基于有限元的汽车悬架减震系统设计和仿真

徐 平, 胡 兵

(江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院,江苏 常州 213025)

随着汽车制造技术的不断进步,汽车悬架减震系统已经成为车辆性能提升的一个重要方面[1]。减震器作为其中最关键的一部分,能够有效地控制车辆在行驶过程中的震动和颠簸[2],提升车辆的行驶稳定性和乘坐舒适性,同时也能够提高车辆的安全性能[3]。因此,通过有限元仿真分析汽车悬架减震系统的刚度和减震效果,成为了改善汽车性能的一种有效途径[4]。

汽车减震器是保证车辆运行平稳性和乘坐舒适性的重要组成部分。不同的路况对汽车所带来的冲击和振动也是不同的,因此减震器的设计是很重要的。现在的汽车减震器大多数是液压减震器,除了吸收减震外,还要具有抛物线特性,这就要求设计师在设计减震器时,既要兼顾弹簧和减震装置的作用,还要兼顾运动学和静力学要求,而有限元仿真则为减震器的设计带来了新的思路和方法[5]。本文将从减震器的结构设计和有限元仿真实施方法两个方面来探讨如何有效提高减震器的设计质量[6]。现针对一款SUV车辆的减震系统进行有限元仿真分析,研究不同因素对车辆减震器的影响,并针对仿真结果提出优化方案,以提升车辆的行驶稳定性和乘坐舒适性。

1 减震器模型和有限元模型建立

1.1 减震器模型建立

在有限元仿真分析中,建立车辆模型和有限元模型是重要的前提。在本文的研究中,我们通过solidworks软件建立了车辆的几何模型,车辆模型的基础信息如下所示。

车型:SUV;自重:2 000 kg;车长:5 m;车宽:2 m;车高:1.8 m;轴距:3 m。

在建立有限元模型时,我们将车辆的悬架系统分为前后两部分,对每一部分进行有限元建模。由于本文研究的是汽车悬架的减震效果,因此主要对减震器部分进行建模分析。

1.1.1 汽车减震器

汽车减震器是用于缓和车辆在行驶中的由路面颠簸、起伏引起的巨大垂直振动的一种装置,通俗地说就是所谓的“支撑过山车”。根据力学原理,弹性材料(如弹簧)和阻尼材料(如液体)是减震器的主要组成部分。弹簧具有弹性和势能,可以抵消路面不稳定性对车辆造成的影响。而阻尼材料则可以消除车辆前后反弹的动能,并将此能量转化为热能,以保证车辆的平稳性。因此,减震器的结构设计着重于弹簧和阻尼材料的合理组合[7]。

1.1.2 弹簧的设计

目前用于汽车减震器的弹簧主要有两种类型:扭曲式弹簧和线性式弹簧。扭曲式弹簧通常具有低刚度,主要用于较小的车型中。线性式弹簧具有较高的刚度,可以适应更高性能的车辆和较大的振动[8]。

1.1.3 阻尼材料的设计

阻尼材料主要包括减震器筒、防尘罩、活塞和缓冲油等部分。目前广泛使用的液压减震器是最常见的。这种减震器通过不同材料之间的内部摩擦将运动能量转化为热能,并缓和车辆的振动。

汽车减震器的结构设计通常包括轴向结构和横向结构两种形式。不同结构的减震器在使用时的工作原理和性能也有所不同。

轴向结构减震器通常由减震筒、减震杆、弹簧和阻尼器组成。当车轮通过不平凹坑或颠簸路面时,减震杆会向上下方向运动,从而导致减震筒内的阻尼器和弹簧发生相应的变形,通过吸收和消散路面冲击力,从而起到减震的作用[9]。

横向结构减震器通常由减震支架、转向杆、减震腿、减震杆和弹簧组成。当汽车通过弯道或障碍物时,减震支架会向左右方向运动,从而导致减震杆、减震腿和弹簧发生相应的变形,通过吸收和消散侧向冲击力和摆动幅度,从而起到减震的作用[10]。

