重型牽引車空氣懸架鋼板彈簧支架強(qiáng)度分析與優(yōu)化

尚志誠，胡　葳，劉一鳴

（1.重慶車輛檢測(cè)研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122；2.中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心，天津300300）

重型牽引車空氣懸架鋼板彈簧支架強(qiáng)度分析與優(yōu)化

尚志誠1，胡葳2，劉一鳴1

（1.重慶車輛檢測(cè)研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122；2.中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心，天津300300）

利用有限元分析軟件對(duì)某重型牽引車空氣懸架的鋼板彈簧支架進(jìn)行強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，在四種典型工況下，鋼板彈簧支架的強(qiáng)度均滿足要求，并存在一定的材料冗余；在此基礎(chǔ)上，對(duì)鋼板彈簧支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后的鋼板彈簧支架質(zhì)量減輕了6.8%，同時(shí)仍滿足強(qiáng)度要求。

重型牽引車；空氣懸架；鋼板彈簧支架；強(qiáng)度分析；優(yōu)化

懸架對(duì)車輛的經(jīng)濟(jì)性、安全性和營運(yùn)效率起著非常重要的作用。其中空氣懸架在重型牽引車上的應(yīng)用越來越多。國外汽車空氣懸架發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧+氣囊的復(fù)合式懸架→被動(dòng)全空氣懸架→主動(dòng)全空氣懸架（即ECAS電控空氣懸架系統(tǒng)）”的變化歷程［1-4］。車輛采用空氣懸架系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)車身高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高車輛行駛的平順性，同時(shí)可有效保護(hù)車輛自身和所運(yùn)輸?shù)呢浳铩?/p>

1　鋼板彈簧支架強(qiáng)度分析

本文所分析的重型牽引車的空氣懸架的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其中鋼板彈簧支架、長(zhǎng)短鋼板彈簧和下支架共同組成了空氣懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向傳力機(jī)構(gòu)，承受汽車的縱向力、側(cè)向力及其力矩。路面的激勵(lì)通過輪胎、車橋傳遞到鋼板彈簧，然后再由鋼板彈簧傳遞給鋼板彈簧支架、空氣彈簧以及減振器，最后作用到車架上。重型牽引車的懸架往往采用鋼板彈簧+氣囊的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在行駛過程中，懸架系統(tǒng)受力復(fù)雜。為保證車輛的平順性和操作穩(wěn)定性，其鋼板彈簧支架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方面的相關(guān)資料，該牽引車在行駛過程中可能遇到的典型極限工況為沖擊載荷工況、最大牽引力工況、緊急制動(dòng)工況和最大側(cè)向力工況［5-7］。針對(duì)這幾種典型工況對(duì)該重型牽引車后驅(qū)動(dòng)橋的輪胎接地力進(jìn)行計(jì)算，并以此為外部載荷。通過對(duì)空氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體有限元分析，求出鋼板彈簧支架銷軸處的約束反力，如表1所示。

表1　鋼板彈簧支架銷軸中心點(diǎn)處受力/N

使用HyperMesh前處理器對(duì)鋼板彈簧支架進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。首先簡(jiǎn)化模型，去除小的倒角和倒圓，對(duì)次要結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化；其次可以利用鋼板彈簧支架對(duì)稱的特性，采用對(duì)稱的方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于鋼板彈簧支架幾何形狀較為復(fù)雜，因此，采用一階四節(jié)點(diǎn)四面體單元。實(shí)際使用中鋼板彈簧支架的材料為球墨鑄鐵，牌號(hào)為QT800-2，材料參數(shù)如表2所示。

表2　鋼板彈簧支架材料參數(shù)

鋼板彈簧支架上端通過螺栓連接到車架上，下端通過銷軸連接到鋼板彈簧，鋼板彈簧可以繞著軸銷轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際的連接情況，約束鋼板彈簧支架螺栓安裝孔處各個(gè)節(jié)點(diǎn)的六個(gè)自由度，并在銷軸孔中間節(jié)點(diǎn)加載，載荷的大小參照表1所示四種典型工況下鋼板彈簧支架銷軸中心點(diǎn)處受力，并建立四種工況，利用OptiStruct求解器對(duì)鋼板彈簧支架在四種典型工況下的受力情況進(jìn)行求解。

