基于ADAMS軟件對(duì)空氣懸架中Z型簧受力強(qiáng)度分析①

虞燕花, 陳中旺

(1.安徽黃梅戲藝術(shù)職業(yè)學(xué)院,安徽 安慶 246133;2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司,安徽 合肥 230071)

0 引 言

空氣懸架裝置結(jié)構(gòu)種類較多,其中Z型簧空氣懸架裝置是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本低以及舒適性較好的懸架結(jié)構(gòu),在國(guó)內(nèi)外使用較多。如圖1是美國(guó)萬(wàn)國(guó)6×4牽引車匹配的Z型簧懸架結(jié)構(gòu)模型,該車型單橋設(shè)計(jì)承載9噸,懸架整體輕量化設(shè)計(jì),可滿足輕載、較好路況的使用[2]。但對(duì)于國(guó)內(nèi)復(fù)雜工況,該懸架裝置設(shè)計(jì)安全系數(shù)相對(duì)較低,使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)Z型簧斷裂故障(見(jiàn)圖2),因此在國(guó)內(nèi)匹配使用時(shí),需對(duì)Z型簧進(jìn)行改進(jìn)加強(qiáng)。本文按國(guó)內(nèi)復(fù)雜工況對(duì)導(dǎo)向簧做靜動(dòng)態(tài)分析,并提出加強(qiáng)方案。

1 道路驗(yàn)證分析[2]

為驗(yàn)證導(dǎo)向簧受沖擊載荷情況,并分析導(dǎo)向簧受沖擊載荷時(shí)的應(yīng)力大小。一般利用裝配該后懸架的整車在耐久性道路(綜合工況)上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證,并要求裝載標(biāo)準(zhǔn)載荷(按照GB 1589執(zhí)行)。試驗(yàn)共采集三、四橋加速度、位移和和三橋2個(gè)應(yīng)變等信號(hào),分別需用到加速度、位移和應(yīng)變片傳感器,各傳感器布置位置如表1。

圖1 Z型簧懸架結(jié)構(gòu)

表1 傳感器布置位置說(shuō)明表

為了做到數(shù)據(jù)的有效性,要求分別做三組道路試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2。

表2 道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2中數(shù)據(jù),可以得出三橋左、四橋右側(cè)導(dǎo)向簧加速度相對(duì)較大,各導(dǎo)向簧垂直位移、應(yīng)變值都較大,再根據(jù)應(yīng)變值可以計(jì)算出三橋?qū)蚧蓱?yīng)力值。表中可以看出最大應(yīng)力值較大,特別是右側(cè)簧,最大應(yīng)力值達(dá)918MPa,說(shuō)明整車在試驗(yàn)道路上行駛過(guò)程中,Z型簧確實(shí)受到較大的沖擊載荷情況。

圖2 Z型簧分析結(jié)構(gòu)模型

圖3 動(dòng)態(tài)仿真受力曲線

2 動(dòng)態(tài)仿真分析

雙后橋載貨車匹配空氣懸架時(shí),一般采用一個(gè)或兩個(gè)高度控制器,控制空氣彈簧內(nèi)部的氣體壓力,保持整車左右高度基本相同。但兩種控制方式中,都要求將中、后橋左、右單側(cè)空氣彈簧通過(guò)管路聯(lián)通(單點(diǎn)都聯(lián)通),保證中、后橋左、右單側(cè)空氣彈簧內(nèi)壓力完全相同,從而中橋和后橋的空氣彈簧承載基本相同、各軸載荷也相同。這種串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)了中后橋軸荷關(guān)聯(lián),在使用中保護(hù)中后橋不過(guò)載導(dǎo)致懸架承載零部件損壞,因此各軸上的Z型簧受力也基本相同[3]。根據(jù)以上軸荷特點(diǎn)分析,為了提高分析效率和精確性,縮短分析時(shí)間,本文只對(duì)單橋進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。使用ADAMS/ViEW軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)CAE模擬仿真分析[4],建立分析簡(jiǎn)易三維模型導(dǎo)入軟件中,分析模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2[5]。

