后空气悬架半承载式与全承载式车架有限元对比分析

李小明，阳凯君，廖桂松，陈文彬

（1.桂林大宇客车有限公司，广西桂林　541003；2.广西科技大学，广西柳州　545006）



后空气悬架半承载式与全承载式车架有限元对比分析

李小明1，阳凯君1，廖桂松1，陈文彬2

（1.桂林大宇客车有限公司，广西桂林541003；2.广西科技大学，广西柳州545006）

摘要：基于CATIA软件，对12 m客车取安装后空气悬架处半承载式与全承载式车架等长度建模，进行有限元对比分析后空气悬架处两种车架在多种工况下的应力分布、变形情况及优缺点。

关键词：空气悬架；半承载式车架；全承载式车架；有限元分析

车架是汽车上最重要的总成之一，汽车中几乎所有的总成部件都装在车架上面。它承受着所装载的全部重量，传递着全部的驱动力、制动力和行驶过程中的动载荷，其总成的刚性、强度及振动特性等决定了车辆整体的强度、刚度和振动特性，其工作可靠性将直接影响到整车的使用性能[1-4]。本文介绍12 m客车后空气悬架处半承载式与全承载式车架有限元对比分析。

1　有限元模型建立

本文12 m客车为两轴后驱动，后空气悬架采用4气囊、上斜向推力杆和下直推力杆结构，见图1。

基于CATIA软件取安装后空气悬架处半承载式和全承载式车架等长（2 508 mm）进行实体建模，车架连接件材料采用T52L，材料固有特性见表1。采用CATIA有限元分析功能模块以四面实体16 mm为单位划分网格，车架与车身侧围骨架连接端采用Clamp固定约束，不计前后段车架对此段等长车架的影响，车身垂直载荷分别作用在4个气囊上，车架与后空气悬架通过斜向推力杆支座、直推力杆支座、稳定杆支座（支座均焊在车架上）和气囊上托座相互连接在一起，传递汽车在各种工况下的相互作用力，后空气悬架处半承载式与全承载式车架有限元分析模型见图2和图3。根据实体模型，通过CATIA测量惯量（Measure Inertia）命令可知，该处半承载式车架重537 kg，重心GZ坐标GZ=107 mm；全承载式车架重441 kg，重心GZ坐标GZ=-63 mm。半承载式比全承载式车架重96 kg、重心高170 mm。

表　1车架连接件材料特性

2　有限元分析

根据汽车日常行驶可知，汽车在行驶动载荷（安全系数取2.4）、后轴驱动和侧倾工况下，后空气悬架对该处车架的作用力最大[5-7]。以下分三种工况对该处的车架进行有限元分析。

2.1受垂直动载荷的工况分析

为安全起见，垂直动载荷安全系数取2.4，车架材料屈服极限为355 MPa。本文12 m客车后悬满载轴重为11 500kg，满载簧上重量为10375kg，放大后的满载动载荷簧上重量为2.4×10375×9.8=244020 N。假设此重量均布在4个气囊上，每个气囊对车架的支撑力为244020÷ 4=61005N。该处车架的有限元对比分析结果见图4和图5。

从有限元分析结果可知，半承载式车架最大应力250 MPa出现在两后气囊与车身侧围骨架连接最靠后竖直型钢下端，最大变形1.6 mm出现在左右后气囊上托座；全承载式车架最大应力236 MPa出现在两后气囊与车身侧围骨架连接的型钢端部，最大变形1.84 mm出现在左右中央骨架最后端最下端的型钢端部。

2.2后轴驱动的工况分析

当汽车后轴驱动时，后桥负荷转移系数取1.3，道路负荷系数为1.0，L1=337 mm、L2=203 mm分别为上斜向推力杆和下直推力杆到轴心的距离（上下推力杆均与地面平行），Fq、F1、F2分别为最大驱动力和上下推力杆受力。根据受力分析图6可知，纵向水平力合力为零、后轴驱动扭矩M与驱动力Fq对轴心力矩大小相等方向相反、上下推力杆纵向力对轴心力矩大小相等方向相反。

由路面决定的单边最大驱动力Fq=0.5×1.3×1.0× 11 500×9.8=73 255 N，式中：满载重量为11 500 kg；发动机对后轴的单边最大驱动力Fq=0.5×43 000÷524× 1 000=41 031 N，式中：后轴驱动扭矩M=43 000 N·m，轮胎半径为524 mm。因41 031 N＜73 255 N，计算推力杆对车架的受力情况取41 031 N。

