客車后獨(dú)立懸架后縱臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

方 朝，嚴(yán) 格，周 華

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

該客車的后懸架形式為單縱臂式螺旋彈簧獨(dú)立懸架，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成包括后縱臂、螺旋彈簧、減振器等[1]，如圖1所示。其中的后縱臂有三段方形管狀梁焊接而成，在縱臂的前端通過(guò)橡膠、金屬支撐與車架作鉸式連接，縱臂的后端與輪轂、螺旋彈簧、減振器相連。由于該懸架縱臂結(jié)構(gòu)本體上存在多道焊縫，加工工藝復(fù)雜且焊縫質(zhì)量不易保證，而縱臂的受力情況較為惡劣，使用過(guò)程中縱臂曾有裂紋出現(xiàn)，因而在縱臂本體上加焊一加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)來(lái)提高強(qiáng)度，見(jiàn)圖1，使縱臂的加工更為復(fù)雜。同時(shí)，作為承受扭矩的構(gòu)件，后縱臂原結(jié)構(gòu)抗扭剛度不足，車輛在使用中有輪胎偏磨現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)原后縱臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖1 后縱臂結(jié)構(gòu)示意圖

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 縱臂的受力特點(diǎn)

對(duì)于單縱臂式的后懸架形式，扭矩主要通過(guò)縱臂進(jìn)行傳遞。路面對(duì)車輛的垂直載荷經(jīng)輪轂、銷軸、螺旋彈簧的順序傳遞至車架[2]，遵循力傳遞路線最短的原則。同時(shí)，由于垂直力距離縱臂軸線有一定的偏心距離，從而形成了扭矩，而螺旋彈簧、減震器無(wú)法傳遞扭矩，因此該扭矩需經(jīng)縱臂結(jié)構(gòu)，傳遞至縱臂前端與之相連的車架處。

1.2 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)后縱臂的受力特點(diǎn)及原有后縱臂結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜、焊接品質(zhì)不易保證、抗扭剛度不足的缺點(diǎn)，新后縱臂設(shè)計(jì)擬采用上下沖壓件焊合的結(jié)構(gòu)形式。在上、下沖壓件翻邊處，用CO2保護(hù)焊將其焊接成封閉的構(gòu)件，通過(guò)增大縱臂橫截面積以提高抗扭剛度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖2、圖3。兩種設(shè)計(jì)方案的主要區(qū)別在于法蘭座的結(jié)構(gòu)形式不同。

圖2 結(jié)構(gòu)方案1

圖3 結(jié)構(gòu)方案2

2 有限元分析

利用有限分析工具，在相同的建模條件下，對(duì)后縱臂的兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較計(jì)算。由于后縱臂為薄壁結(jié)構(gòu)，因此利用殼單元對(duì)幾何進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]，單元大小3 mm。利用剛性單元模擬焊接，建立如下有限元模型。

2.1 計(jì)算的工況

計(jì)算的工況包括：

（1）彎曲工況。在輪轂中點(diǎn)垂直施加1/2的后懸掛軸荷；

（2）轉(zhuǎn)彎工況?？紤]轉(zhuǎn)彎時(shí)的載荷轉(zhuǎn)移，取地面附著系數(shù)為0.6，作用力為1.3倍標(biāo)準(zhǔn)垂載荷+側(cè)向力+等效扭矩；

（3）制動(dòng)工況。取地面附著系數(shù)為0.6，作用力為標(biāo)準(zhǔn)垂直載荷+制動(dòng)力+扭矩。

2.2 結(jié)果分析

（1）應(yīng)力分布對(duì)比。在相同的工況條件下，計(jì)算得到的結(jié)果顯示，新結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律和數(shù)值與原有結(jié)構(gòu)有明顯的差別。如圖4為彎曲工況下各方案結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖。

