汽车悬架组合发条弹簧机构底板冲压设计

本文针对提出的新型车用组合发条机构，分析了其底板结构和性能。利用ANSYS 软件对其进行了静力学分析和模态分析，结果表明底板的一阶模态频率较低，因此提出了增加加强筋、增大局部尺寸和增加局部台阶结构，通过模态仿真计算显示增加局部台阶结构的方案能有效提升底板的机械性能。
 

国外资料有针对回收汽车悬架振动的研究，其中奥迪于2015 年展示了eRot 概念车，其改进的电动阻尼器已经能很好回收悬架振动能量，加拿大有大学报道进行了悬架振动能量回收的研究。国内吉林大学的于长淼等通过串联齿轮齿条机构，将悬架的直线位移转化为发 电机的旋转运动，在实现悬架需要的阻尼的同时回收悬架振动能量。上海交通大学的曹民等研究了改进后的主动悬架特性，同时也兼顾回收悬架振动能量。

这些研究显示回收悬架振动能量，在大部分道路条件下，能显著改善汽车的整车效率和提升舒适性。因而提出了车辆悬架用组合发条弹簧，变悬架的直线位移运动为发电机的旋转运动，实现悬架需要的弹性变形和阻尼功能，其结构如图1 所示。通过内齿传动并联的发条弹簧满足了悬架需要的弹性力要求，发 电机轴与发条弹簧轴通过钢丝绳实现连接传动，将悬架的小位移变形转化为发电机轴的大角度转动。

在悬架发生变形时，发电机转动发电，控制发电机的输出实现对阻尼的调节。因而该弹簧机构将悬架的弹性元件和阻尼元件扁平化，同时具有回收悬架振动能量的功能。
 

图1 车辆悬架用组合发条弹簧机构
 

样机的底板采用铝合金底板，使用数控加工中心加工后获得，这导致加工时间较长、生产效率低。而将底板改为冲压件，则能大幅提高生产效率、材料利用率，进一步提升发条弹簧机构的轻量化和结构的紧凑。
 

底板机械性能分析

对底板进行冲压件的改进设计，发条弹簧安装孔进行压延拉伸处理，使得安装孔的强度得到加强。

安装发条弹簧的外沟槽采用盲槽结构，以加强这部分区域的强度。安装电机的外围采用通孔结构，与电机的外围形状相配合，由于该局部尺寸较小，均为薄壁件，为提高其仿真计算结果的精度，对其进行了局部加密，改进后的仿真模型如图2 所示。
 

图2 底板的冲压件模型
 

仿真模型施加的力和约束如图3 所示，其中心具有周布的6 个发条弹簧，其尺寸受到传动内齿圈尺寸的限制，同时也受到高度的限制。传动内齿圈取较小的尺寸，则车身对应部位将不需要空出较大空间来容纳悬架弹簧，使得车身内部容积增大。扩展发条弹簧用来补充发条弹簧的弹力，横向布置是为了在汽车中更容易布置。
 

图3 中，A 安装螺栓处约束，B 安装小轴承处约束，C 安装大轴承处约束，选择中心发条弹簧的截面高度为0.65mm，截面宽度为7mm，计算获得的D、E、F、G、H、I 中心发条弹簧施加的最大弹力为20N，J、K 扩展发条弹簧施加的最大弹力为30N。
 

图3 施加力和约束的仿真模型图
 

选择材料为5mm 厚304 不锈钢钢板，其弹性模量为195GPa，泊松比为0.247。图4a 为其应力和应变图，从静力学分析结果可以看出，底板的结构强度满足要求。图4b 为底板的自由模态，一阶模态振动频率为140.75Hz，局部的模态分析结果不合理，需要改进其局部结构，以提升其机械性能。

图4 静力学分析和模态分析结果
 

结构改进及模态分析

为提高底板局部的结构强度，获得更好的模态分析结果，对零件进行了改进，具有两种方案。方案一加大安装电机孔的边缘尺寸，并且设置了加强筋。方案二变安装电机孔为沉孔结构，如图5 所示。

由于一阶模态时变形较大的区域为安装电机大孔一侧的薄边，需要加强该局部的结构强度。方案一采用了加大尺寸和设置加强筋的办法，其模态分析结果显示一阶弯曲模态频率稍低。方案二采用把安装电机大孔冲压成台阶孔，同时在局部设置加强筋。

参考他人的研究结果和以往的经验，加强筋的宽度取5mm，深度为3mm，台阶的深度为5mm，边宽平均为12mm。底板四个角均采用圆角，半径为3mm。
 

图5 改进局部结构的底板
 

对方案二进行了模态仿真分析，在中间六个小孔处设置了X、Y 和Z 方向的约束，因而模态分析为有约束下的模态分析。模态分析结果如图6 所示。
 

图6 改进结构的4 阶模态分析结果
 

仿真结果分析

一般汽车的振动主要来源有发动机和路面两个，其中发动机激振频率与其最高转速有关，路面激振与其车速和路面状况有关。车速v 取120km/h，在较好路面的空间频率N 取5，则路面激振频率为166.67Hz。

虽然路面激振经过轮胎的衰减，但其振动没有经过悬架系统的衰减，因而其频率偏安全取路面激振频率。从表1 可以看出，初始模型的一阶模态频率不能满足需要，而改进模型的一阶模态频率达到214.34Hz，满足了要求。在后续设计生产中具有借鉴意义。
 

表1 两种模型的模态分析结果
 

结束语

该结构悬架具有扁平化的特点，使用发条弹簧替换在用的螺旋弹簧和筒式减振器，具有更小的体积和更小的重量，而底板是其基体零件，选择冲压成形加工，使得基体具有更好的机械强度和更便于生产。
 

底板通过在大电机孔增加台阶结构和在大平面处增设加强筋，解决了其一阶模态频率过低的问题，且使得底板的尺寸和重量增加量较小。鉴于底板使用304 不锈钢材料，厚度为5mm，在实际生产中拟采用精密冲压一次成形，能较好提高产品品质和提高生产效率，使得制作成本更低，底板的结构强度更好。

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