汽車底盤斷開式車橋懸架的仿真受力分析

周康

摘 要：隨著汽車技術的進步，底盤系統日益復雜，其各組成子系統的相互作用日益明顯，底盤系統設計涉及到多學科領域，系統的總體設計過程十分復雜。為提高設計質量，本文將多學科優化技術引入到底盤設計中，研究了底盤復雜系統的綜合優化設計方法，對于底盤系統的設計具有重要應用前景。獨立懸架斷開式車橋的應用改善了重汽通過性，但其相對于整體式車橋承載能力較弱，建立實體模型進行仿真受力分析，實現其結構的優化。

關鍵詞：實體模型;斷開式車橋;結構優化

為了應對能源短缺，汽車輕量化技術都是共性的基礎技術，汽車生產企業將汽車輕量化作為產品開發的重要環節汽車輕量化設計技術對降低油耗，減排有較大的貢獻。車重每減輕10%，可節省燃油6%，排放下降4%～6%。汽車輕量化技術是在保證汽車使用成本控制的前提下，將輕量化設計材料、制造技術集成應用所實現的整車減重。

實現方法主要部件的尺寸優化和材料替代。對汽車結構部件優化，優化其尺寸以達到減重的目的：使用其它較輕的材料來代替金屬，達到減重的目的。汽車輕量化結構的設計研究發展最為迅速，成為了汽車輕量化技術的主要手段，主要是通過對整體及零部件結構分析和優化，使部件薄壁化、小型化等汽車零部件進行結構改進，實現了汽車零部件的輕量化。

1 汽車底盤斷開式橋懸架力學分析

懸架包括上下擺臂。在Solid Works軟件中建立懸臂架實體模型。以前橋右側懸架為研究對象，前進方向為X軸，Y軸自右而左，Z軸自下而上。前視坐標（y，z）為：上臂兩端（772，810），（413，800）;輪軸點（0，609），下臂兩端（896，450），上臂寬度471mm，下臂寬度460mm。（413，439）;油氣彈簧上、下端（633，976），（624，428）。轉向拉桿位于車橋前，二力桿兩端點的坐標為（439，355，578），（269，973，559）。

最大制動力軸荷轉移系數1.5，地面附著系數為0.8，制動摩擦力對轉向軸形成Z軸方向的力矩平衡。轉向軸的（x，y）坐標為（0，413），轉向軸到二力桿力線水平距離為169mm，水平分力為176kN，其X軸分量46.7kN，Y軸分量170kN。垂向分量為5.3kN。

拉桿力的水平分力形成對轉向軸的力矩平衡，垂向分力等效后，形成力偶，大小為6.5 kN。可以等效平移到通過轉向軸。上臂受力18kN，下臂受力28.7kN，得X向的受力：上臂受力11.5kN，下臂受力35.2kN。

拉桿Y向分力與上臂對車輪作用力f1（1）及下臂f2（1）構成匯交平衡，得交點（y，z）坐標（-7 557，578），其與下臂外端點的連線即為f2（1）力線.正交平衡方程：f1=f2（1）0.0174，f1=170kN，得f1（1）=65.5kN，由三力平衡得：f2（1）與油氣簧力的交點坐標滿足： （z- 428）/（y-624），y=625mm，z=435mm。對下臂力f0（1）方向正余弦為0.016 7，0.999 86;在交點（625，435）列三力平衡式f3（1）0.998 5，0.999 86f0（1）。得f0（1）=7.6kN;f3（1）=104.8kN，分解為f3y（1）=5.8kN。

垂向分量與上下臂對車輪的平衡交點坐標的求解：（810-800）/（772-413），z=798mm。兩點連線即為下臂作用力f2（2）力線，f1（2）=5.3kN，得f1（2）=28kN，f2（2）=28.5kN，f2（2）與油氣簧力在下臂交點（y，z）坐標（z-428）/（y-624），（z-439）/（y-413）。得f0（2）=10.5kN;f3（2）=28.9kN

計算YZ平面內地面支承力的傳遞，設上臂力為f1（3），下臂力為f2（3），坐標為（0，789）。根據幾何關系，f2（3）的方向正余弦為0.646，0.763。f1（3）0.999 6=f2（3）0.763;得上臂受壓力為f1（3）=102.9kN，f2（3）=135kN地面支持力三力平衡交點坐標為（621，263），得f0（3）=159kN;分解為f3y（3）=105.6kN，f3z（3）=71.8kN。

上臂軸套受力f1=140.4kN;即f1y=140kN，f1z=3.9kN。下臂軸套：f2y=27.3kN，f2z=60kN，地面摩擦力與上下臂的力平衡，上臂外端受力87.6kN;下臂外端受力159.6kN;與拉桿力作用于上下臂的力疊加，上臂外端受力76kN，向前。下臂外端受力195kN，向后。

將作用于上下臂外端的力向車架方向傳遞，形成XY面內的力偶，形成XZ面內的力偶，上臂前軸套受力的三分量為fx=76.06kN，fy=128.2kN，fz=3.6kN;上臂后軸套受力的三分量為fx=0，fy=12kN，fz0.35kN。下臂前軸套受力的三分量為fx=-195kN，fy=-190kN，fz=-35kN;下臂后軸套受力的三分量為fx=0，fy=218kN，fz=-25.3kN。

對懸臂架模型網格剖分，剖分的單元數為9 075，彈性模量2×1011Pa密度7 800kg/m3。各力施加到有限元模型上，上下臂應力較大，安全系數相對較小。

2 結語

采取的優化措施：縮短上下臂的外伸長度，減小制動力產生的力矩。增大上下臂的剛度，抵消上下臂橫向力，外移油氣簧下端，力線延長線通過車輪接地點，減小了承受的垂向力，改進后懸架整體質量減少12%，應力下降30%。

參考文獻：

[1]王新博，石兆勇，趙娜，劉雙燕.汽車底盤斷開式車橋懸架力學分析與優化[J].機械設計，2015，32（10）：53-55.