汽车悬架弹簧的CAE研究

史小辉,许明恒,王思明

(西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031)

汽车悬架弹簧是汽车确保舒适性的关键零件.汽车行驶过程中它承受高频交变载荷,并且起着缓冲和减震作用,因此对其工作的疲劳可靠性要求很高.然而,在实际使用过程中,常出现悬架弹簧达不到规定的服役寿命而疲劳断裂现象.研究表明,导致这种问题出现的综合因素主要有结构设计、材料选择、加工工艺和安装方法等,而直接因素是表面应力集中、交替载荷与屈服强度的失调.

本文主要通过对弹簧的结构设计、材料选择以及耐久达标采用基于Solidworks仿真的CAE一致性研究,给出了悬架弹簧结构设计一致性方法.

1 悬架弹簧的结构设计与判据

目前,国内汽车悬架弹簧的设计主要分为有两种,一种是以国标为前提的独立设计;另一种是汽车主机厂提出弹簧力学技术指标和外形限制尺寸,由弹簧设计单位设计、实验验证与优化.

第一种方法主要参考国标,需要考虑弹簧的总圈数、有效圈数、自由高度、旋向、弹簧直径、弹簧外径、弹簧端圈内径、最大行程和最小行程、刚度、负荷等[1].从而选择能满足性能和耐久要求的材料.

根据弹簧结构特点,剪切应力为判断的核心.这一特点主要分析弹簧受扭过程力学变化规律.如图1所示,弹簧在外载荷P作用下,弹簧横截面上可近似认为承载1个扭转矩T=PD/2(D为弹簧的中径,即弹簧直径的表达方式),以及1个剪切力Pτ=P.根据材料力学的计算获得该弹簧的内侧与外侧表面上作用的剪切应力分别如下[2]:

式中:K1和K2为圆形截面曲度系数,与旋绕比c(悬架弹簧取值范围常为4～16)有关,可由下式计算:

第二种设计方法为企业算法,企业算法一般是企业技术部门根据实验数据或者经验修订制定的设计算法.弹簧最大切应力计算涉及的参数有弹簧类型、弹簧固定模式(暂时未纳入公式计算)、端圈类型,再考虑弹簧的钢丝直径、弹簧中径等5个因素的综合影响,才能获得较为准确的计算结果[3].因此:

图1 圆簧在静载荷作用下的受力分析Fig.1 Force analysis of coil spring at static loading

式中:τp为弹簧的最大剪切应力;K为刚度系数,和旋绕比有关;TE为弹簧装配模式限定系数,与剪切应力成正比.结构设计的准则之一就是以剪切应力作为判据.以上两种算法计算出弹簧的最大剪切应力是有区别的.第一种偏向理想化,适合等径圆柱型弹簧;而第二种适用范围较广,在材料许用应力范围内多种结构设计皆有效.

2 材料选择

国内使用最多的汽车悬架弹簧材料是60Si2Mn油淬火回火钢丝,其抗剪应力在850 MPa以下,供应商主要有上钢二厂、湖南双威、江阴法尔胜等.

当剪切应力达到900～1050 MPa,则需要使用55CrSi材料,国内供应厂家较多.要求剪切应力1000～1200 MPa高应力弹簧时,多采用国外进口材料,如日本的SRS60.

汽车悬架弹簧钢丝必须控制好化学成分、力学性能、脱碳、表面质量等指标,其次应该严格控制原材料用钢的非金属夹杂物.最大工作剪切应力≥1150 MPa的悬架弹簧,其原材料或弹簧生产工艺过程中需经过100%的表面缺陷无损探伤[4].

3 基于Solidworks仿真的结构CAE分析

弹簧的CAE方法主要用于分析应力值及其范围,特别是弹簧结构的几何关键点,即弹簧从上端头起轴线方向的钢丝内、外侧处的最大剪切应力点.该过程严格遵循设计规则,从前提假设、几何建模、边界条件、初始条件及CAE有限元分析计算中心到最后形成优化模型.

基于Solidworks仿真的CAE分析能够对几何关键点进行优化,将最大应力点通过模型优化转移至端圈处,或者将大的应力带转移至端圈或者并圈上.

本课题的模型为F1-XXX车型,弹簧采用第二种方法设计所得,同时便于施加载荷,为弹簧上下增加模拟端盖,弹簧总圈数为8.5圈,钢丝直径为13.2mm,要求最大负荷为7680 N.最小剪应力发生在节点号11844处,最大剪应力发生在节点号10482处.

表1～4为车型F1-XXX要求设计结构进行的有限元分析信息[5,6].

