客車后獨立懸架后縱臂結構改進設計

方 朝，嚴 格，周 華

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

該客車的后懸架形式為單縱臂式螺旋彈簧獨立懸架，結構主要構成包括后縱臂、螺旋彈簧、減振器等[1]，如圖1所示。其中的后縱臂有三段方形管狀梁焊接而成，在縱臂的前端通過橡膠、金屬支撐與車架作鉸式連接，縱臂的后端與輪轂、螺旋彈簧、減振器相連。由于該懸架縱臂結構本體上存在多道焊縫，加工工藝復雜且焊縫質量不易保證，而縱臂的受力情況較為惡劣，使用過程中縱臂曾有裂紋出現，因而在縱臂本體上加焊一加強板結構來提高強度，見圖1，使縱臂的加工更為復雜。同時，作為承受扭矩的構件，后縱臂原結構抗扭剛度不足，車輛在使用中有輪胎偏磨現象。因此，有必要對原后縱臂結構進行改進設計。

圖1 后縱臂結構示意圖

1 結構設計方案

1.1 縱臂的受力特點

對于單縱臂式的后懸架形式，扭矩主要通過縱臂進行傳遞。路面對車輛的垂直載荷經輪轂、銷軸、螺旋彈簧的順序傳遞至車架[2]，遵循力傳遞路線最短的原則。同時，由于垂直力距離縱臂軸線有一定的偏心距離，從而形成了扭矩，而螺旋彈簧、減震器無法傳遞扭矩，因此該扭矩需經縱臂結構，傳遞至縱臂前端與之相連的車架處。

1.2 新結構設計方案

針對后縱臂的受力特點及原有后縱臂結構加工復雜、焊接品質不易保證、抗扭剛度不足的缺點，新后縱臂設計擬采用上下沖壓件焊合的結構形式。在上、下沖壓件翻邊處，用CO2保護焊將其焊接成封閉的構件，通過增大縱臂橫截面積以提高抗扭剛度。結構設計示意圖見圖2、圖3。兩種設計方案的主要區別在于法蘭座的結構形式不同。

圖2 結構方案1

圖3 結構方案2

2 有限元分析

利用有限分析工具，在相同的建模條件下，對后縱臂的兩種設計方案進行比較計算。由于后縱臂為薄壁結構，因此利用殼單元對幾何進行網格劃分[3]，單元大小3 mm。利用剛性單元模擬焊接，建立如下有限元模型。

2.1 計算的工況

計算的工況包括：

（1）彎曲工況。在輪轂中點垂直施加1/2的后懸掛軸荷；

（2）轉彎工況。考慮轉彎時的載荷轉移，取地面附著系數為0.6，作用力為1.3倍標準垂載荷+側向力+等效扭矩；

（3）制動工況。取地面附著系數為0.6，作用力為標準垂直載荷+制動力+扭矩。

2.2 結果分析

（1）應力分布對比。在相同的工況條件下，計算得到的結果顯示，新結構的應力分布規律和數值與原有結構有明顯的差別。如圖4為彎曲工況下各方案結構的應力分布圖。

圖4 彎曲工況下各方案結構的應力分布圖

計算的兩種新結構方案，由于橫截面積增大，因此后縱臂的前端（即靠近鉸鏈的部分）應力明顯下降，如圖5所示。

圖5 方案1、2輪軸區域的應力分布情況

在垂直載荷工況下，新后縱臂結構的高應力區，主要分布在靠近后輪軸的橫截面附近，符合前文說分析的最短垂直載荷傳遞路線，即后輪上的載荷經輪軸—后縱臂—螺旋彈簧—車身的路徑傳遞。而原有結構中，高應力區分布在后縱臂的前端，這是因為原結構抗扭剛度較弱，因此在相同垂直載荷引起的扭矩作用下，應力偏高。這也是車輛使用過程中發生磨胎、車輪定位參數改變的一個重要原因。

由于安裝基座的結構形式及其連接方式的區別，方案1、2在輪軸附近的應力，亦有差別，采用碗狀安裝基座的結構形式（方案2）的方案應力集中較小。

圖6 方案1輪軸區域的應力傳遞

從方案1應力分布圖6可知，高應力區位于后縱臂沖壓件與方形安裝基座的焊接處，輪軸所受載荷經方形鐵塊，再通過焊縫傳遞至縱臂結構，此處為線傳力結構，載荷集中作用在焊縫處因此應力較高。

而方案2結構中的部分高應力點計算數值較實際高，原因在于有限元建模存在的缺陷，只能通過焊縫位置傳力。而實際結構中，由于接觸面積大，從而使這些焊縫區域的應力數值有所下降。

其他工況的應力結果與此相似。

（2）剛度變化對比。后輪軸在承受垂直載荷作用前、后，其軸線位置發生變化，其前后位置在yz平面投影的夾角如表1所列。

表1 輪軸中心線受力前后相對位置夾角

（3）零件變化對比。新后擺臂零件，由于采用沖壓工藝制造，將原來分散的零件集成到較少的零件中，并根據等強度和等剛度的原則，布置零件結構，因而取消了起加強作用的零件。

由于零件數量的減少，降低了零件分散度及過程分散度對總成品質的影響，縮短了后擺臂總成的制造周期，并降低了制造成本。后擺臂主體結構零件數量變化如表2。

表2 改進前后縱臂結構零件數變化情況

3 結束語

新后縱臂結構比老結構，有更高的強度與剛度；

薄壁結構的設計重點之一，就是通過良好結構形式，來實現力的擴散，因此采用碗狀結構形式的安裝座，是較好的方案；

有限元仿真分析，是目前常用的輔助設計手段，要利用好這個工具。設計者不能僅停留在會使用軟件上，還要具備基本的理論和一定的工程經驗，對可能存在的計算誤差，有清晰的認識，這樣才能對分析結果進行正確的解讀，從而指導設計；

按結構方案2設計的新縱臂，已經投入實車試驗中，使用效果良好。

[1]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]張小虞.汽車工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]于開平，周傳月，等.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005.