2897 基于solidworks的汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)及有限元分析

2897 基于solidworks的汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)及有限元分析,基于,solidworks,汽車(chē),懸架,設(shè)計(jì),有限元分析 分 類(lèi) 號(hào) 密 級(jí) 寧XXXX 學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )Solidworks(cosmosworks )汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)及有限元分析所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 老 師年 月 日誠(chéng) 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《Solidworks(cosmosworks )汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)及有限元分析》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）： 年 月 日I摘 要懸架是車(chē)輛行駛過(guò)程中的一個(gè)非常重要的組成部分，決定著汽車(chē)的舒適性和操控性，所以就有必要對(duì)懸架進(jìn)行深入的研究和探討。汽車(chē)懸架做為車(chē)架(或車(chē)身)與車(chē)軸(或車(chē)輪 )之間作連接的傳力機(jī)件，又是保證汽車(chē)行駛安全的重要部件。因此，汽車(chē)懸架往往列為重要部件編入轎車(chē)的技術(shù)規(guī)格表，作為衡量轎車(chē)質(zhì)量的指標(biāo)之一。為了更好的提高汽車(chē)的舒適性和操縱性，我們需要了解這兩種懸架的區(qū)別，以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)。本文所涉及的內(nèi)容主要為介紹這懸架的原理，并且通過(guò)對(duì)車(chē)型的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從重要方面進(jìn)行分析這二者之間的區(qū)別，從而達(dá)到目的.關(guān)鍵詞：懸架，汽車(chē) AbstractVehicles during the suspension is a very important part of the vehicle determines the comfort and handling, so the suspension is necessary to study and explore in depth. Vehicle suspension as a frame (or body) and the axle (or wheel) to make the connection between the power transmission parts, is also important to ensure the safety of motor cars and parts. Therefore, as an important vehicle suspension components are often incorporated into the car's technical specifications sheet, as one of the indicators to measure the quality of carsIn today's conditions, computer-controlled active air suspension and Active Hydraulic Suspension is the leading limousine, on behalf of the suspension of the latest technology.In order to better improve the car's comfort and handling, we need to understand the difference between the two suspension, and their advantages and disadvantages. This involves mainly to introduce the principle of the two suspension, and by two different models to calculate the parameters from the analysis of important aspects of the difference between the two to achieve the goal.Key Words: suspension , carIII目 錄摘 要 ....................................................................I目 錄 ..................................................................III第 1 章 緒論 ...............................................................51.1 汽車(chē)懸架概述 .......................................................51.