8 m客車導(dǎo)向臂后懸橫梁組件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張小庭，周磊，越文（中國公路車輛機(jī)械有限公司，北京102600）

8 m客車導(dǎo)向臂后懸橫梁組件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張小庭，周磊，越文
（中國公路車輛機(jī)械有限公司，北京102600）

應(yīng)用有限元分析技術(shù)，解析某8 m客車導(dǎo)向臂后空氣懸架橫梁組件在車輛運(yùn)行過程中出現(xiàn)早期斷裂的故障；根據(jù)分析結(jié)果與橫梁組件實(shí)物故障表征的驗(yàn)證，對橫梁組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，避免斷裂故障的再次發(fā)生。

8 m客車；空氣懸架；導(dǎo)向臂；橫梁組件

某公司生產(chǎn)的一款8 m城市客車，后懸匹配導(dǎo)向臂兩氣囊空氣懸架結(jié)構(gòu)，運(yùn)行一段時(shí)間后，出現(xiàn)后橫梁組件斷裂的情況。本文利用SolidWorks中的有限元分析技術(shù)，分析各種工況條件下橫梁組件的受力，找出車輛運(yùn)行過程中應(yīng)力集中的位置，并對橫梁組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 后懸導(dǎo)向臂結(jié)構(gòu)模型及實(shí)物左側(cè)斷裂點(diǎn)示意圖

1 故障結(jié)構(gòu)的有限元受力分析

該城市客車后懸導(dǎo)向臂結(jié)構(gòu)模型及實(shí)物斷裂情況圖1所示。斷裂表征為兩個(gè)斷裂點(diǎn)，懸架左右兩側(cè)均存在斷裂，且斷裂區(qū)域和特征呈對稱分布。

如圖1所示左側(cè)斷裂特征，斷裂點(diǎn)1為沿橫梁與導(dǎo)向臂連接孔出現(xiàn)裂口，螺栓孔嚴(yán)重變形；斷裂點(diǎn)2為橫梁截面變化處斷裂。初步推斷該橫梁組件斷裂是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和汽車?yán)碚?，在車輛運(yùn)行過程中，橫梁處于沖擊載荷條件下所受應(yīng)力是最大的。故在進(jìn)行斷裂故障分析時(shí)，用以下6種工況進(jìn)行對比分析[1-6]。

1）滿載質(zhì)量靜載時(shí)，不加載減振器阻尼力條件下的橫梁應(yīng)力分析。車輛后橋設(shè)計(jì)滿載質(zhì)量8.2 t；根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，可得氣囊處相對于車橋連接處的杠桿比為1.414；單側(cè)氣囊處的滿載靜載約為29 000 N。根據(jù)工況參數(shù)，進(jìn)行有限元分析，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在橫梁與導(dǎo)向臂的連接螺栓處，且左右兩側(cè)應(yīng)力相同，呈對稱分布，應(yīng)力值均為133 MPa，沒有超過橫梁材質(zhì)Q345B的屈服應(yīng)力下限值（345 MPa）[7-10]。

2）2.5倍沖擊載荷時(shí)，不加載減振器阻尼力條件下的橫梁應(yīng)力分析。每個(gè)氣囊處加載72 500 N。根據(jù)工況參數(shù)，進(jìn)行有限元分析，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在橫梁與導(dǎo)向臂的連接螺栓處，且左右兩側(cè)應(yīng)力相同，呈對稱分布，應(yīng)力值均為291.6 MPa，沒有超過橫梁材質(zhì)Q345B的屈服應(yīng)力下限值（345 MPa）。

3）2.5倍沖擊載荷時(shí)，加載減振器阻尼力條件下的橫梁應(yīng)力分析。根據(jù)車輛運(yùn)行情況，取較高沖擊速度0.52 m/s，在每個(gè)減振器支座處加載最大壓縮阻尼力10 760 N；每個(gè)氣囊支座處加載72 500 N；加載工況參數(shù)，進(jìn)行有限元分析，如圖2所示，橫梁與導(dǎo)向臂連接處的前螺栓連接點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力最大，且左右兩側(cè)應(yīng)力相同，呈對稱分布，應(yīng)力出現(xiàn)了區(qū)域性超標(biāo)，最大應(yīng)力值均為1 071 MPa，超過了橫梁材質(zhì)Q345B的屈服應(yīng)力下限值（345 MPa）。

4）2.5倍單側(cè)輪邊沖擊載荷時(shí)，不加載減振器阻尼力條件下的橫梁應(yīng)力分析。此工況條件下，設(shè)定左側(cè)加載2.5倍沖擊載荷72 500 N；右側(cè)加載正常滿載靜載荷29 000 N。進(jìn)行有限元分析，橫梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)與導(dǎo)向臂連接處的前螺栓連接點(diǎn)區(qū)域，左側(cè)最大應(yīng)力值為317 MPa，右側(cè)最大應(yīng)力值為171 MPa，均沒有超過橫梁材質(zhì)Q345B的屈服應(yīng)力下限值（345 MPa）。

