重型货车复合空气悬架导向臂支架优化设计

    1 概述

    复合空气悬架系统主要由空气弹簧、钢板弹簧、钢板弹簧支架、高度控制阀、减震器、缓冲限位块等机械元件和电气元件，以及储气筒和空气压缩机等辅助系统组成。

    针对某重型货车复合空气悬架导向臂支架在道路试验过程中发生断裂破坏的现象进行了研究，经过断口检测发现，支架破坏主要由承受极低周疲劳载荷或一次性冲击载荷引起。因此如何提高导向臂支架疲劳寿命的优化解决方案，并且证实其有效性和可靠性，成为目前迫切任务。

    文中以该重型货车复合空气悬架导向臂支架为分析对象，对其进行静强度和疲劳寿命分析；基于变密度法，对导向臂支架进行拓扑优化，并对改进后的结构进行静力和疲劳寿命分析分析，结果表明该优化结构较原结构，质量有所减轻，强度和疲劳寿命有所提升。

    2 导向臂支架有限元模型建立

    图1为该重型货车复合空气悬架系统。由于在这种空气悬架系统中，钢板弹簧是导向元件，所以我们也习惯称之为复合空气悬架的导向臂，固定和安装导向臂的部件称之为导向臂支架，导向臂支架承受来自导向臂的纵向力、侧向力及其力矩，该零件的强度和寿命对于整车在行驶过程中的安全性有着至关重要的影响。

    图1 某重型货车复合空气悬架系统

    2.1 有限元模型

    文中采用HyperMesh对某重型货车复合空气悬架导向臂支架进行网格划分，由于导向臂支架结构不规则，这里采用四面体单元，导向臂支架有限元模型如图2所示。

    图2 导向臂支架有限元模型

    图中Rbe为（rigid bar element）的缩写，即刚性杆单元。其中，Rbe2有一个主节点，多个从节点，用于集中力分布于多个节点上，耦合节点自由度；Rbe3有一个从节点，多个主节点，用于将集中力分布于多个节点上。

    2.2 约束边界条件

    模型中添加Rbe2来定义位移约束，添加Rbe3来定义载荷作用位置。该导向臂支架模型中共添加10处用于固定约束的Rbe2，分别位于支架上端与车架连接处；1个用于载荷施加的Rbe3单元，位于支架下端导向臂连接处。

    2.3 载荷边界条件

    空气悬架导向臂支架在车辆转弯、制动和加速3种极限工况下，所处工况比较恶劣，所以文章重点关注这3种工况。对整车进行动力学分析或者试验测试，可以计算或者测试出导向臂支架处的作用力和作用力矩，表1为3种工况下，作用在某重型货车空气悬架导向臂支架上的载荷。其中，FX 表示沿X 方向的力，汽车从前往后的方向为+X； FY 表示沿Y 方向的力，汽车从左到右的方向为+Y；FZ 表示沿Z方向的力，汽车从下往上的方向为+Z；MZ表示绕Z向的力矩。表1中的工况及载荷大小来源于整车厂对该型重卡空气悬架导向臂支架的试验测试。