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懸架對車輛的經(jīng)濟(jì)性、安全性和營運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)點四面體單元。實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)點的六個自由度，并在銷軸孔中間節(jié)點加載，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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