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) .................................................61.3 課題研究方法 .......................................................61.4 本課題要解決的主要問(wèn)題和設(shè)計(jì)總體思路 ...............................7第 2 章 SOLIDWORKS 及 cosmosworks 介紹 .......................................72.1 Solidworks 軟件概述 .................................................72.2 cosmosworks 介紹 ....................................................8第 3 章 鋼板彈簧懸架 3D 設(shè)計(jì) ...............................................113.1 概述 ..............................................................113.1.1 選擇研究對(duì)象 ................................................113.1.2 鋼板彈簧懸架主要元件的選擇和確定 ............................113.1.3 鋼板彈簧主要元件的主要數(shù)據(jù)參數(shù) ..............................153.2 鋼板彈簧的 3D 建模設(shè)計(jì) .............................................163.2.1 進(jìn)入 SOLIDWORKS 的操作界面 ................................163.2.2 鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)的繪制過(guò)程 ..................................17第 4 章 鋼板彈簧懸架的有限元分析 ..........................................204.1 有限元分析簡(jiǎn)介 ....................................................204.1.1 有限元分析的概念 .............................................204.1.2 有限元分析的意義 .............................................214.1.3 有限元分析的基本步驟 .........................................214.2 有限元分析過(guò)程與步驟 ..............................................21總結(jié)與展望 ...............................................................30參考文獻(xiàn) .................................................................31致 謝 ....................................................................325第 1 章 緒論1.1 汽車(chē)懸架概述汽車(chē)懸架是汽車(chē)的車(chē)架與車(chē)橋或車(chē)輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，其作用是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架之間的力和力扭，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)架或車(chē)身的沖擊力，并衰減由此引起的震動(dòng)，以保證汽車(chē)能平順地行駛。典型的懸架結(jié)構(gòu)由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減震器等組成，個(gè)別結(jié)構(gòu)則還有緩沖塊、橫向穩(wěn)定桿等。彈性元件又有鋼板彈簧、空氣彈簧、螺旋彈簧以及扭桿彈簧等形式，而現(xiàn)代轎車(chē)懸架多采用螺旋彈簧和扭桿彈簧，個(gè)別高級(jí)轎車(chē)則使用空氣彈簧。汽車(chē)懸架又可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)車(chē)輪由一根整體式車(chē)橋相 連，車(chē)輪連同車(chē)橋一起通過(guò)彈性懸架與車(chē)架（或車(chē)身）連接。當(dāng)一側(cè)車(chē)輪因道路不平而發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，必然引起另一側(cè)車(chē)輪在汽車(chē)橫向平面內(nèi)發(fā)生擺動(dòng)，故稱為非獨(dú)立 懸架。獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是車(chē)橋做成斷開(kāi)的，每一側(cè)的車(chē)輪可以單獨(dú)的通過(guò)彈性懸架與車(chē)架（或車(chē)身）連接，兩側(cè)車(chē)輪可以單獨(dú)跳動(dòng)，互不影響，故稱為獨(dú)立懸架。懸架是汽車(chē)中的一個(gè)重要總成，它把車(chē)架與車(chē)輪彈性地聯(lián)系起來(lái)，關(guān)系到汽車(chē)的多種使用性能。從外表上看，轎車(chē)懸架僅是由一些桿、筒以及彈簧組成，但千萬(wàn)不要以為它很簡(jiǎn)單，相反轎車(chē)懸架是一個(gè)較難達(dá)到完美要求的汽車(chē)總成，這是因?yàn)閼壹芗纫獫M足汽車(chē)的舒 適性要求，又要滿足其操縱穩(wěn)定性的要求，而這兩方面又是互相對(duì)立的。比如，為了取得良好的舒適性，需要大大緩沖汽車(chē)的震動(dòng)，這樣彈簧就要設(shè)計(jì)得軟些，但彈簧軟了卻容易使汽車(chē)發(fā)生剎車(chē)“點(diǎn)頭” 、加速“抬頭”以及左右側(cè)傾嚴(yán)重的不良傾向，不利于汽車(chē)的轉(zhuǎn)向，容易導(dǎo)致汽車(chē)操縱不穩(wěn)定等。