鋼板彈簧支架應(yīng)力較大的區(qū)域主要位于螺栓孔周圍、加強(qiáng)筋及其周邊部分，其他部位應(yīng)力較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間面上的螺栓孔周圍，大小是133.6 MPa；鋼板彈簧支架與鋼板彈簧吊耳連接部位變形比較大，其他部位變形較小，最大變形量出現(xiàn)在鋼板彈簧支架的銷軸孔周圍，大小是0.502 9 mm。同樣分析得出，鋼板彈簧支架在其他三種典型工況下的應(yīng)力和位移的分布情況和沖擊載荷工況下的情況基本一致。四種典型工況下的結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在最大側(cè)向力的工況下鋼板彈簧支架的應(yīng)力和變形最大，分別為156.6 MPa和0.590 2 mm，在緊急制動(dòng)工況下應(yīng)力和變形最小。同時(shí)可以看出，最大應(yīng)力和最大變形量具有相同的趨勢(shì)，即應(yīng)力大的工況變形量也大。

為保證所有構(gòu)件安全工作并具有必要的強(qiáng)度儲(chǔ)備，通常把極限應(yīng)力除以一個(gè)安全系數(shù)，并將結(jié)果作為構(gòu)件的許用應(yīng)力，一般汽車零件的安全系數(shù)為1.6，一些易損件或重要零件還要乘以1.3～1.5的特別系數(shù)，由此得到的最大安全系數(shù)為2.4。鋼板彈簧支架是涉及車輛行駛安全的重要零件。出于安全考慮，選取安全系數(shù)為2.3，得到如下許用應(yīng)力：

由于鋼板彈簧支架在各極限工況下的最大Von Mises應(yīng)力為156.6 MPa，這與材料的許用應(yīng)力相比還有一定富余，尤其是從各工況應(yīng)力云圖中可以看出，鋼板彈簧支架下半部等區(qū)域的應(yīng)力很小，因此，可以認(rèn)為還有較大材料冗余，有必要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2　鋼板彈簧支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)鋼板彈簧支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求是在滿足極限工況最大應(yīng)力不超過許用應(yīng)力的前提下，盡可能減輕零件重量（或體積），因此，首先選擇體積最小作為優(yōu)化目標(biāo)。國外汽車企業(yè)常以剛度作為承載零件定型的關(guān)鍵指標(biāo)，若按滿足剛度準(zhǔn)則的要求來確定結(jié)構(gòu)，則可同時(shí)充分滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則［8-9］?？紤]結(jié)構(gòu)性能方面（這里主要指變形量）的約束，以各典型工況下銷軸中點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位移值不大于1.5 mm作為拓?fù)鋬?yōu)化中節(jié)點(diǎn)位移約束的上限值［10］，實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的剛度要求。拓?fù)鋬?yōu)化是一種對(duì)載荷傳遞路徑的優(yōu)化，如果不充分考慮多工況的影響，可能導(dǎo)致某些工況的傳力路徑被消除。另外，考慮到拓?fù)鋬?yōu)化問題的求解效率較高，故將所有極限工況作為優(yōu)化問題考慮的工況。

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要?jiǎng)澐謨?yōu)化與非優(yōu)化區(qū)域。根據(jù)之前對(duì)鋼板彈簧支架的分析結(jié)果，將應(yīng)力較小的部分設(shè)為優(yōu)化區(qū)域，圖3為鋼板彈簧支架的優(yōu)化與非優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域的劃分。

求解器根據(jù)定義的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，對(duì)有限元模型每個(gè)單元的相對(duì)密度進(jìn)行調(diào)整、迭代計(jì)算，通過Hyper View后處理器可以查看優(yōu)化結(jié)果。圖4所示為支架拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)（結(jié)構(gòu)體積）隨迭代次數(shù)的變化曲線。橫軸表示迭代次數(shù)，縱軸表示優(yōu)化區(qū)域結(jié)構(gòu)體積，單位為mm3。從圖4中可以看出，支架體積在迭代過程中呈總體下降趨勢(shì)，初始階段下降速度較快，后來下降速度變緩。經(jīng)過9次迭代，體積保持不變，優(yōu)化問題最終求得收斂解。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的最終體積趨于0，即支架可優(yōu)化區(qū)域的材料基本被去除［11］。

拓?fù)鋬?yōu)化就是通過調(diào)整每個(gè)單元的相對(duì)密度值實(shí)現(xiàn)材料的增刪。圖5所示為支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的相對(duì)密度云圖。其中，淺色表示單元密度接近1的區(qū)域，即零件中需要保留的區(qū)域；深色表示單元密度接近0的區(qū)域，即零件中可以去除的區(qū)域。從圖5中可以看出，零件中可以去除的區(qū)域都集中在低應(yīng)力區(qū)，這與零件的強(qiáng)度分析結(jié)果基本一致，反映出拓?fù)鋬?yōu)化是基于有限元分析結(jié)果進(jìn)行的。

