牽引車空氣懸架結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)

申國(guó)偉，陳柳青，安 軻，張善昌，李 安

牽引車空氣懸架結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)

申國(guó)偉，陳柳青，安 軻，張善昌，李 安

（陜西徳仕汽車部件（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

為實(shí)現(xiàn)牽引車空氣懸架結(jié)構(gòu)件的輕量化并驗(yàn)證其強(qiáng)度性能，首先運(yùn)用CATIA對(duì)牽引車空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，然后建立空氣懸架結(jié)構(gòu)件有限元模型，最后在不同工況條件下對(duì)部分結(jié)構(gòu)件新舊材料和結(jié)構(gòu)的輕量化做了對(duì)比仿真分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型最大Von-Mises應(yīng)力均小于舊材料，強(qiáng)度性能仍能滿足使用要求，并且重量均減輕，達(dá)到了輕量化的效果，符合設(shè)計(jì)要求。此設(shè)計(jì)提高了運(yùn)輸效率，降低了油耗以及全生命周期運(yùn)營(yíng)成本。

牽引車；空氣懸架；輕量化設(shè)計(jì)；有限元分析；CATIA

近年來牽引車輕量化一直是主機(jī)廠主要推進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)方向。目前國(guó)內(nèi)重卡95%的懸架仍為板簧懸架，空氣懸架僅占5%的市場(chǎng)，而歐洲近90%的車型均已匹配空氣懸架。隨著《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）的實(shí)施以及國(guó)家對(duì)超載超限的治理，空氣懸架必將迎來穩(wěn)步增長(zhǎng)，后續(xù)還將逐年增長(zhǎng)，市場(chǎng)廣闊。前期國(guó)內(nèi)一直在板簧懸架上進(jìn)行重點(diǎn)輕量化設(shè)計(jì)，而空氣懸架的輕量化卻關(guān)注不多，但隨著空氣懸架車型的逐年遞增，空氣懸架的輕量化設(shè)計(jì)迫在眉睫。

本文以牽引車空氣懸架為例，利用CATIA軟件對(duì)牽引車空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用ANSYS 有限元分析軟件建立空氣懸架結(jié)構(gòu)件有限元模型，模擬空氣懸架在牽引車上的真實(shí)工況，對(duì)不同材料以及結(jié)構(gòu)輕量化的空氣懸架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析。

1 空氣懸架結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)

1.1 空氣懸架的構(gòu)成

空氣懸架主要由彈性元件、減振器、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定桿組成，主要起承載、減振、導(dǎo)向以及抗側(cè)傾的作用[1]?？諝鈶壹芙Y(jié)構(gòu)件如圖1所示。

1—?dú)饽疑现Ъ埽?—?dú)饽遥?—?dú)饽蚁峦屑茏螅?—片扭簧總成；5—片扭簧支架；6—減振器；7—?dú)饽蚁峦屑苡遥?—V型推力桿支架；9—V型推力桿；10—減振器上支架。

本文空氣懸架結(jié)構(gòu)件的輕量化包括片扭簧支架由QT500-7換成鋁合金材料[2]，成功減重15.8%；對(duì)于片扭簧的桿壁厚減少，球銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變以及片桿壁厚的減少實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)[3]，成功減重25.6%；對(duì)氣囊上支架同時(shí)進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的輕量化[4]，首先材料由Q355更換為鋁合金，結(jié)構(gòu)也從圓盤形改為其他形狀，成功減重13.6%；對(duì)氣囊下托架從QT500-7換為鋁合金材料[5]，成功減重26.8%，輕量化效果顯著。

1.2 有限元模型的建立

根據(jù)空氣懸架的結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)的完成，本文首先在ANSYS中分別建立片扭簧支架、片扭簧總成、氣囊上支架、氣囊下托架有限元模型。其模型材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

序號(hào)模型材料屈服強(qiáng)度/MPa拉伸強(qiáng)度/MPa 1片扭簧支架QT500-7320500 鋁合金280340 2片扭簧結(jié)構(gòu)33MnCrB5-29001 180 3氣囊上支架Q355355460 鋁合金280340 4氣囊下托架QT500-7320500 鋁合金280340

