汽車空氣懸架均衡梁的有限元分析優(yōu)化

趙軍峰

上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438

0 引言

空氣懸架系統(tǒng)是當(dāng)今流行于發(fā)達國家汽車行業(yè)的先進產(chǎn)品，在牽引車上面的使用率已經(jīng)達到了80%，結(jié)合目前我國高速公路的不斷拓展和改善，從某種程度上為汽車空氣懸架的發(fā)展和運用創(chuàng)造了有力的硬件條件。

據(jù)統(tǒng)計，截止2007年底，我國高速公路的通車里程已接近5.36萬公里，高速公路總里程穩(wěn)居世界第二，僅次于美國，而且隨著高速公路以每年4000km的速度增長，我國到2012年底將建成8.9萬公里的高速公路，基本上完成了我國現(xiàn)代化交通網(wǎng)絡(luò)的基本骨架和結(jié)構(gòu)。隨著我國高速公路的快速發(fā)展，必然會對汽車的操縱穩(wěn)定性、平順性和安全性提出更高的要求，從整體上對空氣懸架在國內(nèi)市場的運用起到了很好的促進作用。

另外，伴隨著重型汽車對路面破壞機理的研究與認識逐步加深，以及國家對高速公路養(yǎng)護的重視，并適時制訂了超限超載等相關(guān)法規(guī)與政策，使得空氣懸架系統(tǒng)在重型汽車上的應(yīng)用進一步擴大，因此，為了更好的適應(yīng)高速公路運輸?shù)男枰霋鞝恳噾?yīng)盡可能的使用空氣懸架系統(tǒng)。

1 空氣懸架結(jié)構(gòu)特點

半掛牽引車全氣囊式空氣后懸架系統(tǒng)，包括車架、后橋、膜式空氣彈簧、高度傳感器總成、儲氣筒總成、減震器總成，以及支架、橡膠限位塊、V型推力桿、縱向推力桿、均衡梁和橫向穩(wěn)定桿等結(jié)構(gòu)。

均衡梁通過整體鑄造成形，能夠有效的提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度和外觀質(zhì)量，并且能夠降低裝配工序流程的復(fù)雜程度。在滿足結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命的同時，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，此均衡梁結(jié)構(gòu)可以有效降低重量，滿足輕量化的設(shè)計要求。

2 均衡梁受力分析

2.1 最大驅(qū)動力工況

α轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)： 1.3發(fā)動機最大功率（kw）： 420發(fā)動機最大功率轉(zhuǎn)速（r/min）： 2200發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩（N·m）： 1767.25變速器傳動比ig： 14.86主減速比i0： 10.24機械傳動效率： 0.85汽車驅(qū)動力（kN）: 358.27

2.2 最大制動力工況

前、后軸軸距L： 3300 mm汽車質(zhì)心與前軸中心之間的水平距離Lf： 1200 mm整車整備質(zhì)量m： 20500 kg質(zhì)心高度h： 700 mm

前軸負荷Fzfo： 7500 kg汽車質(zhì)心與后軸中心之間的水平距離Lr： 3300.00 mm整車整備重量G： 200900.00 N后軸負荷Fzro： 13000.00 kg制動加速度aB(g) 0.8車輪-地面附著系數(shù)μ 0.8前軸負荷Fzf 80,865 N前軸最大制動力FBf 64,691.9 N前軸負荷增加比例：Fzf/Fzfo 146 %

制動時，作用在后軸上的垂直負荷是減少的，用于靜強度計算后輪制動最大工況：

后輪上的制動力FBm2f: 101920 N后輪上的垂直力FVB2f: 127400 N

2.3 減震器極限工況

在給定頻率和幅值的情況下，可根據(jù)單個循環(huán)所測得的減震器位移和阻尼力，利用計算機程序繪制出減震器示功圖和速度特性曲線，其中，減震器在某位移處的速度即為減震器在該位移處的導(dǎo)數(shù)。由于減震器復(fù)原阻尼力要比壓縮阻尼力大的多，因此，在極限工況下，將減震器的最大復(fù)原阻尼力作為均衡梁有限元分析的邊界條件值。

根據(jù)減震器的示功圖，減震器在極限工況下的最大復(fù)原阻尼力值為Fmax=8kN。

2.4 橫向穩(wěn)定桿極限工況

橫向穩(wěn)定桿的截面慣性距：

端點的橫向穩(wěn)定桿剛度：

穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度：

當(dāng)端點的垂向位移差達到30mm時：

作用在端點上的力：

3 空氣懸架均衡梁受力分析

3.1 材料特性

空氣懸架均衡梁主要采用ZG270中碳鑄鋼鑄造而成。該材料具有一定的韌性及塑性，強度和硬度較高，切削性良好。

表1 ZG270-500 材料特性

3.2 網(wǎng)格劃分的設(shè)置

在通過有限元網(wǎng)格劃分工具Hypermesh，對均衡梁模型進行網(wǎng)格劃分，同時設(shè)定實體單元的整體大小為4mm，公差為0.3mm，生成的均衡梁有限元模型中節(jié)點總數(shù)是638608，單元總數(shù)為384332。

3.3 約束條件的確立

圖1 均衡梁等效應(yīng)力圖

對均衡梁有限元模型進行線性靜力分析，所得到的均衡梁VonMises等效應(yīng)力圖，如圖1所示。由均衡梁的等效應(yīng)力圖可得，均衡梁的最大應(yīng)力σ’max=221MPa。最大應(yīng)力主要分布于空氣懸架后橋安裝座平面與騎馬螺栓安裝孔的接觸處（騎馬螺栓預(yù)緊力：109092N），推力桿與均衡梁連接處。

從有限元校核結(jié)果可知：

σ’max＜σmax=230MPa，該半掛車空氣懸架均衡梁基本滿足半掛牽引車運行過程中的強度要求。

4 結(jié)論

將上述計算結(jié)果作為均衡梁的有限元邊界條件，對均衡梁結(jié)構(gòu)進行強度、變形和疲勞分析與校核，分析結(jié)果為空氣懸架牽引車樣車的設(shè)計開發(fā)提供了合理的理論依據(jù)。均衡梁有限元分析結(jié)果表明：在后橋安裝座平面與騎馬螺栓安裝孔接觸處、推力桿與均衡梁連接處、均衡梁中部均存在較大的應(yīng)力值區(qū)域，是均衡梁結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

因此，在均衡梁樣件制造加工過程中，需要對均衡梁的上述薄弱環(huán)節(jié)，采取減少氣泡、砂眼、縮松、夾雜等制造缺陷形成的精鑄工藝，同時可對均衡梁的上述薄弱區(qū)域進行局部熱處理，從而提高均衡梁的強度與疲勞壽命。

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