某型商用车空气悬架的气囊支架的受力分析

吴迪　贾正伟　陈星晨　王亚平

摘 要：简述空气悬架的气囊支架在悬架系统中的作用，针对某型商用车空气悬架的气囊支架进行拓扑设计后，用有限元分析的方法，验证气囊支架的形变、应力特性及疲劳强度。此方法可对气囊支架的优化设计提供重要依据，同时也为产品轻量化设计提供了一种设计方法。

关键词：气囊支架；有限元分析；形变和应力；轻量化

中图分类号：U467.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0165-03

Abstract： The function of air bag support of air suspension in suspension system is briefly described. After topological design of air bag support for a commercial vehicle air suspension， finite element analysis method is used. The deformation， stress and fatigue strength of the gasbag support were verified. This method can provide an important basis for the optimization design of the airbag support， and also provide a design method for the lightweight design of the product.

Keywords： balloon bracket； finite element analysis； deformation and stress； lightweight

引言

随着国家新的法规GB7258-2017的执行以及人们对商用车品质要求不断提高，商用车舒适性的好坏直接影响着产品市场竞争力。目前国外重型商用车使用空气悬架的比例已在80%以上，空气悬架在整个商用车上的应用量也在逐步提升。危险化学品运输车等一些特种车辆上，空气悬架已经是必备的选择。带有空气悬架的车辆可以获得理想的固有频率，减小整车的振动，获得更好的操控性和行驶平顺性。气囊支架是空气悬架中的关键零件之一，主要起到支撑气囊、连接稳定杆和传递载荷的作用。空气悬架的结构有多种形式，常见的有两气囊和四气囊结构。本文以某型商用车四气囊空气悬架为例，对气囊支架（见图1所示）进行拓扑优化设计及有限元强度分析，验证其结果的正确性[1]。

1 结构模型的建立及优化

1.1 建立装配结构模型

气囊支架为铸件实体结构，其主要承受来自车辆垂直载荷。同时，在车辆行驶过程中还需承受来自推力杆等机构的横向载荷。根据设计车辆的结构形式：该车采用单个后驱动桥四个气囊悬架结构，气囊在驱动桥前、后分别各布置一个。该结构为商用车常用的后驱动桥四个气囊悬架典型结构。侧向力由V型推力杆承载，而位于车架纵梁下方的气囊主要承担垂直载荷推力，这种结构采用的V型推力杆安装对车架强度及制造精度都有较高的要求。也是目前空气悬架常用的结构之一，如图1所示。

1.2 气囊支架结构拓扑优化方法

本文的优化目标是气囊悬架的前推力杆支架，拓扑优化需要考虑三个步骤[2]：

一是拓扑优化空间：根据气囊悬架布置形式，同时需保证设计过程中修改的方便性和不会造成运动干涉。需建立空间实体模型（见图2），拓扑优化空间保证了在材料布置时的空间限制，也保证了不会产生附加的运动干涉。

二是拓扑工况条件：根据图1所示悬架受力情况可以看出，该支架主要承受V型推力杆传递的侧向力，力的方向随后驱动桥的上下运动而改变，因此拓扑路况需选取后驱动桥跳动的极限位置（上、下两位置）。

三是优化目标：对该零件的设计目标是在满足结构强度的基础上，实现轻量化、体积最小化[3]。

1.3 拓扑优化几何模型

在进行气囊支架优化设计时，除按照拓扑优化结果进行材料布置设计外，还应考虑新零件便于设计制造和更换维护，同时注重局部细小特征提现精细化设计理念。因此，进行设计优化时遵循以下原则[4]：

（1）减小大平面；（2）剔除多余结构；（3）壁厚均匀、突出筋骨；（4）注重细节优化。

根据以上原则，重新建立所需的几何模型如图3。

2 优化结果验证

验证所得到的结构静强度的工况需要与进行结构拓扑的工况保持一致。根据实际工况对支架施加位置约束，将支架的Y向固定约束，其他方向自由约束。对固定螺栓孔施加X和Z向约束，完成支架与车架的位移约束，在下推力杆与支架螺栓接触面施加载荷约束，为了正确的模拟支架的受力情况，采用单一零件（对称零件）进行分析，以确保分析结果的精确性。

各工况计算得到的支架载荷大小和受力位置如表1所示。

由于上述七种工况中，极限工况主要集中在车辆起步、车辆制动、车辆转向（外侧）、推力杆顶起、推力杆悬空这五种工况。所以对上述五种工况进行分析即可。由有限元结构分析可以得到各个工况下的最大应变和最大应力，如表3所示。

从上面的分析结果可以看出：转向工况的最大应力約为285MPa，其应力集中区在分布在两边的加强筋处；推力杆顶底工况与转向工况的情况大致相同，最大应力约为201MPa，应力集中区也分布在加强筋处。

疲劳台架试验是评价产品疲劳强度的方法之一，但由于其费用高、周期长。现在绝大部分产品设计都采用有限元模拟的方法来进行产品的疲劳分析。分析时采用应变载荷，验证所得结构疲劳寿命强度，同时各取极限工况一次为一个疲劳循环，计算得到零件的疲劳系数和疲劳寿命，结果如图8所示。

由疲劳强度分析结果可以看出疲劳系数其分布均匀，成阶梯状分布。疲劳寿命为4.36E+4次，可以看为无限寿命。其结构疲劳循环的最坏点处于支架加强筋上部连接处。

经过对气囊支架危险工况的有限元仿真分析，得到气囊支架的最大应变约为3.43mm，最大应力约为285MPa，小于材料的抗拉强度450MPa，所以气囊支架满足静强度设计要求，支架的最大应力主要在集中在气囊支架加强筋附近，该部位是支架的薄弱部分，设计时需要注意加强刚度。拓扑优化可以控制优化后的体积，使得优化后的结构与同类产品相比重量减少了15%（与原产品对比见表4）。针对该型商用车气囊支架采用的优化设计方法为产品结构设计、优化和疲劳预测提高了理论依据。

3 结束语

通过上述例子，证明了拓扑优化技术应用于产品设计的正确性，同时也验证了它能使零件获得更好的力学结构，降低关键部位的最大应力，并且能够将材料利用率得到极大的提高，同时疲劳寿命得到了提高。缩短了产品设计周期。

参考文献：

[1]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2]郭中泽，张卫红，陈裕泽.结构拓扑优化设计综述[J].机械设计，2007，24（8）.

[3]张胜兰，郑冬黎，等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]高卫民，王宏雁.汽车结构分析有限元法[J].汽车研究与开发，2000（6）.endprint