重型載重車平衡懸架系統技術提升

龐晟　鄭小艷　高剛剛

摘 要：由于重型載重車承載力大且使用工況惡劣，導致整車平衡懸架平衡軸總成在使用過程中平衡軸斷裂、平衡軸支架產生裂紋等故障頻發，嚴重影響客戶正常使用，同時使得售后維修及索賠成本大大增加。文章針對平衡軸總成在使用過程中的失效模式，對重型載重車的平衡懸架系統進行技術提升，在原有技術及結構基礎上，設計了一種新結構平衡軸總成，從而大大降低了平衡軸總成故障率，最大程度的提高了平衡軸總成使用壽命。關鍵詞：重型載重車;平衡懸架系統;平衡軸總成中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）02-106-03

Abstract： Because the bearing and working conditions of heavy truck are terrible， the balanced shaft assembly of the heavy truck often break down when it is working， the failure mode seriously affects normal using of the customer， at the same time， the cost of repairing and claims are increasing;the author designs a new structure of the balanced shaft system of the balanced suspension on the basis of the failure mode and the original structural to reduce the failure rate of the balanced shaft assembly of balanced suspension and improve life of the balanced shaft assembly of balanced suspension.Keywords： Heavy truck; Balanced suspension system; Balanced shaft assemblyCLC NO.： U462.1? Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）02-106-03

前言

隨著我國經濟快速增長，我國重型載重車行業也得到大力發展，在工程建設中發揮著不可替代的作用。但由于重型載重車承載大、道路工況惡劣，在使用過程中平衡懸架系統的一些關鍵零件結構強度很難達到使用需求，其中平衡軸總成在使用過程中故障頻發，嚴重影響整車使用。

目前重型載重車用平衡軸總成主要由于承載大、工況惡劣而導致平衡軸斷裂、平衡軸支架產生裂紋現象頻發，如圖1、圖2所示。

平衡軸總成故障率如表1所示。

對平衡軸總成失效模式故障率進行統計分析可知：平衡軸斷裂和平衡軸支架裂紋故障率較高，故針對平衡軸總成的兩個主要失效模式進行結構改進。

1 平衡軸總成改進方案

原始結構平衡軸總成主要由平衡軸及平衡軸支架組成，如圖3所示;改進結構平衡軸總成在舊平衡軸總成基礎之上，通過下連接板將平衡軸兩端平衡軸支架連接^[1]，并對平衡軸支架加強筋進行結構優化，如圖4所示，從而提高整個平衡軸總成強度和剛度，降低售后故障率。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

以改進結構平衡軸總成為例，有限元模型如圖5所示，采用四面體單元劃分實體網格。

采用車輛前進坐標系，x軸指向車輛前進方向，y軸指向前進方向的左側，z軸豎直向上。采用mm， s， t有限元常用單位制。

2.2 材料參數

改進結構平衡軸總成各關鍵件材料基本性能參數^[2]如表2所示。

2.3 約束和載荷

邊界條件如圖6所示^[3]。仿真時，為了簡化模型，采用梁單元模擬車架，將車架兩端全約束，平衡軸左右軸端施加載荷。

垂向工況下，左、右側載荷均為：

2.4 仿真結果與分析

對平衡軸總成原始結構和改進結構各關鍵件最大應力和軸頭加載處的變形進行對比分析。

原始結構平衡軸和支架應力云圖如圖7、圖8所示。

原始結構平衡軸及平衡軸支架在使用過程中最大應力分別為606MPa、950MPa，均超過零件材料自身屈服強度，且支架使用過程中最大應力已經超過材料自身抗拉強度，所以原始結構平衡軸總成在實際使用過程中受沖擊載荷作用下，零部件薄弱點易發生斷裂故障，且通過分析可知零部件最大應力分布與各關鍵件失效模式一致。

改進結構平衡軸和支架應力云圖如圖9、圖10所示，圖11為改進結構下連接板在使用過程中應力分布云圖。

通過與圖7、圖8對比可知：改進結構平衡軸各關鍵件相對于原始結構平衡軸各關鍵件應力改善明顯，且遠低于零部件材料自身屈服強度，滿足使用強度需求。

原始結構軸頭加載處的變形云圖如圖12所示。

改進結構軸頭加載處的變形云圖如圖13所示。

通過與圖12對比可知：改進結構軸頭加載處變形相對于原始結構有明顯改善，平衡軸總成剛性增強，滿足使用剛度需求。

3 改進結構實施

改進前后平衡軸總成故障率對比圖如圖14所示。

平衡軸斷裂故障率由3.7%降低到0.05%，支架裂紋故障率由1.18%降低到0.09%。

通過對比原始結構平衡軸總成和改進結構平衡軸總成的故障率和故障率趨勢可知：改進結構平衡軸總成可靠性優于原始結構。

4 結論

重型載重車平衡懸架系統售后故障時有發生，年售后索賠可達兩千萬元以上，對公司造成了較大的損失，而且對平衡懸架系統售后故障的客戶抱怨時有發生。

本文通過對原始結構平衡軸總成建模分析，并針對原始結構平衡軸總成失效模式及有限元分析結果，將重型載重車的平衡懸架系統進行技術提升，對原始結構平衡軸總成進行優化設計，改進結構平衡軸總成從整體剛性及零件應力分布相對于原始結構均大幅改善，滿足設計需求，且已裝車驗證，道路試驗結果符合預期設計，降低了平衡軸斷裂及支架產生裂紋頻率，降低了售后索賠，切實提高了客戶滿意度;同時，由于改進結構平衡軸總成增加下連接板，增強了平衡軸總成使用剛性，不同程度的降低其他相應故障頻率，從而最大限度減少了用戶保養維護費用。重型載重車的平衡懸架系統進行技術提升后財務收益可觀，切換后9個月的實際財務收益已達637萬元，現已批量裝車使用。

參考文獻

[1] 孔凌嘉，王曉力.機械設計[M].北京：北京理工大學出版社，2006.2.

[2] 劉維信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3] 張勝蘭，鄭東黎，郝琪等.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].北京：機械工業出版社.2009.