懸架扭桿彈簧的結(jié)構(gòu)仿真和驗(yàn)證

曹小宇，吳佳俊

懸架扭桿彈簧的結(jié)構(gòu)仿真和驗(yàn)證

曹小宇，吳佳俊

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

針對(duì)一種新型臂式扭轉(zhuǎn)型電磁主動(dòng)懸架中的核心子部件扭桿彈簧，提出一種驗(yàn)證其強(qiáng)度的分析方法，通過(guò)分析其懸架的結(jié)構(gòu)特征和扭桿的受力模型，建立相關(guān)的動(dòng)力學(xué)方程和應(yīng)變能理論?；贏nsys建立的扭桿有限元模型，通過(guò)觀察其受力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，從而驗(yàn)證該方法有效性，從而得到在該種類型懸架下分析扭桿強(qiáng)度的一種可行而又有效的工程方法。

扭桿彈簧；強(qiáng)度分析；有限元；結(jié)構(gòu)仿真

近年來(lái)輪腿式機(jī)器人技術(shù)得到迅速發(fā)展，成為了機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)其優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性能，多采用復(fù)合式的懸架結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力的突破。扭桿彈簧是一種利用扭桿的扭轉(zhuǎn)變形起作用的彈性元件，同時(shí)兼?zhèn)涓叨日{(diào)節(jié)桿的作用，另外有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置、可改善懸架平順性的特點(diǎn)[1-2]。本文以某臂式扭轉(zhuǎn)型電磁主動(dòng)懸架中的扭桿彈簧強(qiáng)度分析為例，分析其懸架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元技術(shù)，構(gòu)建扭桿彈簧有限元分析模型用于評(píng)估其強(qiáng)度，形成適用于該臂式懸架強(qiáng)度的分析方法，驗(yàn)證扭桿設(shè)計(jì)的可行性。

1 懸架結(jié)構(gòu)特征

臂式扭轉(zhuǎn)型電磁主動(dòng)懸架（In-Arm Torsional Electromagnetic Active Suspension，簡(jiǎn)稱ITEAS）是一種由筆者團(tuán)隊(duì)提出的新型主動(dòng)懸架系統(tǒng)，如圖1所示。主體元件包括空心螺母、縱臂、扭桿彈簧、減振器殼體和套筒、減速電機(jī)和電機(jī)殼體等。該新型主動(dòng)懸架系統(tǒng)可根據(jù)需要對(duì)其阻尼系數(shù)、彈簧剛度及車身高度進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，具備調(diào)節(jié)范圍廣、抗沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 臂式扭轉(zhuǎn)型電磁主動(dòng)懸架ITEAS結(jié)構(gòu)圖

扭桿彈簧如圖2所示，作為系統(tǒng)的核心子部件承擔(dān)了懸架系統(tǒng)的彈性裝置和高度調(diào)節(jié)的傳動(dòng)裝置功能，用其扭轉(zhuǎn)變形吸收沖擊能，緩和路面沖擊產(chǎn)生的震動(dòng)和傾斜。扭桿彈簧貫穿于減振器套筒的內(nèi)部，通過(guò)兩端花鍵進(jìn)行固定，一端采用矩形花鍵，另一端采用漸開線花鍵。

圖2 扭桿彈簧模型圖

調(diào)節(jié)車身高度時(shí)，減速電機(jī)的輸出軸輸出扭矩，通過(guò)聯(lián)軸器作用于扭桿，此時(shí)扭桿因在矩形花鍵端處受到扭矩作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將扭矩由扭桿傳遞至與縱臂相連的漸開線花鍵端處，帶動(dòng)縱臂旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)車身高度和彈簧剛度的功能。

當(dāng)受到路面沖擊時(shí)，縱臂自身會(huì)發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)并帶動(dòng)扭桿彈簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生彈性力，此時(shí)需要減速電機(jī)輸出扭矩，通過(guò)扭桿彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)縱臂向與路面沖擊造成縱臂轉(zhuǎn)動(dòng)的相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消路面沖擊造成的車身高度變化和剛度改變。

2 扭桿彈簧的運(yùn)動(dòng)分析

ITEAS系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的機(jī)構(gòu)如圖3所示，扭桿在未承受載荷時(shí)，懸架的縱臂與鉛垂線的夾角為，此時(shí)車輪輪心位于C點(diǎn)。當(dāng)懸架受到橫向作用的路面沖擊力作用后，扭桿扭轉(zhuǎn)角度為，縱臂轉(zhuǎn)到與鉛垂線夾角為位置，此時(shí)輪心位于D點(diǎn)，并且縱臂端沿力方向產(chǎn)生位移。這時(shí)扭桿彈簧所承受的扭矩=cos，。扭桿彈簧的扭轉(zhuǎn)角度=+，縱臂端處上升距離=（sin+sin）。

