基于有限元分析的某重型车桥空簧压板结构优化设计

郑小艳

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）

引言

螺栓连接作为一种可拆卸式的连接方式，广泛应用于各种机械设备中联结件厚度不大的场合。螺栓连接中，连接件和被连接件相互之间的作用力比较复杂，螺栓预紧力和相互间接触是比较重要的两个特点。

我们在对重型车桥垫压板结构设计时，往往忽略了螺栓预紧力对其的影响。例如某重型车桥空簧结构压板在螺栓拧紧后出现轻微变形，中间高出两边0.8mm 左右，如图1 所示。

基于有限元方法，采用非线性分析软件对考虑螺栓预紧工况下的空簧压板结构进行仿真分析。

图2 原始结构：焊缝长60mm 图3 改进方案一：加支撑板

接触问题是一种典型的边界条件非线性问题，即边界条件在分析过程中发生变化，其特点是：边界条件不是在计算的开始就可以全部给出，而是在计算过程中确定的，接触体之间的接触面积和压力分布随外载荷变化。

1 计算模型建立

1.1 方案结构说明

原始结构垫压板焊缝长度均为60mm，如图2 所示；改进方案一为在垫压板之间增加支撑板结构，如图3 所示；改进方案二为将垫板和压板焊缝分别加长至100mm和130mm，如图4 所示。

图4 改进方案二：焊缝加长至100/130mm

1.2 仿真模型建立

（1）材料参数

材料参数如表1 所示。

表1 材料参数

（2）仿真模型

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。

整桥结构为铸造件，属于实体结构，采用10 结点四面体单元划分实体网格，得到如图5 所示的整桥结构有限元模型。

图5 整桥有限元模型

（3）连接定义

连接定义如表2 所示。

表2 分析说明

图6 连接定义

1.3 计算工况说明

约束方式为在C 型梁两下推杆支座中心处施加约束（第1 自由度），在C 型梁空气弹簧支座中心处施加约束（第3自由度）并在上推力杆支座中心处施加约束（第1、2 自由度）[1][2]。

（1）考虑螺栓预紧

M24 螺栓拧紧力矩750Nm，则螺栓预紧力：

（2）垂向工况

有限元模型中，在两车轮中心处分别施加载荷(z 方向载荷)[3]。

载荷考虑2.5 倍轴荷，则左、右侧载荷均为：

（3）驱动工况

有限元模型中，在两车轮中心处分别施加载荷（z 和x方向载荷）。

z 向载荷考虑1.5 倍额定轴荷，则左、右侧载荷均为：

x 方向载荷从传动系和路面附着来考虑计算扭矩，比较两者扭矩值取较小值来计算x 方向载荷。

从传动系考虑，额定输出扭矩为46000Nm，传动系数为1.6，则：

从路面附着力计算，重量转移系数1.4，最大驱动纵向附着系数1.1，路面动载系数1.5，车轮滚动半径0.526m。

取较小值进行计算，则：

2 仿真结果对比说明

以改进方案一为例，结构变形及应力云图如图7 所示：

图7 螺栓预紧工况变形及应力云图

原始结构及改进方案一、改进方案二的仿真结果对比说明如表3 所示。

图8 垂向工况应力云图

图9 驱动工况应力云图

表3 仿真结果对比说明

3 结论

本文基于有限元方法，采用非线性分析软件对考虑螺栓预紧工况下的空簧压板结构进行仿真分析，明确了螺栓预紧力对其的影响，并通过结构优化设计大幅降低了压板的最大变形。