5）2.5倍單側(cè)輪邊沖擊載荷時(shí)，加載減振器阻尼力條件下的橫梁應(yīng)力分析。此工況條件下，左側(cè)加載2.5倍沖擊載荷72 500 N；右側(cè)加載正常滿載靜載荷29 000 N。根據(jù)車輛運(yùn)行情況，取較高沖擊速度0.52 m/s，在每個(gè)減振器支座處加載最大壓縮阻尼力10 760 N，進(jìn)行有限元分析，橫梁與導(dǎo)向臂連接處的前螺栓連接點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力最大，應(yīng)力出現(xiàn)了區(qū)域性超標(biāo)，如圖3所示，左側(cè)最大應(yīng)力值為868 MPa，右側(cè)最大應(yīng)力值為811 MPa，均超過了橫梁材質(zhì)Q345B的屈服應(yīng)力下限值（345 MPa）。

圖2 2.5倍沖擊載荷，有減振器阻尼加載

圖3 2.5倍單側(cè)輪邊沖擊載荷，有減振器阻尼加載

故障結(jié)構(gòu)分析總結(jié)如下：本導(dǎo)向臂空氣懸架中，在不考慮減振器的前提下，后置橫梁結(jié)構(gòu)是合理的，不會(huì)因沖擊載荷或單側(cè)沖擊載荷造成橫梁內(nèi)部發(fā)生剪切或扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力集中、超標(biāo)等現(xiàn)象[11]。但在實(shí)車運(yùn)行過程中，由于減振器阻尼力的作用，橫梁的受力情況發(fā)生較大變化，導(dǎo)致橫梁兩側(cè)與導(dǎo)向臂連接螺栓孔處，以及橫梁氣囊座底板焊接處，超出了橫梁材質(zhì)允許的屈服應(yīng)力下限值。在車橋沖擊載荷的頻繁作用下，橫梁內(nèi)部應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致前螺栓連接點(diǎn)首先出現(xiàn)斷裂缺陷，其它焊縫和內(nèi)部應(yīng)力較大區(qū)域相繼出現(xiàn)裂紋，裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致橫梁折斷[12]。

而有限元分析的結(jié)果顯示最大應(yīng)力區(qū)域也出現(xiàn)在橫梁與導(dǎo)向臂連接處的前螺栓連接點(diǎn)附近，與實(shí)車出現(xiàn)斷裂的區(qū)域吻合。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

通過以上分析，要解決橫梁斷裂故障必須更改氣囊支座和減振器支架的連接結(jié)構(gòu)。具體改進(jìn)如下：

1）氣囊支座由原先的通過橫梁間接作用于導(dǎo)向臂，改進(jìn)為直接作用于導(dǎo)向臂。

2）減振器支架由原先的通過橫梁間接作用于導(dǎo)向臂，改進(jìn)為通過支架板直接作用于導(dǎo)向臂。

3）橫梁結(jié)構(gòu)為主要受力件，承受來自于上方氣囊支座和側(cè)方減振器支架等傳遞過來的力和力矩，由原先的置于導(dǎo)向臂上方，改進(jìn)為橫梁本體置于導(dǎo)向臂結(jié)構(gòu)的下方，使得氣囊的高承載作用力不再直接作用于橫梁表面，橫梁不再承載高應(yīng)力的傳遞作用，主要用于輔助保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)件。

圖4 改進(jìn)前后橫梁組件結(jié)構(gòu)對比

改進(jìn)前后橫梁組件結(jié)構(gòu)對比見圖4，改進(jìn)后的橫梁組件，氣囊支座和減振器支座直接與導(dǎo)向臂連接，使得氣囊和減振器的作用力絕大部分直接作用于導(dǎo)向臂上，在保證不影響導(dǎo)向臂強(qiáng)度和可靠性的同時(shí)，大大降低了橫梁的復(fù)雜受力，提高了橫梁的設(shè)計(jì)壽命。經(jīng)有限元分析，應(yīng)力最大值為197.3 MPa，安全系數(shù)1.75。經(jīng)10萬多km路況較為復(fù)雜的城鄉(xiāng)公路實(shí)車運(yùn)營驗(yàn)證，橫梁組件和導(dǎo)向臂均未再出現(xiàn)斷裂故障，運(yùn)營穩(wěn)定、可靠，說明針對該橫梁組件的優(yōu)化是成功的。

3 結(jié)束語

有限元分析技術(shù)的應(yīng)用，可以便捷有效地分析和鎖定零部件故障發(fā)生的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)缺陷，在處理實(shí)際故障問題中起到了很好的輔助指導(dǎo)作用[13]。

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修改稿日期：2017-06-07

StructuralImprovementof LateralBeam Components of an 8 m Bus Rear Suspension Guide Arm

Zhang Xiaoting,Zhou Lei,Yue Wen
（China Highway Vehicle Machinery Co.,Ltd,Beijing 102600,China）

Applying finite element analysis technique,the authors analyze the early fracture failure of lateral beam components with guide arm ofa 8 m bus rearairsuspension during vehicle running.According to the analysis results and verification between the realbeam componentfaultcharacterization,they improve the lateralbeam components structure to avoid the faulthappening again.

8 m bus;air suspension;guide arm;lateralbeam component

U463.33

B

1006-3331（2017）04-0025-03

張小庭（1986-），男，工程師；主要從事汽車零部件銷售及技術(shù)支持工作。