鋼板彈簧簡(jiǎn)介[3]鋼 板 彈 簧 是 汽 車(chē) 懸 架 中 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 一 種 彈 性 元 件 ， 它 是 由 若 干 片 等 寬 但 不 等長(zhǎng) （ 厚 度 可 以 相 等 ， 也 可 以 不 相 等 ） 的 合 金 彈 簧 片 組 合 而 成 的 一 根 近 似 等 強(qiáng) 度 的 彈性 梁 。當(dāng) 鋼 板 彈 簧 安 裝 在 汽 車(chē) 懸 架 中 ， 所 承 受 的 垂 直 載 荷 為 正 向 時(shí) ， 各 彈 簧 片 都 受 力變 形 ， 有 向 上 拱 彎 的 趨 勢(shì) 。 這 時(shí) ， 車(chē) 橋 和 車(chē) 架 便 相 互 靠 近 。 當(dāng) 車(chē) 橋 與 車(chē) 架 互 相 遠(yuǎn) 離時(shí) ， 鋼 板 彈 簧 所 受 的 正 向 垂 直 載 荷 和 變 形 便 逐 漸 減 小 ， 有 時(shí) 甚 至 會(huì) 反 向 。主 片 卷 耳 受 力 嚴(yán) 重 ， 是 薄 弱 處 ， 為 改 善 主 片 卷 耳 的 受 力 情 況 ， 常 將 第 二 片 末 端也 彎 成 卷 耳 ， 包 在 主 片 卷 耳 的 外 面 ， 稱 為 包 耳 。 為 了 使 得 在 彈 性 變 形 時(shí) 各 片 有 相 對(duì)滑 動(dòng) 的 可 能 ， 在 主 片 卷 耳 與 第 二 片 包 耳 之 間 留 有 較 大 的 空 隙 。 有 些 懸 架 中 的 鋼 板 彈簧 兩 端 不 做 成 卷 耳 ， 而 采 用 其 他 的 支 撐 連 接 方 式 ， 如 橡 膠 支 撐 墊 。扁 平 長(zhǎng) 方 形 的 鋼 板 呈 彎 曲 形 ， 以 數(shù) 片 疊 成 的 底 盤(pán) 用 彈 簧 ， 一 端 以 梢 子 安 裝 在 吊架 上 ， 另 一 端 使 用 吊 耳 連 接 到 大 梁 上 ， 使 彈 簧 能 伸 縮 。 目 前 適 用 于 中 大 型 的 貨 卡 車(chē)上 。1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)隨著汽車(chē)向采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)和輕量化方向發(fā)展以及路面條件的改善,近年來(lái)主減速比有減小的趨勢(shì),以滿足高速行駛的要求。 [1]為減小驅(qū)動(dòng)輪的外廓尺寸,目前主減速器中基本不用直齒圓錐齒輪。實(shí)踐和理論分析證明，螺旋錐齒輪不發(fā)生根切的最小齒數(shù)比直齒齒輪的最小齒數(shù)少。顯然采用螺旋錐齒輪在同樣傳動(dòng)比下，主減速器的結(jié)構(gòu)就比較緊湊。此外，它還具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲較小等優(yōu)點(diǎn)。因而在汽車(chē)上曾獲得廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，準(zhǔn)雙曲面齒輪在廣泛應(yīng)用到轎車(chē)的基礎(chǔ)上，愈來(lái)愈多的在中型、重型貨車(chē)上得到采用。 [3]在現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展中，對(duì)主減速器的要求除了扭矩傳輸能力、機(jī)械效率和重量指標(biāo)外，它的噪聲性能已成為關(guān)鍵性的指標(biāo)。噪聲源主要來(lái)自主、被動(dòng)齒輪。噪聲的強(qiáng)弱基本上取決于齒輪的加工方法。區(qū)別于常規(guī)的加工方法，采用磨齒工藝，采用適當(dāng)?shù)哪ハ鞣椒梢韵跓崽幚碇挟a(chǎn)生的變形。因此，與常規(guī)加工方法相比，磨齒工藝可獲得很高的精度和很好的重復(fù)性。 [4]汽車(chē)在行駛過(guò)程中的使用條件是千變?nèi)f化的。為了擴(kuò)大汽車(chē)對(duì)這些不同使用條件的適應(yīng)范圍，在某些中型車(chē)輛上有時(shí)將主減速器做成雙速的，它既可以得到大的主減速比又可得到所謂多檔高速，以提高汽車(chē)在不同使用條件下的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。1.3 課題研究方法1.了解懸架的構(gòu)成。2.通過(guò)上網(wǎng)，查閱書(shū)籍等途徑來(lái)熟悉它的工作原理。3.溝通討論。71.4 本課題要解決的主要問(wèn)題和設(shè)計(jì)總體思路1. 本課題解決的主要問(wèn)題：國(guó)內(nèi)外對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的研究很多，但是涉及到有限元分析的還是較少。本文選擇一款轎車(chē)或者重型卡車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋（按結(jié)構(gòu)可以分為中央單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋、中央雙級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋、中央單級(jí)、輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋） ，分析其主要組成部分的具體結(jié)構(gòu)，得出不同扭矩的情況下驅(qū)動(dòng)橋各個(gè)部件的受力及變形狀況。2. 本課題的設(shè)計(jì)總體思路：選擇一種機(jī)型的驅(qū)動(dòng)橋。應(yīng)用三維軟件 solidworks 對(duì)其各個(gè)部分進(jìn)行建模及裝配，運(yùn)用 solidworks 軟件自帶的有限元分析模塊 cosmosworks 對(duì)驅(qū)動(dòng)橋整體進(jìn)行有限元分析不同扭矩的情況下驅(qū)動(dòng)橋各個(gè)部件的受力及變形狀況。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以減小不平路面對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的沖擊載荷，從而改善汽車(chē)行駛的平順性。