液压可变刚度螺旋弹簧设计与分析

王强 任国华

摘要：针对目前可变刚度螺旋弹簧存在的缺陷，设计了一种液压可变刚度螺旋弹簧。该弹簧通过螺旋弹簧丝内部的液体压力变化，实现螺旋弹簧刚度可变，为设计出新的汽车悬架系统提供了新的参考方案。

关键词：螺旋弹簧;刚度;液压;ANSYS Workbench

0 引言

在机械工程中，螺旋弹簧种类繁多，应用范围广，是一种可靠性很强的机械元件，它普遍应用于交通运输工具、电器、航空航天、造船、仪表、内燃机等机械工程领域，主要用于元件复位、限位、缓冲吸振、控制振动、储存能量。螺旋弹簧通过合理选择设计参数，即可得到优良的综合性能，包括承压稳定性、轴向变形、应力强度、侧向变形、动力特性以及疲劳强度等，以适应不同的工况要求。近年来，国内不少学者都在螺旋弹簧的工艺加工技术和理论研究方面做出了很大贡献，随着科学技术的进步，不断涌现出各种型式的螺旋弹簧。

弹簧在整个变形过程中，弹簧刚度可能是常量，也可能是变量。弹簧柔度的定义是单位力使弹簧所产生的变形，即弹簧的柔度是其刚度的倒数。弹簧特性曲线是指载荷与变形之间的关系曲线。弹簧特性曲线的切线表示弹簧刚度值，即弹簧产生单位变形所需的载荷量。

弹簧的刚度特性曲线对于设计弹簧以及选择弹簧的类型起到了指导性作用。当弹簧刚度为常量时，其特性曲线为一条线性直线。对于弹簧特性曲线为直线的弹簧，其刚度也称为弹簧常量或弹性系数。弹簧刚度为变量时，其特性曲线为曲线，这种弹簧被称为变刚度弹簧

目前可变刚度螺旋弹簧主要有变直径可变刚度弹簧和弹簧叠加可变刚度弹簧两种。变直径可变刚度弹簧存在如下问题：（1）变化的弹簧直径制造相对困难，增加制造成本;（2）在直径较小的地方，当受力较大时，弹簧丝会相互叠加，甚至造成直径较小处发生塑性变形。弹簧叠加可变刚度弹簧存在如下问题：（1）不同弹簧的连接难度很大，不牢固;（2）对于弹簧丝直径较小的弹簧，当受力较大时，弹簧丝会叠加，造成直径较小处发生塑性变形。为此，本文设计了一种液压可變刚度螺旋弹簧。

1 液压可变刚度螺旋弹簧结构设计

本文所设计的液压可变刚度螺旋弹簧结构示意图如图1所示。

此螺旋弹簧由1柱塞、2螺旋弹簧、3缸体、4液压油管组成，1柱塞与3缸体配合，2螺旋弹簧位于1柱塞和3缸体中间，4液压油管安装在3缸体侧面。

该液压可变刚度螺旋弹簧的设计关键是螺旋弹簧的弹簧丝为中空结构，螺旋弹簧的弹簧丝末端与柱塞及缸体配合形成的型腔连接在一起，此外液压油管可外接液压油，并连接压力溢流阀。

该弹簧在工作时，弹簧受到挤压，柱塞和缸体配合形成的液压腔体变小，内部的液压油通过螺旋弹簧末端与缸体的连接进入螺旋弹簧内部，从而达到改变弹簧刚度的目的。此外内部液压油通过液压油管可与外部装置连接，实现对弹簧内部供油或溢油，进而改变弹簧系统整体刚度，并提供一定的阻尼。

该液压可变刚度螺旋弹簧柱塞存在不同的变化形式，其中一种柱塞变化形式如图2所示，螺旋弹簧由1端盖、2螺旋弹簧、3柱塞、4缸体及5液压油管组成，该螺旋弹簧的柱塞上开设了若干个孔，在弹簧工作时，这些孔起到一定的溢流作用，通过调整孔的个数和大小，实现液压阻尼的不同变化，从而改变此弹簧的整体刚度。

2 液压可变刚度螺旋弹簧分析

2.1    液压可变刚度螺旋弹簧建模

为了分析液压可变刚度螺旋弹簧的刚度变化情况，本文简化了弹簧结构，实例分析的弹簧几何参数如下：中空弹簧丝外径D=10 mm，中空弹簧丝内径d=7 mm，自由高度H=200 mm，有效圈数n=10，弹簧中径Dz=80 mm。本文通过Pro/E软件，建立了液压可变刚度螺旋弹簧有限元分析模型，如图3所示。

2.2    ANSYS Workbench设置与分析

本文采用ANSYS Workbench软件，分析随着中空管内液体压力变化而产生的螺旋弹簧刚度变化情况。

在ANSYS Workbench环境下，直接调入Pro/E的模型文件（格式为STP）。本文采用的弹簧材料为一般弹簧用钢，材料密度为7 850 kg/m3，弹性模量为209 GPa，切变模量为80 GPa，泊松比为0.3。

此液压可变刚度螺旋弹簧结构不复杂，无细小结构，使用软件自动划分网格，网格划分物理优选项设为Mechanical，网格划分结果如图4所示。

在ANSYS Workbench中设置5个求解步，每步1 s，根据螺旋弹簧实际工作情况，设置一端面固定面约束如图5所示，弹簧另一端面位移面约束如图6所示，Z方向自由移动，X、Y方向进行0位移约束，并在弹簧此端面Z方向进行加载，弹簧加载量如图7所示，在弹簧丝中空内表面加载液压载荷，液压载荷介质采用水，液压载荷加载量分别为1 000 m/s2、2 000 m/s2、3 000 m/s2、4 000 m/s2、5 000 m/s2。

经过ANSYS Workbench软件计算与分析，弹簧压缩量如表1所示。

弹簧加载500 N时，在不同液体压力下弹簧的压缩量如图8所示，随着弹簧丝空腔内的液体压力增大，弹簧压缩量逐渐降低，说明弹簧的刚度随着液体压力增大而增大，达到改变螺旋弹簧刚度的目的。

图9所示为在6种不同液体压力情况下的弹簧压缩量对照情况，在不同的液体压力下，弹簧压缩量及刚度曲线是不一样的，随着液体压力的增加，弹簧压缩量及刚度曲线从原来的线性逐渐向非线性转变，说明该液体可变刚度螺旋弹簧可实现螺旋弹簧刚度的非线性调节。

3 结语

本文基于液体压力设计了一种液压可变刚度螺旋弹簧，利用Pro/E以及ANSYS Workbench软件，分析得出该螺旋弹簧刚度可实现非线性调节，可用此种液压可变刚度螺旋弹簧替换传统的螺旋弹簧，将其作为汽车悬架的减振弹簧，可设计出一款新型汽车悬架系统。

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收稿日期：2020-08-10

作者简介：王强（1981—），男，江苏徐州人，讲师，工程师，研究方向：机械设计与制造。