汽車空氣懸架均衡梁的有限元分析優化

趙軍峰

上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438

0 引言

空氣懸架系統是當今流行于發達國家汽車行業的先進產品，在牽引車上面的使用率已經達到了80%，結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展和運用創造了有力的硬件條件。

據統計，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代化交通網絡的基本骨架和結構。隨著我國高速公路的快速發展，必然會對汽車的操縱穩定性、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護的重視，并適時制訂了超限超載等相關法規與政策，使得空氣懸架系統在重型汽車上的應用進一步擴大，因此，為了更好的適應高速公路運輸的需要，半掛牽引車應盡可能的使用空氣懸架系統。

1 空氣懸架結構特點

半掛牽引車全氣囊式空氣后懸架系統，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、均衡梁和橫向穩定桿等結構。

均衡梁通過整體鑄造成形，能夠有效的提高產品結構強度和外觀質量，并且能夠降低裝配工序流程的復雜程度。在滿足結構強度和疲勞壽命的同時，經過優化設計，此均衡梁結構可以有效降低重量，滿足輕量化的設計要求。

2 均衡梁受力分析

2.1 最大驅動力工況

α轉矩適應性系數： 1.3發動機最大功率（kw）： 420發動機最大功率轉速（r/min）： 2200發動機最大轉矩（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汽車質心與前軸中心之間的水平距離Lf： 1200 mm整車整備質量m： 20500 kg質心高度h： 700 mm

前軸負荷Fzfo： 7500 kg汽車質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，可根據單個循環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數。由于減震器復原阻尼力要比壓縮阻尼力大的多，因此，在極限工況下，將減震器的最大復原阻尼力作為均衡梁有限元分析的邊界條件值。

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

2.4 橫向穩定桿極限工況

橫向穩定桿的截面慣性距：

端點的橫向穩定桿剛度：

穩定桿的側傾角剛度：

當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 網格劃分的設置

在通過有限元網格劃分工具Hypermesh，對均衡梁模型進行網格劃分，同時設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點總數是638608，單元總數為384332。

3.3 約束條件的確立

圖1 均衡梁等效應力圖

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等效應力圖，如圖1所示。由均衡梁的等效應力圖可得，均衡梁的最大應力σ’max=221MPa。最大應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（騎馬螺栓預緊力：109092N），推力桿與均衡梁連接處。

從有限元校核結果可知：

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 結論

將上述計算結果作為均衡梁的有限元邊界條件，對均衡梁結構進行強度、變形和疲勞分析與校核，分析結果為空氣懸架牽引車樣車的設計開發提供了合理的理論依據。均衡梁有限元分析結果表明：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力值區域，是均衡梁結構的薄弱環節。

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節，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域進行局部熱處理，從而提高均衡梁的強度與疲勞壽命。

[1]楊啟耀，周孔亢，張文娜，等.半主動空氣懸架Fuzzy-PID控制[J].農業機械學報，2008.

[2]王望予.汽車設計[M].4版.北京：機械工業出版社，2004，8.

[3]郭文觀，石柏軍.空氣懸架的發展和試驗方法研究[J].機床與液壓，2008.

[4]張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊[M].2版.北京：機械工業出版社.