空氣懸掛車(chē)橋限位鏈U型螺栓異常斷裂分析

王新博，鞠冬梅，禚圓圓，徐莉

(泰安航天特種車(chē)有限公司,山東泰安 271000)

?

空氣懸掛車(chē)橋限位鏈U型螺栓異常斷裂分析

王新博，鞠冬梅，禚圓圓，徐莉

(泰安航天特種車(chē)有限公司,山東泰安 271000)

摘要：越野車(chē)輛空氣彈簧平衡懸架不同于鋼板彈簧和油氣彈簧，其限位裝置應(yīng)與受力規(guī)律及減振器安裝相適應(yīng)。結(jié)合工程實(shí)際，依據(jù)空氣懸掛車(chē)橋具體特點(diǎn),建立限位鏈U型螺栓的仿真模型,做動(dòng)態(tài)及疲勞壽命分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：空氣彈簧；平衡懸架；仿真；疲勞壽命；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

重型越野車(chē)輛工作環(huán)境惡劣，路況復(fù)雜，長(zhǎng)期面臨壕溝、臺(tái)階、崎嶇山路等極端工況，車(chē)橋跳動(dòng)頻繁，因此常配裝平衡懸架，以減少車(chē)輪懸空。對(duì)于空氣彈簧平衡懸架[1]，當(dāng)某輪懸空時(shí)，構(gòu)成平衡橋的另一車(chē)輪單獨(dú)支承上裝載荷，空氣彈簧氣壓增大，懸空車(chē)輪空氣彈簧會(huì)因氣室連通而產(chǎn)生很大下推力。為保護(hù)懸架系統(tǒng)，需合理設(shè)計(jì)上下限位。該裝置經(jīng)常受沖擊，屬于易損零部件，根據(jù)實(shí)際情況做動(dòng)態(tài)和疲勞壽命分析是設(shè)計(jì)的主要任務(wù)?，F(xiàn)針對(duì)某空氣懸架車(chē)輛的車(chē)橋限位鏈U型連接螺栓斷裂問(wèn)題做剖析，以提出優(yōu)化和改進(jìn)措施。

1空氣懸架結(jié)構(gòu)

該車(chē)輛三、四橋采用空氣彈簧平衡懸架。車(chē)輛行駛時(shí)，車(chē)橋上下跳動(dòng)，懸空車(chē)橋空氣彈簧下推力與車(chē)橋重力的合力通過(guò)車(chē)橋中心線垂直向下，限位鏈及減震器在相對(duì)于車(chē)橋中心線前后對(duì)稱(chēng)的位置上共同完成對(duì)車(chē)橋的下限位，作用力與反作用力共線，設(shè)計(jì)合理，不產(chǎn)生附加力矩，保護(hù)懸掛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)零部件不受損壞。圖1為車(chē)橋及限位鏈?zhǔn)疽鈭D，限位鏈下端為U型螺栓,它通過(guò)螺母固定到車(chē)橋兩側(cè)前后方向的工字梁上, 工字梁支承2個(gè)空氣彈簧，圖右相對(duì)于中心線對(duì)稱(chēng)的位置上是減振器。圖2為空氣懸架的實(shí)體圖。

行駛中出現(xiàn)了限位鏈U型連接螺栓斷裂現(xiàn)象，斷裂螺栓的外觀特征為：中部?jī)?nèi)圓弧磨損擠壓變薄，斷面明顯拉伸縮小，晶粒狀表面不平整，有撕裂現(xiàn)象，見(jiàn)圖3。對(duì)U型螺栓斷裂原因進(jìn)行分析：(1)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足；(2)制造加工缺陷；(3)減振器失效；(4)限位鏈長(zhǎng)度過(guò)短。

2故障原因分析

2.1設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足的可能性

當(dāng)車(chē)橋懸空時(shí)，下限位設(shè)置長(zhǎng)度決定其最大行程。限位鏈初始設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為485 mm，與減振器極限位置匹配，共承受拉力36.5 kN(三橋到達(dá)上限位，四橋懸空，四橋空氣彈簧下推力15 kN。整橋重力17.2 kN，沖擊系數(shù)取2.5)，U型螺栓受拉力18.25 kN，加載到有限元模型上，計(jì)算結(jié)果顯示應(yīng)力最大值375 MPa，位于U型螺栓圓弧中部與限位鏈接觸處，見(jiàn)圖4。螺栓材料為調(diào)質(zhì)40Cr，屈服強(qiáng)度785 MPa，抗拉強(qiáng)度980 MPa，安全系數(shù)2，滿(mǎn)足汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)要求，故排除設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足的原因。

2.2制造加工缺陷的可能性分析

U型螺栓技術(shù)要求：材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理HRC25～30。對(duì)斷裂螺栓分別進(jìn)行了材質(zhì)檢驗(yàn)、硬度檢測(cè)和金相分析。材質(zhì)成分符合40Cr，調(diào)質(zhì)硬度HRC30，無(wú)缺陷。排除U型螺栓存在制造缺陷的可能。

2.3減振器失效可能性分析

減振器是通過(guò)阻尼力來(lái)衰減振動(dòng)振幅并輔助限位的。減振器如果失效，懸空車(chē)輪空氣簧氣壓的下推力及車(chē)橋自重完全通過(guò)限位鏈作用到U型螺栓上，且作用力與反作用力不共線會(huì)形成附加力矩，使螺栓超載而破壞，因此對(duì)故障車(chē)輛減振器進(jìn)行檢查。將減振器拆下進(jìn)行測(cè)試，減振器阻尼力正常，限位良好，未失效，排除減振器失效的可能。

