汽车悬架弹簧现代设计方法研究

摘要

汽车悬架弹簧是汽车底盘的关键零件之一，它关系着汽车行驶的安全性、乘坐的舒适性和车体对复杂路面的适应性。因此，良好的汽车悬架弹簧是保障汽车运行性能的关键因素之一。本文以“汽车悬架螺旋弹簧”为研究对象，以弹性力学、计算数学等基础理论为基础技术，以多模型CAE数值求解为主体技术，以悬架弹簧的实验验证为支撑技术，针对悬架弹簧设计、优化算法和知识库于一体的CAPP弹簧平台为应用技术的汽车悬架弹簧现代方法研究。提出了不同类型悬架弹簧的设计优化算法和相关理论，为悬架弹簧的设计提供了可靠、有效的理论和方法，解决了汽车悬架弹簧设计制造中的一系列关键技术，保证了汽车弹簧的制造质量。主要内容包括：
　　 ⑴悬架弹簧发展及技术现状文献综述。通过文献综述深入地阐述了国内外悬架弹簧领域的发展及概况，在此基础上，分析了国内悬架弹簧的关键技术研究现状和技术难题，分析了悬架弹簧的相关理论和研究意义，为本文的研究奠定了基础。
　　 ⑵分析了悬架弹簧的基本特性，给出了不同特性下悬架弹簧的工作机理。通过悬架弹簧的基本特性分析，指明了不同悬架弹簧类型适合的分析状态，为不同的悬架弹簧理论研究提供基本判断依据。其次，通过当今悬架弹簧的两大主题：断裂与衰减，分析了悬架弹簧的基本机理和解决方法。最后，提出了悬架弹簧的应力范围和材料的适配性选择，为悬架弹簧的设计提供了选择材料方面理论依据。
　　 ⑶基于CAD研究为悬架弹簧的工艺优化提供了新的方法。首先通过3种不同的3D软件提供了快速建模的关键技术。其次，借助FEA软件对不同类型的弹簧进行有限元分析，实现参数的快速优化。在此基础上，给出了悬架弹簧的S-S宏观和微观分析方法以及两种分析法的关键技术。
　　 ⑷通过分析弹簧的不同工作机理，提出了不同角度的力学分析方法。通过悬架弹簧的吸收和储备能量以达到变形的工作机理，分析其能量变化与体积、最大工作剪切应力的关系，从而确立了轻量化、高应力的研究方向，重点解决高应力的理论分析。重点从简化模型应力分析法、传统应力分析法、轴线应力分析法和表面应力判断分析法，给出了不同状态下悬架弹簧最大工作剪切应力的数学模型、结构设计和材料选择标准。为快速设计、验证提供力学参考依据。
　　 ⑸基于S-E(SPRING-END)模型优化算法的深入研究。通过对S-E模型的提出，然后深入研究并提出了S-E模型分段线性试算分析法、S-E模型的数学优化方法、S-E原始模型的有限元分析三方面综合对比，给出了悬架弹簧设计的优化方法。其次，通过实验综合验证，提出了悬架弹簧的有效设计手段，从而解决了通过结构优化原理改变最大工作剪切应力的技术难题。最后，基于S-E模型优化算法和S-E通用算法的提出为不同的悬架弹簧设计提供有效的结构设计、优化数学模型和选材提供了新的分析思路。
　　 ⑹基于悬架弹簧关键技术研究开发了CAPP软件平台。将悬架弹簧的特性(材料特性、应力特性、疲劳特性)、设计计算多种算法、优化模型、S-E算法和通用算法以弹性力学、应用数学为基础，采用Delphi结合MicrosoftSQL Server开发了基于汽车悬架弹簧设计、优化算法和知识库为一体的CAPP系统。