第 2 章 SOLIDWORKS 及 cosmosworks 介紹2.1 Solidworks 軟件概述SolidWorks 為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)與銷(xiāo)售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有 Internet 整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個(gè)領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的 CATIAV5 就出自該公司之手，目前達(dá)索的 CAD 產(chǎn)品市場(chǎng)占有率居世界前列。特點(diǎn):Solidworks 軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是 SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得 SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維 CAD 解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。 對(duì)于熟悉微軟的 Windows 系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來(lái)搞設(shè)計(jì)了。SolidWorks 獨(dú)有的拖拽功能使用戶在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。SolidWorks 資源管理器是同 Windows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD 文件。使用 SolidWorks ，用戶能在比較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。在目前市場(chǎng)上所見(jiàn)到的三維CAD 解決方案中，SolidWorks 是設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)便而方便的軟件之一。美國(guó)著名咨詢公司 Daratech 所評(píng)論：“在基于 Windows 平臺(tái)的三維 CAD 軟件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。 ” 在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括 Windows 風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用 SolidWorks ，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的。2.2 cosmosworks 介紹COSMOS 是 SRAC（Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件。SRAC 位于美國(guó)加州的洛杉磯，從 1982 年成立至今，SRAC 一直至力于有限元 CAE 技術(shù)的研究和發(fā)展。早期的有限元技術(shù)高高在上，只有一些國(guó)家的部門(mén)如宇航，軍事部門(mén)可以使用，而此后的一些有限元分析軟件也都存在界面不友好、難學(xué)難用的缺點(diǎn)，且要求的設(shè)備昂貴。雖然用的范圍大了一些，但也都是集中在大學(xué)和一些研究機(jī)構(gòu)，只有少數(shù)專業(yè)人員才能有機(jī)會(huì)接觸，普通的工程師可望而不可及。然而自 COSMOS 出現(xiàn)后，有限元分析的大門(mén)終于向普通工程師敞開(kāi)了，把高高在上的有限元技術(shù)平民化，它易學(xué)易用，簡(jiǎn)潔直觀，能夠在普通的 PC 機(jī)上運(yùn)行，不需要專業(yè)的有限元經(jīng)驗(yàn)。普通的工程師都可以進(jìn)行工程分析，迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤(rùn)空間。  做為世界上最快的有限元分析軟件，COSMOS 采用 FFE（Fast finite Element）技術(shù)使得復(fù)雜耗時(shí)的工程分析時(shí)間大大縮短，有一位工程師打趣說(shuō)"自從有了 COSMOS FFE 技術(shù)，我連喝咖啡的時(shí)間都沒(méi)有了"。 傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時(shí)是先把零件拆散，然后一個(gè)個(gè)分別處理，耗時(shí)耗力，又存在計(jì)算結(jié)果不精確的缺點(diǎn)。COSMOS 提供了多場(chǎng)/多組件的復(fù)雜裝配分析，從而大大簡(jiǎn)化工程師的勞動(dòng)，使得分析能夠更好地模擬真實(shí)情況，結(jié)果也就更精確。COSMOS 主要功能模塊（產(chǎn)品）： COSMOSWorks COSMOSDesignSTAR COSMOSMotion COSMOSFloworks COSMOSM GeoStar 9 其中 COSMOSWorks 、COSMOSMotion 、 COSMOSFloworks 做為標(biāo)準(zhǔn)插件集成在 SolidWorks 中，整個(gè)的使用界面完全是 Solidworks 的風(fēng)格，只須簡(jiǎn)單的操作，便可進(jìn)行分析。COSMOSDesignSTAR 是獨(dú)立的分析界面，它不依賴于您使用的 CAD，您的設(shè)計(jì)可以方便地輸入輸出。GeoStar 是另一個(gè)獨(dú)立的界面，它提供 COSMOS 所有的分析功能。COSMOS/Works是完全整合在SOLIDWORKS 中設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的，提供壓力、頻率、約束、熱量，和優(yōu)化分析。