汽车悬架弹簧有限元仿真及优化(附件)【字数：8557】
摘 要汽车悬架系统是汽车车身的重要结构之一，它为驾驶者提供了缓和冲击，舒适乘坐的功能。螺旋弹簧作为其中不可缺少的一部分，其强度、刚度也成为了汽车悬架研究方面不得不面对的问题。本论文拟从汽车悬架圆柱螺旋弹簧方面入手，通过三维仿真模型建立，静力学分析，CAE有限元分析方法仿真，给出基于ANSYS的有限元分析法下的圆柱螺旋弹簧强度分析及结构优化成果。
目 录
第一章 绪论 1
第二章 汽车悬架弹簧的种类及自身性能分析 2
2.1汽车悬架系统及弹簧分类 2
2.1.1汽车悬架系统的分类 2
2.1.2汽车悬架弹簧的分类 2
2.2弹簧的自身性能 3
2.2.1螺旋弹簧的特性线与刚度 3
2.2.2螺旋弹簧的变形能 4
2.2.3螺旋弹簧的固有频率 4
2.2.4弹簧系统的受迫振动的振幅表达 5
2.3圆柱螺旋弹簧疲劳分析 6
2.3.1圆柱螺旋弹簧的刚度计算公式 7
2.3.2圆柱螺旋弹簧的疲劳断裂失效 7
2.3.3圆柱螺旋弹簧的应力松弛失效 7
第三章 汽车悬架弹簧三维模型的建立 9
3.1建模分析软件的选取 9
3.2圆柱螺旋弹簧的三维建模过程 9
第四章 汽车悬架弹簧的有限元分析 12
4.1有限元分析软件的选取 12
4.2有限元分析前处理 12
4.2.1相关参数计算 12
4.2.2有限元分析单元类型的确定及网格划分 14
4.2.3约束施加方式 15
4.2.4弹簧载荷的施加 16
4.3有限元计算及分析结果 16
4.3.1有限元分析结论 17
第五章 汽车悬架弹簧优化 18
5.1弹簧优化思路 18
5.2结构优化及结果验证 18
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
汽车悬架系统是汽车行驶系统中重要的组成部分，是影响汽车安全性能指标和舒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
适性能指标的主要车身结构。悬架使得汽车通过崎岖不平道路的舒适性得到保证，同时也在汽车转向时提供车身稳定性的支持力，也具备传递精准路感给驾驶者的能力。从这方面可以得知汽车的悬架调教是矛盾的结合，一方面要满足乘车人舒适性的要求，另一方面要提供给驾驶者精准的路面信息。因此，汽车悬架的调教是各个汽车设计者不得不考虑清楚的问题。
汽车悬架主要包括三个结构，减震装置，传力装置和弹性元件。三种结构的组合使用使悬架具备了可靠驾驶，传递行驶力矩，缓冲有害振动的能力。
钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧和扭杆弹簧是汽车悬架系统中较为多见的弹性元件。对于民用市场上极大部分乘用车，圆柱螺旋弹簧是具有广泛运用基础，和市场份额的弹簧类型，被普遍地采用在麦弗逊式独立悬架、多连杆式独立悬架、双横臂式独立悬架及拖曳式和双叉臂式非独立悬架等车身悬架系统上。
文曌豪2017年发表的《弹性系数可调节式汽车悬挂系统的创新设计》[1]中写到，本文从调节悬挂系统刚度系数的角度出发，创新设计一种弹性系数可调节的汽车悬挂系统，实现了对悬挂系统弹簧刚度系数的调节，有效解决汽车操纵性和稳定性之间的矛盾。
付喜发表的《悬架弹簧有限元仿真分析》[2]中写到，悬架弹簧将会直接影响汽车悬挂的性能。结合实例阐述了利用有限元模型对悬架弹簧进行分析的过程包括悬架有限元模型建立、边界条件的确定以及有限元模型的后处理等。
