微型电动车减震螺旋弹簧非线性分析

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微型电动车在实际行驶中，悬架常会经受高强度的往复压缩冲击，此时安装在悬架上的螺旋弹簧就起到了缓冲和减震的作用，螺旋弹簧的性能能否满足要求对电动车正常行驶有着非常关键的作用。由于实际情况的改变，只根据前人的经验不可能详细分析出电动车悬架弹簧的性能指标并生产，所以就需要推出-种新的技术解决这个问题。有限元分析方法可以满足这些要求，详细估算出电动车悬架弹簧在实际行驶中应力和变形u 。论文通过有限元分析软件ANSYS对微型电动车前端减震螺旋弹簧进行分析计算，应用非线性方法对弹簧结构进行分析。

1 螺旋弹簧模型的建立及网格划分在微型电动汽车悬架结构里，螺旋弹簧的上下两端分别与车体的弹簧座和底盘的弹簧座相连接，只在轴向上受到力的作用，它-般用来缓解由于路况不好造成对底盘的冲击，支撑着车身的载荷口。在分析计算电动车悬架螺旋弹簧时，我们要考虑到它的实际工况，在微型电动汽车减震螺旋弹簧两端安装弹簧座，这样可更好的分析弹簧所受到的轴向载荷对其产生的影响，并且在对弹簧施加载荷时更加方便进行有限元分析时，首先建立有限元模型，在三维绘图软件Pro/E中绘制螺旋弹簧三维模型，再通过与ANSYS的关联接口导入到软件中进行分析计算，使建立模型变得更加简单化。绘制螺旋弹簧时的具体参数如表1所示。

表1 螺旋弹簧参数弹簧自由高度 280ram弹簧外径簧丝直径螺距有效圈数100mm15mm20ram8在三维绘图软件Pro/E 中建立的微型电动汽车减震螺旋弹簧加弹簧座的有限元模型，如图1所示：螺旋弹簧两边接近弹簧座的部分设置的节距很小，所以在受到轴向力作用时，随着轴向力越来越大，螺旋弹簧两边的部分会先和弹簧座进行-部分的接触，当轴向力加载到某些特定范围时，它的内部的各圈就会出现并圈的现象，这使得螺旋弹簧的刚度变得越来越大p〖虑到弹簧会发生这种现象，在对减震螺旋弹簧进行有限元刚度接触问题分析时，要把簧丝的接触问题考虑进去。所以在分析计算前要大概了解结构分析的规模，通过查询相关资料得知，-般可以使用梁单元或实体单元来对螺旋弹簧模型进行网格划收稿日翔：2013-03-12基金项目：唐山市自然科学基金：微型电动汽车系统结构优化及可靠性研究作者简介：琚立颖 (1988-)，女，在读研究生，主要从事微型电动汽车轻量化，车底架动力学仿真与结构优化，CAE/CAM研究。

第35卷 第7期 2013-07(上) [1311务I 訇 地分，梁单元的优势在于划分出来的节点和单元量小，分析时间短，实体单元的优点是可以很容易的设置接触问题。因此论文采用实体单元Solid186对减震弹簧进行有限元非线性分析。在进行接触选项设定时要考虑螺旋弹簧与上下弹簧座的接触和本身的接触，它们的接触采用三维接触单元CONTACT176，目标单元为Target171 ，三维接触单元的优点是可以对截面参数进行约束，可以更好的模拟截面接触计算过程。

减震螺旋弹簧有限元模型的网格划分结果如图2所示，图中可以看出三角形网格单元排列比较规范，网格划分单元后减震螺旋弹簧的单元数为40147个，节点数为68662个。

2 减震螺旋弹簧非线性分析1)有限元模型的约束与载荷在进行有限元非线性分渐 时，要对减震螺旋弹簧的有限元模型进行边界条件的约束以达到准确反映电动车实际运动时减震螺旋弹簧的实际工作情况。在与底盘结构接触的弹簧座下端施加全自由度约束，使得减震螺旋弹簧的位置被固定下来。由于螺旋弹簧在电动车实际行驶中主要承受轴向力的作用，所以在与悬挂接触处的弹簧座上端施加轴向力，所施加的值为电动车满载情况下800公斤的重量。在设定具体的载荷步选项时，我们定义载荷子步数为100，最大载荷子步长为200，最小载荷子步长为2O。

