基于有限元的汽車(chē)懸架減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真

徐 平, 胡 兵

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院,江蘇 常州 213025)

隨著汽車(chē)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,汽車(chē)懸架減震系統(tǒng)已經(jīng)成為車(chē)輛性能提升的一個(gè)重要方面[1]。減震器作為其中最關(guān)鍵的一部分,能夠有效地控制車(chē)輛在行駛過(guò)程中的震動(dòng)和顛簸[2],提升車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性,同時(shí)也能夠提高車(chē)輛的安全性能[3]。因此,通過(guò)有限元仿真分析汽車(chē)懸架減震系統(tǒng)的剛度和減震效果,成為了改善汽車(chē)性能的一種有效途徑[4]。

汽車(chē)減震器是保證車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性的重要組成部分。不同的路況對(duì)汽車(chē)所帶來(lái)的沖擊和振動(dòng)也是不同的,因此減震器的設(shè)計(jì)是很重要的?，F(xiàn)在的汽車(chē)減震器大多數(shù)是液壓減震器,除了吸收減震外,還要具有拋物線特性,這就要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)減震器時(shí),既要兼顧彈簧和減震裝置的作用,還要兼顧運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)要求,而有限元仿真則為減震器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的思路和方法[5]。本文將從減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元仿真實(shí)施方法兩個(gè)方面來(lái)探討如何有效提高減震器的設(shè)計(jì)質(zhì)量[6]。現(xiàn)針對(duì)一款SUV車(chē)輛的減震系統(tǒng)進(jìn)行有限元仿真分析,研究不同因素對(duì)車(chē)輛減震器的影響,并針對(duì)仿真結(jié)果提出優(yōu)化方案,以提升車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

1 減震器模型和有限元模型建立

1.1 減震器模型建立

在有限元仿真分析中,建立車(chē)輛模型和有限元模型是重要的前提。在本文的研究中,我們通過(guò)solidworks軟件建立了車(chē)輛的幾何模型,車(chē)輛模型的基礎(chǔ)信息如下所示。

車(chē)型:SUV;自重:2 000 kg;車(chē)長(zhǎng):5 m;車(chē)寬:2 m;車(chē)高:1.8 m;軸距:3 m。

在建立有限元模型時(shí),我們將車(chē)輛的懸架系統(tǒng)分為前后兩部分,對(duì)每一部分進(jìn)行有限元建模。由于本文研究的是汽車(chē)懸架的減震效果,因此主要對(duì)減震器部分進(jìn)行建模分析。

1.1.1 汽車(chē)減震器

汽車(chē)減震器是用于緩和車(chē)輛在行駛中的由路面顛簸、起伏引起的巨大垂直振動(dòng)的一種裝置,通俗地說(shuō)就是所謂的“支撐過(guò)山車(chē)”。根據(jù)力學(xué)原理,彈性材料(如彈簧)和阻尼材料(如液體)是減震器的主要組成部分。彈簧具有彈性和勢(shì)能,可以抵消路面不穩(wěn)定性對(duì)車(chē)輛造成的影響。而阻尼材料則可以消除車(chē)輛前后反彈的動(dòng)能,并將此能量轉(zhuǎn)化為熱能,以保證車(chē)輛的平穩(wěn)性。因此,減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著重于彈簧和阻尼材料的合理組合[7]。

1.1.2 彈簧的設(shè)計(jì)

目前用于汽車(chē)減震器的彈簧主要有兩種類(lèi)型:扭曲式彈簧和線性式彈簧。扭曲式彈簧通常具有低剛度,主要用于較小的車(chē)型中。線性式彈簧具有較高的剛度,可以適應(yīng)更高性能的車(chē)輛和較大的振動(dòng)[8]。

1.1.3 阻尼材料的設(shè)計(jì)

阻尼材料主要包括減震器筒、防塵罩、活塞和緩沖油等部分。目前廣泛使用的液壓減震器是最常見(jiàn)的。這種減震器通過(guò)不同材料之間的內(nèi)部摩擦將運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能,并緩和車(chē)輛的振動(dòng)。

汽車(chē)減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常包括軸向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)兩種形式。不同結(jié)構(gòu)的減震器在使用時(shí)的工作原理和性能也有所不同。

軸向結(jié)構(gòu)減震器通常由減震筒、減震桿、彈簧和阻尼器組成。當(dāng)車(chē)輪通過(guò)不平凹坑或顛簸路面時(shí),減震桿會(huì)向上下方向運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致減震筒內(nèi)的阻尼器和彈簧發(fā)生相應(yīng)的變形,通過(guò)吸收和消散路面沖擊力,從而起到減震的作用[9]。

橫向結(jié)構(gòu)減震器通常由減震支架、轉(zhuǎn)向桿、減震腿、減震桿和彈簧組成。當(dāng)汽車(chē)通過(guò)彎道或障礙物時(shí),減震支架會(huì)向左右方向運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致減震桿、減震腿和彈簧發(fā)生相應(yīng)的變形,通過(guò)吸收和消散側(cè)向沖擊力和擺動(dòng)幅度,從而起到減震的作用[10]。

在減震器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,彈簧和阻尼器的剛度、強(qiáng)度和阻尼特性是影響減震效果和舒適性的核心因素。在選擇材料和尺寸時(shí),需要注意彈簧的柔軟性和阻尼器的阻力大小,避免產(chǎn)生過(guò)度彈性或剛性,影響對(duì)路面的準(zhǔn)確感知和控制[11]。

