彈簧部件的案例
汽車零部件(彈簧)的可靠性穩健優化設計
汽車零部件(彈簧)的可靠性穩健優化設計
汽車零部件(彈簧) 的可靠性穩健優化設計
張義民1 , 賀向東1 , 劉巧伶1 , 聞邦椿2
(11 吉林大學南嶺校區機械科學與工程學院, 長春 130025 ;
21 東北大學機械工程與自動化學院, 沈陽 110004)
[摘要] 應用汽車零部件可靠性穩健優化設計的理論方法, 對汽車典型彈簧系零部件, 如扭桿彈簧、螺旋彈
簧和鋼板彈簧進行了可靠性穩健優化設計, 給出了計算仿真分析結果, 為工程實際的汽車零部件的可靠性穩健
優化設計提供了理論依據。
[關鍵詞] 彈簧; 可靠性靈敏度; 多目標優化; 穩健設計
展開 彈簧固定方法：確保機械穩定的關鍵技術
在機械工程中，彈簧https://www.misumi.com.cn/vona2/mech/M1200000000/M1202000000/固定方法作為確保機械穩定的關鍵技術，其重要性不言而喻。彈簧的固定不僅關系到機械的正常運行，還直接影響到機械的安全性和使用壽命。因此，深入研究彈簧固定方法，對于提高機械性能、保障生產安全具有重要意義。
一、彈簧固定方法概述
彈簧固定方法主要包括機械固定、焊接固定、膠接固定和鉚接固定等多種方式。這些方法各有特點，適用于不同的應用場景。在選擇彈簧固定方法時，需要綜合考慮彈簧的材質、尺寸、工作環境以及機械的整體結構等因素。
機械固定是通過螺栓、銷軸等緊固件將彈簧與機械部件連接起來。這種方法操作簡單，拆卸方便，適用于需要經常更換彈簧的場合。然而，機械固定也存在一定的局限性，如緊固件的松動、脫落等問題可能影響彈簧的固定效果。
焊接固定是通過焊接工藝將彈簧與機械部件連接在一起。這種方法固定牢固，適用于承受較大載荷和振動的場合。但是，焊接固定可能導致彈簧的材質發生變化，影響其彈性性能，同時焊接過程中產生的熱應力也可能對機械部件造成損傷。
膠接固定是利用膠粘劑將彈簧與機械部件粘合在一起。這種方法具有工藝簡單、成本低廉的優點，適用于對固定強度要求不高的場合。然而，膠接固定的可靠性受膠粘劑性能、環境條件等多種因素影響，容易出現脫膠、開裂等問題。
鉚接固定是通過鉚釘將彈簧與機械部件鉚合在一起。這種方法固定牢靠，適用于承受較大沖擊和振動的場合。但是，鉚接固定對操作技術要求較高，且鉚釘的選用和布置需要合理設計，否則可能影響固定效果。
展開 讓SLS 3D打印零件表面光滑亮澤的魔術，化學蒸汽拋光技術
（數據表明，經過熏蒸拋光后的零件表面光滑度可達到Ra0.7）
盈普Precimid1172Pro GF30 BLK零部件在500倍顯微鏡下拋光前后的對比（左側拋光前，右側拋光后）
盈普Precimid1180 BLK材料（PA11）打印卡扣部件光澤的表面
3、機械性能提高
拋光后得益于零件表面粗糙度的降低，以及開裂點的消失，斷裂伸長率顯著提高，綜合數據顯示對PA12可以提高約30%以上。同時，薄壁件的韌性也有明顯增強更不易斷裂。
盈普Precimid1172Pro GF30 BLK打印的無人機外殼（厚度僅為0.8mm）
盈普Precimid1180 BLK材料打印的彈簧部件
4、氣密和水密效果增強
對于管道、各類接頭、戶外使用產品外殼等，需要考慮氣密性、水密性的零件，化學熏蒸拋光可以有效提升表面的致密度，以滿足上述需求。同時對于醫療支護具，使用綠色環保通過安全認證的溶液，將表面光滑度提高后，可以防止細菌在細小孔隙中滋生，能夠保證在長期與人體皮膚接觸過程中的安全性。
盈普Precimid1180 BLK材料處理后的表面水密性
盈普TPM3D PA6X BLK材料（PA6）打印的汽車油路管接頭
盈普Precimid1180 BLK材料打印的手腕護具
5、對尺寸影響小
