郝琪 邵磊磊 張能忠 汪波 呂鈞

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院；2.湖北省十堰市精密制造有限公司）

某40t重型載貨汽車平衡懸架失效模式研究＊

郝琪1邵磊磊1張能忠1汪波2呂鈞2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院；2.湖北省十堰市精密制造有限公司）

基于RADIOSS求解器，建立了含5對(duì)接觸的某40t重型載貨汽車平衡懸架總成有限元模型，進(jìn)行了垂直工況動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析。通過仿真結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品失效形式對(duì)比表明，仿真結(jié)果有效。進(jìn)而分析了產(chǎn)品的失效原因，提出修改貫通軸結(jié)構(gòu)和截面形狀、強(qiáng)化平衡軸和平衡軸承轂的倒角工藝、加強(qiáng)平衡軸支架肋板支撐等結(jié)構(gòu)改進(jìn)意見。

國(guó)標(biāo)GB/T3730.1-1988定義，重型載貨汽車是指在公路上運(yùn)行時(shí)最大總質(zhì)量超過14 t的載貨汽車。對(duì)于噸位較大的重型貨車，為提高其承載能力，通常采用雙后橋或多橋結(jié)構(gòu)。本文對(duì)某承載工程機(jī)械用40 t重型載貨汽車雙后橋平衡懸架系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載有限元計(jì)算，通過與實(shí)際破壞形式對(duì)比，研究其破壞原因，為該款車的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考意見。

1 平衡懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該重型載貨汽車采用導(dǎo)桿式等臂平衡懸架的雙后橋結(jié)構(gòu)，由于平衡懸架結(jié)構(gòu)對(duì)稱，僅給出單側(cè)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。鋼板彈簧（圖中略去）兩端支承在中、后橋滑板式支架內(nèi)，中部用U形螺栓固定在平衡軸承轂上。平衡軸通過襯套與平衡軸承轂和平衡軸支架連接，為防止平衡軸軸向移動(dòng)，在其兩端裝有推力墊圈，并用調(diào)整螺母、鎖環(huán)、鎖緊螺母壓緊。平衡軸承轂與平衡軸支架之間裝有推力墊圈、推力環(huán)，并用銷釘限制推力環(huán)的移動(dòng)。平衡軸支架上端與車架連接（圖中省去），下端裝有貫通軸，通過推力桿連接車橋。

路面的垂向力和側(cè)向力經(jīng)由車輪、車橋傳遞給板簧，板簧經(jīng)平衡軸承轂帶動(dòng)平衡軸，經(jīng)平衡軸支架將力傳遞給車架和貫通軸；路面的縱向力則需通過上、下6套推力桿傳遞到車架。

2 平衡懸架有限元建模

使用hypermesh建立網(wǎng)格，利用RADIOSS進(jìn)行含接觸的動(dòng)態(tài)加載計(jì)算。

2.1 材料及相關(guān)參數(shù)

該重型載貨汽車中、后橋空載載荷為9.4t，滿載載荷為33.5t，軸荷按50%分配，部件采用材料如表1所列。

表1 部件材料參數(shù)MPa

2.2 有限元建模

由于平衡懸架結(jié)構(gòu)對(duì)稱,僅研究1/2模型。利用hypermesh劃分四面體實(shí)體網(wǎng)格，定義5對(duì)接觸，分別為平衡軸承轂與平衡軸、平衡軸支架與平衡軸、平衡軸支架與平衡軸承轂、平衡軸支架與貫通軸以及平衡軸支架與壓蓋之間的接觸。由于平衡軸承轂與平衡軸襯套間隙略大，在RADIOSS中采用type2的綁定接觸類型。其他接觸依據(jù)主從選取原則，采用type7的滑移接觸類型，設(shè)置部件間的靜摩擦系數(shù)為0.1。在平衡軸支架與壓蓋之間模擬螺栓連接,建立預(yù)緊力。簡(jiǎn)化油封、推力環(huán)等部件，有限元模型如圖2所示。

2.3 計(jì)算工況

為研究懸架系統(tǒng)在整個(gè)加載過程中的應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化狀況，本文采用動(dòng)態(tài)顯示非線性求解技術(shù)，使用RADIOSS求解器對(duì)正常行駛工況進(jìn)行分析。根據(jù)斷裂情況，僅分析垂直載荷工況。本次研究基于滿載設(shè)計(jì)指標(biāo)，考慮載荷線性增加至滿載工況的位移、應(yīng)力和力的傳遞變化過程及滿載工況下的安全裕度，平衡懸架一側(cè)載荷在0～0.01 ms內(nèi)由0線性增加至16.5 t，之后保持穩(wěn)定，求解時(shí)間為2 s。載荷作用于平衡軸支架與板簧連接的4個(gè)螺栓座上，約束平衡軸支架上頂端與車架螺栓連接處節(jié)點(diǎn)的全部自由度、其上表面其他節(jié)點(diǎn)的垂向自由度和對(duì)稱面上的對(duì)稱約束自由度。

