半挂车平衡悬架模拟和车架强度分析

郑南豆；陈铭年；黄桂芬



半挂车平衡悬架模拟和车架强度分析

郑南豆；陈铭年；黄桂芬

福建农林大学 机电工程学院

半挂车常采用平衡悬架。为了进行车架有限元分析，本文采用3种方法对平衡悬架的力学性能进行模拟，通过计算分析比较，对上述三种模拟方法进行评价。最后选取最佳的模拟方法对半挂车车架进行弯曲强度校核。

半挂车车架 平衡悬架 有限元分析

引言

半挂车是指将车轴（单轴或多轴）置于车辆重心（均匀受载时）后面，并且具有可将水平和垂直力传递到牵引车的牵引连接装置的被牵引车辆[1]。半挂牵引车在公路运输中占有很大的份额，欧美等发达国家长途货运几乎都利用它完成。在我国，半挂牵引车已成为重型专用汽车的第2大品种。车架作为半挂车重要组成部分，承受着来自道路及装载的各种复杂载荷的作用，所以半挂车车架的合理设计对整车行驶有重要的意义。

半挂车常采用平衡悬架。平衡悬架的正确模拟对车架的有限元分析是至关重要的，但尚未见到有关平衡悬架模拟的论述。本文采用3种模拟方法进行比较，选取最佳的方法进行计算分析。

1 半挂车车架概况

该半挂车前部通过牵引销与牵引车连接，后轴为双轴结构，轴距为1 080 mm，采用平衡悬架[2]。车架总长10 160 mm，总宽为2 440 mm，主要结构为2根纵梁、18根横梁。纵梁采用工字型变截面焊接结构，车架材料选用16 Mn（屈服应力为345 MPa，抗拉强度为520 MPa，泊松比0.3，弹性模量为20 600 MPa）。车架截面高度沿长度方向可分3段（如图1），前后两段截面高度不变，而中间段即鹅颈处截面高度连续变化，前后横梁为薄壁闭口矩形钢，中间各横梁为槽钢，厚度为6~16 mm不等。

2 半挂车车架有限元建模与计算

2.1 三维实体模型转入ANSYS处理

在Pro/E中建立车架三维实体[3]模型（如图1），再转入ANSYS进行有限元分析[4]。车架采用SHELL63壳单元建模，钢板弹簧结构采用特殊设计的梁单元Beam4来近似模拟[5]。

将车架实体模型进行抽中面[6]。抽完中面后，车架纵梁与横梁连接处会因为抽完中面失去厚度而产生间隙。因此需要对横梁与腹板连接处进行补面[7]。由相对应的横梁在纵梁上的投影处画出切口，再通过关键点进行面缝补。

图1 半挂车车架三维实体图

2.2 平衡悬架的模拟

车架前部牵引销位置处加固定约束，后轴将车轮的中心取为支点，并在相应点处加固定约束。平衡悬架结构如图2所示。

图2 平衡悬架图

为便于模拟，采用杆单元模拟平衡悬架，并将杆与车架以及杆与杆的连接点创建为关键点。约束的原则是将有限元模型完全约束，而不产生过定位。为了便于分析比较，本文共用了3种方法对平衡悬架进行模拟。具体结构如图3所示，图中的数字表示模型的节点号，标出节点号是为了便于查看分析的结果。图3(a)中，固定约束点加在钢板弹簧与车轮的固定点上，节点号分别为14 152、14 154、14 157、14 159，其中点14 157、14 159分别与14 152、14 154关于半挂车纵向中心面对称。图3(b)中，固定约束点加在节点14 163与 14 166上，点14 166与14 163关于半挂车纵向中心面对称。图3(c)中，固定约束点加在节点3、9、13、15以及1和20，其中节点1和20约束水平方向的移动。节点13、15、20分别与点9、3、1关于半挂车纵向中心面对称。图3中的其余连接点模拟为铰链连接。

图3 平衡悬架模拟方法示意图

2.3 加载

本半挂车的额定装载量为28 000 kg，车架总长为10 160 mm，总宽为2440 mm，纵梁宽为140 mm，将总载荷分配到2根纵梁上。为了模拟运行时不同的路况对车架的冲击，动载系数的范围一般取1.8-2.5，取最大动载系数为2.5。计算纵梁上的均布载荷为0.241 N/ mm2。必须注意的是由于SHELL63四边形单元有方向性，与单元周围四个节点编号顺序按右手螺旋定则，大拇指方向为正方向，施加力的方向与单元方向同向时为正方向，反向时为负方向。在输入力值时应注意各个面上单元的方向。

2.4 最终模型

本设计车架采用自由划分网格[8]，钢板弹簧采用每个杆单独为一个单元。整个车架离散化后得到节点数14 166，单元数13 499，然后通过这三种模拟方法分别对车架进行计算。具体步骤如下：点击Main Menu>Solution>Solve>Current LS>弹出的对话框 >OK。离散化模型总图如图4所示。

图4 车架有限元模型

3 结果与分析

3.1 三种约束模拟的比较

计算后为了比较三种模拟方法，查看各个模拟结构在节点上的力或约束反力。具体数值如表1、2、3所示。

表1 模拟数据一

在表1中得到钢板弹簧的4个约束点的约束反力数值，节点14152与节点14154的约束反力不相等，因此第一种模型模拟的并非是平衡悬架。

表2 模拟数据二

表3 模拟数据三

由分析数据可知，第2种模拟方法与第3种模拟方法在双轴上的垂直约束反力相等，均符合平衡悬架的特性。2种对比，虽然第2种模型从数值上能模拟出平衡悬架的效果，但是第3种更符合实际，而且采用多点与车架连接可避免产生应力集中。因此，采用第三种方法对车架进行强度分析。

3.2 查看应力分布图

用第3种模型分析计算后的应力分布图如图5所示。

图5 应力分布图

3.3 强度校核

从图5中可知，半挂车车架的最大应力点发生在纵梁截面变化的过渡处，半挂车的材料是16 Mn，其屈服强度是 345 MPa，最大应力为314.35 MPa小于最大屈服强度。因此在弯曲工况下，该车架是安全的。

5 结语

本文通过3种模拟方法对半挂车车架进行有限元分析，由计算结果可知，在弯曲工况下该车架是安全的。在约束模拟上，由3种方法对比分析可知，第一种方法模拟的并不是平衡悬架。第2种方法与第3种方法都成功地模拟出平衡悬架的特性，但2种方法相比，第3种方法更符合实际。

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Simulation of equalizing type of suspension Frame of Ssemi-trailer and Strength Analysis

Zheng Nandou ,Chen Mingnian,Huang Guifen

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Semi-trailers usually adopt the equalizing type of suspension. To make a finite analysis of the semi-trailer frame, the mechanical performance of the equalizing type of suspension frame was simulated in three ways. The three methods were evaluated by calculation results. The best method was obtained to check the bending intensity of the semi-trailer frame.

semi-trailer frame; equalizing type of suspension; finite element analysis