董志明，趙博凡，任學(xué)平

1內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古包頭 014010

2內(nèi)蒙古北方重型汽車(chē)股份有限公司 內(nèi)蒙古包頭 014030

礦 用自卸車(chē)以其裝載量大、運(yùn)輸工作可靠、效率高的優(yōu)點(diǎn)承擔(dān)著世界上約 40% 的煤、90%的鐵礦運(yùn)量[1]。作為礦用自卸車(chē)的重要組成部分，懸架系統(tǒng)傳遞著來(lái)自車(chē)輪和車(chē)架的力和力矩，其強(qiáng)度、剛度和抗振性直接決定了車(chē)輛行駛的穩(wěn)定性和可靠性。由于 T264 型礦用自卸車(chē)雙叉臂前懸架結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大和難拆卸等特點(diǎn)，無(wú)法進(jìn)行常規(guī)的應(yīng)力應(yīng)變和抗振試驗(yàn)，故應(yīng)用 ANSYS 有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行滿載靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。

1 雙叉臂前懸架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙叉臂前懸架主要由油氣彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、上叉臂和下叉臂等組成，如圖 1 所示。相比于其他結(jié)構(gòu)形式的懸架，雙叉臂前懸架有更長(zhǎng)的垂直行程和更短的支柱行程，可使懸架支柱更短，從而提高輪胎的使用壽命，降低車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)成本。雙叉臂前懸架的設(shè)計(jì)消除了支柱上的側(cè)載荷，允許即時(shí)和準(zhǔn)確的有效載荷監(jiān)測(cè)，有效減少了傳至駕乘人員身體的振動(dòng)，提高了駕乘人員的乘坐舒適性。

2 雙叉臂前懸架有限元模型建立

2.1 雙叉臂前懸架簡(jiǎn)化模型建立

由于實(shí)體懸架模型比較復(fù)雜，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去掉油氣彈簧和減振器等次要部件，忽略導(dǎo)角、螺紋孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)，以提高計(jì)算效率。在CATIA 軟件中建立雙叉臂前懸架的三維簡(jiǎn)化模型，通過(guò) ANSYS Workbench 有限元軟件的 CAD 接口導(dǎo)入簡(jiǎn)化模型，在分析樹(shù)中的 model 選項(xiàng)中選用球面副的連接方式，使主銷(xiāo)的上、下球銷(xiāo)分別連接上、下叉臂。建立的懸架簡(jiǎn)化模型如圖 2 所示。

2.2 材料定義及模型網(wǎng)格劃分

礦用自卸車(chē)屬于特種運(yùn)輸裝備，其雙叉臂前懸架材料是可靠性和疲勞耐久性較好的高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼HG70，其力學(xué)性能參數(shù)如表 1 所列。

表1 雙叉臂前懸架材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property parameters of material of front suspension with double fork arm

選用合適的網(wǎng)格劃分方法是有限元分析過(guò)程的重要步驟，網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)計(jì)算精度有較大的影響[2]。該懸架模型網(wǎng)格劃分設(shè)置網(wǎng)格尺寸為 20 mm，選擇四面體劃分方法，得到有 231 354個(gè)節(jié)點(diǎn)、133 854個(gè)單元的網(wǎng)格模型，如圖 3 所示。

2.3 施加載荷與約束

邊界條件的合理設(shè)定是結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的重要環(huán)節(jié)之一。雙叉臂前懸架的載荷都以集中力的形式施加在受力面上。上、下叉臂和主銷(xiāo)以球面副的方式連接，產(chǎn)生的約束限制平動(dòng)自由度，保留轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。而上、下叉臂和車(chē)架以轉(zhuǎn)動(dòng)副的方式連接，產(chǎn)生的約束只保留繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。轉(zhuǎn)向節(jié)采取固定約束，限制所有的自由度[3]。

3 不同工況下懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

礦用自卸車(chē)的雙叉臂前懸架對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、避免共振和安全性等方面均有較高的要求。根據(jù)礦用自卸車(chē)雙叉臂前懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作時(shí)的受載荷情況，在不平路面上行駛、制動(dòng)兩種基本工況下對(duì)雙叉臂前懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[4]。

3.1 不平路面上行駛工況

礦用自卸車(chē)在不平路面行駛時(shí)，雙叉臂前懸架受到不平路面的隨機(jī)垂向載荷作用，取 3 倍滿載靜止時(shí)的載荷作為垂向載荷。把垂向載荷的計(jì)算結(jié)果輸入 ADAMS/Car 軟件中，提取雙叉臂前懸架靜態(tài)載荷，得到主軸上球銷(xiāo)處垂向載荷為 1.2×106N，下球銷(xiāo)處垂向載荷為 1.7×106N。施加載荷與約束后進(jìn)行后處理操作，得到的雙叉臂前懸架的應(yīng)力云圖如圖4 所示。從圖 4 可以看出，該工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在與下叉臂鉸接的主銷(xiāo)端部，約為 190 MPa，小于結(jié)構(gòu)所用材料的屈服極限 590 MPa。不平路面上行駛工況下雙叉臂前懸架的變形云圖如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，該工況下最大變形出現(xiàn)在下控制臂與主銷(xiāo)鉸接處，約為 1.4 mm，小于規(guī)定值 2.5 mm?？梢?jiàn)，在不平路面上行駛工況下該懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求，保證了車(chē)輛在復(fù)雜路面上行駛過(guò)程中的可靠性。