圖4 Z型簧應(yīng)力云圖

分析模型布置基本同懸架結(jié)構(gòu),主要包括Z型簧、減振器總成、空氣彈簧總成、驅(qū)動(dòng)橋和縱向、橫向推力桿等。主要分析Z型簧的受力,因此懸架中其它零部件做簡(jiǎn)易處理,包括空氣彈簧、減振器總成和承載橋等,并對(duì)空氣彈簧附加剛度、減震器附加阻尼力等,各零部件做相應(yīng)約束。在橋中心處增加滿載載荷,施加Z型簧向上位移函數(shù),測(cè)量Z型簧端部受力情況。動(dòng)態(tài)仿真受力曲線圖如圖4[4]。從圖3中可看出,在空氣彈簧上下行程單循環(huán)周期中,曲線中部有較大波峰,最大載荷值約86172N,載荷值較大,說(shuō)明Z型簧端部受力有突變情況,導(dǎo)向簧受到?jīng)_擊載荷。

3 Z型簧靜態(tài)應(yīng)力分析

復(fù)合式空氣懸架裝置結(jié)構(gòu)布置常見(jiàn)的有兩種,一種是簡(jiǎn)單并聯(lián),即板簧、空氣彈簧均重合作用在車軸上,此狀態(tài)空氣彈簧和板簧之間承載無(wú)杠桿比;第二種是在車軸兩側(cè)板板簧、空氣彈簧并聯(lián),即板簧起作用部分和空氣彈簧布置在車軸兩側(cè),此狀態(tài)空氣彈簧和板簧之間承載有杠桿比。從Z型簧后懸架裝置結(jié)構(gòu)分析,空氣彈簧、Z型簧作用端布置在在車軸前后側(cè),因此Z型簧和空氣彈簧承載P2/P1按杠桿反比L1/L2計(jì)算,參數(shù)見(jiàn)圖4。

表3 Z型簧優(yōu)化前CAE分析數(shù)據(jù)表

通過(guò)空氣彈簧、導(dǎo)向簧作用長(zhǎng)度比,以及橋額定軸荷,可以確定導(dǎo)向簧在靜態(tài)空、滿載時(shí)作用端的載荷。對(duì)Z型簧單獨(dú)進(jìn)行靜態(tài)CAE受力分析,分三種工況校核分析:空載、滿載和沖擊載荷(70mm高度),分析軟件為ANSYS[6]。將Z型簧三維模型導(dǎo)入軟件中,并進(jìn)行數(shù)據(jù)前處理,施加約束和滿載載荷(空載載荷小,分析不再單獨(dú)列出說(shuō)明,以下加強(qiáng)方案亦同),分析Z型簧的應(yīng)力值約為285MPa,分析應(yīng)力云圖如圖4。

圖5 墊塊結(jié)構(gòu)布置視圖

圖6 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

完成滿載載荷分析后,按沖擊載荷86172N分析(峰值)重新加載。分析計(jì)算結(jié)果如表3?？紤]到國(guó)內(nèi)特種鋼材料性能,目前導(dǎo)向簧材料為52CrMoV4,該材料屈服強(qiáng)度約1140MPa,抗拉強(qiáng)度約1400MPa。一般鋼板彈簧滿載設(shè)計(jì)應(yīng)力≤500MPa,安全系數(shù)2以上,極限工況下要求應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度。根據(jù)上表分析可知,該懸架滿載時(shí)安全系數(shù)足夠,但理論分析沖擊載荷下應(yīng)力略大,因此目前該導(dǎo)向簧強(qiáng)度不滿足國(guó)內(nèi)工況使用,需要進(jìn)行加強(qiáng)使用。

4 改進(jìn)措施

為滿足國(guó)內(nèi)工況使用,Z型簧結(jié)構(gòu)懸架改進(jìn)措施有兩種:一種是在保持簧片數(shù)不變,增加垂直方向限位,即后橋較小的上下位移。這種方法一般滿足標(biāo)準(zhǔn)載荷載貨車使用。另一種是在現(xiàn)有一片簧基礎(chǔ)上增加一片副簧(主、副厚度調(diào)整),主要目的是分擔(dān)主簧受力,減小主簧受力應(yīng)力,提高主簧的承載力。