因此，Fq=41 031 N= F1cos38°+F2，F1cos38°×L1= F2× L2（上两斜向推力杆夹角为76°）。驱动时，上下推力杆均受压。经计算，F1=19 569 N，F2=25 606 N。后空气悬架处两种类型车架受力有限元分析结果见图7和图8。

从有限元分析结果可知，半承载式车架最大应力200 MPa出现在两后气囊与车身侧围骨架连接最靠后竖直型钢下端，最大位移1.42 mm出现在焊接下直推力杆左右支座横梁的中间靠下底面；全承载式车架最大应力147 MPa出现在两前气囊前方中间横梁的端部，最大位移1.45 mm出现在焊接下直推力杆左右支座横梁的中间靠下底面。

2.3侧倾时的工况分析

当侧倾加速度为0.4 g时，侧倾角为5°，因汽车后车轮滚动阻力相对侧向力比较小，在这里忽略不计（忽略滚动阻力对上下推力杆作用力）。假设汽车处于匀速状态，两边轴荷转移系数分别为1.4和0.6。当汽车向右侧倾时，右边单个气囊负荷为FR=1.4×10 375×9.8÷ 4=35 586 N；左侧单个气囊负荷为FL=0.6×10 375× 9.8÷4=15 251 N；侧向力的大小为FC=0.4×9.8× 10 375=40 670 N，上斜向两推力杆受力大小相等，但右侧斜向推力杆受拉，左侧斜向推力杆受压，两斜向推力杆在横向的合力与侧向力大小相等方向相反，此时2× F1×sin38°=FC=40 670 N。由此可知，F1=33 044 N。当向左侧倾时，受力情况与向右倾时相反。后空气悬架处两种类型车架受力的有限元对比分析结果见图9和图10。

从有限元分析结果可知，半承载式车架最大应力144 MPa出现在焊接右侧斜向推力杆支座下方与前气囊上托座焊接处，最大位移0.925 mm出现在焊接右侧后气囊上托座；全承载式车架最大应力165 MPa出现在右侧后气囊正上方横梁与车身骨架连接型钢端部，最大位移1.25 mm出现在右中央骨架最后端、最下端的型钢端部。2.4总体分析

根据以上有限元分析数据可知，两类型的车架都能满足强度要求，最大应力均出现在两后气囊与车身侧围骨架连接的型钢端部，而最大位移半承载式车架出现在左右后气囊上托座，全承载式车架最大位移出现在左右中央骨架最后端、最下端的型钢端部。全承载式相对于半承载式车架主要优点是重量轻、重心低、应力分布相对合理，避免应力过于集中，而且在设计车架过程中，对车架进行加强设计中全承载式车架比半承载式车架更加方便、灵活[8-10]。由于全承载式比半承载式车架质量轻、重心低，汽车质心相应比半承载式车架低，因此全承载式比半承载式车架的汽车具有更好的行驶经济性、高速行驶稳定性和舒适性。除此之外，全承载式车架还具有较大抗弯曲和抗扭转的刚度、空间利用率高等优点，但结构复杂，工艺要求高，制造耗时较长。综合以上优缺点，在开发汽车新产品中，建议优先考虑采用全承载式车架。

3　结束语

本文基于CATIA软件对后空气悬架处等长半承载式、全承载式车架结构的强度和刚性进行了有限元分析，可知两种类型车架在多种工况下的应力分布及变形情况，在开发设计过程中就可以进行优化、加强和轻量化处理，对提高车架开发设计的结构合理性和降低车架自身重量起到非常重要的作用，有利于降低开发费用和节能减排。

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修改稿日期：2015-10-26

Comparative Analysis of Semi-integral and Monocoque Chassis Frame of Rear Air Suspension Based on Finite Element

Li Xiaoming1, Yang Kaijun1, Liao Guisong1, Chen Wenbin2
（1.Guilin Dawoo Bus Co., Ltd, Guilin 541003, China；2. Guangxi Universityof Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

Abstract：Based on the CATIA software, the same length of the semi-integral and monocoque chassis frame of the rear air suspension of the 12 meters bus is modeled. Finite element comparative analysis of the two types of chassis frame located at the rear air suspension under various conditions of the stress distribution, deformation and the advantages and disadvantages are carried out.

Key words:air suspension; semi-integral chassis frame; monocoque chassis frame；finite element analysis

中图分类号：U463.33

文献标志码：B

文章编号：1006-3331（2016）02-0031-03

作者简介：李小明（1978-），男，工程师；主要从事客车底盘悬架系统和转向系统的开发设计与研究工作。