為設(shè)計(jì)工程師在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)(FFE),工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證，并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息。分析的模型和結(jié)果和Soli -dWorks共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這意味著設(shè)計(jì)與分析數(shù)據(jù)將沒(méi)有繁瑣的雙向轉(zhuǎn)換操作，分析也因而與計(jì)量單位無(wú)關(guān)。在幾何模型上，可以直接定義載荷和邊界條件，如同生成幾何特征，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)相應(yīng)地自動(dòng)更新。計(jì)算結(jié)果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設(shè)計(jì)模型上。這樣的環(huán)境操作簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間，且硬盤(pán)空間資源要求很小。COSMOS/WORKS能夠做哪些方面的分析，分別解決什么問(wèn)題呢？ 其基本模塊能做線性應(yīng)力、位移、頻率和室溫、熱分析，含裝配體分析，還可以選擇購(gòu)買(mǎi)運(yùn)動(dòng)分析和流體分析模塊。 靜應(yīng)力分析----零件會(huì)斷裂嗎？是超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)嗎？熱應(yīng)力作用下會(huì)失效嗎？ 頻 率 分 析 ----確 定 零 件 或 裝 配 的 造 型 與 其 固 有 頻 率 的 關(guān) 系 ， 會(huì) 發(fā) 生 共 振 嗎 ？在 需 要 共 振 效 果 的 場(chǎng) 合 ， 如 超 聲 波 焊 接 喇 叭 ， 音 叉 ， 獲 得 最 佳 設(shè) 計(jì) 效 果 。失 穩(wěn) 分 析 ----在 壓 載 荷 作 用 下 ， 薄 壁 結(jié) 構(gòu) 件 會(huì) 發(fā) 生 失 穩(wěn) 嗎 ？ 在 這 些 情 況 下 一般 不 會(huì) 達(dá) 到 材 料 失 效 （ 應(yīng) 力 超 過(guò) 材 料 屈 服 極 限 ） 。 熱 分 析 ----零 件 會(huì) 過(guò) 熱 嗎 ？ 熱 量 在 整 個(gè) 裝 配 體 中 如 何 發(fā) 散 ？ 用 輻 射 、 對(duì) 流 和傳 導(dǎo) 三 種 方 式 研 究 熱 量 在 零 件 和 裝 配 中 的 傳 播 。 非 線 性 分 析 ----用 于 分 析 橡 膠 類(lèi) 或 者 塑 料 類(lèi) 的 零 件 或 裝 配 體 的 行 為 ， 還 用 于分 析 金 屬 結(jié) 構(gòu) 在 達(dá) 到 屈 服 極 限 后 的 力 學(xué) 行 為 。 也 可 以 用 于 考 慮 大 扭 轉(zhuǎn) 和 大 變 形 ，如 ： 突 然 失 穩(wěn) 。間 隙 /接 觸 分 析 ----在 特 定 載 荷 下 ， 兩 個(gè) 或 者 更 多 運(yùn) 動(dòng) 零 件 相 互 作 用 。 例 如 ：在 傳 動(dòng) 鏈 或 其 他 機(jī) 械 系 統(tǒng) 中 接 觸 間 隙 未 知 的 情 況 下 分 析 應(yīng) 力 和 載 荷 傳 遞 。 優(yōu) 化 ----在 保 持 滿 足 其 他 性 能 判 據(jù) （ 如 應(yīng) 力 失 效 ） 的 前 提 下 ， 自 動(dòng) 定 義 最 小體 積 設(shè) 計(jì) 。 后 動(dòng) 力 分 析 ----零 件 或 裝 配 體 在 動(dòng) 態(tài) 激 勵(lì) 下 的 線 性 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 ， 如 地 震 激 勵(lì)分 析 。疲 勞 分 析 ----預(yù) 測(cè) 疲 勞 對(duì) 產(chǎn) 品 全 生 命 周 期 的 影 響 ， 確 定 可 能 發(fā) 生 疲 勞 破 壞 的區(qū) 域 ，流 體 動(dòng) 力 學(xué) 計(jì) 算 （ CFD） ----跟 蹤 導(dǎo) 管 內(nèi) 部 或 者 螺 旋 槳 等 表 面 的 氣 體 、 液 體流 動(dòng) 狀 況 。 例 如 ： CPU內(nèi) 的 空 氣 循 環(huán) 和 冷 卻 ， 螺 旋 槳 的 升 降 。電磁分析----研究導(dǎo)電原件的電磁相互作用，確定線圈和磁體感應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械力。SRAC公司早在1985年她就開(kāi)發(fā)出了世界上第一套應(yīng)用于PC機(jī)的有限元分析程序，1995年成為SolidWorks的第一家合作伙伴，1997年成為SolidWorks的第一家黃金認(rèn)證合作伙伴，2002年4月SRAC加入SolidWorks公司，從此COSMOS/WORKS 正式成為 SolidWorks 產(chǎn)品。COSMOS/WORKS是SolidWorks? 家族最熱銷(xiāo)的分析解決方案，尤其適合于那些有分析需求但是缺乏相關(guān)有限元專業(yè)知識(shí)的工程師們的需要。COSMOS/WORKS集功能強(qiáng)大、計(jì)算精確和簡(jiǎn)單好用三大特點(diǎn)為一身，能夠讓工程師們?cè)谝惶熘畠?nèi)開(kāi)始設(shè)計(jì)分析，并且迅速得到分析結(jié)果。COSMOS/WORKS能夠提供廣泛的分析工具去檢驗(yàn)和分析復(fù)雜零件和裝配，它能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、變形分析、熱分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、線性和非線性分析。