鮑東紅，崔 翔

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞 722300)

0 引言

所述特種車主要用于精密儀器的運輸，一般工作在沙漠、戈壁等惡劣環(huán)境中，執(zhí)行某運輸任務時懸架轉向軸出現斷裂失效情況，通過對斷裂現象及原因進行分析，確定失效原因為轉向軸強度不夠［1］，因此對懸架系統(tǒng)轉向軸進行了強化處理，并通過ANSYS有限元分析軟件對其進行受力及疲勞壽命分析，驗證懸架系統(tǒng)轉向軸是否滿足該特種車整體性能要求［2］。

1 懸架系統(tǒng)

1.1 懸架工況分析

懸架分布在車前部左右兩側，整個懸架可繞固定在車架上的轉向軸轉動。懸架主體剛度和強度滿足使用要求，轉向軸運動較多，易產生疲勞。整個懸架在制動及過溝坎時沖擊較大，需分兩種工況進行分析。在懸架模型簡化過程中，將輪胎進行了簡化。在制動工況時，懸架受到摩擦力作用，簡化后將摩擦阻力作等效處理;特殊工況(過溝坎)時，由于輪胎位置較低，使得滾動阻力變大。

1.2 工況分析計算

車架兩種計算工況為:①制動工況:初始速度30 km/h時，制動距離不大于9 m;②特殊工況:假設輪胎著地點低于路面200 mm(輪胎半徑r=500 mm)。

下面對上述兩種工況進行計算分析:制動工況加速度可由式a=υ2/2 s求得，其中υ=8.3 m/s為初始速度;s=9 m為制動距離。整車受到摩擦力按照公式Ff=(m0+mN)a計算，然后按照承重比例分配至各輪胎上。(m0為拖車重量，取m0=8 175 kg;mN主機設備質量，取mN=3 000 kg)

特殊工況時輪胎受力如圖1所示，輪胎受到地面作用力可分解為x向力和z向力，記為FX、FZ，兩個力對于輪胎中心的力矩分別為rn、an。

式中:Fs1為單個懸掛牽引力;W1為單個懸掛承重;M為輪胎受到總力矩，由此可得出FX=W1an/rn。

完成懸架系統(tǒng)工況分析計算后，下面對懸架系統(tǒng)轉向軸進行有限元分析，獲取轉向軸應力、位移分布及疲勞壽命。

圖1 輪胎過溝坎受力分析

2 懸架系統(tǒng)有限元模型的建立

2.1 幾何模型及材料模型定義

首先用UG NX建立轉向軸三維模型，并對其進行簡化處理后生成*xt格式，然后導入Ansys Work-bench13.0 軟件進行材料模型定義［4］，選用 40Cr作為轉向軸的材料，該材料的彈性模量為2.11×105MPa，密度為 7.85×103kg/m3，泊松比為 0.3。

2.2 網格劃分

根據計算目的，對懸架結構進行必要簡化后建立力學模型。采用以六面體為主的網格劃分方式，關鍵部位采用較小尺寸［3］，整個結構劃分為204 552節(jié)點，64 139個單元，網格如圖2所示。

3 仿真計算

劃分網格完成后，接著對懸架系統(tǒng)網格模型定義約束及施加力，并運用solution求解模塊進行求解計算，然后獲得轉向軸的等效應力、位移分布及疲勞壽命。

3.1 轉向軸的應力、位移云圖

轉向軸的應力、位移云圖如圖3～6所示。

圖2 網格模型

圖4 制動時懸架轉向軸位移云圖

圖5 特殊工況下懸架轉向軸等效應力分布

圖6 特殊工況懸架轉向軸位移云圖

通過上述兩種工況下轉向軸分析結果可知，制動時懸架轉向軸的最大合應力為161.97，最大合位移為0.192 mm;特殊工況下懸架轉向軸的最大合應力為134.18 MPa，最大合位移為0.162 mm。轉向軸優(yōu)化設計中，材料選用40 Cr，屈服強度σs=800 MPa。懸架系統(tǒng)結構安全系數取4，則零件材料的許用應力為:［σ］=800/4=200 MPa＞σ=161.97 MPa，即優(yōu)化后轉向軸強度可以滿足使用要求。

3.2 轉向軸的疲勞分析及壽命計算

如圖7、8，從圖中可以看出，最小疲勞壽命部位在轉向軸根部，制動時轉向軸最小預期壽命55 569，特殊工況懸架轉向軸最小預期壽命為110 720。

圖7 制動時懸架轉向軸疲勞壽命

圖8 特殊工況懸架轉向軸疲勞壽命

3.2.1 損傷量計算

假定在200 km路程內，車橋緊急剎車5次，路面出現較大溝坎5次［5］。

根據公式

3.2.2 預期壽命

當行駛m個200 km時，累計損失達到ω，整車將破壞，故:

m×1.35×104=1

計算得m=7 407

所以在假定情況下優(yōu)化設計后轉向軸預期壽命大于1481 400 km。

4 總結

某型特種車懸架系統(tǒng)轉向軸的分析過程及所得結論，可對今后轉向軸設計提供技術指導和數據參考，通過使用ANSYS有限元分析軟件對懸架轉向軸在制動工況和特殊工況下分別進行分析計算，其分析結果表明改進后的懸架轉向軸強度及疲勞壽命滿足設計要求，可應用在該型特種車懸架轉向系統(tǒng)中［6］。

［1］ 陳紅輝，樊建成.軋機萬向接軸叉頭斷裂失效分析［J］.冶金設備，2010(5):16.

［2］ 李越輝，尉慶國.基于ANSYS的FSC賽車車架有限元分析［J］.農業(yè)裝備與車輛工程，2012，50(11):24.

［3］ 凌桂龍，丁金濱，溫 正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2012.

［4］ 趙麗娟，孫曉娜，張佃龍.掘進機鏟板有限元疲勞分析［J］.機械設計與研究，2012，28(5):122.

［5］ 蘇石川，崔京寶，張未軍.某大型低速柴油機曲軸的全生命周期［J］.疲勞計算與分析，2011，40(2):70－73.

［6］ 桂龍明.某越野救護車整車性能分析及懸架系統(tǒng)優(yōu)化［J］.拖拉機與農用運輸車，2012，39(2):29－32.