1.2 有限元模型建立

有限元分析是一種計(jì)算機(jī)數(shù)值分析方法,可以將大型復(fù)雜系統(tǒng)分成小的單位進(jìn)行分析。在汽車(chē)減震器的有限元仿真過(guò)程中,需要建立減震器的三維模型,并采用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)研究其各項(xiàng)性能。通過(guò)有限元仿真可以得到減震器的應(yīng)力、卸載速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等重要信息,同時(shí)也可以使用模型模擬不同路面條件下的減震器響應(yīng)情況,減震器三維圖如圖1所示。

為了使仿真的過(guò)程簡(jiǎn)化,將圖1中的部分結(jié)構(gòu)去除,簡(jiǎn)化后的減震器三維圖如圖2所示。保留圖2中的減震器結(jié)構(gòu),彈簧和阻尼材料在仿真的過(guò)程中會(huì)造成計(jì)算機(jī)計(jì)算量的大幅增加和計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤的概率加大。由于減震器模型中彈簧和阻尼結(jié)構(gòu)的曲面較多,若采用標(biāo)準(zhǔn)的六面體網(wǎng)格,則會(huì)造成六面體網(wǎng)格劃分錯(cuò)誤,因此采用基于曲率的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,減震器網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。網(wǎng)格的質(zhì)量選用良好這一標(biāo)準(zhǔn),最大六面體網(wǎng)格的最大邊長(zhǎng)設(shè)定為 1. 304 cm,最小六面體網(wǎng)格的最小邊長(zhǎng)設(shè)定為 0. 331 cm。

在進(jìn)行有限元仿真分析時(shí),需要將不同路況下的載荷、振動(dòng)和速度等參數(shù)輸入到仿真模型中。同時(shí),還需要根據(jù)不同的材料和實(shí)際情況設(shè)置不同的材料參數(shù),以達(dá)到更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

2 仿真結(jié)果

在本文的研究中,我們主要考慮了以下幾個(gè)方面的因素,針對(duì)不同的參數(shù),給出仿真結(jié)果,將仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出下列幾個(gè)因素對(duì)汽車(chē)減震器應(yīng)力情況的影響:

(1)減震器的材料參數(shù):碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼

(2)車(chē)輛的質(zhì)量:2 000 kg與2 300 kg

(3)減震器受力的方向:與垂直呈20°夾角的方向和垂向

本文分別針對(duì)減震器的材料參數(shù),車(chē)輛的質(zhì)量以及減震器受力的方向三個(gè)因素進(jìn)行仿真分析。

(1)研究減震器的材料參數(shù)因素仿真結(jié)果顯示,使用碳素彈簧鋼的汽車(chē)減震器的彈簧應(yīng)力大約為3.481e+09N/m2(見(jiàn)圖4),使用合金彈簧鋼的汽車(chē)減震器彈簧應(yīng)力大約為3.583e+09N/m2(見(jiàn)圖5),所以在其他條件相同的情況下,使用合金彈簧鋼的汽車(chē)減震器效果較好,因?yàn)槟壳昂芏嗥?chē)生產(chǎn)廠商已經(jīng)放棄了使用碳素彈簧鋼轉(zhuǎn)而使用合金彈簧鋼。

圖4 碳素彈簧鋼仿真結(jié)果圖 圖5 合金彈簧鋼仿真結(jié)果圖

(2)研究車(chē)輛的質(zhì)量因素仿真結(jié)果顯示使用碳素彈簧管且汽車(chē)質(zhì)量為2 000 kg時(shí)彈簧的應(yīng)力為4.181e+09N/m2(見(jiàn)圖6),汽車(chē)質(zhì)量為2 300 kg時(shí),彈簧的應(yīng)力為4.299e+09N/m2(見(jiàn)圖7),仿真結(jié)果與實(shí)際情況相同,即汽車(chē)質(zhì)量越大,減震器所受的應(yīng)力也越大,因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)汽車(chē)時(shí),需要仔細(xì)考慮汽車(chē)的減震器和汽車(chē)質(zhì)量之間的關(guān)系;

圖6 汽車(chē)質(zhì)量2 000 kg仿真結(jié)果圖 圖7 汽車(chē)質(zhì)量2 300 kg仿真結(jié)果圖

(3)研究減震器受力的方向因素仿真結(jié)果顯示碳素彈簧鋼的20°斜向的彈簧應(yīng)力為4.299e+09N/m2(見(jiàn)圖8),垂向受力的汽車(chē)減震器彈簧應(yīng)力為2.537e+09N/m2(見(jiàn)圖9),因此在設(shè)計(jì)汽車(chē)的時(shí)候盡量使汽車(chē)的質(zhì)量垂直作用于彈簧減震器上,這樣可以盡可能地增加彈簧減震器的壽命。

圖8 20°斜向受力的仿真結(jié)果圖 圖9 垂向受力的仿真結(jié)果圖

3 結(jié)論和展望

汽車(chē)減震器是保證車(chē)輛行駛平穩(wěn)性和乘坐舒適性的重要組成部分。本文從減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元仿真兩個(gè)方面來(lái)探討了如何有效提高減震器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。我們的理論方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,有限元仿真技術(shù)可以為減震器設(shè)計(jì)提供寶貴的幫助,并且這種方法可以適用于不同類(lèi)型的車(chē)輛。未來(lái),我們可以通過(guò)更深入的研究來(lái)改進(jìn)汽車(chē)減震器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程,從而更好地服務(wù)社會(huì)和用戶。