最后，化學熏蒸拋光處理對于零件的尺寸影響較小，通過對樣件的尺寸測量，整體變化不超過0.4%，可以保證原模型的大部分尺寸在公差范圍內；對于有更高要求的零件，還可以預留出加工余量來保證尺寸精度。
展開 電動汽車真空助力制動系統仿真研究
2.2 建模方法
2.2.1 助力器建模方法
先簡化真空助力裝置，將真空助力器機械系統簡化為推桿總成、內彈簧座、皮碗、閥體（活塞盤）、輸出推桿、反饋盤、雙助力調節機構等七個部件和四個彈簧部件。然后根據其相互作用關系，用數學模型（質量塊和接觸）進行搭建重現。使用閥類數學模型構建空氣閥座和皮碗之間的空氣閥，閥體和皮碗之間的真空閥。
展開 
揚聲器有效振動質量Mms以及有效輻射面積Sd
一、揚聲器有效振動質量Mms
折環/支片等可以類比彈簧的部件參與有效振動的質量為其本身質量的1/3。前提：該部件為均勻均厚且各項同性的材質。
具體推導過程可以參看南京大學《聲學基礎》第一章的內容。
二、揚聲器有效輻射面積Sd
精確測量/預測揚聲器有效輻射面積Sd是非常關鍵的，尤其對于微型揚聲器/高音/壓縮高音。
在這其中，Klippel公司做了一些工作?？梢圆捎肒lippel的Scanner模塊對Sd進行精確測量。另外還有一些近似預估的測量方法。 當然，知曉其原理后，也可以通過有限元進行仿真預測。
其原理就是將振膜整體運動移動的空氣體積△V，除以其△x，即得到振膜的等效Sd。不同頻率下的Sd是略有差異的。
當然實際運動過程不會這么簡單。大信號狀態下的有效輻射面積會發生變化；存在分割振動的模態時，有效輻射面積也會發生變化。 但對小信號狀態下的Sd預估是足夠精確的。
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展開 揚聲器有效振動質量Mms以及有效輻射面積Sd
一、揚聲器有效振動質量Mms
折環/支片等可以類比彈簧的部件參與有效振動的質量為其本身質量的1/3。前提：該部件為均勻均厚且各項同性的材質。
具體推導過程可以參看南京大學《聲學基礎》第一章的內容。
二、揚聲器有效輻射面積Sd
精確測量/預測揚聲器有效輻射面積Sd是非常關鍵的，尤其對于微型揚聲器/高音/壓縮高音。
在這其中，Klippel公司做了一些工作。可以采用Klippel的Scanner模塊對Sd進行精確測量。另外還有一些近似預估的測量方法。 當然，知曉其原理后，也可以通過有限元進行仿真預測。
其原理就是將振膜整體運動移動的空氣體積△V，除以其△x，即得到振膜的等效Sd。不同頻率下的Sd是略有差異的。
當然實際運動過程不會這么簡單。大信號狀態下的有效輻射面積會發生變化；存在分割振動的模態時，有效輻射面積也會發生變化。 但對小信號狀態下的Sd預估是足夠精確的。
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展開 揚聲器有效振動質量非線性Mms(x)
音圈，骨架，中心膠等肯定是100%計入有效振動質量的，關鍵在于折環/支片等可以類比彈簧，在運動過程中會產生較大形變的部件。
從《聲學基礎》的理論推導和上述文章中的仿真過程可以知道，可以類比彈簧的部件有效振動質量約為整體的1/3。
02 有效振動質量非線性Mms(x)
相關的研究非常少。下面只是個人的初步探討。
空氣隨動質量非線性Mair(x)和有效輻射面積非線性Sd(x)有關。Sd(x)的近似計算，仿真，測試方法都有在文章“揚聲器有效輻射面積非線性Sd(f,x)”中有寫，就不贅述了。
下面是一款環狀膜片壓縮高音Mmd(x)的仿真。
再看一款常規紙盆單元
可以看到Mmd的變化相當小。
在實際工程應用中對有效振動質量非線性可以不予考慮，近似認為其在整個振動過程中不變是合理的。
展開 除了驗電電筆還有其它用處嗎？是怎樣使用的？
電筆工作原理
