空氣懸掛車橋限位鏈U型螺栓異常斷裂分析

王新博，鞠冬梅，禚圓圓，徐莉

(泰安航天特種車有限公司,山東泰安 271000)

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空氣懸掛車橋限位鏈U型螺栓異常斷裂分析

王新博，鞠冬梅，禚圓圓，徐莉

(泰安航天特種車有限公司,山東泰安 271000)

摘要：越野車輛空氣彈簧平衡懸架不同于鋼板彈簧和油氣彈簧，其限位裝置應(yīng)與受力規(guī)律及減振器安裝相適應(yīng)。結(jié)合工程實際，依據(jù)空氣懸掛車橋具體特點,建立限位鏈U型螺栓的仿真模型,做動態(tài)及疲勞壽命分析，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：空氣彈簧；平衡懸架；仿真；疲勞壽命；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

重型越野車輛工作環(huán)境惡劣，路況復雜，長期面臨壕溝、臺階、崎嶇山路等極端工況，車橋跳動頻繁，因此常配裝平衡懸架，以減少車輪懸空。對于空氣彈簧平衡懸架[1]，當某輪懸空時，構(gòu)成平衡橋的另一車輪單獨支承上裝載荷，空氣彈簧氣壓增大，懸空車輪空氣彈簧會因氣室連通而產(chǎn)生很大下推力。為保護懸架系統(tǒng)，需合理設(shè)計上下限位。該裝置經(jīng)常受沖擊，屬于易損零部件，根據(jù)實際情況做動態(tài)和疲勞壽命分析是設(shè)計的主要任務(wù)。現(xiàn)針對某空氣懸架車輛的車橋限位鏈U型連接螺栓斷裂問題做剖析，以提出優(yōu)化和改進措施。

1空氣懸架結(jié)構(gòu)

該車輛三、四橋采用空氣彈簧平衡懸架。車輛行駛時，車橋上下跳動，懸空車橋空氣彈簧下推力與車橋重力的合力通過車橋中心線垂直向下，限位鏈及減震器在相對于車橋中心線前后對稱的位置上共同完成對車橋的下限位，作用力與反作用力共線，設(shè)計合理，不產(chǎn)生附加力矩，保護懸掛系統(tǒng)運動零部件不受損壞。圖1為車橋及限位鏈示意圖，限位鏈下端為U型螺栓,它通過螺母固定到車橋兩側(cè)前后方向的工字梁上, 工字梁支承2個空氣彈簧，圖右相對于中心線對稱的位置上是減振器。圖2為空氣懸架的實體圖。

行駛中出現(xiàn)了限位鏈U型連接螺栓斷裂現(xiàn)象，斷裂螺栓的外觀特征為：中部內(nèi)圓弧磨損擠壓變薄，斷面明顯拉伸縮小，晶粒狀表面不平整，有撕裂現(xiàn)象，見圖3。對U型螺栓斷裂原因進行分析：(1)設(shè)計強度不足；(2)制造加工缺陷；(3)減振器失效；(4)限位鏈長度過短。

2故障原因分析

2.1設(shè)計強度不足的可能性

當車橋懸空時，下限位設(shè)置長度決定其最大行程。限位鏈初始設(shè)計長度為485 mm，與減振器極限位置匹配，共承受拉力36.5 kN(三橋到達上限位，四橋懸空，四橋空氣彈簧下推力15 kN。整橋重力17.2 kN，沖擊系數(shù)取2.5)，U型螺栓受拉力18.25 kN，加載到有限元模型上，計算結(jié)果顯示應(yīng)力最大值375 MPa，位于U型螺栓圓弧中部與限位鏈接觸處，見圖4。螺栓材料為調(diào)質(zhì)40Cr，屈服強度785 MPa，抗拉強度980 MPa，安全系數(shù)2，滿足汽車零部件設(shè)計要求，故排除設(shè)計強度不足的原因。

2.2制造加工缺陷的可能性分析

U型螺栓技術(shù)要求：材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理HRC25～30。對斷裂螺栓分別進行了材質(zhì)檢驗、硬度檢測和金相分析。材質(zhì)成分符合40Cr，調(diào)質(zhì)硬度HRC30，無缺陷。排除U型螺栓存在制造缺陷的可能。

2.3減振器失效可能性分析

減振器是通過阻尼力來衰減振動振幅并輔助限位的。減振器如果失效，懸空車輪空氣簧氣壓的下推力及車橋自重完全通過限位鏈作用到U型螺栓上，且作用力與反作用力不共線會形成附加力矩，使螺栓超載而破壞，因此對故障車輛減振器進行檢查。將減振器拆下進行測試，減振器阻尼力正常，限位良好，未失效，排除減振器失效的可能。