3 有限元結(jié)果與實(shí)際失效形式對(duì)比分析

3.1 平衡懸架總體有限元結(jié)果

位移動(dòng)態(tài)云圖如圖3所示，從圖3可以看出平衡懸架整體位移隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，在0.1 ms時(shí)只有平衡軸承轂上的騎馬螺栓孔處有位移發(fā)生，說明載荷在0.1 ms時(shí)只傳遞到該位置；在0.3 ms時(shí)，平衡軸承轂上位移不斷加大，表現(xiàn)為外部大、內(nèi)部小，同時(shí)，平衡軸端部產(chǎn)生了位移，載荷通過平衡軸承轂與平衡軸之間的接觸傳遞到平衡軸上，平衡軸位移也表現(xiàn)為外端位移大,平衡軸支架與平衡軸承轂連接的下端也出現(xiàn)小區(qū)域位移；在0.5 ms時(shí)以上變形區(qū)域不斷增大；在0.7 ms時(shí)貫通軸及平衡軸支架上均產(chǎn)生明顯位移；此后位移逐漸變大，最終最大位移值為0.66 mm，發(fā)生在平衡軸外軸端。

從圖3可以看出，在模型求解過程中，位移變化范圍最大的為平衡軸承轂和平衡軸，而平衡軸支架和貫通軸的位移變化相對(duì)較小。

圖4 顯示了平衡懸架Von Mises應(yīng)力值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，在0.1～0.7 ms過程中應(yīng)力逐漸變大。0.1 ms時(shí)，與位移云圖一致，僅平衡軸承轂出現(xiàn)應(yīng)力；0.3 ms時(shí)，平衡軸端部產(chǎn)生應(yīng)力，同時(shí)平衡軸支架兩個(gè)軸孔處也產(chǎn)生應(yīng)力，且上端孔肋板處應(yīng)力分布較大；在0.5 ms時(shí)，貫通軸上同樣產(chǎn)生應(yīng)力，貫通軸中心彎曲處和上端彎曲處較其他位置明顯；此后，應(yīng)力不斷增加，分布略有變化，最終最大VonMises應(yīng)力值為339 MPa，發(fā)生在平衡軸承轂和平衡軸支架過渡的中間軸肩處。從圖4中可以看到力的傳遞路線，應(yīng)力較大的位置是平衡軸、平衡懸架軸承轂和平衡軸支架的部分位置。

3.2 零部件有限元結(jié)果與實(shí)際失效對(duì)比

3.2.1 平衡軸支架

平衡軸支架的實(shí)際破壞圖片和應(yīng)力云圖片如圖5所示。在實(shí)際使用過程中，平衡軸支架中間兩筋板處會(huì)出現(xiàn)斷裂情況，而從有限元應(yīng)力云圖中可以看出，平衡軸支架的最大應(yīng)力也出現(xiàn)在這兩根肋板處，失效部位吻合極好，仿真最大應(yīng)力為183 MPa。此時(shí)最大應(yīng)力并未超過平衡軸支架材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)為1.75。實(shí)際使用中，重型載貨汽車超載情況嚴(yán)重，載荷變大導(dǎo)致最大應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力從而導(dǎo)致斷裂。尤其是當(dāng)壓蓋底端螺栓發(fā)生斷裂時(shí)，支架承受的載荷更大，應(yīng)力也將隨之增大，該失效模式也是使用中出現(xiàn)頻率較高的失效模式。

3.2.2 平衡軸承轂

圖6為平衡軸承轂實(shí)際斷裂圖片與仿真應(yīng)力結(jié)果對(duì)比情況，可知平衡軸承轂與平衡軸支架連接端根部底端為大應(yīng)力區(qū)，仿真時(shí)最大應(yīng)力為223 MPa，該區(qū)域也是平衡軸最大應(yīng)力出現(xiàn)的危險(xiǎn)區(qū)域，與工程實(shí)際斷裂部位一致。雖然分析所得數(shù)值都不超過材料的屈服極限，但從實(shí)際破壞斷面看，斷面明顯出現(xiàn)光滑區(qū)和粗糙區(qū)，具有疲勞破壞的典型破壞界面特征。部件在某些極端工況下大應(yīng)力根部產(chǎn)生初始微觀裂紋，由于超載、突加動(dòng)載會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)大應(yīng)力，產(chǎn)生疲勞損壞，這也是部件使用一定里程后出現(xiàn)破壞的原因。