低壓驗電筆是電工的眼睛，用來檢測導線、用電器和電氣設備是否帶電的一種工具，主要是由筆頭、氖泡、降壓電阻、彈簧等部件組成。當電流通過被測電器、人體和大地形成回路時，其漏電電流使氖泡發光而工作。
原理是帶電體與大地之間的電位差超過一定數值，氖泡就會發光，低于一定數值，就不發光，從而判斷低壓電氣設備是否帶電。
普通低壓驗電筆的電壓測量范圍在60--500v，低于60v氖泡有可能不會發光，高于500v的電壓必須使用相應電壓等級的驗電筆去測量，以免發生觸電事故。
測試交、直流電以及直流電正負極
驗電筆除了可以測量設備是否帶電外，還能測試出來交、直流電，以及直流電的正負極。在用驗電筆判別交、直流電時，用目測可以直接看出來。直流電的驗電筆氖泡只有一頭發光，測試交流電時，氖泡的中間會發光。
測試正負極時，把驗電筆兩端連接在直流電正負極之間，發光的一端（手握）為電源的負極，不亮的一端（電筆金屬筆尖）為正極。還有一種方法，就是利用直流電由負極流向正極的原理進行測試。電源電壓為110v及以上，若人與大地絕緣，一只手摸電源任何一極，另一只手持驗電筆，電筆金屬頭觸及被測電源另一極，氖泡前端（筆尖）發光，所測的就是負極，相反則是正極，
用兩只電筆判斷同相和異相
判斷電源是同相和異相的方法是，人體站在對地絕對絕緣的物體上，兩只手各拿一只電筆，同時觸及兩根帶電的導線，若是同一相，兩只電筆不會發光。
展開 “標準化”的重要性！
標準件是指結構、尺寸、標記等各個方面已經完全標準化，并由專業廠家高效的專業化生產的零部件，如螺紋件、鍵、銷、滾動軸承等等。標準庫一般是由公認的標準制定組織發布的標準件集，如國家標準件、行業標準件，企業標準件等。國內常用標準有國標GB，機標JB，化工HG，國軍標-國家軍用標準GJB和航標-航空行業標準HB等。此外德標DIN、歐標EN、國際ISO等也非常普及。
什么是“供應商標準件”？
也可以稱作外購件，即可以外部直接采購到的零件。和外協相對應，外協指的是委托別的公司生產。例如，軸承，緊固件，電阻器，氣缸，開關，彈簧等部件，現貨成品并能完成標準的功能。
產品設計師的主要職責之一是審核不同渠道的外購件，是否符合產品設計要求。比如規格，性能，工作環境等。一旦決定采購，外購件的產品數據及供應商數據就必須在企業內部重建，以便內部各種CAD，PLM，ERP，SCM等系統的使用，
一條組裝生產線所用到的零部件，90%都是直接外購的！
什么是“企業標準件”？
企業標準件有時也被稱作“通用件”，一般是企業自制或外協的零件。在不同類型或不同規格的產品中可以互換使用，給予統一編號的零部件。
“借用件”雖然形式上是專用件，但是實際上作為通用件使用。借用時使用原來的編號，嚴格遵守借用原則，需要更改時，應嚴格按借用件的更改制度進行。
企業標準件庫的建立維護就是持續定義高使用頻率的零部件，獨立編號、建立圖冊供設計人員選用。
所有標準件應該統一管理易于查找，比如運用PDM系統。設計師應按照設計規范，確保標準件的重用和正確使用。每個企業都有“制造“和“購買”零部件的不同組合，但是不管怎樣的比例企業都應擁有獨特的工作流程來控制標準件的使用和修訂。尤其是當企業使用多種CAD系統時。
展開 揚聲器有效振動質量Mms的仿真探討
揚聲器有效振動質量Mms的仿真探討
之前有提到折環/支片等可以類比彈簧的部件參與有效振動的質量為其本身質量的1/3。前提：該部件為均勻均厚且各向同性的材質。具體推導過程可以參看南京大學《聲學基礎》第一章的內容。
揚聲器有效振動質量Mms以及有效輻射面積Sd
但是由于《聲學基礎》教材上是采用帶自重的理想彈簧模型，將這個模型套用到揚聲器上是否需要進行修正？
于是我做了一個很有意思的嘗試。能否采用仿真的方式來驗證這個理論的推導是否正確？
模型采用簡化版揚聲器音盆組，不帶膠水和粘接面的模型，為簡化計算
采用兩種方式進行揚聲器有效振動質量Mms的仿真計算
1.