滕绯虎,刘广璞,孙新东,候聪亚联合发表的《汽车悬挂系统的结构强度分析与优化》[3]中写到，针对某轻型载货汽车前悬挂的变截面钢板弹簧，提出一种有限元动态分析方法，建立三种不同宽度板簧模型，利用有限元分析软件 ANSYS Workbench 对其进行模态分析。前五阶模态分析结果表明，在满足刚度需求的前提下增加钢板弹簧宽度会降低汽车的行驶平顺性和舒适性。再对汽车悬挂系统结构进行改进，通过添加橡胶减震垫来改善钢板弹簧受力状况，结果表明，橡胶减震垫可减少钢板弹簧应力集中，并可保证钢板弹簧的强度。
王立忠发表的《双轴汽车悬挂系统钢板弹簧性能试验与分析》[4], 利用试验装置测试钢板弹簧的力学性能，再通过有限元分析计算进行对比，为该款悬挂系统的进一步优化设计、改进性能提供依据。
第二章 汽车悬架弹簧的种类及自身性能分析
2.1汽车悬架系统及弹簧分类
车轮和车架通过汽车悬架有机地结合在一起，与汽车的可靠性密切相关。大多数悬架系统采用螺旋弹簧作为弹性元件，但结构上变化差异使得不同的悬挂系统，有着不同的性能差异。
2.1.1汽车悬架系统的分类
按结构划分，汽车悬架可分为独立悬架和非独立悬架。
每一侧车轮都单独通过弹性悬架系统连接在车架或车身上，这被称为独立悬架。这种结构决定车身轮胎各司其职，不会产生两轮相互振动影响的情况，保证乘车人的舒适性，和整车的稳定性。独立悬架的缺点也因此产生：结构较复杂、成本对比非独立较高、维修麻烦。同时复杂的结构使得车内空间不得不做出妥协。这也对汽车设计者自身设计能力，明确汽车的市场需求定位提出了较高的要求。
两侧车轮通过一根整体式车架相连，轮胎与悬架稳定连接可作为一个整体，即是非独立悬架系统。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、维修保养容易、行车中前轮定位变化小的优点。缺点主要表现在操纵性能与舒适性能较差，这也导致了非独立悬架多用于，对于成本较敏感的小型货车和大客车上。
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目 录
第一章 绪论 1
第二章 汽车悬架弹簧的种类及自身性能分析 2
2.1汽车悬架系统及弹簧分类 2
2.1.1汽车悬架系统的分类 2
2.1.2汽车悬架弹簧的分类 2
2.2弹簧的自身性能 3
2.2.1螺旋弹簧的特性线与刚度 3
2.2.2螺旋弹簧的变形能 4
2.2.3螺旋弹簧的固有频率 4
2.2.4弹簧系统的受迫振动的振幅表达 5
2.3圆柱螺旋弹簧疲劳分析 6
2.3.1圆柱螺旋弹簧的刚度计算公式 7
2.3.2圆柱螺旋弹簧的疲劳断裂失效 7
2.3.3圆柱螺旋弹簧的应力松弛失效 7
第三章 汽车悬架弹簧三维模型的建立 9
3.1建模分析软件的选取 9
3.2圆柱螺旋弹簧的三维建模过程 9
第四章 汽车悬架弹簧的有限元分析 12
4.1有限元分析软件的选取 12
4.2有限元分析前处理 12
4.2.1相关参数计算 12
4.2.2有限元分析单元类型的确定及网格划分 14
4.2.3约束施加方式 15
4.2.4弹簧载荷的施加 16
4.3有限元计算及分析结果 16
4.3.1有限元分析结论 17
第五章 汽车悬架弹簧优化 18
5.1弹簧优化思路 18
5.2结构优化及结果验证 18
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
汽车悬架系统是汽车行驶系统中重要的组成部分，是影响汽车安全性能指标和舒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
