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懸架對車輛的經(jīng)濟(jì)性、安全性和營運(yùn)效率起著非常重要的作用。其中空氣懸架在重型牽引車上的應(yīng)用越來越多。國外汽車空氣懸架發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧+氣囊的復(fù)合式懸架、被動全空氣懸架、主動全空氣懸架(即E-CAS電控空氣懸架系紉”的變化歷程。車輛采用空氣懸架系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)車身高度的自動調(diào)節(jié)，提高車輛行駛的平順性，同時可有效保護(hù)車輛自身和所運(yùn)輸?shù)呢浳铩?br />
本研究所分析的重型牽引車的空氣懸架的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。其中鋼板彈簧支架、長短鋼板彈簧和下支架共同組成了空氣懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向傳力機(jī)構(gòu)，承受汽車的縱向力、側(cè)向力及其力矩。路面的激勵通過輪胎、車橋傳遞到鋼板彈簧，然后再由鋼板彈簧傳遞給鋼板彈簧支架、空氣彈簧以及減振器，最后作用到車架上。重型牽引車的懸架往往采用鋼板彈簧+氣囊的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在行駛過程中，懸架系統(tǒng)受力復(fù)雜。為保證車輛的平順性和操作穩(wěn)定性，其鋼板彈簧支架必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析方面的相關(guān)資料，該牽引車在行駛過程中可能遇到的典型極限工況為沖擊載荷工況、最大牽引力工況、緊急制動工況和最大側(cè)向力工況。針對這幾種典型工況對該重型牽引車后驅(qū)動橋的輪胎接地力進(jìn)行計算，并以此為外部載荷。
通過對空氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體有限元分析，求出鋼板彈簧支架銷軸處的約束反力。使用HyperMesh前處理器對鋼板彈簧支架進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。首先簡化模型，去除小的倒角和倒圓，對次要結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化；其次可以利用鋼板彈簧支架對稱的特性，采用對稱的方法對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于鋼板彈簧支架幾何形狀較為復(fù)雜，因此，采用一階四節(jié)點(diǎn)四面體單元。實(shí)際使用中鋼板彈簧支架的材料為球墨鑄鐵，牌號為QT800-2，材料參數(shù)如表所示。鋼板彈簧支架上端通過螺栓連接到車架上，下端通過銷軸連接到鋼板彈簧，鋼板彈簧可以繞著軸銷轉(zhuǎn)動。根據(jù)實(shí)際的連接情況，約束鋼板彈簧支架螺栓安裝孔處各個節(jié)點(diǎn)的六個自由度，并在銷軸孔中間節(jié)點(diǎn)加載，載荷的大小參照表所示四種典型工況下鋼板彈簧支架銷軸中心點(diǎn)處受力，并建立四種工況，利用印tiStruct求解器對鋼板彈簧支架在四種典型工況下的受力情況進(jìn)行求解。鋼板彈簧支架應(yīng)力較大的區(qū)域主要位于螺栓孔周圍、加強(qiáng)筋及其周邊部分，其他部位應(yīng)力較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間面上的螺栓孔周圍，大小是133.6MPa；鋼板彈簧支架與鋼板彈簧吊耳連接部位變形比較大，其他部位變形較小，最大變形量出現(xiàn)在鋼板彈簧支架的銷軸孔周圍，大小是0.5029mm。同樣分析得出，鋼板彈簧支架在其他三種典型工況下的應(yīng)力和位移的分布情況和沖擊載荷工況下的情況基本一致。四種典型工況下的結(jié)果如圖所示。由圖可以看出，在最大側(cè)向力的工況下鋼板彈簧支架的應(yīng)力和變形最大，分別為156.6MPa和0.5902mm，在緊急制動工況下應(yīng)力和變形最小。同時可以看出，最大應(yīng)力和最大變形量具有相同的趨勢，即應(yīng)力大的工況變形量也大。
為保證所有構(gòu)件安全工作并具有必要的強(qiáng)度儲備，通常把極限應(yīng)力除以一個安全系數(shù)，并將結(jié)果作為構(gòu)件的許用應(yīng)力，一般汽車零件的安全系數(shù)為1.6，一些易損件或重要零件還要乘以1.3-1.5的特別系數(shù)，由此得到的最大安全系數(shù)為2.4。鋼板彈簧支架是涉及車輛行駛安全的重要零件。出于安全考慮，選取安全系數(shù)為2.3得到如下許用應(yīng)力208.7MPa，由于鋼板彈簧支架在各極限工況下的最大VonMises應(yīng)力為156.6MPa，這與材料的許用應(yīng)力相比還有一定富余，尤其是從各工況應(yīng)力云圖中可以看出，鋼板彈簧支架下半部等區(qū)域的應(yīng)力很小，因此，可以認(rèn)為還有較大材料冗余，有必要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
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