1)改進(jìn)措施一:增加后緩沖塊(軟限位)、加長(zhǎng)簧下墊塊長(zhǎng)度。 根據(jù)以上動(dòng)、靜態(tài)分析可知,限制后橋上下跳動(dòng)量,可減小導(dǎo)向簧受到的沖擊載荷,此外緩沖塊在導(dǎo)向簧斷裂時(shí)對(duì)后橋等相關(guān)零部件起到保護(hù)作用,保證車輛短距離行駛到服務(wù)站進(jìn)行維修,以便減小用戶損失。

在維持Z型簧現(xiàn)有片數(shù)情況下,為降低導(dǎo)向簧根部應(yīng)力,需要優(yōu)化板簧下部墊塊長(zhǎng)度,在不產(chǎn)生干涉問(wèn)題等情況下,下部墊塊長(zhǎng)度要盡可能延長(zhǎng),如圖7。墊塊優(yōu)化加長(zhǎng)后靜態(tài)滿載應(yīng)力降低到約240MPa,見(jiàn)圖8,導(dǎo)向簧根部應(yīng)力值降低了約14.2%。增加緩沖塊后,后橋跳動(dòng)高度限制到60mm,此高度也滿足一般公路型載貨車的動(dòng)行程要求,此時(shí)通過(guò)CAE分析得到Z型簧最大沖擊載荷約75250N。改進(jìn)后滿載和沖擊載荷下應(yīng)力分析結(jié)果如表4。

根據(jù)CAE分析結(jié)果,此方案沖擊載荷應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度,但沖擊應(yīng)力值還是較大,一般適合輕量化公路運(yùn)輸使用。

2)改進(jìn)措施二:改兩片簧結(jié)構(gòu)。為提高該結(jié)構(gòu)空氣懸架對(duì)國(guó)內(nèi)路況及工況的適應(yīng)性,特別是部分區(qū)域用于拉煤、危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)仁褂?。此類運(yùn)輸車后懸架裝置分配載荷增加較多,即起主要承載的導(dǎo)向簧滿載和沖擊載荷增加較多。因板簧受材質(zhì)、生產(chǎn)工藝等因素的限制,單片簧無(wú)法做到過(guò)大承載要求,因此可將導(dǎo)向簧(前端)由單片改為兩片結(jié)構(gòu),提高承載力。結(jié)構(gòu)布置如圖7。

表4 Z型簧優(yōu)化后CAE分析數(shù)據(jù)表

圖7 Z型簧2片結(jié)構(gòu)

同樣對(duì)導(dǎo)向簧施加同等載荷進(jìn)行CAE分析,結(jié)果如表5。

表5 2片簧CAE分析數(shù)據(jù)表

優(yōu)化后導(dǎo)向簧沖擊應(yīng)力785MPa,遠(yuǎn)小于材料52CrMnVB屈服應(yīng)力1140MPa,此方案缺點(diǎn)是增量懸架重量和成本,減弱了相比其它空氣懸架的優(yōu)勢(shì)。另外,為了降低端部導(dǎo)向簧應(yīng)力,也可在與導(dǎo)向支架接觸處增加復(fù)合材料墊塊,通過(guò)復(fù)合材料軟連接,降低導(dǎo)向簧受的沖擊,同時(shí)軟連接也降低了沖擊噪聲。

5 結(jié) 論

利用ADAMS等CAE分析軟件,能夠很好的分析空氣懸架裝置在靜、動(dòng)態(tài)時(shí)的受力情況,也是一種很好的汽車零部件優(yōu)化分析方法,可以縮短汽車零部件設(shè)計(jì)開發(fā)周期,加快新車開發(fā)進(jìn)度和減小了整車開發(fā)費(fèi)用。根據(jù)以上分析,現(xiàn)有萬(wàn)國(guó)牽引車Z型簧懸架不滿足國(guó)內(nèi)實(shí)際工況使用,如在整車上匹配,Z型簧等部分零部件需要進(jìn)行加強(qiáng)。上述分析的加強(qiáng)方案都進(jìn)行了市場(chǎng)使用驗(yàn)證,改進(jìn)效果較好,能夠滿足市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)工況下的使用需求。考慮到國(guó)內(nèi)實(shí)際復(fù)雜使用工況,一般建議選用第二種方案,此方案零部件強(qiáng)度高,懸架裝置可靠性好,市場(chǎng)使用故障率和質(zhì)損率很低。