根據(jù)變密度法的基本原理，相對(duì)密度值Xe介于0～1之間的材料的物理特性（彈性模量、剪切模量等）均低于真實(shí)材料，若按照相對(duì)密度值非0的設(shè)計(jì)空間作為零件改進(jìn)方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則與理想方案相比偏于保守，并且此條件下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模糊，不具備參考價(jià)值。經(jīng)過對(duì)比，認(rèn)為Xe值大于0.3的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較清晰。圖6為相對(duì)密度Xe大于0.3的所有單元形成的支架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖6中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化，支架可優(yōu)化區(qū)域的材料基本被去除，可見這些區(qū)域的材料基本不在傳力路徑上。

將原模型導(dǎo)入CAD軟件中進(jìn)行修正，得到修改后的鋼板彈簧支架模型，見圖7。

2.2優(yōu)化效果分析

由于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果只表示給定條件下的材料布局，是比較粗略的設(shè)計(jì)，通過相對(duì)密度云圖也可以看出這一特點(diǎn)，所以在完成對(duì)支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后，需要對(duì)新幾何結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行有限元建模和強(qiáng)度分析，并且驗(yàn)證改進(jìn)后的模型是否滿足動(dòng)態(tài)特性的要求。采用和改進(jìn)前相同參數(shù)的四面體單元對(duì)支架的拓?fù)涓倪M(jìn)方案重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)有限元模型施加與改進(jìn)前相同的載荷工況和邊界條件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析和剛度分析。

為了評(píng)價(jià)支架拓?fù)涓倪M(jìn)方案的效果，表3將改進(jìn)前后的各工況最大Von Mises應(yīng)力、最大變形進(jìn)行了對(duì)比。

表3　鋼板彈簧支架優(yōu)化前后性能對(duì)比

支架拓?fù)涓倪M(jìn)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為197.9 MPa，大于改進(jìn)前的156.6 MPa，其它各工況的最大應(yīng)力也都有不同程度的增大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所降低，但最大應(yīng)力仍低于支架的許用應(yīng)力208.7 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。支架拓?fù)涓倪M(jìn)結(jié)構(gòu)的最大變形量為1.138 0 mm，大于改進(jìn)前的0.590 2 mm，其它各工況的最大變形量也都有不同程度的增大，結(jié)構(gòu)剛度有所降低，但仍滿足對(duì)構(gòu)件剛度的要求。支架拓?fù)涓倪M(jìn)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為51.830 kg，改進(jìn)前結(jié)構(gòu)質(zhì)量為55.626 kg，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了3.796 kg，占原模型質(zhì)量的6.8%，減重效果明顯，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化的目的。

3　結(jié)束語

本文對(duì)鋼板彈簧支架在四種典型工況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，得到其強(qiáng)度和剛度滿足使用要求，并針對(duì)鋼板彈簧支架模型存在材料冗余的情況，對(duì)其進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，通過拓?fù)鋬?yōu)化的支架改進(jìn)設(shè)計(jì)，使原模型質(zhì)量減輕了6.8%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度均稍有降低，但仍可滿足使用要求，基本實(shí)現(xiàn)了減輕零件重量而不犧牲關(guān)鍵性能的目標(biāo)，認(rèn)為該方案比較理想。

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修改稿日期：2014-12-26

Strength Analysis and Optim ization on Leaf Spring Holde in Air Suspension of Heavy Traction Vehicle

Shang Zhicheng1，Hu Wei2，Liu Yiming1
（1.ChangqingVehicle Test&Research Institute，NationalCoach Quality Supervision&TestingCenter，Chongqing401122，China；2.Chian Autometive Technology and Research Ccnter，Data Resource Center，Tianjin 300300，China）

The authors use the finite element analysis（FEA）software to analyze the strength of the leafspringholder in the air suspension system of a heavy traction vehicle.The results show that the leaf spring holder can meet the requirements under the four conditions and the material is still redundant.Based on this，they conduct the topological optimization on the leaf spring holder.The optimized mass of the leaf spring holder is reduced by 6.8%，and the structure strength can still meet the requirements.

heavy traction vehicle；air suspension；leafspringholder；strength analysis；optimization

U 463.33+4.2

A

1006-3331（2015）03-0004-04r

尚志誠（1989-），男，助理工程師；從事整車試驗(yàn)研究和汽車研發(fā)技術(shù)工作。