某型商用車空氣懸架的氣囊支架的受力分析

吳迪　賈正偉　陳星晨　王亞平

摘 要：簡述空氣懸架的氣囊支架在懸架系統(tǒng)中的作用，針對某型商用車空氣懸架的氣囊支架進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計后，用有限元分析的方法，驗證氣囊支架的形變、應(yīng)力特性及疲勞強(qiáng)度。此方法可對氣囊支架的優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)，同時也為產(chǎn)品輕量化設(shè)計提供了一種設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：氣囊支架；有限元分析；形變和應(yīng)力；輕量化

中圖分類號：U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0165-03

Abstract： The function of air bag support of air suspension in suspension system is briefly described. After topological design of air bag support for a commercial vehicle air suspension， finite element analysis method is used. The deformation， stress and fatigue strength of the gasbag support were verified. This method can provide an important basis for the optimization design of the airbag support， and also provide a design method for the lightweight design of the product.

Keywords： balloon bracket； finite element analysis； deformation and stress； lightweight

引言

隨著國家新的法規(guī)GB7258-2017的執(zhí)行以及人們對商用車品質(zhì)要求不斷提高，商用車舒適性的好壞直接影響著產(chǎn)品市場競爭力。目前國外重型商用車使用空氣懸架的比例已在80%以上，空氣懸架在整個商用車上的應(yīng)用量也在逐步提升。危險化學(xué)品運(yùn)輸車等一些特種車輛上，空氣懸架已經(jīng)是必備的選擇。帶有空氣懸架的車輛可以獲得理想的固有頻率，減小整車的振動，獲得更好的操控性和行駛平順性。氣囊支架是空氣懸架中的關(guān)鍵零件之一，主要起到支撐氣囊、連接穩(wěn)定桿和傳遞載荷的作用?？諝鈶壹艿慕Y(jié)構(gòu)有多種形式，常見的有兩氣囊和四氣囊結(jié)構(gòu)。本文以某型商用車四氣囊空氣懸架為例，對氣囊支架（見圖1所示）進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計及有限元強(qiáng)度分析，驗證其結(jié)果的正確性[1]。

1 結(jié)構(gòu)模型的建立及優(yōu)化

1.1 建立裝配結(jié)構(gòu)模型

氣囊支架為鑄件實體結(jié)構(gòu)，其主要承受來自車輛垂直載荷。同時，在車輛行駛過程中還需承受來自推力桿等機(jī)構(gòu)的橫向載荷。根據(jù)設(shè)計車輛的結(jié)構(gòu)形式：該車采用單個后驅(qū)動橋四個氣囊懸架結(jié)構(gòu)，氣囊在驅(qū)動橋前、后分別各布置一個。該結(jié)構(gòu)為商用車常用的后驅(qū)動橋四個氣囊懸架典型結(jié)構(gòu)。側(cè)向力由V型推力桿承載，而位于車架縱梁下方的氣囊主要承擔(dān)垂直載荷推力，這種結(jié)構(gòu)采用的V型推力桿安裝對車架強(qiáng)度及制造精度都有較高的要求。也是目前空氣懸架常用的結(jié)構(gòu)之一，如圖1所示。

1.2 氣囊支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法

本文的優(yōu)化目標(biāo)是氣囊懸架的前推力桿支架，拓?fù)鋬?yōu)化需要考慮三個步驟[2]：

一是拓?fù)鋬?yōu)化空間：根據(jù)氣囊懸架布置形式，同時需保證設(shè)計過程中修改的方便性和不會造成運(yùn)動干涉。需建立空間實體模型（見圖2），拓?fù)鋬?yōu)化空間保證了在材料布置時的空間限制，也保證了不會產(chǎn)生附加的運(yùn)動干涉。

二是拓?fù)涔r條件：根據(jù)圖1所示懸架受力情況可以看出，該支架主要承受V型推力桿傳遞的側(cè)向力，力的方向隨后驅(qū)動橋的上下運(yùn)動而改變，因此拓?fù)渎窙r需選取后驅(qū)動橋跳動的極限位置（上、下兩位置）。

