汽车减震器的建模与模态分析

蒋连琼,翁梦飞

(武夷学院 机电工程学院,福建 武夷山,354300)

汽车减震器的建模与模态分析

蒋连琼,翁梦飞

(武夷学院 机电工程学院,福建 武夷山,354300)

运用Solid Works对单筒减震器进行三维建模,并导入到 ANSYS Workbench软件对减震器进行模态分析,获取了其前6阶固有频率和振型。分析了各阶振动模态的特点,得到变形最大区域、变形量情况及振动响应的表现形态。该结果有利于汽车减震器的动态特性分析和整体设计。

减震器;SolidWork;ANSYS Workbench;模态分析

减震器是现代汽车必不可少的一部分,其主要作用是通过机械动作产生阻尼以减小震动,从而改善汽车行驶的平稳性[1]。当外界的激励振动频率与某阶固定频率相近或者相等时,减震器极易产生共振现象,进而产生较大的变形及应变,影响减震器的减震效果,因此,对减震器进行模态分析,进而确定其共振频率,对于汽车运行的安全性和可靠性具有非常重要的意义。模态分析技术是振动工程中的一个重要分支,开始于20世纪30年代[2],用于确定设计的结构或机械部件的振动特性,即固有频率和振型,它们是承受动态载荷设计中的重要参数[3–4],目前最好的方法是有限元模态分析[5]。有限元模态分析能够考虑结构的不规则性,计算精度较高[6]。本文利用Solid Works软件建立了一个单筒减震器的虚拟模型,并进行了有限元模态分析,为减震器的结构设计以及后续优化设计提供理论依据。

1 减震器建模

Solid Works是一个三维的CAD系统,可将二维设计转换成三维设计,被广泛用于零件设计、装配设计和工程图[7]。ANSYS Workbench是由美国ANSYS公司研发的仿真协同环境软件,用于处理企业在产品更新及创新设计过程中遇到的特殊结构问题。它可以跟大部分计算机辅助设计(CAD)软件对接,由此实现资源的分享与交流,如Pro/E、Solid Works、Auto CAD、MASTRAN等软件,是现代有限元分析中高效的软件之一[8]。由于在ANSYS Workbench中建模比较复杂,本文选择SolidWorks进行减震器的实体建模。利用 ANSYS Workbench与Solid Works的无缝接口将模型导入ANSYS Workbench中建立减震器有限元模型[9]。

1.1 减震器几何建模

打开Solid Works,建立一个新的单一设计零件的页面,在所需的基准面开始画草图,设置草图的尺寸。在“特征”中,使用“拉伸”、“切除”、“外壳”等工具绘制三维立体图形。之后在“评估”中用“测量”来测得需要知道的尺寸,画出与之匹配的零件。再创建一个新页面来组装各部分零件,将所需的零件插入页面中,然后将各零件装配在一起以获得所需的装配图。所画零件有弹簧、上支座、活塞杆、上挡环、工作缸筒、缓冲块、防尘套和定位环。

弹簧的作用是利用其本身的弹性将受到的冲击力通过弹簧反复的运动来削减能量。弹簧建模主要参数:直径80 mm;横截面直径12 mm;高度155 mm;圈数4;圈螺距39.02 mm。弹簧建模如图1(a)所示。

上支座与其他部件相连带动减震器工作。上支座建模主要参数为最下端圆柱直径100 mm。上支座建模如图1(b)所示。

活塞杆带动活塞在工作筒中上下运动,同时产生一定的阻尼力,从而起到减震的作用。建模主要参数:直径25 mm;长度200 mm。活塞杆建模如图1(c)所示。

上挡环可减少零件之间的摩擦,对零件起到保护作用。建模主要参数:孔径25 mm;上圆柱高15 mm;下圆柱高5 mm;下圆柱直径70 mm。上挡环建模如图1(d)所示。

工作缸筒提供工作环境的主要场所,弹簧吸震后带动活塞在工作缸筒中运动,产生阻尼来减缓震动。还有储存油液与减震所需的气体。建模主要参数:高度263 mm;上缸筒直径50 mm;下缸筒直径46 mm;孔径25 mm;中间挡板直径90 mm。工作缸筒建模如图1(e)所示。

缓冲块主要作用保护减震器。由于经过凹凸不平路面时,车辆在行驶过程中车身会有大幅度的上下跳动。震动所带来的冲击力非常大,同时减震器运动的作用也会随之增大。这就需要缓冲块来避免活塞直接接触到工作缸筒的底部,起到限位作用。缓冲块一般由橡胶制作。建模主要参数:高度63.64 mm;孔径46 mm。缓冲块建模如图1(f)所示。

防尘套可以防止润滑油不流出,并且保护减震器不被灰尘干扰而影响工作效率。将防尘套设计成可压缩的,是为了配合减震器活塞工作更加贴合工作缸筒,不容易因为压力大而损坏,增长使用寿命。防尘套建模主要参数:高度89.14 mm;最小孔径43.77 mm;实例数15;间距5 mm,防尘套建模如图1(g)所示。

