某型商用車空氣懸架的氣囊支架的受力分析

吳迪　賈正偉　陳星晨　王亞平

摘 要：簡述空氣懸架的氣囊支架在懸架系統中的作用，針對某型商用車空氣懸架的氣囊支架進行拓撲設計后，用有限元分析的方法，驗證氣囊支架的形變、應力特性及疲勞強度。此方法可對氣囊支架的優化設計提供重要依據，同時也為產品輕量化設計提供了一種設計方法。

關鍵詞：氣囊支架；有限元分析；形變和應力；輕量化

中圖分類號：U467.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0165-03

Abstract： The function of air bag support of air suspension in suspension system is briefly described. After topological design of air bag support for a commercial vehicle air suspension， finite element analysis method is used. The deformation， stress and fatigue strength of the gasbag support were verified. This method can provide an important basis for the optimization design of the airbag support， and also provide a design method for the lightweight design of the product.

Keywords： balloon bracket； finite element analysis； deformation and stress； lightweight

引言

隨著國家新的法規GB7258-2017的執行以及人們對商用車品質要求不斷提高，商用車舒適性的好壞直接影響著產品市場競爭力。目前國外重型商用車使用空氣懸架的比例已在80%以上，空氣懸架在整個商用車上的應用量也在逐步提升。危險化學品運輸車等一些特種車輛上，空氣懸架已經是必備的選擇。帶有空氣懸架的車輛可以獲得理想的固有頻率，減小整車的振動，獲得更好的操控性和行駛平順性。氣囊支架是空氣懸架中的關鍵零件之一，主要起到支撐氣囊、連接穩定桿和傳遞載荷的作用。空氣懸架的結構有多種形式，常見的有兩氣囊和四氣囊結構。本文以某型商用車四氣囊空氣懸架為例，對氣囊支架（見圖1所示）進行拓撲優化設計及有限元強度分析，驗證其結果的正確性[1]。

1 結構模型的建立及優化

1.1 建立裝配結構模型

氣囊支架為鑄件實體結構，其主要承受來自車輛垂直載荷。同時，在車輛行駛過程中還需承受來自推力桿等機構的橫向載荷。根據設計車輛的結構形式：該車采用單個后驅動橋四個氣囊懸架結構，氣囊在驅動橋前、后分別各布置一個。該結構為商用車常用的后驅動橋四個氣囊懸架典型結構。側向力由V型推力桿承載，而位于車架縱梁下方的氣囊主要承擔垂直載荷推力，這種結構采用的V型推力桿安裝對車架強度及制造精度都有較高的要求。也是目前空氣懸架常用的結構之一，如圖1所示。

1.2 氣囊支架結構拓撲優化方法

本文的優化目標是氣囊懸架的前推力桿支架，拓撲優化需要考慮三個步驟[2]：

一是拓撲優化空間：根據氣囊懸架布置形式，同時需保證設計過程中修改的方便性和不會造成運動干涉。需建立空間實體模型（見圖2），拓撲優化空間保證了在材料布置時的空間限制，也保證了不會產生附加的運動干涉。

二是拓撲工況條件：根據圖1所示懸架受力情況可以看出，該支架主要承受V型推力桿傳遞的側向力，力的方向隨后驅動橋的上下運動而改變，因此拓撲路況需選取后驅動橋跳動的極限位置（上、下兩位置）。

三是優化目標：對該零件的設計目標是在滿足結構強度的基礎上，實現輕量化、體積最小化[3]。

1.3 拓撲優化幾何模型

在進行氣囊支架優化設計時，除按照拓撲優化結果進行材料布置設計外，還應考慮新零件便于設計制造和更換維護，同時注重局部細小特征提現精細化設計理念。因此，進行設計優化時遵循以下原則[4]：

（1）減小大平面；（2）剔除多余結構；（3）壁厚均勻、突出筋骨；（4）注重細節優化。

根據以上原則，重新建立所需的幾何模型如圖3。

2 優化結果驗證

驗證所得到的結構靜強度的工況需要與進行結構拓撲的工況保持一致。根據實際工況對支架施加位置約束，將支架的Y向固定約束，其他方向自由約束。對固定螺栓孔施加X和Z向約束，完成支架與車架的位移約束，在下推力桿與支架螺栓接觸面施加載荷約束，為了正確的模擬支架的受力情況，采用單一零件（對稱零件）進行分析，以確保分析結果的精確性。

各工況計算得到的支架載荷大小和受力位置如表1所示。

由于上述七種工況中，極限工況主要集中在車輛起步、車輛制動、車輛轉向（外側）、推力桿頂起、推力桿懸空這五種工況。所以對上述五種工況進行分析即可。由有限元結構分析可以得到各個工況下的最大應變和最大應力，如表3所示。

從上面的分析結果可以看出：轉向工況的最大應力約為285MPa，其應力集中區在分布在兩邊的加強筋處；推力桿頂底工況與轉向工況的情況大致相同，最大應力約為201MPa，應力集中區也分布在加強筋處。

疲勞臺架試驗是評價產品疲勞強度的方法之一，但由于其費用高、周期長。現在絕大部分產品設計都采用有限元模擬的方法來進行產品的疲勞分析。分析時采用應變載荷，驗證所得結構疲勞壽命強度，同時各取極限工況一次為一個疲勞循環，計算得到零件的疲勞系數和疲勞壽命，結果如圖8所示。

由疲勞強度分析結果可以看出疲勞系數其分布均勻，成階梯狀分布。疲勞壽命為4.36E+4次，可以看為無限壽命。其結構疲勞循環的最壞點處于支架加強筋上部連接處。

經過對氣囊支架危險工況的有限元仿真分析，得到氣囊支架的最大應變約為3.43mm，最大應力約為285MPa，小于材料的抗拉強度450MPa，所以氣囊支架滿足靜強度設計要求，支架的最大應力主要在集中在氣囊支架加強筋附近，該部位是支架的薄弱部分，設計時需要注意加強剛度。拓撲優化可以控制優化后的體積，使得優化后的結構與同類產品相比重量減少了15%（與原產品對比見表4）。針對該型商用車氣囊支架采用的優化設計方法為產品結構設計、優化和疲勞預測提高了理論依據。

3 結束語

通過上述例子，證明了拓撲優化技術應用于產品設計的正確性，同時也驗證了它能使零件獲得更好的力學結構，降低關鍵部位的最大應力，并且能夠將材料利用率得到極大的提高，同時疲勞壽命得到了提高。縮短了產品設計周期。

參考文獻：

[1]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[2]郭中澤，張衛紅，陳裕澤.結構拓撲優化設計綜述[J].機械設計，2007，24（8）.

[3]張勝蘭，鄭冬黎，等.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]高衛民，王宏雁.汽車結構分析有限元法[J].汽車研究與開發，2000（6）.endprint