重型汽車平衡軸強度分析

摘要：重型汽車平衡軸作為連接車橋和車身的主要部件，受多種載荷作用，其強度直接影響著整車壽命，因此對平衡軸強度的分析研究是非常必要的。依據重型汽車平衡軸的受力特點，應用ANSYS軟件，選取五種典型工況對平衡軸進行強度分析研究，結果表明，平衡軸在各工況下都能滿足設計和使用要求，整體穩定可靠。

關鍵詞：重型汽車；平衡軸；有限元；強度；分析

中圖分類號：U463.33 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0051-03

Strength Analysis of Balance Shaft for Heavy-Duty Vehicle

MAO Guo-chao

（Zhengzhou Yutong Heavy Industries Company，Zhengzhou 450051，China）

Abstract:As the main parts by which conneeting the axle with the body，the balance shaft for heavy-duty vehicle undertakes multiple load.Its strength influences the vehicle”s durability.Therefore，it is necessary to make analytical study the strength of the balance shaft.Based on the balanced shaft feature of the heavy duty vehicle，adopting finite element analysis software ANSYS to study the strength of balance shaft under five representative work condition.The result shows that the balance shaft has a reliable performance in every work condition which can meet the requirement.

Key words: heavy-duty vehicle；balance shaft；finite element；strength；analysis

平衡軸是重型汽車的重要組成部分，其主要作用是傳遞車輪和車身之間的一切力和力矩，它承受車身的質量和載荷以及各工況下車輪的動載荷，特別是重型汽車作業環境非常惡劣，造成平衡軸的芯軸、橫梁和支架長期受沖擊載荷和交變載荷的作用，因此，平衡軸必須具有足夠的強度。

本文通過現代先進設計軟件對重型汽車平衡軸進行強度分析，深入了解平衡軸的受力特點，理論上驗證平衡軸的可靠性。

1 建模

1.1 平衡軸實體模型建立

平衡軸是復雜裝配件，所以選用Unigraphics NX軟件進行三維建模，再通過Parasolid將數據轉換到ANSYS軟件的前處理模塊中，這樣可以提高建模速度，保證計算結果的準確性。

此平衡軸由支架、芯軸、板簧座、托架、橫梁、油封環及擋圈等零件組成，模型比較復雜，必須合理簡化，非主要承載件在做整體分析時可忽略，只保留支架、芯軸、板簧座、托架和橫梁進行分析。這些零件都是復雜的鑄造件，此模型要用于以后的有限元分析計算，所以要考慮CAE模型的特點。在建模過程中，將平衡軸的零件單獨建模，最后在裝配環境下把各個零件裝配起來，平衡軸的三維模型如圖1所示。

1.2 有限元模型建立和載荷處理

平衡軸和車架之間是剛性連接，而整車的絕大多數載荷是直接施加在車架上，因此，為了獲得準確的計算結果，將平衡軸和車架作為一體來分析。

1.2.1 有限元模型建立

利用簡化后的平衡軸和車架一體三維模型，以ANSYS軟件為分析平臺，進行網格劃分，采用Solid45單元，平衡軸各零件力學性能參數見表1。建立有限元模型，如圖2所示。

1.2.2 載荷處理

將車輪與平衡軸之間的拉桿看做二力桿，忽略拉桿自身質量，車輪載荷直接施加在平衡軸橫梁上。車身上各總成載荷直接施加在車架上，確定各載荷坐標值、質心位置和分布情況，質心位置衡量坐標系如圖3所示。將駕駛室、發動機、變速箱、舉升系統、保險杠分別用1個集中載荷來近似處理。對于車廂滿載物料載荷，將車廂與車架接觸力分成兩段不同的均布載荷，以保證質心位置，其原理見圖4。

2 有限元分析

2.1 典型工況的選取

典型工況的選取主要考慮芯軸、橫梁、支架和托架的受力情況，本文選取的5種工況具體如下：

1）工況1為滿載靜止；

2）工況2為滿載，右前輪抬起0.332 m，左后輪抬起0.172 m；

3）工況3為滿載舉升工況；

4）工況4為制動工況；

5）工況5為滿載，左中、后輪抬起0.3 m，即為偏載工況。

2.2 各工況分析結果

本文針對平衡軸在5種典型工況下的主要零件進行分析，主要分析芯軸、橫梁、支架和托架的應力（均按第四強度理論計算）分布情況。

材料的安全系數n一般取1.15~1.50，考慮到重型汽車運行工況比較惡劣，取n=2。因芯軸主要承受剪切作用，所以芯軸要以許用剪切應力來分析。各零件的許用應力如表2所示。