适性能指标的主要车身结构。悬架使得汽车通过崎岖不平道路的舒适性得到保证，同时也在汽车转向时提供车身稳定性的支持力，也具备传递精准路感给驾驶者的能力。从这方面可以得知汽车的悬架调教是矛盾的结合，一方面要满足乘车人舒适性的要求，另一方面要提供给驾驶者精准的路面信息。因此，汽车悬架的调教是各个汽车设计者不得不考虑清楚的问题。
汽车悬架主要包括三个结构，减震装置，传力装置和弹性元件。三种结构的组合使用使悬架具备了可靠驾驶，传递行驶力矩，缓冲有害振动的能力。
钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧和扭杆弹簧是汽车悬架系统中较为多见的弹性元件。对于民用市场上极大部分乘用车，圆柱螺旋弹簧是具有广泛运用基础，和市场份额的弹簧类型，被普遍地采用在麦弗逊式独立悬架、多连杆式独立悬架、双横臂式独立悬架及拖曳式和双叉臂式非独立悬架等车身悬架系统上。
文曌豪2017年发表的《弹性系数可调节式汽车悬挂系统的创新设计》[1]中写到，本文从调节悬挂系统刚度系数的角度出发，创新设计一种弹性系数可调节的汽车悬挂系统，实现了对悬挂系统弹簧刚度系数的调节，有效解决汽车操纵性和稳定性之间的矛盾。
付喜发表的《悬架弹簧有限元仿真分析》[2]中写到，悬架弹簧将会直接影响汽车悬挂的性能。结合实例阐述了利用有限元模型对悬架弹簧进行分析的过程包括悬架有限元模型建立、边界条件的确定以及有限元模型的后处理等。
滕绯虎,刘广璞,孙新东,候聪亚联合发表的《汽车悬挂系统的结构强度分析与优化》[3]中写到，针对某轻型载货汽车前悬挂的变截面钢板弹簧，提出一种有限元动态分析方法，建立三种不同宽度板簧模型，利用有限元分析软件 ANSYS Workbench 对其进行模态分析。前五阶模态分析结果表明，在满足刚度需求的前提下增加钢板弹簧宽度会降低汽车的行驶平顺性和舒适性。再对汽车悬挂系统结构进行改进，通过添加橡胶减震垫来改善钢板弹簧受力状况，结果表明，橡胶减震垫可减少钢板弹簧应力集中，并可保证钢板弹簧的强度。
王立忠发表的《双轴汽车悬挂系统钢板弹簧性能试验与分析》[4], 利用试验装置测试钢板弹簧的力学性能，再通过有限元分析计算进行对比，为该款悬挂系统的进一步优化设计、改进性能提供依据。
第二章 汽车悬架弹簧的种类及自身性能分析
2.1汽车悬架系统及弹簧分类
车轮和车架通过汽车悬架有机地结合在一起，与汽车的可靠性密切相关。大多数悬架系统采用螺旋弹簧作为弹性元件，但结构上变化差异使得不同的悬挂系统，有着不同的性能差异。
2.1.1汽车悬架系统的分类
按结构划分，汽车悬架可分为独立悬架和非独立悬架。
每一侧车轮都单独通过弹性悬架系统连接在车架或车身上，这被称为独立悬架。这种结构决定车身轮胎各司其职，不会产生两轮相互振动影响的情况，保证乘车人的舒适性，和整车的稳定性。独立悬架的缺点也因此产生：结构较复杂、成本对比非独立较高、维修麻烦。同时复杂的结构使得车内空间不得不做出妥协。这也对汽车设计者自身设计能力，明确汽车的市场需求定位提出了较高的要求。
两侧车轮通过一根整体式车架相连，轮胎与悬架稳定连接可作为一个整体，即是非独立悬架系统。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、维修保养容易、行车中前轮定位变化小的优点。缺点主要表现在操纵性能与舒适性能较差，这也导致了非独立悬架多用于，对于成本较敏感的小型货车和大客车上。
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