在减震器结构设计中,弹簧和阻尼器的刚度、强度和阻尼特性是影响减震效果和舒适性的核心因素。在选择材料和尺寸时,需要注意弹簧的柔软性和阻尼器的阻力大小,避免产生过度弹性或刚性,影响对路面的准确感知和控制[11]。

1.2 有限元模型建立

有限元分析是一种计算机数值分析方法,可以将大型复杂系统分成小的单位进行分析。在汽车减震器的有限元仿真过程中,需要建立减震器的三维模型,并采用计算机模拟来研究其各项性能。通过有限元仿真可以得到减震器的应力、卸载速度和动态响应等重要信息,同时也可以使用模型模拟不同路面条件下的减震器响应情况,减震器三维图如图1所示。

为了使仿真的过程简化,将图1中的部分结构去除,简化后的减震器三维图如图2所示。保留图2中的减震器结构,弹簧和阻尼材料在仿真的过程中会造成计算机计算量的大幅增加和计算结果错误的概率加大。由于减震器模型中弹簧和阻尼结构的曲面较多,若采用标准的六面体网格,则会造成六面体网格划分错误,因此采用基于曲率的六面体网格进行划分,减震器网格划分图如图3所示。网格的质量选用良好这一标准,最大六面体网格的最大边长设定为 1. 304 cm,最小六面体网格的最小边长设定为 0. 331 cm。

在进行有限元仿真分析时,需要将不同路况下的载荷、振动和速度等参数输入到仿真模型中。同时,还需要根据不同的材料和实际情况设置不同的材料参数,以达到更加准确的仿真结果。

2 仿真结果

在本文的研究中,我们主要考虑了以下几个方面的因素,针对不同的参数,给出仿真结果,将仿真结果进行对比分析,得出下列几个因素对汽车减震器应力情况的影响:

(1)减震器的材料参数:碳素弹簧钢和合金弹簧钢

(2)车辆的质量:2 000 kg与2 300 kg

(3)减震器受力的方向:与垂直呈20°夹角的方向和垂向

本文分别针对减震器的材料参数,车辆的质量以及减震器受力的方向三个因素进行仿真分析。

(1)研究减震器的材料参数因素仿真结果显示,使用碳素弹簧钢的汽车减震器的弹簧应力大约为3.481e+09N/m2(见图4),使用合金弹簧钢的汽车减震器弹簧应力大约为3.583e+09N/m2(见图5),所以在其他条件相同的情况下,使用合金弹簧钢的汽车减震器效果较好,因为目前很多汽车生产厂商已经放弃了使用碳素弹簧钢转而使用合金弹簧钢。

图4 碳素弹簧钢仿真结果图 图5 合金弹簧钢仿真结果图

(2)研究车辆的质量因素仿真结果显示使用碳素弹簧管且汽车质量为2 000 kg时弹簧的应力为4.181e+09N/m2(见图6),汽车质量为2 300 kg时,弹簧的应力为4.299e+09N/m2(见图7),仿真结果与实际情况相同,即汽车质量越大,减震器所受的应力也越大,因为在设计汽车时,需要仔细考虑汽车的减震器和汽车质量之间的关系;

图6 汽车质量2 000 kg仿真结果图 图7 汽车质量2 300 kg仿真结果图

(3)研究减震器受力的方向因素仿真结果显示碳素弹簧钢的20°斜向的弹簧应力为4.299e+09N/m2(见图8),垂向受力的汽车减震器弹簧应力为2.537e+09N/m2(见图9),因此在设计汽车的时候尽量使汽车的质量垂直作用于弹簧减震器上,这样可以尽可能地增加弹簧减震器的寿命。

图8 20°斜向受力的仿真结果图 图9 垂向受力的仿真结果图

3 结论和展望

汽车减震器是保证车辆行驶平稳性和乘坐舒适性的重要组成部分。本文从减震器的结构设计和有限元仿真两个方面来探讨了如何有效提高减震器的设计质量。我们的理论方法和实验验证表明,有限元仿真技术可以为减震器设计提供宝贵的帮助,并且这种方法可以适用于不同类型的车辆。未来,我们可以通过更深入的研究来改进汽车减震器的设计和生产过程,从而更好地服务社会和用户。