3.2 制動(dòng)工況

礦用自卸車(chē)在復(fù)雜工況運(yùn)輸時(shí)，偶爾會(huì)進(jìn)行急剎車(chē)，因此也需要進(jìn)行制動(dòng)工況下的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。礦用自卸車(chē)在滿載狀態(tài)下制動(dòng)時(shí)，雙叉臂前懸架受到垂直法力、縱向法力和附加力矩的作用。把通過(guò)計(jì)算得到的載荷和力矩輸入 ADAMS/Car 軟件中，提取雙叉臂前懸架靜態(tài)載荷，得到雙叉臂前懸架上球銷(xiāo)處垂向載荷為 6×105N，側(cè)向載荷為 5×105N，力矩為 1.2×105N·m；下球銷(xiāo)處垂向載荷為 8×105N，側(cè)向載荷為 5.5×105N，力矩為 1.75×105N·m。對(duì)雙叉臂前懸架施加載荷與約束后進(jìn)行后處理操作，制動(dòng)工況下雙叉臂前懸架的應(yīng)力云圖如圖 6 所示。從圖6 可以看出，該工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在主銷(xiāo)與上叉臂連接的上球銷(xiāo)處，約為 117 MPa，小于結(jié)構(gòu)所用材料的屈服極限 590 MPa。制動(dòng)工況下雙叉臂前懸架的變形云圖如圖 7 所示，最大變形出現(xiàn)在上叉臂球銷(xiāo)鉸接處的端部，變形值為 2.1 mm，小于規(guī)定值 2.5 mm?？梢?jiàn)，在制動(dòng)工況下該懸架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求，保證了車(chē)輛在緊急制動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

4 雙叉臂前懸架模態(tài)分析

礦用自卸車(chē)在惡劣路況行駛時(shí)，雙叉臂前懸架經(jīng)常受到來(lái)自路面和車(chē)輛的沖擊載荷，為了避免雙叉臂前懸架發(fā)生共振現(xiàn)象，需要使來(lái)自地面、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率小于雙叉臂前懸架的自振頻率，以免影響駕乘人員的駕乘體驗(yàn)和行駛安全性。由于模態(tài)分析可以預(yù)知機(jī)械部件在特定頻率的振動(dòng)型式，防止懸架系統(tǒng)和路面發(fā)生共振，故對(duì)二者進(jìn)行模態(tài)分析是有必要的[5]。

4.1 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)

雙叉臂前懸架結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)的振型可由模態(tài)分析求出。

線性動(dòng)力學(xué)分析中通用方程為

式中：M為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；{ }為加速度；C為結(jié)構(gòu)的阻尼；{ }為速度；K為結(jié)構(gòu)的總體剛度；{x}為位移；F(t)為力。

在沒(méi)有阻尼的情況下，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題方程為

結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)位移

代入上式得模態(tài)分析的公式為

求解可得結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的固有頻率，該值與系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量相關(guān)。

4.2 模態(tài)分析及結(jié)論

模態(tài)分析主要對(duì)低階振型進(jìn)行研究分析，提取階數(shù)設(shè)置為 6 階，頻率范圍設(shè)置為小于 3 000 Hz。其余步驟與結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析類(lèi)似。由于模態(tài)分析計(jì)算的是結(jié)構(gòu)自振頻率的特性，因此在設(shè)置邊界條件和約束時(shí)可以忽略載荷，只添加約束條件。上叉臂與油氣彈簧連接處、轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接處設(shè)置為固定約束，約束其 6個(gè)方向的自由度。上、下叉臂和車(chē)架的連接方式為轉(zhuǎn)動(dòng)副，產(chǎn)生的約束只保留繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，限制其他所有的自由度。約束條件設(shè)置好后，進(jìn)行后處理操作，觀察振型變化可知結(jié)構(gòu)變形處的位置。雙叉臂前懸架前 6 階模態(tài)頻率及振型描述如表 2 所列，前 6 階振型如圖 8 所示。查閱資料后可知礦用自卸車(chē)受到的來(lái)自不平路面的激勵(lì)頻率為 14 Hz 左右，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率在 160～240 Hz之間[6]，均小于該懸架的最低固有頻率，處于安全范圍，車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

表2 雙叉臂前懸架前 6 階模態(tài)頻率及振型描述Tab.2 Description of frequency and vibration mode of preceding six orders of front suspension with double fork arm

5 結(jié)論

(1) 在對(duì) T264 型礦用自卸車(chē)雙叉臂前懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中，得到該懸架在不平路面、制動(dòng)工況下整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形分布云圖，發(fā)現(xiàn)該懸架強(qiáng)度和剛度均滿足要求，表明了車(chē)輛在復(fù)雜工況下運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

(2) 在對(duì) T264 型礦用自卸車(chē)雙叉臂前懸架進(jìn)行模態(tài)分析中，得知該懸架系統(tǒng)的低階固有頻率均大于路面和發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，說(shuō)明該懸架具有良好的動(dòng)態(tài)特性，不會(huì)對(duì)駕乘人員的駕乘體驗(yàn)和安全行駛造成影響。