汽车悬架在颠簸路况下3种结构形式平衡悬架强度分析

0 引 言

钢板弹簧平衡悬架作为载重和专用车上常用的悬架系统,主要用于支撑车身并缓冲行驶过程中振动的车架与车轴之间的连接传力结构,在实际使用过程中易发生局部微裂纹和断裂破坏事故,对汽车的平顺性、通过性、安全性和可靠性等具有显著的影响.平衡悬架心轴是整个平衡悬架的主要和关键的承受力部分,因此考虑心轴在满载时的受力情况分析是平衡悬架设计的重要步骤之一.

本文主要利用有限元分析软件分析不同形式的悬架心轴在相同的载荷、装车距以及相同的下推力杆中心距和轴径等参数下,构建平衡悬架有限元的分析模型.首先用proeNGINEER对直式、U形和圆弧弯形等3种形式的平衡悬架进行三维建模,然后用ANSYS有限元软件对平衡悬架进行受力分析.

重点分析计算在满载时不同形式悬架对应心轴的应力强度,并针对实际路面模拟车辆在颠簸情况下平衡悬架的心轴强度性能.

1 平衡悬架的建模

1.1 proeNGINEER三维模型的建立

在模型建立前,首先需要确定平衡悬架的各个参数,并建立合理的数值模型.平衡悬架根据中间传动轴的不同可分为直式、U形和圆弧弯形平衡悬架.可选用平衡悬架CF153A的参数,轴径φ=100mm,板簧中心距L1=1020mm,装车距L2=770mm,下推力杆的中心距L3=820mm.平衡悬架的建模主要通过这几个参数进行平衡桥支架、平衡轴和下推力杆座等部件设计以及平衡悬架各个部分零部件的安装.本文创建的直式、U形和圆弧弯形平衡悬架proeNGINEER模型见图1.

图1 直式、U形和圆弧弯形平衡悬架proeNGINEER模型

1.2 平衡悬架导入ANSYS软件将建立好的平衡悬架三维模型通过
proeNGINEER与ANSYS的连接口导入ANSYS中,其直式、U形和圆弧弯形平衡悬架ANSYS模型见图2

图2 直式、U形和圆弧弯形平衡悬架ANSYS模型

1.3 有限元网格的划分

根据模型各部分的受力状态和变形程度确定网格划分的细密程度.由于主要研究心轴在不同工况下的应力强度情况,可将心轴承载处网格划分得较密.选择三维实体单元Solid45为单元,所用材料为优质钢,材料参数为弹性模量E=210GPa,泊松比υ=0.3,密度ρ=7.8×103kg/m3.直式、U形和圆弧弯形平衡悬架的网格划分见图3.

图3 直式、U形和圆弧弯形平衡悬架的网格划分

2 平衡悬架有限元分析

2.1 心轴静载应力分析

为不失一般性,参考CF158A平衡悬架的设计参数,它适应的是10t的双桥载重汽车,可将平衡悬架的心轴受力简化为两端心轴各受5t的载荷.平衡悬架的支架与汽车的大梁相连,故约束条件为支架的支座.对3种模型施加相同的载荷和约束,直式、U形和圆弧弯形平衡悬架心轴的应力云图分别见图4~6.

图4 直式平衡悬架心轴的应力云图

图5 U形平衡悬架心轴的应力云图

图6 圆弧弯形平衡悬架心轴的应力云图

由上述分析计算的结果可知,在静载荷作用下直式平衡悬架心轴的最大应力为σ=47.0MPa,U形平衡悬架心轴的最大应力为σ=59.0MPa,圆弧弯形平衡悬架心轴的最大应力为σ=58.6MPa.可见,在相同参数下,平衡悬架的中间传动连接轴为直式的悬架其心轴强度较好.

2.2 悬架心轴在颠簸下的有限元分析

本文主要模拟汽车在不平道路上行驶时,汽车的另一轮子突然抬高对平衡悬架心轴强度的影响.对于一般路面,一个轮子抬高可使平衡悬架倾斜3°左右,将受力模型进行简化,把心轴的一端作为悬臂梁,分析平衡悬架的心轴,心轴的另一端所受载荷为4.989t.各平衡悬架模型受力分析,直式、U形和圆弧弯形平衡悬架心轴的应力云图分别见图7~9.

图7 直式平衡悬架心轴的应力云图

图8 U形平衡悬架心轴的应力云图

图9 圆弧弯形平衡悬架心轴的应力云图

由上述分析计算的结果可知,在颠簸下直式平衡悬架心轴的最大应力为σ=311MPa,U形平衡悬架心轴的最大应力为σ=401MPa,圆弧弯形平衡悬架心轴的最大应力为σ=362MPa.可见,在相同载重参数及考虑颠簸路况下,平衡悬架的中间传动轴为直式的心轴受力状态较好.

3 结 论

(1)运用proeNGINEER和有限元软件可以建立直式、U形和圆弧弯形等3种形式载重汽车平衡悬架的应力分析计算模型,结合平衡悬架结构参数,并施加相应的边界条件,分别模拟在水平路面和颠簸路况2种情况下的载荷分布,对3种不同形式的平衡悬架心轴应力强度进行计算和比较,确定悬架结构承载时的关键受力点,为悬架结构优化设计及选型提供依据.
(2)在静载和颠簸路况下直式平衡悬架关键部件心轴的受力比其他2种平衡悬架好.
(3)与水平路面相比,载重汽车在颠簸路况下其3类平衡悬架心轴中的应力均显著增大.