基于APDL車輛麥弗遜懸架裝置有限元分析*

鄭建校，趙航，賀利樂，郭寶良，羅丹

基于APDL車輛麥弗遜懸架裝置有限元分析*

鄭建校，趙航，賀利樂，郭寶良，羅丹

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

麥弗遜懸架是影響車輛行駛穩(wěn)定性和安全性的主要裝置。針對(duì)這一問題，以某家用轎車麥弗遜懸架裝置為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS軟件參數(shù)化語(yǔ)言APDL建立有限元模型，求解車輛行駛過(guò)程中三種危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力和應(yīng)變大小。研究結(jié)果表明應(yīng)力變化梯度較大，應(yīng)變較小，麥弗遜懸架裝置設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。在生產(chǎn)之前，對(duì)麥弗遜懸架進(jìn)行有限元分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計(jì)缺陷，改善設(shè)計(jì)方案，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

麥弗遜懸架；APDL；有限元分析

前言

麥弗遜懸架是車身與車轎之間連接裝置的總稱，承受路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力，同時(shí)這三種反力產(chǎn)生的力矩傳遞給車身，并緩沖來(lái)自凹凸路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷，以保證車輛的正常行駛，提高車輛的駕駛穩(wěn)定性。由此可見，懸架裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響車輛正常行駛的主要因素之一。因此，在車輛設(shè)計(jì)初始階段，完成懸架裝置的力學(xué)性能研究，增強(qiáng)懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證車輛正常行駛。

ANSYS 軟件是基于有限元法開發(fā)的數(shù)值分析軟件，具有強(qiáng)大的求解計(jì)算能力，可以解決工程領(lǐng)域中各類復(fù)雜的問題。本文采用參數(shù)化語(yǔ)言APDL對(duì)懸架裝置進(jìn)行有限元分析，獲得懸架裝置的強(qiáng)度特性，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

1 麥弗遜懸架有限元模型

1.1 麥弗遜懸架裝置結(jié)構(gòu)

某型轎車麥弗遜式懸架裝置主要由A字形下擺臂、減振器、橫向穩(wěn)定桿和螺旋彈簧組成。麥弗遜式獨(dú)立懸架為支柱式減振器兼作主銷，受到車身抖動(dòng)和地面沖擊的上、下預(yù)應(yīng)力。轉(zhuǎn)向節(jié)則沿著主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，主銷可擺動(dòng)，特點(diǎn)是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上、下跳動(dòng)而變化，且前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。

1.2 材料屬性

車輛行駛過(guò)程中，因路面工況不同，懸架要承受各種動(dòng)載荷，對(duì)其各部件的強(qiáng)度和抗沖擊性能要求較高。因此，懸架轉(zhuǎn)向節(jié)材料選用球墨鑄鐵，下擺臂材料選用機(jī)動(dòng)車用熱軋鋼，彈簧材料選擇60Si2MnA。

1.3 懸架裝置幾何模型建立

本文以某款車型麥弗遜懸架裝置為研究對(duì)象，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，基于ANSYS軟件參數(shù)化語(yǔ)言APDL，采用自下向上建模方法，定義彈簧等零件參數(shù)，通過(guò)建立點(diǎn)、線、面和體，運(yùn)用大量的布爾運(yùn)算，建立懸架裝置三維幾何實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 懸架裝置幾何模型

1.4 麥弗遜懸架裝置有限元模型建立

懸架裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單元類型選用帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元—SOLID187。懸架裝置由多種材料組成，定義各個(gè)實(shí)體部分分配單元和材料屬性。

