， ｉ ｅ ｓｔ ｆ ｅ ｔ ｏ ｉ ｃ ｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙｏ Ｃｈ ｎ ，Ｃｈ ｎ ｄ １ ７ １ Ｃｈ ｎ ） Ｃｈ ｎ ｄ ｌ ｅ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｅ ｙｏ Ｅｌ ｃ ｒ ｎ ｃＳ ｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ｆ ｉ ａ ｅ ｇ ｕ６ １ ３ ， ｉ ａ
切应 力 ；随着 汽车悬架 螺旋 弹簧所 承受载荷 的变化 ，剪切应 力最大值 出现 的位 置会 发 生变化 ；而且在
不 同载 荷作 用下 ，剪切应 力最大 值均 出现 在汽车 悬架 螺旋 弹簧底 端开始 向上 ０５圈倍数 附近 。这种分 ． 析方法 直观快 速的反 映 出了剪切 应力 的分布 情况 ，最大 剪切应 力值及 其 出现 的位置 ，为后 续优化设 计 汽车 悬架螺旋 弹簧提 供 了方便 、直观、可 靠的参 考数 据。 关 键词：汽车 悬架 ；螺旋 弹簧 ；Ａ ＹＳ ＮＳ ；应 力 中图分类号 ：０ ４ ．１ ２ ２２ 文献标识码 ：Ａ 文 章编号 ：１０ —０ ｌ ２ １） ７ ０ ３ ４ ０ ６ ３ ６（０ １ ０ —０ ２ —０
复压缩运动 ， 起着缓冲和减震作用 ， 其质量好
坏 ， 车辆 平 稳性 、 全性 起 着 至 关重 要 的作 对 安
用 。目 ， 前 广泛应用的汽车悬架螺旋弹簧应力 和变形 的计算公式是根 据材 料力学推导 出来
的 ，若无 一 定 的实 际经 验 ， 难 设计 和 制造 出 很
高精度的汽车悬架螺旋弹簧 。 随着设计应 力的
触， 矩形密封面受压弯曲失稳 ， 受力结构位置 突然改变造成的。 且压缩位移越大 ， 压缩反力 增加 的越 陕，从而最大节点位移变形减小 。
图 ２ 离 散 后 的有 限元 模 型
４汽 车悬架螺旋弹簧有 限元模型 的 约 束条件 的施加
比较小 ， 当螺旋弹簧受到轴 向载荷时 ， 随着载
荷 的增大 ， 螺旋弹簧的支撑圈部分将首先和弹 簧座接触 ， 随着载荷的继续增大 ， 弹簧的支撑 圈和弹簧的工作 圈部分开始 出现并 圈， 这就导 致了螺旋弹簧限元分析将涉及到接触问题 。 接触设置包括 了螺旋弹簧和弹簧 座的接
［ 俞鲁五 ． 绍一 种静 密封 用 密封件一 矩形 密封 圈 【 ．流 １ ］ 介 Ｊ １
体 传动控制 ，２ ０ ，５（ ０６ ３）：４ —６ ４４ 【１１ ． １ －． 体的 ＣＡＤ及 其有限元分析 ［ ．山 东 ： ２￣１ Ｑ４ Ｆ １６ 影 Ｄ】
于球面法向移动 ， 而后平面两端弯曲与球面接
路面 不 平 顺后 桥 对车 身 造成 的冲 击 ， 对车 身 起 支撑 作 用 。
元， 螺旋弹簧的 自接触也采用了同样 的接触对
单元。 选 择 Ｃ ＮＴ Ｔ１６单 元 的好处 在 于 ，它 Ｏ ＡＣ ７
可以设置螺旋弹簧 的截面大小 ，在分析过程 中，准确的模拟螺旋弹簧的接触 。
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３ ０・
设计 与研 究
２１年第０ 期 总 ８ ０１ ７ 第３ 卷
为平面与球面接触 ， 刚施加压力时 ， 平面垂直
分析 ， 在压缩过程中出现的跳跃拐点是 由于矩 形密封 圈受压弯 曲失稳造成的。 有限元的理论 分析与实践相符 ， 以后的工程应用 中可 以加 在 大聚四氟 乙烯矩形密封 圈的应用。 参考文献：
到 ３ ０ ９ ４Ｎ，最大剪切应力出现在螺旋弹簧上 端 １ ． ５圈附近 内侧 ，负荷继续增加到 ７ ９ ８９Ｎ 之后 ， 螺旋弹簧的最大剪切应力出现的位置转
移至螺旋弹簧底端起始 １ 圈附近 内侧 ， ． ５ 在螺
旋弹簧 的负荷继续增加 到螺旋弹簧 的极限载 荷 １４ ０时 ，螺旋弹簧的最大剪切应力 ９ ８ ０ １ ５ ＭＰ 的位置继续转移至底端起始 ２ 圈位置附 ａ ． ５