通過(guò)式（1）可以得到ITEAS中扭桿力矩T與路面沖擊P的關(guān)系，為后文的仿真模型建立提供理論依據(jù)。

3 扭桿彈簧的有限元分析

Ansys有限元分析是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的一種現(xiàn)代計(jì)算方法[3]，可在軟件里施加適當(dāng)?shù)募s束和載荷來(lái)模擬扭桿的受力情況，通過(guò)所生成的靜態(tài)云圖來(lái)評(píng)估扭桿的結(jié)構(gòu)性能。在仿真模型建立時(shí)，為簡(jiǎn)化仿真計(jì)算，將扭桿簡(jiǎn)化為光桿，原兩花鍵端與中間桿之間的圓弧段部分對(duì)扭桿的有效工作長(zhǎng)度有影響，將圓弧過(guò)渡處保留。懸架內(nèi)部的減振器、軸承等硬件省略以簡(jiǎn)化，忽略各元件之間的摩擦力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)簡(jiǎn)化為作用在花鍵處的驅(qū)動(dòng)力矩。扭桿彈簧結(jié)構(gòu)材料為60Si2Mn，密度=7.85×103kg/m3，楊氏模量=206 GPa，泊松比=0.290，許用應(yīng)力[]=590 MPa，且為各向同性材料。

通過(guò)Ansys軟件對(duì)扭桿受力后進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變的分 析[4-5]，當(dāng)車輛在正常路面行駛時(shí)，受到路面的橫向沖擊時(shí)，扭桿的漸開線花鍵端會(huì)承受力矩并使縱臂產(chǎn)生偏移，為保證懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電機(jī)會(huì)同時(shí)輸出扭矩，通過(guò)扭桿帶動(dòng)縱臂向與之相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)抵消路面沖擊帶來(lái)的縱臂偏移量。此時(shí)扭桿的動(dòng)力源為電機(jī)和路面的橫向沖擊，因此再在扭桿漸開線花鍵端施加扭矩＝2 N·m等效橫向路面沖擊。

仿真后應(yīng)力云圖如圖4所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖4 應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖5 應(yīng)變?cè)茍D（單位：mm）

扭桿同時(shí)受電機(jī)驅(qū)動(dòng)和路面沖擊作用時(shí)，離受力端距離越近的地方變形越小，中間部分的應(yīng)力值最大，并且在花鍵與扭桿的過(guò)渡段處應(yīng)力集中。左側(cè)的光桿部分發(fā)生了輕微變形，其原因是路面沖擊時(shí)空心螺母對(duì)光桿處施加扭桿軸向的約束，限制扭桿軸向位移。所受最大應(yīng)力值為179.58 MPa，沒(méi)有超過(guò)許用應(yīng)力值590 MPa，扭桿的最大變形值為 0.384 mm，屬于彈性變形。因此懸架在路面行駛時(shí)，扭桿的尺寸結(jié)構(gòu)滿足該工況要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析ITEAS懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和扭桿彈簧的使用工況，提出了扭桿彈簧受力時(shí)的理論模型，并詳細(xì)論述了該類結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的有限元分析方法和有限元仿真模型，通過(guò)校核結(jié)果發(fā)現(xiàn)扭桿的應(yīng)力均未超過(guò)最大許用應(yīng)力，變形量均屬于輕微變形，不會(huì)因受載荷過(guò)大而斷裂和失效，進(jìn)而驗(yàn)證了方法的有效性。本文旨在為該種類型懸架的強(qiáng)度分析提供一種可行而又有效的工程分析方法。

［1］孫為群，何鳳鳴.汽車扭桿彈簧的設(shè)計(jì)與制造［J］.汽車科技，2002（2）：23-25，47.

［2］王彥才.車輛扭桿彈簧設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996.

［3］郭長(zhǎng)城，李明.基于HyperWorks汽車扭桿彈簧結(jié)構(gòu)分析和改進(jìn)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2014（7）：15-17.

［4］韓寶坤，黃華，殷兆輝.扭桿彈簧計(jì)算與優(yōu)化［J］.機(jī)械工程師，2003（8）：64-66.

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U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.030

2095－6835（2020）09－0080－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