0 引 言

鋼板彈簧平衡懸架作為載重和專用車上常用的懸架系統,主要用于支撐車身并緩沖行駛過程中振動的車架與車軸之間的連接傳力結構,在實際使用過程中易發生局部微裂紋和斷裂破壞事故,對汽車的平順性、通過性、安全性和可靠性等具有顯著的影響.平衡懸架心軸是整個平衡懸架的主要和關鍵的承受力部分,因此考慮心軸在滿載時的受力情況分析是平衡懸架設計的重要步驟之一.

本文主要利用有限元分析軟件分析不同形式的懸架心軸在相同的載荷、裝車距以及相同的下推力桿中心距和軸徑等參數下,構建平衡懸架有限元的分析模型.首先用proeNGINEER對直式、U形和圓弧彎形等3種形式的平衡懸架進行三維建模,然后用ANSYS有限元軟件對平衡懸架進行受力分析.

重點分析計算在滿載時不同形式懸架對應心軸的應力強度,并針對實際路面模擬車輛在顛簸情況下平衡懸架的心軸強度性能.

1 平衡懸架的建模

1.1 proeNGINEER三維模型的建立

在模型建立前,首先需要確定平衡懸架的各個參數,并建立合理的數值模型.平衡懸架根據中間傳動軸的不同可分為直式、U形和圓弧彎形平衡懸架.可選用平衡懸架CF153A的參數,軸徑φ=100mm,板簧中心距L1=1020mm,裝車距L2=770mm,下推力桿的中心距L3=820mm.平衡懸架的建模主要通過這幾個參數進行平衡橋支架、平衡軸和下推力桿座等部件設計以及平衡懸架各個部分零部件的安裝.本文創建的直式、U形和圓弧彎形平衡懸架proeNGINEER模型見圖1.

圖1 直式、U形和圓弧彎形平衡懸架proeNGINEER模型

1.2 平衡懸架導入ANSYS軟件將建立好的平衡懸架三維模型通過
proeNGINEER與ANSYS的連接口導入ANSYS中,其直式、U形和圓弧彎形平衡懸架ANSYS模型見圖2

圖2 直式、U形和圓弧彎形平衡懸架ANSYS模型

1.3 有限元網格的劃分

根據模型各部分的受力狀態和變形程度確定網格劃分的細密程度.由于主要研究心軸在不同工況下的應力強度情況,可將心軸承載處網格劃分得較密.選擇三維實體單元Solid45為單元,所用材料為優質鋼,材料參數為彈性模量E=210GPa,泊松比υ=0.3,密度ρ=7.8×103kg/m3.直式、U形和圓弧彎形平衡懸架的網格劃分見圖3.

圖3 直式、U形和圓弧彎形平衡懸架的網格劃分

2 平衡懸架有限元分析

2.1 心軸靜載應力分析

為不失一般性,參考CF158A平衡懸架的設計參數,它適應的是10t的雙橋載重汽車,可將平衡懸架的心軸受力簡化為兩端心軸各受5t的載荷.平衡懸架的支架與汽車的大梁相連,故約束條件為支架的支座.對3種模型施加相同的載荷和約束,直式、U形和圓弧彎形平衡懸架心軸的應力云圖分別見圖4~6.

圖4 直式平衡懸架心軸的應力云圖

圖5 U形平衡懸架心軸的應力云圖

圖6 圓弧彎形平衡懸架心軸的應力云圖

由上述分析計算的結果可知,在靜載荷作用下直式平衡懸架心軸的最大應力為σ=47.0MPa,U形平衡懸架心軸的最大應力為σ=59.0MPa,圓弧彎形平衡懸架心軸的最大應力為σ=58.6MPa.可見,在相同參數下,平衡懸架的中間傳動連接軸為直式的懸架其心軸強度較好.

2.2 懸架心軸在顛簸下的有限元分析

本文主要模擬汽車在不平道路上行駛時,汽車的另一輪子突然抬高對平衡懸架心軸強度的影響.對于一般路面,一個輪子抬高可使平衡懸架傾斜3°左右,將受力模型進行簡化,把心軸的一端作為懸臂梁,分析平衡懸架的心軸,心軸的另一端所受載荷為4.989t.各平衡懸架模型受力分析,直式、U形和圓弧彎形平衡懸架心軸的應力云圖分別見圖7~9.

圖7 直式平衡懸架心軸的應力云圖

圖8 U形平衡懸架心軸的應力云圖

圖9 圓弧彎形平衡懸架心軸的應力云圖

由上述分析計算的結果可知,在顛簸下直式平衡懸架心軸的最大應力為σ=311MPa,U形平衡懸架心軸的最大應力為σ=401MPa,圓弧彎形平衡懸架心軸的最大應力為σ=362MPa.可見,在相同載重參數及考慮顛簸路況下,平衡懸架的中間傳動軸為直式的心軸受力狀態較好.

3 結 論

(1)運用proeNGINEER和有限元軟件可以建立直式、U形和圓弧彎形等3種形式載重汽車平衡懸架的應力分析計算模型,結合平衡懸架結構參數,并施加相應的邊界條件,分別模擬在水平路面和顛簸路況2種情況下的載荷分布,對3種不同形式的平衡懸架心軸應力強度進行計算和比較,確定懸架結構承載時的關鍵受力點,為懸架結構優化設計及選型提供依據.
(2)在靜載和顛簸路況下直式平衡懸架關鍵部件心軸的受力比其他2種平衡懸架好.
(3)與水平路面相比,載重汽車在顛簸路況下其3類平衡懸架心軸中的應力均顯著增大.