经过上述分析,得出CAE分析优化结果如图2～5所示.

该产品的CAE应力分析,其前提基于材料的屈服力为1376 MPa,抗拉强度按照企业实际检验提供的13.2mm钢丝的抗拉强度为1710 MPa,图2为按照仿真的CAE步骤得出的剪切应力仿真云图.从云图可知各个阶段的应力值、最大应力点的准确坐标.图2分析采用的安全系数评价指标满值为1,仿真结果为安全系数大于0.6.根据Simulation CAE分析显示最大剪切应力为963 MPa,按照材料许用应力对照,选择55CrSi油淬火回火钢丝.再经过55CrSi材料参数二次CAE优化对比,该产品的终极安全系数为0.682,可以确定此结构选材可行.

表1 材料属性Tab.1 Material property

表2 网格参数信息Tab.2 Mesh patameter information

表3 传感器工作流程灵敏结果Tab.3 Results of transducer sensitivity about programs

表4 剪切应力仿真结果Tab.4 Results of simulation

通过终极安全系数及所选材料许用应力对比,在交替载荷耐久条件与实验验证20万次不会断裂.(以上分析基于材料最大抗剪应力准则并通过耐久试验完全满足).

图3为最大应力为963 MPa出现在下端2.5圈处分析结果云图.另外通过探测分析,这种结构的弹簧在距离下端1.0,1.5,2.0,2.5圈,以及距离上端1,2,3圈处应力均比较大,并且都超过900 MPa.如图4所示,通过裁剪应力云图可以得到800 MPa应力的分布比例,说明该结构的应力分布相对均匀,并且都处于端头几何关键点处.而最大应力为963 MPa,所以选用的55CrSi油淬火回火钢丝能满足该车型用簧的疲劳强度要求.如图5所示,探测结果表明单侧内圈应力分布相对均匀,并且最大应力均在内侧,有6处的应力超过900 MPa,最高963 MPa.

图2 剪切应力云图Fig.2 Shearing stress analysis diagram

图3 F1-XXX模型分析结果Fig.3 Results of F1-XXX model analysis

图4 800 MPa以上的超额点汇总图Fig.4 Points diagram of above 800 MPa

图5 从顶端到底端几何关键点的单侧应力测试Fig.5 Unilateral shearing stress test from the top in the end

4 结论

通过材料分析与Solidworks仿真的CAE分析,对F1-XXX车型所设计的弹簧完全满足车型技术要求.可以得出以下结论:

(1)应力范围:大应力分别均匀分布在弹簧的几何关键点位置,并且都低于所选55CrSi油淬火回火钢丝材料的安全许用剪切应力.

(2)安全系数:此结构、材料选择组合终极安全系数为0.682.

(3)疲劳强度:通过终极安全系统与55CrSi材料的许用应力对比,该弹簧在额定载荷下工作20万次不会失效或断裂,达到设计要求.

[1]李庆华.材料力学[M].成都:西南交通大学出版社,1990.LI Qinghua.Material mechanics[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,1990.

[2]王仁智.残余应力与弹簧的疲劳性能[J].理化检验:物理分册,2005,41(11):541-548.WANG Renzhi.Fatigue performance of residual stress and springs[J].Physical Testing and Chemical Analy sis:Physical Testing,2005,41(11):541-548.

[3]には、杉田スプリング技術センター.懸架·スプリング主要部品の強度計算[R].こぅべ:株式会社杉田制の大台な割つた,2007.Japanese Agita Springs Technology Center.Suspension springs calculations of key components[R].Kobe:Shecon SUGITA Spring Wire,2007.

[4]弹簧工艺手册编委会.最新弹簧生产工艺优化设计与新技术新标准新材料应用及产品质量检验实用手册[M].广州:广州音像出版社,2004.Spring Technology Handbook Editorial Board.Last spring production process design and optimization of new materials,new technologies and new standards for product quality inspection applications and practical manual[M].Guangzhou:Guangzhou Audio Press,2004.

[5]史小辉,余磊.通用GP50-CAE技术分析纲要[R].成都:宁兴汽车弹簧有限公司,2010.SHI Xiaohui,YU Lei.The general GP50-CAE technical analysis program[R].Chengdu:Ningxing Automobile Spring Co Ltd,2010.

[6]杨峰,许明恒.基于COSMOSWORKS的圆柱螺旋弹簧的应力分析[J].机械,2008(8):36-37.YANG Feng,XU Mingheng.Based on COSMOSWORKS cylindrical spiral spring stress analy sis[J].Machinery,2008(8):36-37.