ショックアブソーバーのマルチフィジックスCAE

ショックアブソーバーは車の重要な部品です。 ショックアブソーバは、路面の凹凸による衝撃荷重による振動を観測するために使用され、車両の安定性や操縦性、ハンドリングに影響を与えることなく動作します。 一般に軽自動車のサスペンション要素には円筒コイルバネが使用されています。 この記事で説明するアプリケーションでは、さまざまなサスペンション スプリングを使用したショックアブソーバーの性能を解析します。 この解析には、固体高さ、減衰性能、閉コイル円錐形および円筒形圧縮バネの振動能力の比較モデリングと解析、および性能を向上させるための適切な設計の提案が含まれます。

地上車両のサスペンション システムは、通常、路面の凹凸から車体を隔離し、車輪と地面との接触を維持することを目的として設計されています。 分離は、らせん状の圧縮スプリングとダンパーの使用、および個々のサスペンション コンポーネントの接続部の弾性取り付けによって実現されます。

実際の観点から、車両には道路外乱と負荷外乱という 2 つの大きな外乱が存在します。 道路外乱は、坂道などの低周波では大きく、路面の荒れなどの高周波では小さくなります。 負荷外乱には、加速、制動、コーナリングによって引き起こされる負荷の変動が含まれます。 したがって、優れたサスペンション設計は、出力へのこれらの外乱からの外乱の除去に重点を置いています。 従来のサスペンションは、道路の外乱を遮断するために「ソフト」であり、負荷の外乱を遮断するために「ハード」である必要があります。

したがって、ショックアブソーバーの設計は、これら 2 つの目標の間の妥協の芸術です。 サスペンション システムのショックアブソーバーの主な機能は、凹凸のある路面によって発生する衝撃や振動から構造物や乗員を隔離することです。 ショックアブソーバーには路面からの衝撃を吸収するための弾性抵抗が必要です。これはサスペンション スプリングによって実現されます。

車両サスペンション システムの主な目的は次のとおりです。

スプリングは自動車のサスペンション部品であり、路面の凹凸による衝撃や段差を最小限に抑え、快適な乗り心地を実現するために必要な部品です。 ばねは、荷重がかかると圧縮され、荷重が取り除かれると元の形状に戻る機能を持つ弾性体として定義されます。 機械ばねは、力を加え、柔軟性を与え、エネルギーを蓄積または吸収するためにショックアブソーバーに使用されます。 力は、軸方向に押すか引くか、または半径方向に作用する場合があります。 トルクを利用して回転を引き起こすことができます。

ばねは、たわんだときにばねによって加えられる力の方向と特性に従って分類できます。 荷重がかかっていない状態のばねの高さを自由長といいます。 圧縮力が加えられると、コイルは互いに接触するまで押し付けられます。 圧縮後の圧縮されたばねの高さを固体長と呼びます。 コイルばねの主な目的は、力を加え、動きを制御し、振動を制御し、衝撃を軽減することです。

圧縮バネは、コイル間に間隔をあけて巻かれた螺旋コイルバネであり、自由長から短い動作長まで圧縮することができます。 これにより、バネがエネルギーを蓄え、力または圧力を与えることができます。 圧縮バネの用途には、別のコンポーネントの動きに抵抗すること、コンポーネントを目的の位置に戻すこと、一定の圧力を提供すること、エネルギーを蓄積および解放することが含まれます。

円筒形の圧縮バネは、円筒形の形状にワイヤの螺旋状に巻かれています。 発生する主な応力は、ねじりによるせん断です。 加えられる荷重はバネの軸と平行です。 ワイヤの断面は、円形、正方形、または長方形であってもよい。 図 2 は、このアプリケーションで使用される円筒圧縮バネのモデルを示しています。 円筒形の圧縮バネは、両端の 2 つの円形リングでしっかりと取り付けられています。

円錐形の圧縮バネは、円錐形の形状にワイヤの螺旋状に巻かれています。 発生する主な応力は、ねじりによるせん断応力と、曲げによる引張応力と圧縮応力です。 図 3 は、この実験で使用された円錐形の圧縮バネの設計を示しています。 この設計では、スプリングの両端が 2 つの異なる直径の円形リングでしっかりと取り付けられています。

このアプリケーションでは、円筒形および円錐形の圧縮バネの減衰性能が数値的に解析されます。 数値モデルは、COMSOL Multiphysics ソフトウェア (COMSOL, Inc.、バーリントン、マサチューセッツ州) の固体力学インターフェイスを使用して開発されます。 線形定常解析を実行して、さまざまな荷重条件での望ましいたわみと応力を取得します。

図 2 および 3 は、この調査で使用されたそれぞれのばね設計の CAD モデルを表しています。 どちらのモデルも、コイル直径、自由長、アクティブなコイルの数、および材料特性が同じになるように設計されています。

個々のばねモデルは下端で固定されているものとし、上端には圧縮力がかかります。 現在の用途では、半径方向のたわみは無視されます。 100 N ～ 2000 N のさまざまな圧縮荷重が、線形静止研究環境でパラメトリックに適用されます。

図 12 に示す微分方程式 (x = 変位、k = ばねの剛性、m = 荷重質量) は両方のばね設計に実装され、COMSOL Multiphysics の固体力学物理環境で解決されます。

シミュレーション結果 (図 4 ～ 7) は、指定された荷重パラメーターに対する両方のモデルの最大たわみとフォン ミーゼス応力の値を示しています。 円筒ばねの設計では 700 N でたわみが 45 mm に制限されますが (図 8)、円錐ばねは 2000 N でたわみが 80 mm で動作します (図 10)。 円錐形のばねは、円筒形のばねと比較して、最大の圧縮、負の固体高さ、および良好な振動を示します。

この最適化された円錐形スプリングの設計は、ショックアブソーバーの通常のスプリングと比較して過酷な条件でも動作する可能性を示しています。 円錐形の圧縮スプリング設計により、優れた横方向の安定性と乗り心地を実現します。 負の固体高さは、ショックアブソーバー内の円錐形の圧縮バネによって実現でき、衝撃を軽減します。 円錐ばねの設計により、振動と車輪と地面の接触が向上します。 非線形マルチフィジックス研究は、構造設計の最適化と、環境発電型、低コスト、高性能ショックアブソーバーの開発のために実行されます。

この記事は、インドのバンガロールにある ATOA Scientific Technologies の Asutosh Prasad と Raj C Thiagarajan によって執筆されました。 このプロジェクトで使用されている COMSOL 製品の詳細については、 http://info.hotims.com/61065-321 を参照してください。

この記事は、Motion Control & Automation Technology Magazine の 2016 年 9 月号に初めて掲載されました。

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