2)螺旋弹簧非线性分析结果在对微型电动汽车减震螺旋弹簧进行有限元非线性分析前，为了解减震螺旋弹簧所受压力与变形之间的关系，在实验室应用测量力与变形关系的传感器系统对减震螺旋弹簧结构进行了实验测试，得到了多组减震弹簧关于力与变形关系的实验数据结果，将结果输入到有限元分析软件ANSYS中，绘制了应力应变曲线如图3所示。通过对图形和数据进行分析和研究，可知，微型电动汽车减震螺旋弹簧变形与压力呈正相关关系，当压力到达-定值时变形不再加大。

图3应力-应变曲线图 图4平衡迭代过程时间跟踪图[1321 第35卷 第7期 2013-07(上)ANSYS进行非线性计算分析时，采用平衡迭代法进行加载，使得在迭代过程中每个载荷增量到最后都可以满足平衡收敛，在-定容限范围内，施加的载荷步-定要满足收敛准则，如图4所示，是在对该弹簧非线性分析时的平衡迭代过程时间跟踪图。由图可知，该计算分析平衡迭代收敛。

经ANSYS进行非线性分析，得到大变形情况下弹簧的位移应力变化分布情况，如图5、6所示。由图可以得知，在微型电动车满载800公斤情况下，弹簧的最大位移量为33.4mm，发生在弹簧顶部，受载荷影响所致。最大应力为573MPa，发生在弹簧底部与弹簧座接触处。弹簧所受到的内侧剪应力比外侧的大，表明在受到足够大的载荷力时内部比外部更容易损坏。

图5螺旋弹簧等效位移分布图图6螺旋弹簧等效应力分布图在后处理环节，采用通用时间后处理。选择弹簧发生最大位移的点进行分析处理，得到此点在载荷加载过程中时间与变形位移的关系，如图7所示，可以看出，在-定时间内，随着时间和载荷的增加，变形逐渐加大，这与所用传感器做的实验结果基本吻合。

(a)总方向图 (b)X方向(c)Y方向 (d)Z方向图7 位移最大点位移时间图3 结论文章应用ANSYS分析软件中的非线性分析方下转第136页 I 訇 似线可以看出，机械臂末端的上升速度基本上保持40mm/s左右，上升加速度在±0.4mm/s 以内，在误差允许的范围内。从图4的水平方向位置曲线可以看出，从机械臂开始运动到停止，其水平方向上的波动在16mm以内，误差范围小于±1%。

4.3.2分析仿真结果通过仿真曲线可以看出，机械臂在伺服电机的驱动下向上运动，在垂直方向始终保持稳定速度上升，在水平方向位置基本不变，并且在整个运动过程中，各个零件之间没有发生干涉情况。

从仿真结果看，模型的各个机构的运动过程和预期设计相符合，达到了预期效果，所以，该机械臂可以实现对变电站绝缘子的清洗。

5 结论本文正对所设计的变电站绝缘子干冰清洗设备，利用Pro/E软件的优势，对该机械臂的三维实体模型进行运动仿真。通过仿真动画可以直观地观察到机械臂的运动轨迹，为进-步研究机械臂的动、静态特征提供了条件。通过观察位置、速度、加速度曲线的变化规律，验证了所设计的机械臂正确、合理。因此，变电站绝缘子清洗机械手以其独特的功能，将成为变电站维护过程中的新亮点，不但可以提高变电站的自动化程度，还可以有效降低变电站故障率，具有非常好的产业化前景。