圖4 彎曲工況下各方案結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖

計(jì)算的兩種新結(jié)構(gòu)方案，由于橫截面積增大，因此后縱臂的前端（即靠近鉸鏈的部分）應(yīng)力明顯下降，如圖5所示。

圖5 方案1、2輪軸區(qū)域的應(yīng)力分布情況

在垂直載荷工況下，新后縱臂結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)，主要分布在靠近后輪軸的橫截面附近，符合前文說(shuō)分析的最短垂直載荷傳遞路線，即后輪上的載荷經(jīng)輪軸—后縱臂—螺旋彈簧—車身的路徑傳遞。而原有結(jié)構(gòu)中，高應(yīng)力區(qū)分布在后縱臂的前端，這是因?yàn)樵Y(jié)構(gòu)抗扭剛度較弱，因此在相同垂直載荷引起的扭矩作用下，應(yīng)力偏高。這也是車輛使用過(guò)程中發(fā)生磨胎、車輪定位參數(shù)改變的一個(gè)重要原因。

由于安裝基座的結(jié)構(gòu)形式及其連接方式的區(qū)別，方案1、2在輪軸附近的應(yīng)力，亦有差別，采用碗狀安裝基座的結(jié)構(gòu)形式（方案2）的方案應(yīng)力集中較小。

圖6 方案1輪軸區(qū)域的應(yīng)力傳遞

從方案1應(yīng)力分布圖6可知，高應(yīng)力區(qū)位于后縱臂沖壓件與方形安裝基座的焊接處，輪軸所受載荷經(jīng)方形鐵塊，再通過(guò)焊縫傳遞至縱臂結(jié)構(gòu)，此處為線傳力結(jié)構(gòu)，載荷集中作用在焊縫處因此應(yīng)力較高。

而方案2結(jié)構(gòu)中的部分高應(yīng)力點(diǎn)計(jì)算數(shù)值較實(shí)際高，原因在于有限元建模存在的缺陷，只能通過(guò)焊縫位置傳力。而實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于接觸面積大，從而使這些焊縫區(qū)域的應(yīng)力數(shù)值有所下降。

其他工況的應(yīng)力結(jié)果與此相似。

（2）剛度變化對(duì)比。后輪軸在承受垂直載荷作用前、后，其軸線位置發(fā)生變化，其前后位置在yz平面投影的夾角如表1所列。

表1 輪軸中心線受力前后相對(duì)位置夾角

（3）零件變化對(duì)比。新后擺臂零件，由于采用沖壓工藝制造，將原來(lái)分散的零件集成到較少的零件中，并根據(jù)等強(qiáng)度和等剛度的原則，布置零件結(jié)構(gòu)，因而取消了起加強(qiáng)作用的零件。

由于零件數(shù)量的減少，降低了零件分散度及過(guò)程分散度對(duì)總成品質(zhì)的影響，縮短了后擺臂總成的制造周期，并降低了制造成本。后擺臂主體結(jié)構(gòu)零件數(shù)量變化如表2。

表2 改進(jìn)前后縱臂結(jié)構(gòu)零件數(shù)變化情況

3 結(jié)束語(yǔ)

新后縱臂結(jié)構(gòu)比老結(jié)構(gòu)，有更高的強(qiáng)度與剛度；

薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，就是通過(guò)良好結(jié)構(gòu)形式，來(lái)實(shí)現(xiàn)力的擴(kuò)散，因此采用碗狀結(jié)構(gòu)形式的安裝座，是較好的方案；

有限元仿真分析，是目前常用的輔助設(shè)計(jì)手段，要利用好這個(gè)工具。設(shè)計(jì)者不能僅停留在會(huì)使用軟件上，還要具備基本的理論和一定的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)可能存在的計(jì)算誤差，有清晰的認(rèn)識(shí)，這樣才能對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行正確的解讀，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)；

按結(jié)構(gòu)方案2設(shè)計(jì)的新縱臂，已經(jīng)投入實(shí)車試驗(yàn)中，使用效果良好。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]張小虞.汽車工程手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]于開(kāi)平，周傳月，等.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005.