半掛車平衡懸架模擬和車架強(qiáng)度分析

鄭南豆；陳銘年；黃桂芬

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半掛車平衡懸架模擬和車架強(qiáng)度分析

鄭南豆；陳銘年；黃桂芬

福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院

半掛車常采用平衡懸架。為了進(jìn)行車架有限元分析，本文采用3種方法對(duì)平衡懸架的力學(xué)性能進(jìn)行模擬，通過計(jì)算分析比較，對(duì)上述三種模擬方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后選取最佳的模擬方法對(duì)半掛車車架進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。

半掛車車架 平衡懸架 有限元分析

引言

半掛車是指將車軸（單軸或多軸）置于車輛重心（均勻受載時(shí)）后面，并且具有可將水平和垂直力傳遞到牽引車的牽引連接裝置的被牽引車輛[1]。半掛牽引車在公路運(yùn)輸中占有很大的份額，歐美等發(fā)達(dá)國家長途貨運(yùn)幾乎都利用它完成。在我國，半掛牽引車已成為重型專用汽車的第2大品種。車架作為半掛車重要組成部分，承受著來自道路及裝載的各種復(fù)雜載荷的作用，所以半掛車車架的合理設(shè)計(jì)對(duì)整車行駛有重要的意義。

半掛車常采用平衡懸架。平衡懸架的正確模擬對(duì)車架的有限元分析是至關(guān)重要的，但尚未見到有關(guān)平衡懸架模擬的論述。本文采用3種模擬方法進(jìn)行比較，選取最佳的方法進(jìn)行計(jì)算分析。

1 半掛車車架概況

該半掛車前部通過牽引銷與牽引車連接，后軸為雙軸結(jié)構(gòu)，軸距為1 080 mm，采用平衡懸架[2]。車架總長10 160 mm，總寬為2 440 mm，主要結(jié)構(gòu)為2根縱梁、18根橫梁。縱梁采用工字型變截面焊接結(jié)構(gòu)，車架材料選用16 Mn（屈服應(yīng)力為345 MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa，泊松比0.3，彈性模量為20 600 MPa）。車架截面高度沿長度方向可分3段（如圖1），前后兩段截面高度不變，而中間段即鵝頸處截面高度連續(xù)變化，前后橫梁為薄壁閉口矩形鋼，中間各橫梁為槽鋼，厚度為6~16 mm不等。

2 半掛車車架有限元建模與計(jì)算

2.1 三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)入ANSYS處理

在Pro/E中建立車架三維實(shí)體[3]模型（如圖1），再轉(zhuǎn)入ANSYS進(jìn)行有限元分析[4]。車架采用SHELL63殼單元建模，鋼板彈簧結(jié)構(gòu)采用特殊設(shè)計(jì)的梁單元Beam4來近似模擬[5]。

將車架實(shí)體模型進(jìn)行抽中面[6]。抽完中面后，車架縱梁與橫梁連接處會(huì)因?yàn)槌橥曛忻媸ズ穸榷a(chǎn)生間隙。因此需要對(duì)橫梁與腹板連接處進(jìn)行補(bǔ)面[7]。由相對(duì)應(yīng)的橫梁在縱梁上的投影處畫出切口，再通過關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行面縫補(bǔ)。

圖1 半掛車車架三維實(shí)體圖

2.2 平衡懸架的模擬

車架前部牽引銷位置處加固定約束，后軸將車輪的中心取為支點(diǎn)，并在相應(yīng)點(diǎn)處加固定約束。平衡懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平衡懸架圖

為便于模擬，采用桿單元模擬平衡懸架，并將桿與車架以及桿與桿的連接點(diǎn)創(chuàng)建為關(guān)鍵點(diǎn)。約束的原則是將有限元模型完全約束，而不產(chǎn)生過定位。為了便于分析比較，本文共用了3種方法對(duì)平衡懸架進(jìn)行模擬。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中的數(shù)字表示模型的節(jié)點(diǎn)號(hào)，標(biāo)出節(jié)點(diǎn)號(hào)是為了便于查看分析的結(jié)果。圖3(a)中，固定約束點(diǎn)加在鋼板彈簧與車輪的固定點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)號(hào)分別為14 152、14 154、14 157、14 159，其中點(diǎn)14 157、14 159分別與14 152、14 154關(guān)于半掛車縱向中心面對(duì)稱。圖3(b)中，固定約束點(diǎn)加在節(jié)點(diǎn)14 163與 14 166上，點(diǎn)14 166與14 163關(guān)于半掛車縱向中心面對(duì)稱。圖3(c)中，固定約束點(diǎn)加在節(jié)點(diǎn)3、9、13、15以及1和20，其中節(jié)點(diǎn)1和20約束水平方向的移動(dòng)。節(jié)點(diǎn)13、15、20分別與點(diǎn)9、3、1關(guān)于半掛車縱向中心面對(duì)稱。圖3中的其余連接點(diǎn)模擬為鉸鏈連接。

