1.5 彈性力學在懸架設計中的應用及研究現狀

1.5.1 彈性力學在懸架設計中的應用

在懸架系統及零部件設計和特性仿真中，經常遇到彈性力學問題，如減振器節流閥片厚度及預變形量設計、疊加節流閥片的等效拆分設計、油氣彈簧節流閥片厚度設計、油氣彈簧特性仿真、鋼板彈簧的設計、穩定桿橡膠襯套的剛度計算及穩定桿設計等。

車輛懸架系統對車輛行駛的平順性和安全性具有重要的影響，汽車工業的快速發展和車輛行駛速度的不斷提高，對車輛懸架系統及零部件的設計提出了更高的要求。因此，為了更好地設計懸架系統，使車輛達到最佳減振效果，滿足車輛對平順性和安全性的要求，必須根據彈性力學模型，利用彈性力學理論，對懸架系統設計中所遇到的彈性力學問題進行研究，建立解析計算方法，滿足懸架設計的工程應用要求。

彈性力學在懸架系統及零部件設計中的應用，如圖1-28所示。

1.5.2 節流閥片研究現狀

圖1-28 懸架設計的彈性力學問題

對于減振器節流閥片的變形計算問題，國內外已有很多學者對此進行了大量研究。大都是利用有限元分析軟件，對閥片變形進行數值分析。也有學者利用彈性力學原理，對閥片變形進行分析研究，但只是通過閥片變形微分方程，利用邊界條件列出一個通解，不能直接應用于實際工程，沒有創建一個可用于閥片厚度設計和變形計算的簡單、準確、可靠、實用的解析式。

先前，彈性閥片變形計算方法有兩種。一種是利用《機械工程手冊》中的最大撓度系數和計算公式；第二種是利用有限元分析軟件，如ANSYS。其中，利用《機械工程手冊》，根據閥片內、外半徑之比r_b/r_a，查得閥片最大撓度系數和計算公式，可粗略地計算在一定壓力下閥片在半徑r_b處的最大撓度。利用有限元分析軟件，首先根據閥片的結構建立仿真模型，然后對模型劃分網格并施加載荷，最后求解得到仿真云圖。這兩種方法各有缺點：對于《機械工程手冊》最大撓度系數法，雖然有計算解析式，可以用于閥片厚度設計，但是，當實際閥片內、外半徑比在手冊中沒有給出時，很難準確查得最大撓度系數。同時，該方法只能計算閥片在外半徑r_b處的最大撓度，而實際閥片設計需要計算在閥口位置r_k處的變形量。對于有限元軟件，雖然可以得到閥片在任意位置半徑r處變形量的數值解，且比最大撓度系數法精確，但是由于該方法沒有閥片變形量計算解析式，不能利用其對閥片厚度進行設計，只能對給定結構的閥片進行變形數值仿真驗證。因此，先前這兩種對閥片變形量的計算方法，都不能滿足減振器精確設計、特性分析和仿真的要求。

為此，山東理工大學根據彈性力學原理，對閥片在均布壓力、非均布壓力及環形集中力作用下的變形和應力進行了研究，并對變厚度節流閥片在均布壓力下的變形和應力進行了探討，創建了能夠直接應用于工程實踐的簡單、準確、可靠、實用的變形量和應力解析計算式。

1.5.3 疊加閥片研究現狀

減振器節流閥片大都采用多片等外半徑的節流閥片進行疊加，以滿足減振器不同特性的要求。疊加閥片與單片閥片相比具有很多優點，例如，采用疊加閥片能夠明顯降低閥片的最大應力，從而滿足強度的要求。

國內外已有學者采用有限元軟件對疊加閥片進行了初步研究，并得到了有價值的結論，例如，疊加閥片不等于各疊加閥片物理厚度之和，疊加閥片變形量不能用單片厚度等于疊加閥片厚度之和的閥片代替，疊加閥片的變形量與閥片疊放順序無關等。但是，這些研究沒有解決疊加閥片設計中的關鍵問題。例如，不同外半徑的疊加閥片變形量解析和應力計算問題；多片等外半徑及不同外半徑的疊加閥片的等效厚度計算問題；等外半徑的及不同外半徑的疊加閥片厚度與應力之間的關系問題；設計厚度閥片拆分為等外半徑或不同外半徑疊加閥片的問題；疊加閥片最大厚度問題；油氣彈簧中疊加閥片斷裂問題等。因此，先前的研究成果還不能滿足減振器的實際設計和生產的需要。

為此，山東理工大學利用彈性力學原理，對等外半徑的及不同外半徑的疊加閥片進行了研究，解決了上述問題，創立了疊加閥片設計方法和原則，滿足了現代汽車減振器快速和精確設計的要求，為實現減振器閥系參數CAD及特性仿真奠定了基礎。

1.5.4 鋼板彈簧研究現狀

鋼板彈簧是汽車懸架中應用最廣泛的一種彈性元件，它是由若干片等寬但不等長（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度的彈性梁。鋼板彈簧的厚度直接影響鋼板彈簧的變形和剛度，從而影響汽車的操縱穩定性和平順性。汽車工業的迅速發展，對車輛鋼板彈簧的設計提出了更高的要求。

