重型载重车平衡悬架系统技术提升

庞晟　郑小艳　高刚刚

摘 要：由于重型载重车承载力大且使用工况恶劣，导致整车平衡悬架平衡轴总成在使用过程中平衡轴断裂、平衡轴支架产生裂纹等故障频发，严重影响客户正常使用，同时使得售后维修及索赔成本大大增加。文章针对平衡轴总成在使用过程中的失效模式，对重型载重车的平衡悬架系统进行技术提升，在原有技术及结构基础上，设计了一种新结构平衡轴总成，从而大大降低了平衡轴总成故障率，最大程度的提高了平衡轴总成使用寿命。关键词：重型载重车;平衡悬架系统;平衡轴总成中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：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

随着我国经济快速增长，我国重型载重车行业也得到大力发展，在工程建设中发挥着不可替代的作用。但由于重型载重车承载大、道路工况恶劣，在使用过程中平衡悬架系统的一些关键零件结构强度很难达到使用需求，其中平衡轴总成在使用过程中故障频发，严重影响整车使用。

目前重型载重车用平衡轴总成主要由于承载大、工况恶劣而导致平衡轴断裂、平衡轴支架产生裂纹现象频发，如图1、图2所示。

平衡軸总成故障率如表1所示。

对平衡轴总成失效模式故障率进行统计分析可知：平衡轴断裂和平衡轴支架裂纹故障率较高，故针对平衡轴总成的两个主要失效模式进行结构改进。

1 平衡轴总成改进方案

原始结构平衡轴总成主要由平衡轴及平衡轴支架组成，如图3所示;改进结构平衡轴总成在旧平衡轴总成基础之上，通过下连接板将平衡轴两端平衡轴支架连接^[1]，并对平衡轴支架加强筋进行结构优化，如图4所示，从而提高整个平衡轴总成强度和刚度，降低售后故障率。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

以改进结构平衡轴总成为例，有限元模型如图5所示，采用四面体单元划分实体网格。

采用车辆前进坐标系，x轴指向车辆前进方向，y轴指向前进方向的左侧，z轴竖直向上。采用mm， s， t有限元常用单位制。

2.2 材料参数

改进结构平衡轴总成各关键件材料基本性能参数^[2]如表2所示。

2.3 约束和载荷

边界条件如图6所示^[3]。仿真时，为了简化模型，采用梁单元模拟车架，将车架两端全约束，平衡轴左右轴端施加载荷。

垂向工况下，左、右侧载荷均为：

2.4 仿真结果与分析

对平衡轴总成原始结构和改进结构各关键件最大应力和轴头加载处的变形进行对比分析。

原始结构平衡轴和支架应力云图如图7、图8所示。

原始结构平衡轴及平衡轴支架在使用过程中最大应力分别为606MPa、950MPa，均超过零件材料自身屈服强度，且支架使用过程中最大应力已经超过材料自身抗拉强度，所以原始结构平衡轴总成在实际使用过程中受冲击载荷作用下，零部件薄弱点易发生断裂故障，且通过分析可知零部件最大应力分布与各关键件失效模式一致。

改进结构平衡轴和支架应力云图如图9、图10所示，图11为改进结构下连接板在使用过程中应力分布云图。

通过与图7、图8对比可知：改进结构平衡轴各关键件相对于原始结构平衡轴各关键件应力改善明显，且远低于零部件材料自身屈服强度，满足使用强度需求。

原始结构轴头加载处的变形云图如图12所示。

改进结构轴头加载处的变形云图如图13所示。

通过与图12对比可知：改进结构轴头加载处变形相对于原始结构有明显改善，平衡轴总成刚性增强，满足使用刚度需求。

3 改进结构实施

改进前后平衡轴总成故障率对比图如图14所示。

平衡轴断裂故障率由3.7%降低到0.05%，支架裂纹故障率由1.18%降低到0.09%。

通过对比原始结构平衡轴总成和改进结构平衡轴总成的故障率和故障率趋势可知：改进结构平衡轴总成可靠性优于原始结构。

4 结论

重型载重车平衡悬架系统售后故障时有发生，年售后索赔可达两千万元以上，对公司造成了较大的损失，而且对平衡悬架系统售后故障的客户抱怨时有发生。

本文通过对原始结构平衡轴总成建模分析，并针对原始结构平衡轴总成失效模式及有限元分析结果，将重型载重车的平衡悬架系统进行技术提升，对原始结构平衡轴总成进行优化设计，改进结构平衡轴总成从整体刚性及零件应力分布相对于原始结构均大幅改善，满足设计需求，且已装车验证，道路试验结果符合预期设计，降低了平衡轴断裂及支架产生裂纹频率，降低了售后索赔，切实提高了客户满意度;同时，由于改进结构平衡轴总成增加下连接板，增强了平衡轴总成使用刚性，不同程度的降低其他相应故障频率，从而最大限度减少了用户保养维护费用。重型载重车的平衡悬架系统进行技术提升后财务收益可观，切换后9个月的实际财务收益已达637万元，现已批量装车使用。

参考文献

[1] 孔凌嘉，王晓力.机械设计[M].北京：北京理工大学出版社，2006.2.

[2] 刘维信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[3] 张胜兰，郑东黎，郝琪等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京：机械工业出版社.2009.