使用COSMOS/WORKS，工程師可以最大限度地縮短設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤(rùn)空間。只有COSMOS/WORKS含有精確應(yīng)力分析模塊（AccuStress） ，這是精確應(yīng)力計(jì)算中一個(gè)有著劃時(shí)代意義的工具, 象征著一個(gè)過(guò)渡期的劃分網(wǎng)格新技術(shù)。在局部區(qū)域網(wǎng)格劃分更細(xì)密以提供更精確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于受到本行業(yè)高速解決方案的推動(dòng)，COSMOS/WORKS能夠讓您只花上傳統(tǒng)FEA軟件價(jià)錢(qián)的一個(gè)零頭，就可以得到高端的COSMOS/WORKS的功能，從結(jié)構(gòu)分析、熱應(yīng)力分析到含間隙的裝配分析和接觸摩擦分析，COSMOS/WORKS無(wú)所不能。11使用革新化的精確工具，COSMOS/WORKS的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確足以優(yōu)化您的真實(shí)設(shè)計(jì)形狀，COSMOS/WORKS 可以進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行優(yōu)化，把投入造型和分析的財(cái)力和時(shí)間降至最低水平。談到精確應(yīng)力分析結(jié)果時(shí)，大量的基準(zhǔn)試驗(yàn)已經(jīng)證明主流的分析軟件中沒(méi)有一個(gè)能與COSMOS/WORKS相提并論。只有COSMOS/WORKS含有精確應(yīng)力分析模塊（AccuStress） ，這是精確應(yīng)力計(jì)算中一個(gè)有著劃時(shí)代意義的工具, 象征著一個(gè)過(guò)渡期的劃分網(wǎng)革新技術(shù)。在局部區(qū)域網(wǎng)格劃分更細(xì)密以提供更精確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，植入SolidWorks的優(yōu)化和仿真功能使 COSMOS/WORKS幫助您無(wú)需頻繁地重新定義分析就可以更快更準(zhǔn)確地修改設(shè)計(jì)。COSMOS/WORKS提供給您功能強(qiáng)大而又快速、精確的設(shè)計(jì)分析工具，確保您的設(shè)計(jì)分析更加輕松。第 3 章 鋼板彈簧懸架 3D 設(shè)計(jì)3.1 概述3.1.1 選擇研究對(duì)象以長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 為例，此車(chē)屬于微卡系列，根據(jù)前人提供的理論計(jì)算數(shù)據(jù)分析其后鋼板懸架的 3D 模型和有限元分析其是否合理。 圖 3-1 長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 實(shí)圖3.1.2 鋼板彈簧懸架主要元件的選擇和確定根據(jù)前人的計(jì)算和參閱相關(guān)該車(chē)型的相關(guān)資料和實(shí)際測(cè)量，對(duì)該車(chē)后鋼板彈簧懸架的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行如下的歸納總結(jié)：(1)鋼板彈簧的種類(lèi)的選擇：長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 車(chē)型是輕型貨車(chē)，后懸架載荷變化不大?？紤]經(jīng)濟(jì)適用性，選用線性懸架的普通多片鋼板彈簧。選用普通多片鋼板彈簧，如下圖所示，這種彈簧主要用在載貨汽車(chē)和大客車(chē)上，彈簧彈性特性如圖所示，呈線性特性。圖 3-2 普通多片鋼板彈簧(2)鋼板彈簧主要元件結(jié)構(gòu)的選擇：1.鋼板彈簧斷面形狀的選擇： 13圖 3-3 矩形斷面簧片圖 3-3 的矩形斷面簧片由于制造簡(jiǎn)單，目前應(yīng)用的比較多。矩形斷面的中性軸位于斷面中央，鋼板上下表面的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力是相等的，由于材料的抗拉性能比抗壓性能差，因此矩形斷面鋼板彈簧在承受拉應(yīng)力的一面易破壞。一般輕型汽車(chē)多用此類(lèi)型的簧片，但考慮長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 車(chē)型是輕型貨車(chē)，矩形斷面許用應(yīng)力足夠，而且加上制造方便，成本低，選用圖 3-3 矩形斷面。2.簧片端部形狀的選擇：圖 3-4 梯形端部片端呈矩形的簧片間摩擦阻力較大，增大了彈簧剛度。鋼板彈簧不僅減小了彈簧片間摩擦，而且降低彈簧剛度，改善彈簧應(yīng)力分布。端部壓延彈簧由于增加了端部軋制工藝，使彈簧制造工藝復(fù)雜了。綜合考慮選擇梯形端部形狀。3.彈簧卷耳的選擇：鋼板彈簧卷耳一般有 3 種結(jié)構(gòu) [25] ~[26]，即下卷耳、上卷耳和平卷耳，如下圖所示。上卷耳使用的較多，采用下卷耳主要是為了協(xié)調(diào)鋼板彈簧與轉(zhuǎn)向系的運(yùn)動(dòng)，下卷耳在載荷作用下容易張開(kāi)，強(qiáng)度不易保證；平卷耳可以減少卷耳的應(yīng)力，因?yàn)榭v向力作用方向和彈簧主片斷面的中心線重合，對(duì)于不能增加主片厚度又但要保證主片卷耳強(qiáng)度的彈簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造比上述兩種卷耳復(fù)雜，制造費(fèi)用較高，一般轎車(chē)多采用平卷耳或下卷耳。對(duì)于輕型貨車(chē)常用上卷耳，故長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 可采用上卷耳圖 3-5，可以避免下卷耳的強(qiáng)度不足和上卷耳的制作費(fèi)用較高的缺點(diǎn).圖 3-5 上卷耳4.彈簧包耳的選擇汽車(chē)在使用條件惡劣的情況下，需要采用加強(qiáng)卷耳的措施。