三是優(yōu)化目標(biāo)：對該零件的設(shè)計目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)輕量化、體積最小化[3]。

1.3 拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型

在進(jìn)行氣囊支架優(yōu)化設(shè)計時，除按照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行材料布置設(shè)計外，還應(yīng)考慮新零件便于設(shè)計制造和更換維護(hù)，同時注重局部細(xì)小特征提現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計理念。因此，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時遵循以下原則[4]：

（1）減小大平面；（2）剔除多余結(jié)構(gòu)；（3）壁厚均勻、突出筋骨；（4）注重細(xì)節(jié)優(yōu)化。

根據(jù)以上原則，重新建立所需的幾何模型如圖3。

2 優(yōu)化結(jié)果驗證

驗證所得到的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的工況需要與進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)涞墓r保持一致。根據(jù)實際工況對支架施加位置約束，將支架的Y向固定約束，其他方向自由約束。對固定螺栓孔施加X和Z向約束，完成支架與車架的位移約束，在下推力桿與支架螺栓接觸面施加載荷約束，為了正確的模擬支架的受力情況，采用單一零件（對稱零件）進(jìn)行分析，以確保分析結(jié)果的精確性。

各工況計算得到的支架載荷大小和受力位置如表1所示。

由于上述七種工況中，極限工況主要集中在車輛起步、車輛制動、車輛轉(zhuǎn)向（外側(cè)）、推力桿頂起、推力桿懸空這五種工況。所以對上述五種工況進(jìn)行分析即可。由有限元結(jié)構(gòu)分析可以得到各個工況下的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力，如表3所示。

從上面的分析結(jié)果可以看出：轉(zhuǎn)向工況的最大應(yīng)力約為285MPa，其應(yīng)力集中區(qū)在分布在兩邊的加強(qiáng)筋處；推力桿頂?shù)坠r與轉(zhuǎn)向工況的情況大致相同，最大應(yīng)力約為201MPa，應(yīng)力集中區(qū)也分布在加強(qiáng)筋處。

疲勞臺架試驗是評價產(chǎn)品疲勞強(qiáng)度的方法之一，但由于其費(fèi)用高、周期長?，F(xiàn)在絕大部分產(chǎn)品設(shè)計都采用有限元模擬的方法來進(jìn)行產(chǎn)品的疲勞分析。分析時采用應(yīng)變載荷，驗證所得結(jié)構(gòu)疲勞壽命強(qiáng)度，同時各取極限工況一次為一個疲勞循環(huán)，計算得到零件的疲勞系數(shù)和疲勞壽命，結(jié)果如圖8所示。

由疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果可以看出疲勞系數(shù)其分布均勻，成階梯狀分布。疲勞壽命為4.36E+4次，可以看為無限壽命。其結(jié)構(gòu)疲勞循環(huán)的最壞點處于支架加強(qiáng)筋上部連接處。

經(jīng)過對氣囊支架危險工況的有限元仿真分析，得到氣囊支架的最大應(yīng)變約為3.43mm，最大應(yīng)力約為285MPa，小于材料的抗拉強(qiáng)度450MPa，所以氣囊支架滿足靜強(qiáng)度設(shè)計要求，支架的最大應(yīng)力主要在集中在氣囊支架加強(qiáng)筋附近，該部位是支架的薄弱部分，設(shè)計時需要注意加強(qiáng)剛度。拓?fù)鋬?yōu)化可以控制優(yōu)化后的體積，使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與同類產(chǎn)品相比重量減少了15%（與原產(chǎn)品對比見表4）。針對該型商用車氣囊支架采用的優(yōu)化設(shè)計方法為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化和疲勞預(yù)測提高了理論依據(jù)。

3 結(jié)束語

通過上述例子，證明了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的正確性，同時也驗證了它能使零件獲得更好的力學(xué)結(jié)構(gòu)，降低關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力，并且能夠?qū)⒉牧侠寐实玫綐O大的提高，同時疲勞壽命得到了提高?？s短了產(chǎn)品設(shè)計周期。

參考文獻(xiàn)：

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