独立悬架中螺旋弹簧设计与反求工程研究

刘振成 秦泗烈 于艳红 王凯

摘要：本文分析了螺旋弹簧在独立悬架中的作用，以目标设定和优化模型设计为基础，建立理论设计方程，通过反求工程，验证理论设计的可行性，在文中对仿真设计分析的先进方法进行了一定意义的探索，为独立悬架中的螺旋弹簧设计提供了可行性的设计方法，对后续进一步的研究方向提出了一定的要求。

关键词：弹簧;刚度;仿真;稳定性

0  引言

螺旋弹簧是独立悬架中常用的弹性元件，它有承载、缓和冲击和振动、导向等作用。在材料特点上，有利用率高、结构紧凑、质量小的优点;在弹性特性上，有易获得非线性悬架特性、利于改善平顺性的特点，故，在悬架中被广泛应用。

螺旋弹簧型式多为压缩式，其设计的关键指标包含结构尺寸、刚度、稳定性等。在很多文献中都是孤立的分析螺旋弹簧，未在一个系统中设定目标、设计和匹配，使得优化设计方法具有局限性。为此，以零部件服务于系统性能为设定目标的基准，研究以系统为概念的目标设定方法和设计方法，用反求工程验证符合性，为独立悬架的弹性元件设计及匹配，提供一种方法。

1  设定目标及建立优化设计模型

1.1 悬架系统对螺旋弹簧的要求

结构尺寸要求，在车轮冲击极限时，弹簧不并圈，行程合适。

性能要求，弹簧的刚度符合承载，固有频率满足整车解耦目标，弹簧压缩时不能失稳。

1.2 确定设计变量及建立目标函数

螺旋弹簧的簧丝直径、中经、圈数是影响弹簧刚度、固有频率、支撑系数的重要变量参数，因此，将三者设定为变量参数。

2  理论设计及反求工程设计

以某乘用车前独立悬架的螺旋弹簧为对象，作设计匹配，并反求验证，探讨设计方法。

前悬架质量参数：空载单侧悬挂质量mr0，389kg;满载单侧悬挂质量mra，527kg;动载系数nC，2.2。

前悬架结构参数：位移传递比iS，1.53;力传递比iF，0.65;刚度传递iC，0.43;强迫振动频fQ，4Hz;静挠度与轮胎上跳总行程260mm。

弹簧已知参数：中经D，90mm;材料60Si2MnA;剪切弹性模量G，79000N/mm2;许用切应力[τ]，1256N/mm2;许用切应力安全系Kτ，1.2。

目标要求：悬架振动频率f≤1.85Hz，悬架总行程S≤260mm，刚度满足车辆冲击要求。

2.1 理论设计分析

2.1.1 悬架质量参数

依据悬架参数，求单侧螺旋弹簧受力。

弹簧两端并紧且不磨平时支撑圈数为2，则总圈数n0为10。

2.1.3 弹簧性能参数

与弹簧承载、行程有关的重要参数是刚度和负荷下的变形量。

悬架中，弹簧的自由高度包括并圈高度Le，并圈安全间隙？驻sn，预压变形？驻sy，铁碰铁限位间隙？驻st，最大变形量？驻sj。可由下述公式确定。

安全间隙取10mm，预压变形取10mm，限位间隙取10mm。

则：L0=364.7mm，自由高度取365mm。

2.2 反求工程验证

依据确定的弹簧参数、悬架参数，反向验证弹簧的安全性、弹簧的稳定性、悬架的承载能力、悬架的平顺性。

2.2.1 反求验证弹簧参数

评价弹簧性能的有安全性和稳定性参数。

2.2.1.1 安全性参数

一定负荷下，剪切应力τx：

负荷下的剪切安全系数Kτ，可由式（4）求得。Kτ=1.3>1.2，符合要求。

2.2.1.2 稳定性参数

评价稳定性的参数有旋绕比ω、高径比λ、固有频率fe。

旋绕比ω，为使弹簧稳定，不致过软、颤动，ω值不能太大，参照GB/T23935，直径为7～16时，4<ω≤8。

高径比λ，弹簧支撑型式有5种，该悬架采用两端固定并导向型式，要求λ<4.2。

则：λ=4.05，符合两端固定并导向的支承系数要求。

固有强迫振动比，为防止共振，强迫振动频率与固有振动频率的比值应大于10。

弹簧固有频率fe

2.2.2 反求验证前悬架参数

在悬架系统中，验证弹簧参数是否符合目标要求。

2.2.2.1 悬架刚度

悬架刚度C能综合反映承载能力

2.2.2.2 悬架偏频

则，空载偏频为1.76Hz，满载偏频为1.51Hz，符合目标要求。

2.2.2.3 轮胎跳动空间

验证满载冲击时，轮胎跳动空间。由式（8），可求悬架的最大变形量，？驻=240mm。

轮胎最大跳动时，轮胎与轮眉间隙为

3  仿真分析

利用数字模型及仿真分析软件，对弹簧作静力学分析，获得应力及位移云图，如图1。

也可对悬架系统作垂直载荷、刚度变化仿真，获得车轮上下跳动时两者变化曲线，如图2。

由优化结果确定弹簧参数，D=90mm，d=16mm，圈数为10，自由高为365mm。

4  结论

本文用设定目标方法，建立优化模型，以理论设计匹配，通过反求验证弹簧的性能、悬架系统的部分性能，证明以目标设计为导向，理论设计及反求验证为重要设计方法，是可行的。文章也对仿真分析做了初步的探讨。但是，本文仅以前独立悬架设定目标，未从整车目标进行分解，也未对仿真设计分析的先进方法做深入的研究，因此，不可避免的存在局限性，后续会对整车目标分解及仿真设计分析做一定意义的研究和探索，为独立悬架及弹簧设计提供更有意义的方法。

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