非线性螺旋弹簧设计及计算程序

第３９卷

第４期

金属

制品

２０１３年８月

Ｖ０１．３９

Ｎｏ．４

Ｍｅｔａｌ

Ｐｒｏｄｕｃｔｓ

Ａｕｇｕｓｔ

２０１３

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—４２２６．２０１３．０４．００８

非线性螺旋弹簧设计及计算程序

孙君钧

（上海中国弹簧制造有限公司，

上海２０１９０１）

摘要采用有限元方法可以精确设计螺旋弹簧并进行优化，但这种方法对设计人员要求较高，弹簧的相关设计参数难以获得，有限元模型的建立和边界条件的定义非常困难。介绍等刚度和变刚度螺旋弹簧的特点。给出非线性弹簧计算工作流程和弹簧刚度计算模块。采用软件对汽车悬架弹簧参数进行计算，弹簧总圈数为８．４８，有效工作圈数为７．１３，材料直径为１６．８ｍｍ。运用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ语言编写“非线性螺旋弹簧设计、计算”软件，解决了复杂几何形状的非线性螺旋弹簧的设计参数求解问题。

关键词非线性螺旋弹簧；悬架弹簧；自振频率；压并高度；节距中图分类号ＴＨｌ３５＋．１

Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｈｅｌｉｃａｌｓｐｒｉｎｇ

ＳＵＮ

Ｊｕｎ－ｊｕｎ

（Ｃｈｉｎａ

ＳｐｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１

９０１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｈｅｌｉｃａｌｓｐｒｉｎｇ

ｃａｎ

ｂｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ，ｂｕｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｎｅｅｄｓｈｉｇｈｅｒ

ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｎ

ｄｅｓｉｇｎｅｒ，ｉｔｉｓ

ｎｏｔ

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ｅｍｅｎｔ

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ｓｈａｐｅｉｓｓｏｌｖｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

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螺旋弹簧在汽车悬架中应用广泛，它不仅比钢板弹簧和扭杆弹簧质量小，而且具有相同甚至更好的一“Ｉ－ｔ＂“Ｂｋ，，如刚性、工作寿命ｍ３ｊ。对迈弗逊结构，双叉形臂，多轴，扭转梁轴，多连杆轴以及其他悬架系统，螺旋弹簧是唯一的或最合适的弹簧类型。１螺旋弹簧类型

螺旋压缩弹簧可以划分成２大类，即等刚度和变刚度（渐进增加）弹簧。等刚度弹簧一般采用不变（单一）材料线径、弹簧中径和弹簧节距的方式，而变刚度弹簧的３种参数都可能是变化的。

２种普遍选用的非线性螺旋弹簧类型如图１所

示。Ａ型螺旋弹簧具有不变的弹簧直径，它的材料ａ）Ａ型

ｂ）Ｂ型

线径、旋绕节距是变化的，当压缩时弹簧圈相互叠图１

２种螺旋弹簧类型

加，这类弹簧的制造通常比较简单，但它的压并高度

Ｆｉｇ．１

Ｔｗｏｔｙｐｅｈｅｌｉｃａｌｓｐｒｉｎｇ

万方数据

第４期

孙君钧：非线性螺旋弹簧设计及计算程序

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相对较高，同时弹簧表面涂层要抵抗（承受）弹簧的接触载荷，容易磨损并产生噪声。Ｂ型螺旋弹簧的３个参数直径、材料线径、旋绕节距都是可以改变的，弹簧圈压并在弹簧座上并且随载荷的增加而逐渐压并，这种情形下弹簧可以设计成非常低的压并高度。轿车后悬架由于在悬架系统设计时要考虑很大的载荷变化，设计变刚度弹簧比等刚度弹簧有更大的优势Ｈ。』。螺旋弹簧按特征可分为小节距（闭合，Ｃｌｏｓｅｄ）螺旋弹簧和大节距（开放，Ｏｐｅｎ）螺旋弹簧。小节距螺旋弹簧由于螺旋升角较小，弹簧钢丝几乎只受到扭转，而大节距螺旋弹簧因螺旋升角比较大，钢丝同时受到扭转和弯曲。

采用有限元（ＦＥＡ）方法可以精确地设计和优化弹簧，但这种方法受到一定的限制。（１）对设计人

员能力上的要求比较高，必须有一定的知识背景和

使用有限元分析软件的技能；（２）需要建立弹簧的模型，也就是得到弹簧的相关设计参数，如材料直径、圈数、外径、压并高度等；（３）设计效率受到影响，因为对于大节距螺旋弹簧，几何大变形以及非线性弹簧的接触问题（边界非线性，弹簧与弹簧座之间的接触，弹簧圈与圈之间碰撞引起的自接触），使

得有限元模型的建立和边界条件的定义非常困难，

而且计算非常耗时，并常常得不到收敛解。

基于上述原因，笔者运用高级语言（Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓ．

ｉｃ）编写了“非线性螺旋弹簧设计、计算”软件（以下简称为软件），不仅解决了复杂几何形状的非线性螺旋弹簧的设计参数求解问题，而且满足了设计上需要的快速、准确的要求。软件在企业中得到了广泛应用，在多个跨国汽车巨头的悬架弹簧设计和整车同步开发项目过程中，应用软件设计的产品得到用户的认可，取得了批量供货资格，不仅为企业增加了经济效益，而且使企业具备了持续发展能力。２软件的设计思想和主要功能

２．１设计思想

对于形状复杂的螺旋弹簧，采用分段定义的

方式，每一段用简单、基础形状的弹簧，如圆柱、圆锥等进行描述，自由组合成一个复杂的、合理的螺

旋弹簧。分段弹簧圈可以是圆柱、圆锥或鼓形等形状，通过定义每一段弹簧的节距或升角，精确计算弹簧压缩过程中有效工作圈的变化，从而得到弹簧在不同高度时的载荷和刚度。通过对输人参数的跟踪分析，给出合适的圈数和弹簧直径，并依

据弹簧的实际设计经验智能化地提示设计人员调

万方数据

整分段形状和参数，从而提高了设计效率和设计

的可靠性。

为了简化设计和参数的输入，变线径弹簧的设计只需输入最小材料直径和变径材料长度，程序将材料自动匹配到相应的弹簧 …… 此处隐藏：1997字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……