先前，國內外對鋼板彈簧還沒有準確、可靠的設計方法，大都是首先利用經驗或者作圖法確定各片鋼板彈簧的厚度、長度和片數，然后經過反復試驗和修改，最后才確定出需要的鋼板彈簧，不能滿足現代汽車快速和精確設計的要求。對鋼板彈簧的剛度也還沒有精確的解析計算式，盡管國內外已有學者對此進行了大量研究，但大都參考《汽車工程手冊》或《汽車設計》手冊給出的共同曲率法對鋼板彈簧剛度進行估算。利用該法計算得到的鋼板彈簧剛度與實際剛度偏差較大，也不能滿足現代汽車日趨精益化的設計要求。對鋼板彈簧的弧高與曲面形狀也還沒有準確、可靠的設計方法，大都是首先根據《汽車設計》手冊中的估算公式對弧高進行設計，然后經過試驗和修改，最后才確定出需要的弧高和曲面形狀，這已不能滿足現代汽車日趨精益化的設計要求。

為了滿足現代汽車對鋼板彈簧快速和精確設計的要求，山東理工大學對鋼板彈簧進行了研究，解決了鋼板彈簧設計中存在的問題，并建立了鋼板彈簧解析設計方法。

1.5.5 橡膠襯套及穩定桿系統研究現狀

橡膠襯套以其隔振性能好、具有所期望的彈性特性及衰減特性等優點，已經成為汽車懸架中不可缺少的重要元件。橡膠襯套變形及其安裝位置對車輛的操縱穩定性和平順性具有重要影響。汽車工業的發展和行駛速度的不斷提高，對車輛懸架及穩定桿的設計提出了更高的要求。

然而，目前國內外對橡膠襯套徑向變形還沒有精確的解析計算式。盡管我國已有學者對此進行了大量研究，但大都參考《汽車工程手冊》給出的估算公式，不能滿足現代汽車日趨精益化的設計要求。盡管國外學者，如Horton、GE Tupholme等人，已經對橡膠襯套變形進行了研究，但是建立的模型不夠準確，沒有考慮橡膠襯套徑向變形所引起的徑向變形為零處的偏移角，導致所求的徑向變形計算數值不夠準確。

橫向穩定桿直接影響車輛的操縱穩定性和行駛平順性，若穩定桿直徑設計得偏小，則會導致穩定桿剛度偏小，不能滿足側傾穩定性的要求；若直徑設計得偏大，則使得穩定桿剛度偏大，當汽車在坑洼不平的路面上行駛時，較大剛度的穩定桿雖然加強了左、右車輪之間的運動聯系，但卻對汽車行駛的平順性不利。因此，必須根據車輛操縱穩定性和行駛平順性的要求及穩定桿的安裝結構準確設計穩定桿直徑。橫向穩定桿直徑的傳統設計方法是，忽略穩定桿圓角過渡的影響，在設計要求匹配的穩定桿剛度基礎上，考慮橡膠襯套變形會對剛度產生約10%～20%的影響，然后根據穩定桿的安裝結構及《汽車設計》提供的穩定桿直徑公式進行估算。然而由于受橡膠襯套的材料、尺寸、安裝位置等因素的影響，橡膠襯套的變形對剛度的影響程度不同，導致穩定桿直徑設計的不準確，嚴重影響了車輛的操縱穩定性和行駛平順性。雖然有不少學者對此進行了研究，但是考慮影響穩定桿直徑設計的因素不夠全面，導致設計的穩定桿直徑不準確，不能使汽車達到最佳行駛狀態。因此，目前缺乏橫向穩定桿直徑的準確設計方法。

為了滿足現代汽車對懸架及橫向穩定桿設計的要求，山東理工大學對橡膠襯套變形進行了研究，建立了橡膠襯套精確模型和徑向變形及剛度解析計算方法，從而建立了基于橡膠襯套變形的橫向穩定桿系統設計方法。

1.5.6 減振器設計與仿真研究現狀

汽車減振器應用最多的是筒式減振器，它能有效地衰減簧上和簧下質量的振動，提高車輛的行駛平順性和操縱穩定性。減振器阻尼特性主要是由減振器閥系參數所決定的，其中，節流閥片厚度及其在閥口半徑位置的變形量，對減振器特性起著關鍵性作用。

先前，國內外對減振器閥系參數設計還沒有準確、可靠的設計方法，大都是利用經驗首先確定一個閥片厚度，然后經過反復試驗和修改，最后才確定出所設計參數，主要是由于先前國內外缺乏可靠的減振器設計理論，因而未能開發出適應現代汽車零部件日趨精益化和快速設計要求的減振器閥系參數CAD軟件。目前，國內外學者以對減振器特性仿真進行了大量分析和研究，采用了很多方法，如利用Adams軟件建立減振器實體模型進行仿真等，但是都沒有取得滿意的仿真效果，其主要原因是所建立的模型是依賴于試驗所測得的參數，不能準確反映由減振器特性起決定作用的節流閥開度、流量和壓力之間的關系，因而也沒有開發出能準確反映減振器特性的減振器特性仿真軟件。