圖3 平衡懸架模擬方法示意圖

2.3 加載

本半掛車的額定裝載量為28 000 kg，車架總長為10 160 mm，總寬為2440 mm，縱梁寬為140 mm，將總載荷分配到2根縱梁上。為了模擬運(yùn)行時(shí)不同的路況對(duì)車架的沖擊，動(dòng)載系數(shù)的范圍一般取1.8-2.5，取最大動(dòng)載系數(shù)為2.5。計(jì)算縱梁上的均布載荷為0.241 N/ mm2。必須注意的是由于SHELL63四邊形單元有方向性，與單元周圍四個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)順序按右手螺旋定則，大拇指方向?yàn)檎较颍┘恿Φ姆较蚺c單元方向同向時(shí)為正方向，反向時(shí)為負(fù)方向。在輸入力值時(shí)應(yīng)注意各個(gè)面上單元的方向。

2.4 最終模型

本設(shè)計(jì)車架采用自由劃分網(wǎng)格[8]，鋼板彈簧采用每個(gè)桿單獨(dú)為一個(gè)單元。整個(gè)車架離散化后得到節(jié)點(diǎn)數(shù)14 166，單元數(shù)13 499，然后通過這三種模擬方法分別對(duì)車架進(jìn)行計(jì)算。具體步驟如下：點(diǎn)擊Main Menu>Solution>Solve>Current LS>彈出的對(duì)話框 >OK。離散化模型總圖如圖4所示。

圖4 車架有限元模型

3 結(jié)果與分析

3.1 三種約束模擬的比較

計(jì)算后為了比較三種模擬方法，查看各個(gè)模擬結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)上的力或約束反力。具體數(shù)值如表1、2、3所示。

表1 模擬數(shù)據(jù)一

在表1中得到鋼板彈簧的4個(gè)約束點(diǎn)的約束反力數(shù)值，節(jié)點(diǎn)14152與節(jié)點(diǎn)14154的約束反力不相等，因此第一種模型模擬的并非是平衡懸架。

表2 模擬數(shù)據(jù)二

表3 模擬數(shù)據(jù)三

由分析數(shù)據(jù)可知，第2種模擬方法與第3種模擬方法在雙軸上的垂直約束反力相等，均符合平衡懸架的特性。2種對(duì)比，雖然第2種模型從數(shù)值上能模擬出平衡懸架的效果，但是第3種更符合實(shí)際，而且采用多點(diǎn)與車架連接可避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，采用第三種方法對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3.2 查看應(yīng)力分布圖

用第3種模型分析計(jì)算后的應(yīng)力分布圖如圖5所示。

圖5 應(yīng)力分布圖

3.3 強(qiáng)度校核

從圖5中可知，半掛車車架的最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在縱梁截面變化的過渡處，半掛車的材料是16 Mn，其屈服強(qiáng)度是 345 MPa，最大應(yīng)力為314.35 MPa小于最大屈服強(qiáng)度。因此在彎曲工況下，該車架是安全的。

5 結(jié)語

本文通過3種模擬方法對(duì)半掛車車架進(jìn)行有限元分析，由計(jì)算結(jié)果可知，在彎曲工況下該車架是安全的。在約束模擬上，由3種方法對(duì)比分析可知，第一種方法模擬的并不是平衡懸架。第2種方法與第3種方法都成功地模擬出平衡懸架的特性，但2種方法相比，第3種方法更符合實(shí)際。

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Simulation of equalizing type of suspension Frame of Ssemi-trailer and Strength Analysis

Zheng Nandou ,Chen Mingnian,Huang Guifen

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Semi-trailers usually adopt the equalizing type of suspension. To make a finite analysis of the semi-trailer frame, the mechanical performance of the equalizing type of suspension frame was simulated in three ways. The three methods were evaluated by calculation results. The best method was obtained to check the bending intensity of the semi-trailer frame.

semi-trailer frame; equalizing type of suspension; finite element analysis