圖2 懸架有限元模型

采用參數(shù)化語(yǔ)言APDL 建立各個(gè)零部件幾何模型，通過(guò)相應(yīng)的連接方式裝配懸架裝置幾何模型。裝配零部件時(shí)，構(gòu)件之間建立接觸關(guān)系。創(chuàng)建接觸對(duì)，分別選擇轉(zhuǎn)向節(jié)的面與輪胎的內(nèi)表面、彈簧支柱內(nèi)表面、彈簧與彈簧上端蓋、創(chuàng)建彈簧與彈簧下座接觸對(duì)。通過(guò)耦合節(jié)點(diǎn)集合的自由度，模擬轉(zhuǎn)向節(jié)與下橫臂之間連接的球鉸。定義劃分網(wǎng)格尺寸大小為20mm，基于參數(shù)化語(yǔ)言APDL 建立麥弗遜懸架有限元模型，如圖2所示。

2 不同工況下麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

2.1 有限元靜力學(xué)分析

車輛懸架裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行駛過(guò)程中會(huì)遇到各種復(fù)雜工況，車輛懸架裝置強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求，是保證懸架裝置實(shí)現(xiàn)其功能的必備條件。應(yīng)用有限單元法，依據(jù)第四強(qiáng)度理論，對(duì)懸架裝置進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度校核。

2.2 不同工況下懸架邊界載荷計(jì)算

車輛在行駛過(guò)程中，懸架裝置將受到靜載和動(dòng)載兩種載荷，其中轉(zhuǎn)向節(jié)和下擺臂是承受載荷的主要部件。車輛行駛過(guò)程中，在三種受力極限工況下，載荷最大。依據(jù)汽車?yán)碚?，車輛行駛的三種受力極限工況為：通過(guò)不平路面工況、制動(dòng)工況和轉(zhuǎn)向工況。

在三種危險(xiǎn)工況下，對(duì)懸架構(gòu)件進(jìn)行靜態(tài)受力分析，即懸架各構(gòu)件邊界載荷條件的準(zhǔn)靜力學(xué)求解。應(yīng)用Matlab軟件，編寫程序，三種工況下所受載荷計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 典型工況下懸架邊界載荷

2.3 不平路面工況

根據(jù)汽車?yán)碚?，汽車通過(guò)凹凸路面時(shí)，車輪受到?jīng)_擊載荷，懸架主要受到法向力，動(dòng)載系數(shù)最大。從懸架裝置實(shí)際受力及運(yùn)動(dòng)情況看，在輪胎下端線上節(jié)點(diǎn)處施加載荷，將更接近于實(shí)際受力情況。通過(guò)求解，獲得應(yīng)力如圖3所示，主要承受力的部位是懸架轉(zhuǎn)向節(jié)上端伸出部分，最大應(yīng)力點(diǎn)在下端伸出部分與下三角臂的連接處，大小為388MPa，下三角臂已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形，此處為懸架的危險(xiǎn)截面。

圖3 不平路面工況下懸架的應(yīng)力云圖

2.4 制動(dòng)工況

汽車在制動(dòng)時(shí)，受到慣性力和地面縱向沖擊，懸架轉(zhuǎn)向節(jié)大軸頸處受到輪胎經(jīng)軸承傳遞過(guò)來(lái)的切向力。由于車輪輪轂安裝在軸承上，制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸不受扭矩作用，在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處施加載荷。計(jì)算求解后，獲得制動(dòng)工況下懸架應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 制動(dòng)工況下懸架應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，受力主要區(qū)域在懸架轉(zhuǎn)向節(jié)上端與球鉸球柄處，上端伸出部分的頸根和球鉸球柄處是最大應(yīng)力點(diǎn)，其值為366MPa。在制動(dòng)工況下，下擺臂前后支點(diǎn)是主要受力點(diǎn)，承受水平面內(nèi)彎矩和縱向平面內(nèi)扭矩，懸架裝置受到切向力作用，高應(yīng)力區(qū)集中在大跨度的臂體彎弧上。