2.4限位鏈過短的可能性分析

根據(jù)整車及懸掛系統(tǒng)各部件相對位置關(guān)系，用作圖法進行運動校核。為滿足各運動件極限狀態(tài)下的間隙及使用要求，限位鏈設(shè)計長度為485 mm，但未規(guī)定節(jié)數(shù)。減振器極限位置對應(yīng)的長度為485 mm。車輛滿載靜止狀態(tài)限位鏈垂向距離384 mm，此時車橋垂直下跳量為 485-384=101 mm，加上輪胎變形50 mm，輪胎垂直下跳量為151 mm。由于安裝距及杠桿比的影響，車橋在傾斜跳動時(一側(cè)車輪懸空，另一側(cè)路面凸起，緩沖塊壓縮1/2)，最大下跳量為244 mm。復查故障車輛，限位鏈十二節(jié)，長度為456 mm。即在實際裝配中，裝配人員取了整節(jié)，13節(jié)或12節(jié)兩種長度。后者車橋允許下跳量僅為456-384=72 mm，加上輪胎變形50 mm，輪胎總下跳量僅為122 mm。車橋傾斜跳動時，輪胎最大下跳量僅202 mm。如圖5所示。

根據(jù)空氣彈簧使用手冊標定的氣腔高度-載荷曲線：滿載56 kN時，氣腔高度168 mm；四橋懸空限位485 mm時，氣腔高度369 mm，下推力15 kN。而四橋懸空限位456 mm時，氣腔高度340 mm，下推力26 kN。依據(jù)疲勞壽命雨流法[2]，加權(quán)損傷次數(shù)迅速累積。野外實車振動沖擊信號數(shù)據(jù)采樣見表1。

表1加速度采樣數(shù)據(jù)表

圖6—9為現(xiàn)場實測的長鏈條狀態(tài)下4個通道的加速度載荷譜。

圖10為螺栓材料的應(yīng)變-壽命特性曲線，2條直線是該曲線的漸近線。此圖為雙對數(shù)坐標系，增大單位刻度，數(shù)值增大10倍。將有限元計算結(jié)果中所有節(jié)點的應(yīng)變值直接轉(zhuǎn)化為疲勞壽命云圖。

計算得2種鏈條長度狀態(tài)下U型螺栓的疲勞壽命云圖，見圖11及圖12，12節(jié)鏈條時耐疲勞沖擊次數(shù)最小值為7.16×106次，見圖11箭頭所指位置；13節(jié)鏈條時耐疲勞沖擊次數(shù)最小值為3.27×107次，見圖12箭頭所指位置，兩者疲勞壽命之比為1∶4.67。

3破壞機制

U型螺栓斷裂的原因為運動位移不協(xié)調(diào)，12節(jié)的限位鏈長度過短，與減震器極限位置不一致，車輪懸空時，較短的限位鏈單獨承擔了平衡橋空氣簧下推力及車橋自重，還承擔作用力與反作用力不共線形成的力矩。從疲勞方面看，車橋允許的下跳量變小，懸空的概率增大，U型螺栓受沖擊頻繁，沖擊力

大，磨損時間長，最終導致疲勞失效。另外U型螺栓安裝為前后方向，兩臂受力不對等，與限位鏈不能鉸接轉(zhuǎn)動，磨損嚴重。

4結(jié)論

改進措施主要解決長度不足和磨損問題，參照限位鏈標準GB/T24816-2009《起重用短環(huán)鏈T8級精度鏈》，考慮加工誤差，經(jīng)運動校核，限位鏈長度483～487 mm時滿足使用要求：

(1)標注限位鏈總長度(485±2) mm，即13節(jié)鏈條。

(2)復查限位鏈節(jié)數(shù)及長度，形成檢驗記錄，保證其長度與減振器極限位置匹配。

(3)將U型螺栓改為左右方向安裝，使其能與鏈條正常鉸接。

改進后下限位裝置使用壽命顯著提高，經(jīng)過跑車試驗，取得了預(yù)期效果。

參考文獻:

【1】陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005：201-206，237-243.

【2】徐宣,劉云鵬,卜樹峰.基于雨流法的機械疲勞分析[J].車輛與動力技術(shù),2008(3)：11-14.

Mechanical Analysis on the Abnormal Fracture of U-bolts of Air Suspension Axle Anchoring Chain

WANG Xinbo, JU Dongmei, ZHUO Yuanyuan, XU Li

(Taian Aerospace Special Vehicle Co., Ltd., Taian Shandong 271000, China)

Keywords:Air spring; Balance suspension; Simulation; Fatigue life-span; Structure optimization

Abstract:All terrain vehicle balance suspension with air spring is different from that with steel-belt spring or oil-air spring.The restrict installation must fit to aerostatics theory and buffer.Based on engineering practice, according to the characteristic of U-bolts of air suspension axle anchoring chain, its simulation model was built and dynamic analysis and fatigue life-span analysis were completed for structure optimization and reliability improving.

收稿日期：2015-12-05

作者簡介：王新博(1971—)，男，工學碩士，工程師，主要研究方向為汽車CAE。E-mail：w_xinbo@126.com。

中圖分類號:U469.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)03-046-04