某型特种车悬架系统转向轴有限元分析*

2015-06-11鲍东红

机械研究与应用 2015年4期

鲍东红，崔翔

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡 722300)

0 引言

所述特种车主要用于精密仪器的运输，一般工作在沙漠、戈壁等恶劣环境中，执行某运输任务时悬架转向轴出现断裂失效情况，通过对断裂现象及原因进行分析，确定失效原因为转向轴强度不够［1］，因此对悬架系统转向轴进行了强化处理，并通过ANSYS有限元分析软件对其进行受力及疲劳寿命分析，验证悬架系统转向轴是否满足该特种车整体性能要求［2］。

1 悬架系统

1.1 悬架工况分析

悬架分布在车前部左右两侧，整个悬架可绕固定在车架上的转向轴转动。悬架主体刚度和强度满足使用要求，转向轴运动较多，易产生疲劳。整个悬架在制动及过沟坎时冲击较大，需分两种工况进行分析。在悬架模型简化过程中，将轮胎进行了简化。在制动工况时，悬架受到摩擦力作用，简化后将摩擦阻力作等效处理;特殊工况(过沟坎)时，由于轮胎位置较低，使得滚动阻力变大。

1.2 工况分析计算

车架两种计算工况为:①制动工况:初始速度30 km/h时，制动距离不大于9 m;②特殊工况:假设轮胎着地点低于路面200 mm(轮胎半径r=500 mm)。

下面对上述两种工况进行计算分析:制动工况加速度可由式a=υ2/2 s求得，其中υ=8.3 m/s为初始速度;s=9 m为制动距离。整车受到摩擦力按照公式Ff=(m0+mN)a计算，然后按照承重比例分配至各轮胎上。(m0为拖车重量，取m0=8 175 kg;mN主机设备质量，取mN=3 000 kg)

特殊工况时轮胎受力如图1所示，轮胎受到地面作用力可分解为x向力和z向力，记为FX、FZ，两个力对于轮胎中心的力矩分别为rn、an。

式中:Fs1为单个悬挂牵引力;W1为单个悬挂承重;M为轮胎受到总力矩，由此可得出FX=W1an/rn。

完成悬架系统工况分析计算后，下面对悬架系统转向轴进行有限元分析，获取转向轴应力、位移分布及疲劳寿命。

图1 轮胎过沟坎受力分析

2 悬架系统有限元模型的建立

2.1 几何模型及材料模型定义

首先用UG NX建立转向轴三维模型，并对其进行简化处理后生成*xt格式，然后导入Ansys Work-bench13.0 软件进行材料模型定义［4］，选用 40Cr作为转向轴的材料，该材料的弹性模量为2.11×105MPa，密度为 7.85×103kg/m3，泊松比为 0.3。

2.2 网格划分

根据计算目的，对悬架结构进行必要简化后建立力学模型。采用以六面体为主的网格划分方式，关键部位采用较小尺寸［3］，整个结构划分为204 552节点，64 139个单元，网格如图2所示。

3 仿真计算

划分网格完成后，接着对悬架系统网格模型定义约束及施加力，并运用solution求解模块进行求解计算，然后获得转向轴的等效应力、位移分布及疲劳寿命。

3.1 转向轴的应力、位移云图

转向轴的应力、位移云图如图3～6所示。

图2 网格模型

图4 制动时悬架转向轴位移云图

图5 特殊工况下悬架转向轴等效应力分布

图6 特殊工况悬架转向轴位移云图

通过上述两种工况下转向轴分析结果可知，制动时悬架转向轴的最大合应力为161.97，最大合位移为0.192 mm;特殊工况下悬架转向轴的最大合应力为134.18 MPa，最大合位移为0.162 mm。转向轴优化设计中，材料选用40 Cr，屈服强度σs=800 MPa。悬架系统结构安全系数取4，则零件材料的许用应力为:［σ］=800/4=200 MPa＞σ=161.97 MPa，即优化后转向轴强度可以满足使用要求。