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abaqus在螺旋弹簧设计中的应用

何云峰

上汽通用五菱股份有限公司技术中心

摘要：本文以收口圆柱螺旋弹簧为例，利用弹性力学基本理论对收口螺旋弹簧的刚度与强度

进行理论计算，指出理论公式在设计收口螺旋弹簧强度方面局限性，并与有限元计算的结果

进行对比，提出一种在上极限工况下的弹簧应力的CAE仿真方法，为改善今后新车型的后

螺旋弹簧的设计水平指明了方向。

关键词：螺旋弹簧有限元方法刚度强度

Abaqusinhelicalspringdesignapplication

HeYunfeng

SAICGMWulingAutomobileLimitedbyShareLtdTechnologyCenter

Abstract:Inthispaper,basedthehelicalspringstheoreticalformula,usingsegmentationmethod

calculateshelicalspringstiffnessandstrength,andcomparingwiththefiniteelementthe

calculationresults,pointingoutthatthetheoreticalformuladesignstrengthlimitationsinthe

designofhelicalsprings,presentsaCAEsimulationmethodforthespringstressintheextreme

conditionstoimproveinthefuture,afterdesignlevelofcoilspringofnewcarmodelsspecified

direction.

Keywords：CoilspringFiniteElementMethodStiffnessStrength

1、前言

悬架弹簧是汽车底盘的关键零件之一，它直接关系到汽车行驶的安全性和舒适性，它不

仅储存和吸收能量[1,2]，而且能缓和冲击，减小振动，使汽车获得良好的行驶平顺性，提高

乘坐的舒适性，近年来，随着人们对汽车舒适性的要求越来越高,在许多汽车悬架上都采用

了圆柱螺旋弹簧作为弹性元件[3]，与其他弹性元件相比，其结构简单，制造方便，成本低，

工作可靠等优势，被得到广泛的应用，两端收口圆柱螺旋弹簧以标准圆柱螺簧为基础，支承

圈中径收小，中间采用过渡圈与有效圈进行连接，因支承圈中径变小，减小了弹簧座的尺寸

及螺簧自身重量，传统的理论设计公式是在有效圈等中径螺旋弹簧下建立的，将过渡圈当做

有效圈简化等效处理，如果还是采用此方法去设计两端收口螺旋弹簧，必然造成理论计算结

果的误差，在实际计算中常用分段法分析弹簧的刚度与应力问题，分段法是建立在传统理论

的设计方法上，结合两端收口弹簧的结构形式，对传统的设计做了相应的改变，将弹簧看作

好几段弹簧串联，相当于直列式组合弹簧，所以要分别计算各段弹簧的刚度值，然后合成弹

簧的合成刚度，不管是传统理论还是分段法本身就做了大量简化，忽略了螺旋角和端部形状

的影响，计算出来的刚度与应力与实际存在一定差异，可能算的结果对设计作出误判，为了

进一步提高两端收口弹簧的计算精度，近年来随着有限元软件的出现，较好的解决了这个问

题。

本文通过理论，结合两端收口弹簧的结构形式，对两端收口螺旋弹簧的刚度与剪切应力

进行分析，并通过有限元在考虑弹簧的接触非线性和几何大变形情况下建立了该螺旋弹簧的

有限元计算模型，对弹簧的刚度与剪切应力和并圈问题做进一步验证，今后新车型的后螺旋

弹簧的设计水平指明了方向。

2、两端收口圆柱螺旋弹簧的理论计算

2.1两端收口圆柱螺旋弹簧的刚度计算

由于该圆柱螺旋弹簧两端采用收口结构，弹簧的刚度是由上下过渡圈和有效圈串联的刚

度决定[4]，有效圈的刚度计算公式如下式1

Gd

4

K?

有式1

8Dn

3

式中G——切变模量，微车悬挂采用油淬火回火簧丝，且d＞4，取G=78700MPa

D——螺簧中径（mm）n——螺簧有效圈数d——簧丝直径（mm）

将表1中的数据代入式1，得

K

有

?

78700?14

4

8?1043?4.8

?

69.99N/

mm

过渡圈的刚度按照塔型弹簧刚度计算公式如下式2

4?

??GdRR

K21

???

上式2

/下16

??

nR?R

‘44

??

21

式中

R——螺簧大端半径（mm），R——螺簧小端半径（mm），n——螺

‘