基于 Solidworks Simulation的汽车悬架弹簧有限元优化的研究

史小辉，许明恒，张 磊，高宏力

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

众所周知，汽车悬架弹簧剪切应力高低值直接影响弹簧的结构设计、安装方法、材料选择以及加工工艺，而有限元仿真为汽车悬架弹簧的快速设计提供了准确高效的设计模式。

本文分析悬架弹簧在交替载荷作用下往复运动的有限元模式。悬架弹簧的寿命主要取决于弹簧钢丝截面上的剪切应力，为了快速分析成型，因此，引入专业的有限元弹簧分析软件[1]，从而得到准确的、快速的设计、优化方案，为悬架设计提供更有力的依据。

1 汽车悬架弹簧有限元仿真的必要性

目前，能够适应快速研发新车型的设计任务，其中之一就是有限元仿真与优化设计。从美国通用、克莱斯勒、福特，德国的大众以及国内的长安、吉利、奇瑞等整机厂需要供应的悬架弹簧，在技术环节都必须有有限元仿真分析这一要求，那么针对这种仿真分析，由主机厂提出技术要求，弹簧生产研究单位通过 CAE分析来满足这一环节。采用有限元分析悬架弹簧不仅可以快速分析不同载荷、压缩量、变形尺寸下的详细剪切应力，而且可以快速准确的材料选择，预测耐久疲劳[2]。

2 两种不同类型的悬架弹簧有限元分析

2.1 GPXX采用的有限元分析方法。

按照要求增加载荷的分析。该方法的分析特点针对弹簧的上下端的类型进行直接加载处理，如果上下端的模型近乎平端，那么就将弹簧的断头按照 110%的接触面施加载荷，这样测试出来的数据接近实验测试数据。如图 1中的加载区域显示。

图1 悬架弹簧模型

实验方法：

(1)载荷：载荷施加在原型端面的平头。如果弹簧端头为平面，则无需导程座，如果两端不属于平面端，则需要定制适合的导程座进行加载分析，端头若为非平面端，增加导程座测量。如果为平面则不需要导程座，图 2为平面端，则不需导程座而直接加载载荷[3]。

(2)夹具模式：上端约束为圆周固定，下端固定采用圆周约束与下端面固定约束双约束机制。

图2 悬架弹簧分析结果

(3)分析模式：采用静态分析的方法。

(4)网格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的网格器划分模式。

(5)采用光滑表面。

仿真结果：根据本悬架弹簧模型，可以明显得知，该类型弹簧的最大应力带均处于弹簧的两侧，并且都在上表面。其次可以采用点采集数据方式获得最大应力。

2.2 HDXX类型弹簧采用的有限元分析方法

该系列弹簧上下端属于非平面端，而且不能直接在弹簧端头施加载荷，因此增加一个弹簧托盘模型，以便施加载荷在弹簧法向方向[4]，分析结果如图 3、图 4所示。

图3 剪切应力云图

图4 HDXX网格化和安全系数显示

实验方法：

(1)载荷：载荷施加在增加了模拟弹簧盘的上下端面。

(2)夹具模式：上端约束为圆周固定，下端固定采用圆周约束与下端面固定约束双约束机制。

(3)分析模式：采用静态分析的方法。

(4)网格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的网格器划分模式。

(5)采用光滑表面。

通过上述两种方法，可以清楚的得出，悬架弹簧的最大应力带分布在弹簧轴线的两侧，另外通过优化，最大应力点相对转移，甚至到上限托盘区域，以致提高使用寿命。

3 采用有限元与实验的验证对比方法

通过不同类型的弹簧的有限元分析后，为了验证该仿真的准确性，必须通过实验验证，对悬架弹簧的仿真结果进行实验数据采集。图 5、图 6是实际实验测试平台。对于图 5中 HDXX用 24通道采集实验数据，通道分别是从磨平端到顶端，首通道 1(CH1)，末通道 24(CH24)。数据采集所用软件为 7V应力测试机自带软件，所有数据全部采用四舍五入法省去小数部分。7V系列实验数据采集分析系统的分辨率为 1με，测量范围为 ±30000με，灵敏系数 2.15，补偿系数 0。

图5 HDXX悬架弹簧实验模型

图6 CAXX弹簧实验模型

根据应力计算公式[6～8]：

其中：m=2.15是灵敏系数;G=7.9×1010是切变模量;ε是应变量，第 5次的测试时 ε=6116με。最大应力处的应变在通道 CH20(弹簧顶端第二圈位置处)，最大应力为 ：τmax=1038.8MPa。

结果对比，通过有限元分析 HDXX模型的最大应力在上侧第 2圈，剪切应力为 1046 MPa，而实验测得结果为 1038.8MPa，这个结果非常接近，图 6的悬架弹簧实验和分析最终结果也是一致。由此可知有限元分析和实验验证的一致性。

4 结论

通过有限元仿真优化模型分析，给出了不同类型的悬架的有限元仿真方法，为汽车悬架弹簧 CAE分析与开发提供快速高效的工作依据。

本文得出以下结论：

(1)汽车悬架弹簧的应力带分布在弹簧轴线对称的两侧。

(2)悬架弹簧的最大应力可以通过模型优化，进行最大应力的转移，从而提供弹簧的疲劳寿命。

(3)本文首次采用 Solidworks Simulation为悬架弹簧领域开辟了快速通道。

[1] School ofmetallurgy andmaterials residual stresses at the surfaceof automotive suspension springs[J].Journal ofmaterials science，35(2000)：3313-3320.

[2] 李庆华.材料力学[M].成都：西南交通大学出版社，1990.

[3] 成大先.机械设计手册(第五版)弹簧[M].北京：化学工业出版社，2010.

[4] Kotaro Watanabe，KMasahi Tamura，Ken Yamaya.Development of a new-type suspension spring for rally cars[J].Journal of materials processing Technology，111(2001)：132-134.

[5] 王仁智.残余应力与弹簧的疲劳性能[J].理化检验：物理分册，2005，11：541-548.

[6] 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[C].日本杉田彈簧技術文件，2007.

[7] 史小辉，余磊.给通用 GP50-CAE技术分析纲要(C).宁兴弹簧企业文献，2010.

[8] 史小辉，许明恒，高宏力.汽车悬架弹簧应力产生模式的研究[J].机械科学与技术，2010，29(8)：1069-1071.