常見(jiàn)的是將第二片彈簧作成包耳形式，以保護(hù)主片。包耳常見(jiàn)的有 1／4 包耳(圖 3-6)和 3／4 包耳(圖 3-7)。輕型車(chē)或廂式客車(chē)多采用 1／4 包耳，而大型載貨汽車(chē)和大型客車(chē)多采用 3／4 包耳。本車(chē)長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 屬于微卡，故本車(chē)采用 1／4 包耳。圖 3-6 1／4 包耳圖 3-7 3／4 包耳5.鋼板彈簧中心螺栓中心螺栓的作用，除了夾緊各片彈簧外，又是安裝鋼板彈簧的定位銷(xiāo)。中心螺栓在 U 形螺栓松動(dòng)時(shí)易剪斷，因此應(yīng)有一定的強(qiáng)度。由于中心螺栓直徑大小將影響彈簧斷面強(qiáng)度，因此其直徑不宜做的過(guò)大，一般與簧片厚度相等。下表是推薦的中心螺栓直徑尺寸。中心螺栓一般用 15MnVB 材料作成，機(jī)械性能等級(jí)為 8.8 級(jí)。對(duì)于重型載貨汽車(chē)，中心螺栓多用 40Cr 或 40MnB 制成。15表 3-8 中心螺栓直徑尺寸中心螺栓直徑 8 10 12 14 16簧片厚 ＜7 7～9 9～11 11～13 13～16中心孔直徑 8.5 5.0?10.5 5.0?12.5 5.0?14.5 5.0?16.5 5.0?本車(chē)類(lèi)型為輕卡，故簧片不用太厚，初步預(yù)定簧片厚度不大于 7 毫米。因此由上表得出中心螺栓直徑先初步確定為 8mm，由此得中心孔直徑為 8.5 5.0?，螺栓由15MnVB 材料作成。6.彈簧夾箍的選擇彈簧夾箍除了防止彈簧各片橫向錯(cuò)位之外，還能在彈簧回彈時(shí)，將力傳遞給其他簧片，減少主片應(yīng)力。彈簧夾箍結(jié)構(gòu)如下圖所示。目前使用最多的是可拆式夾箍，如下圖 a。為了防止彈簧橫向扭曲時(shí)在簧片上產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力，在夾箍和彈簧片表面之間會(huì)留有一定的間隙，一般不小于 1.5mm，夾箍與彈簧片側(cè)面間隙為 0.5～1mm。對(duì)于不經(jīng)常拆裝換片的彈簧，大都采用了不可拆式夾箍，如下圖 b，這種夾箍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少制造費(fèi)用，而且彈簧裝配方便，多用于轎車(chē)和輕型載貨汽車(chē)上。圖 4-18 可拆式夾箍圖 4-19 不可拆式夾箍此車(chē)采用圖 b 所示的不可拆式夾箍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。3.1.3 鋼板彈簧主要元件的主要數(shù)據(jù)參數(shù)1 彈簧載荷在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)整車(chē)布置給定的空、滿載軸載荷質(zhì)量減去估算的非簧載質(zhì)量，得到在每副彈簧上的承載質(zhì)量。一般將前、后軸，車(chē)輪，制動(dòng)鼓及轉(zhuǎn)向節(jié)等總成視為非簧載質(zhì)量，將傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向縱拉桿等總成一半也視為非簧載質(zhì)量。如果鋼板彈簧布置在車(chē)橋上方，彈簧 3／4 的質(zhì)量為非簧載質(zhì)量；下置彈簧，則 1／4 彈簧質(zhì)量為非簧載質(zhì)量。本車(chē)考慮到車(chē)內(nèi)人員的舒適性，懸架采用將鋼板彈簧布置在車(chē)橋的下方，這樣就可減少非簧載質(zhì)量。收集資料后得到長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 的數(shù)據(jù)如下。表 4-2非簧載質(zhì)量 kg 前懸架簧載質(zhì)量 kg 后懸架簧載質(zhì)量 kg空載 340 200滿載 340 640 8002 汽車(chē)前后軸的軸距查數(shù)據(jù)得此車(chē)的后車(chē)軸軸距為 2500mm3 鋼板彈簧的具體計(jì)算參數(shù)鋼板彈簧多數(shù)情況下采用 55SiMnVB 鋼或 60Si 2Mn 鋼制造。本車(chē)選用60Si 2Mn。鋼材彈性模數(shù) E=2.1×10 5，N／mm 。表 4-3 鋼板彈簧片的參數(shù)片號(hào) 各片長(zhǎng)度（mm） 各片有效長(zhǎng)度（mm）各片厚度（mm）各片寬度（mm）1 1000 955 6.2 552 1000 955 6.2 553 774.5 729.5 6.2 554 549 504 6.2 555 323.5 278.5 6.2 55(備注：此表來(lái)自相關(guān)計(jì)算和車(chē)型實(shí)際測(cè)量) 自由狀態(tài)下的鋼板彈簧片的綜合彎曲曲率為 0R=1280mm。鋼板彈簧總慣性矩 J0=5461.7；彈簧總斷面系數(shù) W=1762 3m，彈簧各片斷面系17數(shù) kW=352.4 3m 3.2 鋼板彈簧的 3D 建模設(shè)計(jì)3.2.1 進(jìn)入 SOLIDWORKS 的操作界面點(diǎn)新建進(jìn)入零件界面,如下圖.選中參考面進(jìn)入草圖環(huán)境.3.2.2 鋼板彈簧懸架設(shè)計(jì)的繪制過(guò)程3D 建模引用的數(shù)據(jù)來(lái)自上述表格， 以下是純粹的軟件基本操作知識(shí)。在這不一一截圖 。只把每個(gè)步驟做出的結(jié)果進(jìn)行截圖處理。方便對(duì)照和參考。1、生成帶卷耳的第一片鋼板彈簧。 2、生成帶包耳的第二片鋼板彈簧。 3、前三片鋼板彈簧194、生成第四片5、生成第五片6、鋼板固定架7、懸架與車(chē)軸連接8、完整的懸架組合21至此，鋼板懸架的 3D 模型已經(jīng)建立完整。第 4 章 鋼板彈簧懸架的有限元分析4.1 有限元分析簡(jiǎn)介4.1.1 有限元分析的概念有限元方法是用于求解工程中各類(lèi)問(wèn)題的數(shù)值方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的或非線性的問(wèn)題以及熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和電磁學(xué)中的問(wèn)題都可以用有限元方法進(jìn)行分析解決。