展開 福特開發出碳纖維后懸架轉向節
復合材料的轉向節-系桿原型
通過對碳纖維的獨特部署，以及采用優化的技術和訂制的生產工藝，該復合材料的后懸架轉向節相比目前制造的鋼部件，最大可減重50%。
鋼制的轉向節-系桿
通過綜合應用先進的加工技術與GRM Consulting的仿真技術，該團隊開發出了一種在同類設計中尚屬第一的設計。該部件的設計是完善的，目前，對部件的生產和試驗正在進行之中，目的是開發出大規模的量產工藝。
引言
為滿足日益嚴格的排放法規及客戶對延長電動車續航里程的要求，全球汽車行業正在加緊推進實現減重目標。通過選出一種量產的鋼懸架部件來對其進行重新設計，以將其作為一種可制造的復合材料輕量化部件，福特汽車公司啟動了開發周期。所選出的部件呈現出了“最小剛度與最大剛度”、“屈曲指標與強度指標”等彼此矛盾的要求。對這一特殊的非彈簧支撐部件的減重，可提升彈簧和阻尼器的相對有效性，從而改善乘員的舒適性和駕駛員的操作性。這一新開發的復合材料部件已證明適用于高性能的C級汽車。在材料與工藝選擇之間獲得的細膩而完美的平衡，令總的生產循環時間低至5 min. 。
合作必不可少
這一成功的故事，是由Innovate UK部分資助的一個為期兩年的項目以及由包括福特汽車公司、Gestamp、WMG、華威大學和GRM Consulting公司在內的一群組織實施的結果。該項目的名稱為“復合材料輕量化汽車懸架系統（簡稱‘CLASS’）”。復合材料技術已不可阻擋地從學術研究和航空工業進入到了主流汽車工程實踐之中，以抵消電動汽車和自動駕駛汽車固有重量的增加。對于主流汽車行業整體而言，復合材料性能的復雜性仍然是有待克服的挑戰性問題。雖然大量的研究一直致力于從工業和學術兩個層面上去理解復合材料，但對復合材料的性能進行預測的藝術尚處于初級階段。
展開 
機床卡盤在發動機軸類部件加工時的選型和維護
圖6 浮動卡盤浮動量的檢查
卡盤內部密封件、墊片和彈簧等部件的定期更換：矩形彈簧、卡盤本體、卡盤后端蓋、矩形彈簧和球形支撐中的密封和彈簧，需要根據使用頻次和上述檢測結果，進行定期更換，否則會因為疲勞損壞，導致浮動量和剛性卡盤跳動。
通過以上對卡盤結構調整和維護要點的分析，在卡盤選型方面注意以下原則：如果被加工部件的卡盤夾持部位為毛坯面，優先選擇浮動卡盤，而剛性卡盤應用在被加工部件的卡盤夾持面為粗、半精/精加工后的面。遵循以上基本規律后，具體還要配合不同工況進行精準選擇。
剛性卡盤的選擇：①加工工況的切削量大，切削力大，被加工工件夾持、中心架支撐后，需要較強的工件剛性和較大的工件旋轉驅動力的情況。②無頂尖等一次性定心機構，需要卡盤定心的設計時。
浮動卡盤選擇：①對工件主軸的定心要求高，卡盤夾持后利用自身的浮動不打亂工件主軸的一次定心。②切削量不大，僅需要驅動工件主軸旋轉和增加工件剛性的情況。
以上說明了浮動和剛性卡盤的結構區別、維護和選型要求，對于卡盤相關的使用和維護有一定幫助。如果需要更深層次的理解和靈活運用，需要不斷地在現場使用和維護中總結經驗。
展開 機床卡盤在發動機軸類部件加工時的選型和維護
圖6 浮動卡盤浮動量的檢查
卡盤內部密封件、墊片和彈簧等部件的定期更換：矩形彈簧、卡盤本體、卡盤后端蓋、矩形彈簧和球形支撐中的密封和彈簧，需要根據使用頻次和上述檢測結果，進行定期更換，否則會因為疲勞損壞，導致浮動量和剛性卡盤跳動。