2.4限位鏈過(guò)短的可能性分析

根據(jù)整車(chē)及懸掛系統(tǒng)各部件相對(duì)位置關(guān)系，用作圖法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核。為滿(mǎn)足各運(yùn)動(dòng)件極限狀態(tài)下的間隙及使用要求，限位鏈設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為485 mm，但未規(guī)定節(jié)數(shù)。減振器極限位置對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為485 mm。車(chē)輛滿(mǎn)載靜止?fàn)顟B(tài)限位鏈垂向距離384 mm，此時(shí)車(chē)橋垂直下跳量為 485-384=101 mm，加上輪胎變形50 mm，輪胎垂直下跳量為151 mm。由于安裝距及杠桿比的影響，車(chē)橋在傾斜跳動(dòng)時(shí)(一側(cè)車(chē)輪懸空，另一側(cè)路面凸起，緩沖塊壓縮1/2)，最大下跳量為244 mm。復(fù)查故障車(chē)輛，限位鏈?zhǔn)?jié)，長(zhǎng)度為456 mm。即在實(shí)際裝配中，裝配人員取了整節(jié)，13節(jié)或12節(jié)兩種長(zhǎng)度。后者車(chē)橋允許下跳量?jī)H為456-384=72 mm，加上輪胎變形50 mm，輪胎總下跳量?jī)H為122 mm。車(chē)橋傾斜跳動(dòng)時(shí)，輪胎最大下跳量?jī)H202 mm。如圖5所示。

根據(jù)空氣彈簧使用手冊(cè)標(biāo)定的氣腔高度-載荷曲線：滿(mǎn)載56 kN時(shí)，氣腔高度168 mm；四橋懸空限位485 mm時(shí)，氣腔高度369 mm，下推力15 kN。而四橋懸空限位456 mm時(shí)，氣腔高度340 mm，下推力26 kN。依據(jù)疲勞壽命雨流法[2]，加權(quán)損傷次數(shù)迅速累積。野外實(shí)車(chē)振動(dòng)沖擊信號(hào)數(shù)據(jù)采樣見(jiàn)表1。

表1加速度采樣數(shù)據(jù)表

圖6—9為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的長(zhǎng)鏈條狀態(tài)下4個(gè)通道的加速度載荷譜。

圖10為螺栓材料的應(yīng)變-壽命特性曲線，2條直線是該曲線的漸近線。此圖為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，增大單位刻度，數(shù)值增大10倍。將有限元計(jì)算結(jié)果中所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值直接轉(zhuǎn)化為疲勞壽命云圖。

計(jì)算得2種鏈條長(zhǎng)度狀態(tài)下U型螺栓的疲勞壽命云圖，見(jiàn)圖11及圖12，12節(jié)鏈條時(shí)耐疲勞沖擊次數(shù)最小值為7.16×106次，見(jiàn)圖11箭頭所指位置；13節(jié)鏈條時(shí)耐疲勞沖擊次數(shù)最小值為3.27×107次，見(jiàn)圖12箭頭所指位置，兩者疲勞壽命之比為1∶4.67。

3破壞機(jī)制

U型螺栓斷裂的原因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)位移不協(xié)調(diào)，12節(jié)的限位鏈長(zhǎng)度過(guò)短，與減震器極限位置不一致，車(chē)輪懸空時(shí)，較短的限位鏈單獨(dú)承擔(dān)了平衡橋空氣簧下推力及車(chē)橋自重，還承擔(dān)作用力與反作用力不共線形成的力矩。從疲勞方面看，車(chē)橋允許的下跳量變小，懸空的概率增大，U型螺栓受沖擊頻繁，沖擊力

大，磨損時(shí)間長(zhǎng)，最終導(dǎo)致疲勞失效。另外U型螺栓安裝為前后方向，兩臂受力不對(duì)等，與限位鏈不能鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)，磨損嚴(yán)重。

4結(jié)論

改進(jìn)措施主要解決長(zhǎng)度不足和磨損問(wèn)題，參照限位鏈標(biāo)準(zhǔn)GB/T24816-2009《起重用短環(huán)鏈T8級(jí)精度鏈》，考慮加工誤差，經(jīng)運(yùn)動(dòng)校核，限位鏈長(zhǎng)度483～487 mm時(shí)滿(mǎn)足使用要求：

(1)標(biāo)注限位鏈總長(zhǎng)度(485±2) mm，即13節(jié)鏈條。

(2)復(fù)查限位鏈節(jié)數(shù)及長(zhǎng)度，形成檢驗(yàn)記錄，保證其長(zhǎng)度與減振器極限位置匹配。

(3)將U型螺栓改為左右方向安裝，使其能與鏈條正常鉸接。

改進(jìn)后下限位裝置使用壽命顯著提高，經(jīng)過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)，取得了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn):

【1】陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005：201-206，237-243.

【2】徐宣,劉云鵬,卜樹(shù)峰.基于雨流法的機(jī)械疲勞分析[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù),2008(3)：11-14.

Mechanical Analysis on the Abnormal Fracture of U-bolts of Air Suspension Axle Anchoring Chain

WANG Xinbo, JU Dongmei, ZHUO Yuanyuan, XU Li

(Taian Aerospace Special Vehicle Co., Ltd., Taian Shandong 271000, China)

Keywords:Air spring; Balance suspension; Simulation; Fatigue life-span; Structure optimization

Abstract:All terrain vehicle balance suspension with air spring is different from that with steel-belt spring or oil-air spring.The restrict installation must fit to aerostatics theory and buffer.Based on engineering practice, according to the characteristic of U-bolts of air suspension axle anchoring chain, its simulation model was built and dynamic analysis and fatigue life-span analysis were completed for structure optimization and reliability improving.

收稿日期：2015-12-05

作者簡(jiǎn)介：王新博(1971—)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)CAE。E-mail：w_xinbo@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào):U469.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)03-046-04