汽車懸架用組合發(fā)條彈簧機(jī)構(gòu)底板沖壓件的設(shè)計

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本文針對提出的新型車用組合發(fā)條機(jī)構(gòu)，分析了其底板結(jié)構(gòu)和性能。利用ANSYS 軟件對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，結(jié)果表明底板的一階模態(tài)頻率較低，因此提出了增加加強(qiáng)筋、增大局部尺寸和增加局部臺階結(jié)構(gòu)，通過模態(tài)仿真計算顯示增加局部臺階結(jié)構(gòu)的方案能有效提升底板的機(jī)械性能。

國外資料有針對回收汽車懸架振動的研究，其中奧迪于2015 年展示了eRot 概念車，其改進(jìn)的電動阻尼器已經(jīng)能很好回收懸架振動能量，加拿大有大學(xué)報道進(jìn)行了懸架振動能量回收的研究。國內(nèi)吉林大學(xué)的于長淼等通過串聯(lián)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，將懸架的直線位移轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在實現(xiàn)懸架需要的阻尼的同時回收懸架振動能量。上海交通大學(xué)的曹民等研究了改進(jìn)后的主動懸架特性，同時也兼顧回收懸架振動能量。這些研究顯示回收懸架振動能量，在大部分道路條件下，能顯著改善汽車的整車效率和提升舒適性。因而提出了車輛懸架用組合發(fā)條彈簧，變懸架的直線位移運(yùn)動為發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實現(xiàn)懸架需要的彈性變形和阻尼功能，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過內(nèi)齒傳動并聯(lián)的發(fā)條彈簧滿足了懸架需要的彈性力要求，發(fā)電機(jī)軸與發(fā)條彈簧軸通過鋼絲繩實現(xiàn)連接傳動，將懸架的小位移變形轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)軸的大角度轉(zhuǎn)動。在懸架發(fā)生變形時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電，控制發(fā)電機(jī)的輸出實現(xiàn)對阻尼的調(diào)節(jié)。因而該彈簧機(jī)構(gòu)將懸架的彈性元件和阻尼元件扁平化，同時具有回收懸架振動能量的功能。

樣機(jī)的底板采用鋁合金底板，使用數(shù)控加工中心加工后獲得，這導(dǎo)致加工時間較長、生產(chǎn)效率低。而將底板改為沖壓件，則能大幅提高生產(chǎn)效率、材料利用率，進(jìn)一步提升發(fā)條彈簧機(jī)構(gòu)的輕量化和結(jié)構(gòu)的緊湊。

底板機(jī)械性能分析

對底板進(jìn)行沖壓件的改進(jìn)設(shè)計，發(fā)條彈簧安裝孔進(jìn)行壓延拉伸處理，使得安裝孔的強(qiáng)度得到加強(qiáng)。安裝發(fā)條彈簧的外溝槽采用盲槽結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)這部分區(qū)域的強(qiáng)度。安裝電機(jī)的外圍采用通孔結(jié)構(gòu)，與電機(jī)的外圍形狀相配合，由于該局部尺寸較小，均為薄壁件，為提高其仿真計算結(jié)果的精度，對其進(jìn)行了局部加密，改進(jìn)后的仿真模型如圖2 所示。

仿真模型施加的力和約束如圖3 所示，其中心具有周布的6 個發(fā)條彈簧，其尺寸受到傳動內(nèi)齒圈尺寸的限制，同時也受到高度的限制。傳動內(nèi)齒圈取較小的尺寸，則車身對應(yīng)部位將不需要空出較大空間來容納懸架彈簧，使得車身內(nèi)部容積增大。擴(kuò)展發(fā)條彈簧用來補(bǔ)充發(fā)條彈簧的彈力，橫向布置是為了在汽車中更容易布置。

圖3 中，A 安裝螺栓處約束，B 安裝小軸承處約束，C 安裝大軸承處約束，選擇中心發(fā)條彈簧的截面高度為0.65mm，截面寬度為7mm，計算獲得的D、E、F、G、H、I 中心發(fā)條彈簧施加的最大彈力為20N，J、K 擴(kuò)展發(fā)條彈簧施加的最大彈力為30N。

選擇材料為5mm 厚304 不銹鋼鋼板，其彈性模量為195GPa，泊松比為0.247。圖4a 為其應(yīng)力和應(yīng)變圖，從靜力學(xué)分析結(jié)果可以看出，底板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。圖4b 為底板的自由模態(tài)，一階模態(tài)振動頻率為140.75Hz，局部的模態(tài)分析結(jié)果不合理，需要改進(jìn)其局部結(jié)構(gòu)，以提升其機(jī)械性能。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)及模態(tài)分析

為提高底板局部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，獲得更好的模態(tài)分析結(jié)果，對零件進(jìn)行了改進(jìn)，具有兩種方案。方案一加大安裝電機(jī)孔的邊緣尺寸，并且設(shè)置了加強(qiáng)筋。方案二變安裝電機(jī)孔為沉孔結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。由于一階模態(tài)時變形較大的區(qū)域為安裝電機(jī)大孔一側(cè)的薄邊，需要加強(qiáng)該局部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。方案一采用了加大尺寸和設(shè)置加強(qiáng)筋的辦法，其模態(tài)分析結(jié)果顯示一階彎曲模態(tài)頻率稍低。方案二采用把安裝電機(jī)大孔沖壓成臺階孔，同時在局部設(shè)置加強(qiáng)筋。參考他人的研究結(jié)果和以往的經(jīng)驗，加強(qiáng)筋的寬度取5mm，深度為3mm，臺階的深度為5mm，邊寬平均為12mm。底板四個角均采用圓角，半徑為3mm。

對方案二進(jìn)行了模態(tài)仿真分析，在中間六個小孔處設(shè)置了X、Y 和Z 方向的約束，因而模態(tài)分析為有約束下的模態(tài)分析。模態(tài)分析結(jié)果如圖6 所示。

仿真結(jié)果分析

一般汽車的振動主要來源有發(fā)動機(jī)和路面兩個，其中發(fā)動機(jī)激振頻率與其最高轉(zhuǎn)速有關(guān)，路面激振與其車速和路面狀況有關(guān)。車速v 取120km/h，在較好路面的空間頻率N 取5，則路面激振頻率為166.67Hz。雖然路面激振經(jīng)過輪胎的衰減，但其振動沒有經(jīng)過懸架系統(tǒng)的衰減，因而其頻率偏安全取路面激振頻率。從表1 可以看出，初始模型的一階模態(tài)頻率不能滿足需要，而改進(jìn)模型的一階模態(tài)頻率達(dá)到214.34Hz，滿足了要求。在后續(xù)設(shè)計生產(chǎn)中具有借鑒意義。

表1 兩種模型的模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)束語

該結(jié)構(gòu)懸架具有扁平化的特點，使用發(fā)條彈簧替換在用的螺旋彈簧和筒式減振器，具有更小的體積和更小的重量，而底板是其基體零件，選擇沖壓成形加工，使得基體具有更好的機(jī)械強(qiáng)度和更便于生產(chǎn)。

底板通過在大電機(jī)孔增加臺階結(jié)構(gòu)和在大平面處增設(shè)加強(qiáng)筋，解決了其一階模態(tài)頻率過低的問題，且使得底板的尺寸和重量增加量較小。鑒于底板使用304 不銹鋼材料，厚度為5mm，在實際生產(chǎn)中擬采用精密沖壓一次成形，能較好提高產(chǎn)品品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率，使得制作成本更低，底板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更好。