虞燕花, 陳中旺

(1.安徽黃梅戲藝術職業(yè)學院,安徽 安慶 246133;2.安徽江淮汽車集團股份有限公司,安徽 合肥 230071)

0 引 言

空氣懸架裝置結構種類較多,其中Z型簧空氣懸架裝置是一種結構簡單、重量輕、成本低以及舒適性較好的懸架結構,在國內外使用較多。如圖1是美國萬國6×4牽引車匹配的Z型簧懸架結構模型,該車型單橋設計承載9噸,懸架整體輕量化設計,可滿足輕載、較好路況的使用[2]。但對于國內復雜工況,該懸架裝置設計安全系數(shù)相對較低,使用過程中會出現(xiàn)Z型簧斷裂故障(見圖2),因此在國內匹配使用時,需對Z型簧進行改進加強。本文按國內復雜工況對導向簧做靜動態(tài)分析,并提出加強方案。

1 道路驗證分析[2]

為驗證導向簧受沖擊載荷情況,并分析導向簧受沖擊載荷時的應力大小。一般利用裝配該后懸架的整車在耐久性道路(綜合工況)上進行實車試驗驗證,并要求裝載標準載荷(按照GB 1589執(zhí)行)。試驗共采集三、四橋加速度、位移和和三橋2個應變等信號,分別需用到加速度、位移和應變片傳感器,各傳感器布置位置如表1。

圖1 Z型簧懸架結構

表1 傳感器布置位置說明表

為了做到數(shù)據的有效性,要求分別做三組道路試驗,試驗結果數(shù)據如表2。

表2 道路試驗數(shù)據統(tǒng)計表

根據表2中數(shù)據,可以得出三橋左、四橋右側導向簧加速度相對較大,各導向簧垂直位移、應變值都較大,再根據應變值可以計算出三橋導向簧應力值。表中可以看出最大應力值較大,特別是右側簧,最大應力值達918MPa,說明整車在試驗道路上行駛過程中,Z型簧確實受到較大的沖擊載荷情況。

圖2 Z型簧分析結構模型

圖3 動態(tài)仿真受力曲線

2 動態(tài)仿真分析

雙后橋載貨車匹配空氣懸架時,一般采用一個或兩個高度控制器,控制空氣彈簧內部的氣體壓力,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、右單側空氣彈簧通過管路聯(lián)通(單點都聯(lián)通),保證中、后橋左、右單側空氣彈簧內壓力完全相同,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)方式實現(xiàn)了中后橋軸荷關聯(lián),在使用中保護中后橋不過載導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]。根據以上軸荷特點分析,為了提高分析效率和精確性,縮短分析時間,本文只對單橋進行動態(tài)仿真分析。使用ADAMS/ViEW軟件進行動態(tài)CAE模擬仿真分析[4],建立分析簡易三維模型導入軟件中,分析模型結構見圖2[5]。

圖4 Z型簧應力云圖

分析模型布置基本同懸架結構,主要包括Z型簧、減振器總成、空氣彈簧總成、驅動橋和縱向、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易處理,包括空氣彈簧、減振器總成和承載橋等,并對空氣彈簧附加剛度、減震器附加阻尼力等,各零部件做相應約束。在橋中心處增加滿載載荷,施加Z型簧向上位移函數(shù),測量Z型簧端部受力情況。動態(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,說明Z型簧端部受力有突變情況,導向簧受到沖擊載荷。

3 Z型簧靜態(tài)應力分析

復合式空氣懸架裝置結構布置常見的有兩種,一種是簡單并聯(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杠桿比;第二種是在車軸兩側板板簧、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,此狀態(tài)空氣彈簧和板簧之間承載有杠桿比。從Z型簧后懸架裝置結構分析,空氣彈簧、Z型簧作用端布置在在車軸前后側,因此Z型簧和空氣彈簧承載P2/P1按杠桿反比L1/L2計算,參數(shù)見圖4。

表3 Z型簧優(yōu)化前CAE分析數(shù)據表

通過空氣彈簧、導向簧作用長度比,以及橋額定軸荷,可以確定導向簧在靜態(tài)空、滿載時作用端的載荷。對Z型簧單獨進行靜態(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型簧三維模型導入軟件中,并進行數(shù)據前處理,施加約束和滿載載荷(空載載荷小,分析不再單獨列出說明,以下加強方案亦同),分析Z型簧的應力值約為285MPa,分析應力云圖如圖4。

圖5 墊塊結構布置視圖

圖6 優(yōu)化后應力云圖

完成滿載載荷分析后,按沖擊載荷86172N分析(峰值)重新加載。分析計算結果如表3。考慮到國內特種鋼材料性能,目前導向簧材料為52CrMoV4,該材料屈服強度約1140MPa,抗拉強度約1400MPa。一般鋼板彈簧滿載設計應力≤500MPa,安全系數(shù)2以上,極限工況下要求應力小于材料屈服強度。根據上表分析可知,該懸架滿載時安全系數(shù)足夠,但理論分析沖擊載荷下應力略大,因此目前該導向簧強度不滿足國內工況使用,需要進行加強使用。

4 改進措施

為滿足國內工況使用,Z型簧結構懸架改進措施有兩種: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準載荷載貨車使用。另一種是在現(xiàn)有一片簧基礎上增加一片副簧(主、副厚度調整),主要目的是分擔主簧受力,減小主簧受力應力,提高主簧的承載力。

1)改進措施一:增加后緩沖塊(軟限位)、加長簧下墊塊長度。 根據以上動、靜態(tài)分析可知,限制后橋上下跳動量,可減小導向簧受到的沖擊載荷,此外緩沖塊在導向簧斷裂時對后橋等相關零部件起到保護作用,保證車輛短距離行駛到服務站進行維修,以便減小用戶損失。

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

根據CAE分析結果,此方案沖擊載荷應力小于屈服強度,但沖擊應力值還是較大,一般適合輕量化公路運輸使用。

2)改進措施二:改兩片簧結構。為提高該結構空氣懸架對國內路況及工況的適應性,特別是部分區(qū)域用于拉煤、危險品運輸?shù)仁褂?。此類運輸車后懸架裝置分配載荷增加較多,即起主要承載的導向簧滿載和沖擊載荷增加較多。因板簧受材質、生產工藝等因素的限制,單片簧無法做到過大承載要求,因此可將導向簧(前端)由單片改為兩片結構,提高承載力。結構布置如圖7。

表4 Z型簧優(yōu)化后CAE分析數(shù)據表

圖7 Z型簧2片結構

同樣對導向簧施加同等載荷進行CAE分析,結果如表5。

表5 2片簧CAE分析數(shù)據表

優(yōu)化后導向簧沖擊應力785MPa,遠小于材料52CrMnVB屈服應力1140MPa,此方案缺點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。另外,為了降低端部導向簧應力,也可在與導向支架接觸處增加復合材料墊塊,通過復合材料軟連接,降低導向簧受的沖擊,同時軟連接也降低了沖擊噪聲。

5 結 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、動態(tài)時的受力情況,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計開發(fā)周期,加快新車開發(fā)進度和減小了整車開發(fā)費用。根據以上分析,現(xiàn)有萬國牽引車Z型簧懸架不滿足國內實際工況使用,如在整車上匹配,Z型簧等部分零部件需要進行加強。上述分析的加強方案都進行了市場使用驗證,改進效果較好,能夠滿足市場標準工況下的使用需求。考慮到國內實際復雜使用工況,一般建議選用第二種方案,此方案零部件強度高,懸架裝置可靠性好,市場使用故障率和質損率很低。