定位环是让活塞杆不左右偏移而影响其工作性能。定位环建模主要参数:孔径25 mm;最小距离6 mm;大圆直径42.88 mm。定位环建模后如图1(h)所示。

图1 减震器各零件建模

用Solid Works装配绘制的零件(见图1(i))。首先按顺序插入所绘制的零件图,随后选零件的2个面重合或者让其与另一个零件同心轴重合等结合方式装配零件。

1.2 减震器有限元模型建立

在Solid Works中将建好的减震器三维模型保存为IGES文件,并导入ANSYS Workbench中进行模态分析。首先对减震器每个部件所用的材料进行设定,活塞杆用45号钢,弹簧用55Si2Mn弹簧钢,定位环用304不锈钢,缓冲块、上挡环和防尘套用橡胶,工作缸筒以及其他部件用Q235钢。所用材料的弹性模量、泊松比和材料密度值如表1所示。打开mesh进入网格划分程序中划分网格。

根据减震器受力情况,设定动载系数为2。约束设定在减震器的两端衬圈处,其中,下衬圈为全约束,上衬圈放松X轴。对于一个多自由度振动系统,低阶固有频率往往更接近于系统的实际工作频率[10],因此在求解项Max Models to Find中,设置数值为6,即求解前6阶模态[11]。

表1 材料属性表

2 结果及分析

根据计算结果,可得汽车减震器的前6阶固有频率及对应的最大振幅值见表2,各阶固有频率对应的阵型如图2所示。

图2 1～6阶阵型图

根据表2及图2可知,当外部实际工作频率接近表2中相应固有频率的值时,减震器可能引起共振,产生较大振幅,使减震器损坏或者起不到减震的作用;由1、2阶振型图来分析,振动变形最大发生在减震器工作缸筒上,减震器整体的位移变形量较小,对减震器减震效果影响小。由3、4阶振型图可知,振动变形最大在减震器活塞杆、防尘塞、缓冲块处;由5、6阶振型图可知,振型主要是弯扭组合,减震器整体的位移变形量较大。因此,通过有限元模态分析可以了解减震器的各阶固有频率和振型,从而可以采取相应的措施使实际工作频率避开其固有频率,避免共振,提高减震器的可靠性与使用寿命。

表2 频率与振幅对应表

3 结束语

本文利用Solid Works对减震器进行三维建模后导入到ANSYS Workbench对减震器进行了模态分析,确定了减震器的固有频率和振型。模态分析提供的信息有助于了解汽车零部件的振动特性,为避免产生共振现象提供了重要的参考数据。

[1] 周玉存,贺丽娟,崔世海,等. 汽车减震器的运动仿真和应力分析[J]. 液压与气动,2013(3):33–35.

[2] 龙英,滕召金,赵福水. 有限元模态分析现状与发展趋势[J]. 湖南农机,2009,36(4):27–28,45.

[3] 程丽,刘玉旺,骆海涛,等. 165 kg焊接机器人有限元模态分析[J]. 机械设计与制造,2012(1):147–149.

[4] 王占军,赵玉刚,刘新玉,等. 码垛机器人结构设计与模态分析[J]. 机械设计与制造,2014(8):164–166.

[5] 刘炀,李晓光. 基于Workbench的斜齿轮参数化建模及有限元模态分析[J]. 机械,2015,42(z1):36–38,61.

[6] 刘杰辉,牛清娜,杨立洁,等. 基于ANSYS的卧底机铣刨转子刀具模态分析[J]. 机械设计,2008,25(11):72–74.

[7] 张信群. 基于SolidWorks冲模标准件参数化设计研究[J]. 宜春学院学报,2015,37(12):36–39.

[8] 高东强,毛志云,张功学,等. 基于ANSYS Workbench的DVG850工作台拓扑优化[J]. 机械设计与制造,2011(2):62–63.

[9] 钟飞,史青录. 基于ANSYS Workbench的挖掘机式冲击器工作装置模态分析[J]. 机械研究与应用,2012(4):37–39.

[10] 李玲芳,罗佑新,彭梁峰. 基于Pro/MECHANICA的机床支承件的振动模态分析[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版),2011,23(3):54–57.

[11] 崔强,王亚芹,夏云周. 基于ANSYS Workbench的蜗轮模态分析[J]. 安阳工学院学报,2017,16(2):24–29.

Modelling and modal analysis of automobile shock absorber

Jiang Lianqiong,Weng Mengfei
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuyi University,Wuyishan 354300,China)

Analysis of three-dimensional modeling of single-cylinder shock absorber by using Solid Works is carried out by using ANSYS Workbench on the shock absorber,and the first 6 order natural frequency and vibration mode are gotten. The characteristics of vibration modes are analyzed,and the results are in good agreement with the dynamic design and overall design of automobile shock absorbers.

shock absorber;Solid Work;ANSYS Workbench;modal analysis

TH 13

A

1672–6146(2017)04–0036–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.04.010

蒋连琼,357160867@qq.com。

2017–02–24

武夷学院科技项目(XL201404);福建省“大学生创新创业训练计划”项目(201510397038)。

(责任编校:刘刚毅)