2.5 轉(zhuǎn)向工況

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，兩個(gè)車輪上的側(cè)向力大小不等，法向作用力和側(cè)向力所產(chǎn)生的力矩方向不等，作用在車輪左、右轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上的彎矩也不相等。假設(shè)轎車左轉(zhuǎn)，出現(xiàn)向右側(cè)滑，此時(shí)，右懸架所承受的彎矩遠(yuǎn)大于左側(cè)。因此，研究對(duì)象采用承受較大彎矩的右懸架。

圖5 轉(zhuǎn)向工況下懸架的應(yīng)力云圖

在轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸處和中心點(diǎn)施加載荷，計(jì)算求解，獲得應(yīng)力云圖如圖5所示，主要承受力的部位是懸架轉(zhuǎn)向節(jié)上端伸出部分，下端伸出部分與下三角臂的連接處是最大應(yīng)力點(diǎn)，其值為299MPa，下三角臂變形較大，此處為懸架的危險(xiǎn)截面。

2.6 計(jì)算安全系數(shù)

通過(guò)以上分析可知，該車的麥弗遜前懸架最大應(yīng)力值為388MPa，其材料許用應(yīng)力值為450MPa，安全系數(shù)為：

從應(yīng)力集中分析，安全系數(shù)值較小，其余大部分強(qiáng)度滿足懸架裝置設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，且應(yīng)力變化梯度較大，存在結(jié)構(gòu)輕量化空間，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品成本。

3 結(jié)論

本文采用有限單元法，應(yīng)用參數(shù)化語(yǔ)言APDL建立了麥弗遜懸架裝置有限元模型，針對(duì)懸架裝置三種危險(xiǎn)工況，施加載荷、約束和求解，獲得應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，結(jié)論如下：

（1）應(yīng)用參數(shù)化語(yǔ)言APDL建立帶有復(fù)雜曲面的主要零部件幾何實(shí)體模型，通過(guò)裝配，建立懸架裝置幾何模型；選擇合適單元并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立了懸架裝置有限元模型。

（2）分析懸架裝置在三種危險(xiǎn)工況下有限元計(jì)算結(jié)果。最大應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值不大于材料的屈服極限，結(jié)果表明懸架裝置的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。分析應(yīng)力分布云圖，應(yīng)力變化梯度較大，存在結(jié)構(gòu)輕量化空間。

[1] 陳家瑞主編.汽車構(gòu)造(下冊(cè))[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

[2] 夏長(zhǎng)高,邵躍華,丁華.麥弗遜懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(12): 5-8.

[3] 江迎春.基于剛?cè)狁詈系钠噾壹苡邢拊治鯷D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2008.

[4] 侯煒.汽車車架的有限元靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[D].秦皇島:燕山大學(xué). 2006.

Finite Element Analysisof Automobile McPherson SuspensionDevice based on APDL*

Zheng Jianxiao, Zhao Hang, He Lile, Guo Baoliang, Luo Dan

( School of mechanical and electrical engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Shaanxi Xi’an 710055 )

The McPherson suspension is the main device that affects the driving stability and safety of vehicles. Aiming at this problem, the McPherson suspension device of a family car is taken as the research object. And the finite element model is established by using ANSYS software parametric language APDL to solve the stress and strain under three dangerous conditions during vehicle driving. The research results show that the gradient of the stress change is larger and the gradient of the strain change is smaller. The strength requirements can be met by the design of McPherson suspension. Before the production, the McPherson suspension was analyzed and calculated by the finite element method and the design defects will be found, thus the design scheme will be improved. The product development cycle will be shortened greatly, and the design quality and efficiency will be increased.

McPherson suspension device; APDL; Finite element analysis

B

1671-7988(2019)21-59-03

鄭建校，男，副教授，就職于西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。主要從事工程車輛優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。

U467

B

1671-7988(2019)21-59-03

*2017年校級(jí)研究生教改項(xiàng)目（編號(hào)JG021753）資助；西安建筑科技大學(xué)車輛工程擇優(yōu)立項(xiàng)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)1609118 004）資助；陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目（編號(hào)14JK1410）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.020

CLC NO.:U467