2.2.1 工況1

重型汽車在滿載靜止時，平衡軸承受一定的靜壓力，該靜壓力對芯軸產生剪切作用，對橫梁、支架和托架產生彎曲作用，該工況平衡軸等效應力分布如圖5所示。從等效應力云圖可以看出，支架最大應力在90 MPa以下，托架最大應力在55 MPa以下，橫梁最大應力小于44 MPa，芯軸最大應力為100 MPa，所有零件最大應力均小于材料許用應力，因此平衡軸在靜載狀態下是安全可靠的。

2.2.2 工況2

重型汽車滿載，右前輪抬起0.332 m、左后輪抬起0.172 m。這種工況發生在路面條件極差的情況下，平衡軸承受瞬時沖擊作用，車輪通過拉桿對橫梁產生縱向彎曲作用，該工況平衡軸等效應力分布如圖6所示。從等效應力云圖可以看出，支架和芯軸最大應力為100 MPa，托架最大應力在44 MPa以下，橫梁最大應力小于90 MPa，所有零件最大應力均小于材料許用應力，因此平衡軸在此工況下是安全可靠的。

2.2.3 工況3

重型汽車滿載舉升時，物料載荷向車輛后端轉移，平衡軸承受較大的靜壓力，該靜壓力對芯軸產生較大的剪切作用，該工況平衡軸等效應力分布如圖7所示。從等效應力云圖可以看出，支架最大應力在106 MPa以下，托架最大應力約為53 MPa，橫梁最大應力在40 MPa以下，芯軸最大應力小于120 MPa。所有零件最大應力均小于材料許用應力，因此平衡軸在此工況下是安全可靠的。

2.2.4 工況4

重型汽車滿載制動時，平衡軸承受較大的沖擊載荷，該沖擊載荷對芯軸產生較大剪切作用，對支架產生較大的彎曲作用，對橫梁兩段拉桿位置產生較大拉伸作用，該工況平衡軸等效應力分布如圖8所示。從等效應力云圖可以看出，支架最大應力約為110 MPa，托架最大應力小于80 MPa，橫梁最大應力在105 MPa以下，芯軸最大應力約為120 MPa。所有零件最大應力均小于材料許用應力，因此平衡軸在此工況下是安全可靠的。

2.2.5 工況5

重型汽車滿載，左中、后輪抬起0.3 m。此工況下物料載荷重心向車輛左側轉移，平衡軸左側承受較大載荷，對左側芯軸產生較大剪切作用，對左側支架產生較大彎曲作用，該工況平衡軸等效應力分布如圖9所示。從等效應力云圖可以看出，左側支架和芯軸最大應力為120 MPa，托架最大應力在53 MPa以下，橫梁最大應力小于66 MPa，所有零件最大應力均小于材料許用應力，因此平衡軸在此工況下是安全可靠的。

3 結論

通過對以上5種典型工況下平衡軸的應力分析，得出了相應工況下的應力分布。結果表明，該平衡軸主要零件的強度滿足設計和使用要求。此平衡軸在某公司重型非公路自卸車上使用，經過兩年的礦區惡劣工況試驗，支架、芯軸、橫梁、托架均未出現疲勞損壞現象，實際驗證了平衡軸是安全可靠的。

對于重型汽車平衡軸這類復雜裝配件的強度分析和優化設計，有限元法是一種有效的方法，其結果準確直觀，分析結果為后期強度試驗提供了應力點測試的依據。通過早期的強度分析可以在設計初期發現設計問題，及時解決。這一方法對重型汽車其他部件的強度分析和改進設計同樣具有應用和參考價值。

參考文獻：

［1］ 高光華，楊紅普，郭海樂.礦用汽車車架結構分析［J］.工程機械，2009，（5）：40-43.

［2］ 樊衛平.TL3400重型自卸車平衡懸架有限元分析［J］.武漢理工大學學報，2007，（6）：143-145.

［3］ 石作維.機械結構拓撲優化及其在重型卡車平衡軸支架改進設計中的應用［D］.中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2009.

［4］ 閔成.重型卡車平衡軸［P］.CN2590787，2003-12-10.

［5］ 劉惟信.汽車設計［M］.北京：清華大學出版社，2001.