重型自卸車推力桿支座仿真分析與優化

肖亮，張德坤，周蓓蓓

重汽（濟南）傳動軸有限公司 濟南 250220

推力桿是重型汽車懸架系統的重要組成部分，它不僅承擔著保證車橋相對位置穩定的任務，還承擔著傳遞制動力矩和牽引力矩的重任。連接著車橋與推力桿的支座，更是承受了全部的力矩，這就要求推力桿支座必須具有足夠的強度[1，2]。而作為貨運主力的重型汽車，支座斷裂會導致前后車橋位置發生移位，產生安全事故，所以必須保證其安全可靠性。

董世運等[3]為了解決某重型汽車在正常行駛過程中的發動機曲軸斷裂問題，通過對發動機曲軸斷裂處進行硬度測試、金相組織檢查及斷口宏微觀觀察等綜合分析，得出了在彎矩和扭矩的共同作用下，裂紋從曲軸軸徑油孔下方過渡圓角處等應力集中區域開始萌生，并沿與軸徑約呈45°的方向擴展，最終導致曲軸斷裂失效的斷裂規律。

李亞智[4]研究了金屬結構斷裂的問題，通過對金屬結構斷裂分析，建立累積應變損傷模型，將Iosipescu剪切強度試驗方法推廣到剪切疲勞，并提出了一種金屬結構剩余強度估算方法，可以根據裂紋尺寸確定出線彈性斷裂強度和凈截面屈服強度。

馮國勝等[5]為了研究某礦用三軸重載自卸車推力桿斷裂的問題，利用有限元分析軟件Abaqus對推力桿進行了強度分析、模態分析和屈曲分析，找出了故障車輛推力桿裂紋過早出現的原因，并給出了推力桿改進設計的方法。

牛曉欽等[6]分析推力桿支座的優缺點，建立兩種推力桿支座三維模型，通過Hypermesh、Hyperworks等仿真軟件推力桿支座受力狀況進行有限元分析模擬，通過結構改進新結構推力桿支座容易加工、裝配，且使得受力狀況得到改善。

推力桿及支座結構

重型汽車平衡懸架是汽車不可替代的組成部分，能夠保證兩車橋之間載荷的均衡，提高汽車輪胎的抓地力，這關乎汽車的安全性能。但是，平衡懸架所傳遞的力只局限在豎直和側向方向，牽引力和制動力無法有效傳遞。推力桿正是肩負了這樣一個重要作用，支座作為推力桿與車橋之間的連接部分，是重要的受力部位。其受力主要為從桿體傳遞過來的剪切力，由凸臺承受，斷裂模式主要是凸臺內螺紋孔底部所在水平面位置發生撕裂。推力桿由推力桿直球座、推力桿上球座、套管、球面銷總成、橡膠襯套總成和彈性擋圈組成，其中橡膠襯套總成由橡膠和銷軸構成。

有限元建模及仿真分析

1.靜力分析

通過Creo建立推力桿支座三維模型，并使用Creo Simulate進行有限元分析。推力桿支座通過螺栓安裝在車橋上，因此需在4個螺栓孔增加約束。為了簡化模型，假設所有約束螺栓的材料、尺寸、預緊力都相同，且不會發生衰減，假設施加載荷后所有約束仍為平面。采用四面體實體網格，材料設置為40Cr，根據前期路試結果，整車額定載荷為40t時，支座受力的最大值為100kN。

使用Creo Simulate進行有限元分析，得到結果如圖1所示，應力區域為凸臺下半部分及臺階與支座上平面的過渡區域，其中應力最大值為989MPa，超過了材料的屈服強度。而最大值位于螺紋底端，與實際斷裂位置相同，證明了所建立模型的準確性。

圖1 斷裂位置仿真結果

2.模態分析

為了研究振動對推力桿支座產生影響，對支座進行模態分析。1階頻率為0.12Hz，20階頻率為43.01Hz，而支座的5～10階頻率范圍為5.02～13.56Hz，這可能與汽車受到路面作用而產生的激振頻率發生共振，從而使得支座損壞更加嚴重，因此需要加強支座的剛度。

三維模型改進

材料采用強度更高的42CrMo，同時對支座圓臺厚度進行增大，以分散應力，減少應力集中，可以縮小應力最大值。將圓臺上平面的直徑增加2mm，其他結構不變，仿真結果如圖2所示，應力最大值減小為748MPa，并由螺紋底部位置，變為底部臺階與底板過渡處，安全系數變為1.24。

圖2 圓臺直徑增加后仿真結果

為了進一步減小最大應力，對應力最大處進行結構改進，將底部臺階與底板過渡處的圓弧半徑改為R5mm，仿真結果如圖3所示，應力最大值變為圓臺中部區域，應力最大值減小為573MPa，安全系數為1.62。但由于加厚了圓臺，使得質量由4.33kg增加為4.43kg，這不符合當前汽車輕量化的要求，因此需要減重。

圖3 改動圓弧后仿真結果

為了減小支座質量，使其比改進前更輕，將圓臺內部螺紋孔變為沉頭孔，孔深增加至65mm，仿真結果如圖4所示。從圖中可以看出，應力最大值進一步減小為516MPa，安全系數為1.80，符合設計要求。同時質量減小為4.32kg，滿足輕量化要求。

圖4 輕量化后仿真結果

結語

針對重型汽車推力桿支座斷裂問題，研究了支座的斷裂問題，對斷裂位置進行了仿真，證明了所建立模型的準確性，然后對支座結構進行改進，使安全系數系數達到了1.80，解決了斷裂問題。

一名專業的工程技術人員，在進行設計工作時，不能簡單地憑經驗來判斷，這樣會產生極大的質量風險，導致后期維護成本翻倍，會浪費大量的人力、物力、財力，因此，這種通過仿真獲得最佳設計、改進方案的方式，對產品設計和改進具有重要的意義。同時能大幅降低前期試驗試錯所帶來的成本壓力，減少實驗次數，縮短開發周期。