1.3 邊界條件及載荷

為模擬空氣懸架各結(jié)構(gòu)件在整車上的實(shí)際工作狀況[6]，對(duì)邊界條件定義如下：片扭簧支架16個(gè)螺栓孔施加螺栓約束，給下方片扭簧支架施加大小不同的力；對(duì)片扭簧總成分別施加垂向加載、縱向加載、橫向加載；對(duì)氣囊上支架車架兩側(cè)施加固定約束，在限位塊上施加不同工況下的力；對(duì)氣囊下托架固定四個(gè)螺栓孔，對(duì)應(yīng)處施加不同的載荷，來模擬車在行駛時(shí)結(jié)構(gòu)件的受力情況。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 片扭簧支架結(jié)果分析

對(duì)片扭簧支架在相同結(jié)構(gòu)、不同材料下做仿真分析。圖2為片扭簧支架載荷加載情況。

圖2 載荷施加

圖3(a)(b)分別為工況一時(shí)QT500-7、鋁合金材料的片扭簧支架應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，QT500-7的Von-Mises應(yīng)力為201.97 MPa，鋁合金材料的應(yīng)力為135.68 MPa，二者均小于材料的屈服極限，符合設(shè)計(jì)要求，且新的鋁合金材料應(yīng)力小于舊材料QT500-7。二者安全系數(shù)分別為1.58、2.06，新材料安全系數(shù)相較于舊材料提升了0.48。輕量化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)。

圖3 工況—50 000 N應(yīng)力云圖

圖4 工況二 70 000 N應(yīng)力云圖

圖4(a)(b)分別表示工況二時(shí)QT500-7、鋁合金材料的片扭簧支架應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，QT500- 7的Von-Mises應(yīng)力為282.76 MPa，鋁合金材料的應(yīng)力為189.96 MPa，二者均小于材料的屈服極限，符合設(shè)計(jì)要求，且新的鋁合金材料應(yīng)力小于舊材料QT500-7。二者安全系數(shù)分別為1.13、1.47，新材料安全系數(shù)相較于舊材料提升了0.34。實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。

2.2 片扭簧總成結(jié)果分析

對(duì)片扭簧總成在相同材料、不同結(jié)構(gòu)下做強(qiáng)度分析。圖5為片扭簧總成的工況及載荷施加情況。圖5(a)表示固定片桿三處，向加載使該側(cè)片桿相對(duì)另一端片桿的向角度為±3°（54 mm），即整車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)大坑或者凸起時(shí)的情況。圖5(b)表示固定空心管兩端直徑80段，兩側(cè)球絞分別沿片桿方向加載±250 kN，即整車在啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)給車橋傳遞力矩時(shí)片扭簧受力情況分析。圖5(c)表示固定空心管兩端直徑80段及一側(cè)球絞，作動(dòng)器與另一側(cè)的球絞連接，加載振幅±5.64 mm，即車轉(zhuǎn)彎時(shí)受到側(cè)向力的模擬。

圖5 片扭簧三種輸入工況

圖6—圖8分別表示三種工況下片扭簧現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，垂向加載時(shí)，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)應(yīng)力為1 062.8 MPa，輕量化應(yīng)力為958.11 MPa；縱向加載二者應(yīng)力分別為 505.52 MPa、770.34 MPa；橫向加載時(shí)，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)應(yīng)力為310.96 MPa，輕量化應(yīng)力為268.36 MPa。在三種不同工況下，應(yīng)力減小，片扭簧安全系數(shù)均得到了提升，輕量化設(shè)計(jì)符合要求。

圖6 垂向加載片扭簧應(yīng)力云圖

圖7 縱向加載片扭簧應(yīng)力云圖

圖8 橫向加載片扭簧應(yīng)力云圖

2.3 氣囊上支架結(jié)果分析

對(duì)氣囊上支架做相同工況、不同材料及結(jié)構(gòu)的仿真分析，固定車架兩側(cè)，限位塊施加載荷。工況一載荷為57 000 N，工況二載荷為46 900 N，如圖9所示。