工程問(wèn)題一般是物理情況的數(shù)學(xué)模型，包括邊界條件、特征參數(shù)和擾動(dòng)參數(shù)。可能的情況下，由給定的條件可以得到系統(tǒng)的精確行為。在許多實(shí)際工程問(wèn)題中，由于控制微風(fēng)方程組的復(fù)雜性或邊界條件和初值條件的難以確定性，我們一般不能得到系統(tǒng)的精確解。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要借助于數(shù)值方法來(lái)近似。解析解表明了系統(tǒng)在任何點(diǎn)上的精確行為，而數(shù)值解只在稱為節(jié)點(diǎn)的離散點(diǎn)上近似于解析解。任何數(shù)值解法的第一步都是離散化。這一過(guò)程將系統(tǒng)分為一些子區(qū)域和節(jié)點(diǎn)。數(shù)值解法可以分為兩大類(lèi)：有限差分法和有限元方法。有限差分法難以解決帶有復(fù)雜幾何條件和復(fù)雜邊界條件的問(wèn)題。有限元方法使用公式方法而不是微分方法來(lái)建立系統(tǒng)的代數(shù)方程組，并假設(shè)代表每個(gè)元素的近似函數(shù)是連續(xù)的，通過(guò)結(jié)合各單獨(dú)的解產(chǎn)生系統(tǒng)的完全解。4.1.2 有限元分析的意義驗(yàn)證一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，可以通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)果往往是非常復(fù)雜和多樣的，難以建立實(shí)際模型逐一驗(yàn)證其性能。這時(shí)，可以運(yùn)用有限元分析軟件，用有限元方法對(duì)其進(jìn)行理論的計(jì)算，檢驗(yàn)其是否滿足設(shè)計(jì)要求。有限元分析的優(yōu)點(diǎn)在于：解決試驗(yàn)難以模擬的情況下的問(wèn)題；節(jié)省試驗(yàn)成本；縮短驗(yàn)證時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率。4.1.3 有限元分析的基本步驟預(yù)處理階段：（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問(wèn)題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。（2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。（3）對(duì)單元建立方程。（4）將單元組合成總體的問(wèn)題，構(gòu)造總體剛度矩陣。（5）應(yīng)用邊界條件、初值條件和負(fù)荷。解決階段：（6）求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點(diǎn)的值。后處理階段：（7）得到其他重要的信息。4.2 有限元分析過(guò)程與步驟23進(jìn)入分析界面添加材料 施加約束施加載荷25施加載荷施加載荷分析結(jié)果 分析運(yùn)行27網(wǎng)格化處理中結(jié)果查看結(jié)果查看 生成結(jié)果選項(xiàng)，有幾種選擇結(jié)果的查看方式。29應(yīng)力結(jié)果位移結(jié)果 變形結(jié)果31總結(jié)與展望一、總結(jié)首先通過(guò)對(duì)鋼板彈簧的彈性特性進(jìn)行分析，熟悉鋼板彈簧的組成和類(lèi)別。然后研究一些對(duì)汽車(chē)行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有影響的因素，并通過(guò)對(duì)這些因素的分析和研究，綜合考慮各個(gè)因素，要清楚地知道所要設(shè)計(jì)的懸架應(yīng)符合的要求。接著對(duì)長(zhǎng)安星卡 SC1022D7 車(chē)型的已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)，分析出一套鋼板彈簧系統(tǒng)。最后，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行繪圖，并對(duì)所設(shè)計(jì)的鋼板彈簧懸架和該車(chē)型原有的懸架進(jìn)行比較，指出在原有的基礎(chǔ)上，所設(shè)計(jì)的鋼板彈簧懸架的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)研究分析，本文基本上完成了預(yù)定的任務(wù)，設(shè)計(jì)出比較合理的鋼板彈簧懸架系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的鋼板彈簧懸架與以前相比有比較突出的優(yōu)點(diǎn)，使其行駛平順性有所提高，并使軸使用周期變長(zhǎng)，能夠迅速減震。二、今后研究方向（1）懸架導(dǎo)向裝置變形是如何影響車(chē)輪外傾角的變化，從而影響到汽車(chē)的穩(wěn)態(tài)與瞬時(shí)響應(yīng)。（2）鋼板彈簧懸架的應(yīng)用未來(lái)前景如何。（3）如何將分析應(yīng)用到具體實(shí)踐當(dāng)中，去指導(dǎo)實(shí)踐。參考文獻(xiàn)[1]王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)（第 4 版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005[2]劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2001[3]劉海江、于信匯、沈斌編著.汽車(chē)齒輪[M].同濟(jì)大學(xué)出版社，1997 [4]顧柏良等譯.BOSCH 汽車(chē)工程手冊(cè)[M].北京理工大學(xué)出版社，2004 [5] 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