3.2.3 貫通軸

貫通軸的實(shí)際斷裂圖片和應(yīng)力結(jié)果云圖如圖7所示。該貫通軸在實(shí)際使用過程中會(huì)出現(xiàn)在平衡軸支架內(nèi)端面處斷裂的情況，而由其仿真應(yīng)力結(jié)果圖可以看出，平衡軸支架的最大應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)在該位置處，此時(shí)仿真最大應(yīng)力為102 MPa。貫通軸非一段式鍛造，兩節(jié)之間進(jìn)行了焊接，在顛簸路段還會(huì)受到推力桿作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)且焊接材料強(qiáng)度不高，造成該破壞現(xiàn)象。

3.3 結(jié)果分析與改型建議

從圖2的力學(xué)模型上看，由于平衡軸支架上部固定，平衡懸架結(jié)構(gòu)上半部分可以近似簡(jiǎn)化為一個(gè)懸臂梁，下端貫通軸可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁。在平衡軸承轂上加上一定數(shù)值的載荷后，B、C處撓度較大，而A處由于受到平衡軸支架約束，內(nèi)力較大，會(huì)導(dǎo)致該處有較大應(yīng)力。平衡軸上雖出現(xiàn)最大應(yīng)力，但因?yàn)椴牧喜捎脧?qiáng)度較高的40Cr，實(shí)際使用中并未出現(xiàn)平衡軸破環(huán)問題。而此處的平衡軸承轂則較容易出現(xiàn)破壞問題，對(duì)于此處心軸與心軸孔端面接觸處要進(jìn)行圓滑的倒角處理，因該處剪切應(yīng)力與彎曲應(yīng)力共同作用，結(jié)構(gòu)尖銳處極易產(chǎn)生大應(yīng)力集中。

貫通軸承受載荷以彎曲載荷為主，顛簸路面也會(huì)產(chǎn)生彎扭組合載荷。從其破壞形式看，貫通軸宜采用整體鍛制。截面的圓形設(shè)計(jì)雖然工藝簡(jiǎn)單、成本低，但結(jié)構(gòu)承載形式不合理，可以采用工字形截面設(shè)計(jì)。

整體結(jié)構(gòu)上，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)因?yàn)橐M(jìn)行平衡軸和貫通軸的連接，結(jié)構(gòu)中存在平衡軸支架和貫通軸承轂兩個(gè)連接件，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且平衡軸承轂、平衡軸支架承載較大，而貫通軸承載能力并未完全利用，因此設(shè)計(jì)中可考慮將貫通軸一段代替平衡軸，此時(shí)，結(jié)構(gòu)也由懸臂梁模型改為支撐處相對(duì)承載能力更強(qiáng)的簡(jiǎn)支梁模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并發(fā)揮貫通軸作用，此時(shí)平衡軸支架的肋板結(jié)構(gòu)可重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究采用RADIOSS動(dòng)態(tài)非線性顯示求解技術(shù)，較好的預(yù)測(cè)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)體動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布，仿真計(jì)算的失效區(qū)域與實(shí)際失效區(qū)域吻合極好，說明該模型及仿真方法有效。該款40 t重型載貨汽車平衡懸架的強(qiáng)度安全域度并不大，在超載或一些極限工況使用時(shí)易出現(xiàn)破壞問題。因此，建議修改貫通軸結(jié)構(gòu)和截面形狀，強(qiáng)化平衡軸、平衡軸承轂的倒角工藝，加強(qiáng)平衡軸支架的肋板支撐。

1趙旭東.用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行汽車平衡懸架機(jī)構(gòu)分析.CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2006（1）:34～35.

2谷雪松.商用車平衡軸殼有限元分析.汽車實(shí)用技術(shù)，2010（4）：19～21.

3張建振,常連霞,馬文松.平衡懸架失效模式與影響的有限元分析.汽車技術(shù),2009（10）:9～12.

4蘇繼龍,連興峰.載重汽車3種結(jié)構(gòu)形式平衡懸架模態(tài)分析.計(jì)算機(jī)輔助工程,2012（4）:21～24.

5樊衛(wèi)平.TL3400礦用自卸車平衡懸架有限元分析.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007（6）:137～139.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2013年12月1日。

The Study on Failure Modes of Equalizing Suspension in 40T Heavy Truck

Hao Qi1,Shao Leilei1,Zhang Nengzhong1,Wang Bo2,Lv Jun2
（1.Hubei University of Automotive Technology;2.Exact Manufacture Corporation）

Based on RADIOSS solver,the FEM of equalizing suspension in a 40t heavy truck is constructed including five pairs of contacts to analyze the dynamic strength under vertical loads.The simulation results are compared with actual failure modes,which confirm validity of simulation,the root cause of product failure is analyzed.Based on it, the modified design schemes are put forward.

Heavy truck,Equalizing suspension,Failure modes,Dynamic strength

重型載貨汽車平衡懸架失效模式動(dòng)態(tài)強(qiáng)度

U463.33

：A

：1000-3703（2014）03-0013-04

湖北省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目：D2011801；湖北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目：2013CFA092。