圖9 氣囊上支架載荷

圖10 工況一氣囊上支架應(yīng)力云圖

圖10、圖11分別表示不同工況下Q355、鋁合金材料的氣囊上支架應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，相同工況下，不同材料、結(jié)構(gòu)的氣囊上支架應(yīng)力均小于現(xiàn)有材料及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，且小于材料的屈服極限，輕量化滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 工況二氣囊上支架應(yīng)力云圖

2.4 氣囊下托架結(jié)果分析

對(duì)氣囊下支架做相同結(jié)構(gòu)、不同材料下的強(qiáng)度分析。圖12為氣囊下托架載荷圖。

圖12 氣囊下托架載荷

圖13、圖14分別表示不同工況下QT500-7、鋁合金材料的氣囊下托架應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，在不同工況下，氣囊下托架現(xiàn)有材料應(yīng)力大于輕量化材料應(yīng)力，安全系數(shù)提升，減重了26.8%，符合設(shè)計(jì)要求。

圖13 工況一氣囊下托架應(yīng)力云圖

圖14 工況二氣囊下托架應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本文對(duì)牽引車空氣懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，完成整體數(shù)模繪制。然后將改變前后的結(jié)構(gòu)件分別進(jìn)行靜力學(xué)對(duì)比分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度的可靠性。

首先對(duì)相同載荷、不同材料的片扭簧支架進(jìn)行分析計(jì)算，得到鋁合金與QT500-7相比，其應(yīng)力減小，安全系數(shù)提升，成功減重15.8%；其次對(duì)片扭簧總成分別進(jìn)行了垂向、縱向、橫向三種不同工況下的強(qiáng)度分析，得到輕量化結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，成功減重25.6%；然后對(duì)氣囊上支架同一載荷、不同材料和相同材料、不同載荷做了對(duì)比，分析發(fā)現(xiàn)鋁合金材料應(yīng)力小于Q355，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)提升，成功減重13.6%；最后對(duì)氣囊下托架同一載荷、不同材料和相同材料、不同載荷做對(duì)比，經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，鋁合金材料應(yīng)力小于QT500-7的，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)提升，成功減重26.8%。綜上所述，經(jīng)靜力學(xué)分析，輕量化后結(jié)構(gòu)均符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。

[1] 陳耀明.汽車懸架論文集[M].蘇州:蘇州大學(xué)出版社, 2012.

[2] 黃杰文.某新能源輕客電池包支架強(qiáng)度分析及輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(16):6-8.

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[4] 吳迪,賈正偉,陳星晨,等.某型商用車空氣懸架的氣囊支架的受力分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2018(4):165- 167.

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Lightweight Design of Air Suspension Structure of a Tractor

SHEN Guowei, CHEN Liuqing, AN Ke, ZHANG Shanchang, LI An

( Shaanxi Deshi Vehicle Components (Group) Company Limited, Xi’an 710200, China )

In order to reduce the weight of the air suspension structure of the tractor and verify its strength performance, CATIA was first used to design the lightweight of air suspension system of the tractor, then the finite element model of the air suspension structure was established, and finally a comparative simulation analysis was made on the new and old materials and lightweight structure of some structural parts under different working conditions. The results show that the maximum Von-Mises stress of the optimized model is less than that of the old material. The strength performance can still meet the requirements of use, and the weight is reduced, achieving a lightweight effect and meeting the design requirements.This design improves transportation efficiency, reduces fuel consumption and life cycle operating costs.

Tractor; Air suspension; Lightweight design; Finite element analysis;CATIA

U469.5+1

A

1671-7988(2022)21-91-06

U469.5+1

A

1671-7988(2022)21-91-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.017

申國(guó)偉（1987—），男，工程師，研究方向?yàn)閼壹芟到y(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)，E-mail:313912319shen@163.com。