通過以上對卡盤結構調整和維護要點的分析，在卡盤選型方面注意以下原則：如果被加工部件的卡盤夾持部位為毛坯面，優先選擇浮動卡盤，而剛性卡盤應用在被加工部件的卡盤夾持面為粗、半精/精加工后的面。遵循以上基本規律后，具體還要配合不同工況進行精準選擇。
剛性卡盤的選擇：①加工工況的切削量大，切削力大，被加工工件夾持、中心架支撐后，需要較強的工件剛性和較大的工件旋轉驅動力的情況。②無頂尖等一次性定心機構，需要卡盤定心的設計時。
浮動卡盤選擇：①對工件主軸的定心要求高，卡盤夾持后利用自身的浮動不打亂工件主軸的一次定心。②切削量不大，僅需要驅動工件主軸旋轉和增加工件剛性的情況。
以上說明了浮動和剛性卡盤的結構區別、維護和選型要求，對于卡盤相關的使用和維護有一定幫助。如果需要更深層次的理解和靈活運用，需要不斷地在現場使用和維護中總結經驗。
展開 向量力模擬彈性件的想法
一些新學Adams多體的朋友，會問出一些問題，在view模塊下，模擬非線性的襯套，彈簧等彈性黏性部件，搞不定～ 因為view好像只有彈性的參數。 其實我們還可以直接用vforce模擬這些彈性件。本質上都是i和j兩個part之間力的作用，如果力和變形有關，就是彈簧，力和速度有關，就是減震器。 這個關系說到底就是一個插值函數
汽車懸架知識專題（8）：汽車性能對懸架的要求
汽車的固有頻率是衡量汽車平順性的重要參數，它由懸架剛度和懸架彈簧支承的質量（簧載質量）所決定。人體所習慣的垂直振動頻率約為1～1.6Hz。車身振動的固有頻率應接近或處于人體適應的頻率范圍，才能滿足舒適性要求。固有頻率按下式計算：
式中：g-重力加速度； f-懸架垂直變形（撓度） M-懸架簧載質量
C(=Mg/f)-懸架剛度是指懸架產生單位垂直壓縮變形所需加于懸架上的垂直載荷 從固有頻率公式可以看出，在懸架垂直載荷 一定時，懸架剛度越小，固有頻率就越低
但懸架剛度越小，載荷一定時懸架垂直變形就越大。這樣若無有足夠大的限位行程，就會使撞擊限位塊的概率增加。若固有頻率選取過低，很可能會出現制動點頭角，轉彎側貨角，空載和滿載車身高度變化過大。一般貨車固有頻率是1.5～2Hz，旅行客車1.2～1.8Hz，高級轎車1～1.3Hz。另外，當懸架剛度一定時，簧載質量越大，懸架垂直變形也愈大，而固有頻率越低。空車時的固有頻率要比滿載時的高?；奢d質量變化范圍大，固有頻率變化范圍也大。為了使空載和滿載固有頻率保持一定或很小變化，需要把懸架剛度做成可變或可調的。
影響汽車平順性的另一個懸架指標是簧載質量?；奢d質量分為簧上質量與簧下質量兩部分，由彈性元件承載的部分質量，如車身、車架及其它所有彈簧以上的部件和載荷屬于簧上質量。車輪、非獨立懸架的車軸等屬于簧下質量，也叫非簧載質量M。
影響汽車平順性的另一重要指標是阻尼比Ψ，它表達為：
k-代表懸架阻尼元件的阻力系數。
Ψ值取大，能使振動迅速衰減，但會把路面較大的沖擊傳遞到車身，Ψ值取小，振動衰減慢，受沖擊后振動持續時間長，使乘客感到不舒服。為充分發揮彈簧在壓縮行程中作用，常把壓縮行程的阻尼比Ψ設計得比伸張小。
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