重型货车复合空气悬架导向臂支架优化设计

    0 前言

    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。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，图1为某重型货车复合空气悬架系统。

    本文就是以某重型货车复合空气悬架导向臂 支架为分析对象，对其进行模态分析和静强度分析；基于变密度法建立了拓扑优化的数学模型，运用大型CAE分析软件Hyperworks平台中的0p_ tistruct模块，对导向臂支架进行拓扑优化，并对改进后的结构进行静力分析，结果表明该优化结构较原结构，质量有所减轻，强度有所提升。

    1 导向臂支架有限元模型建立

    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，网格全局尺寸选 择5mm，最终有限元模型共有节点数16256，实体单 元数为62034，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

    2 边界条件

    2.1 约束边界条件

    模型中添加刚性单元（rigid bar element) rbe2来定义位移约束，添加刚性单元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。

    2.2 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。表1中的工况及载荷大小来源于整车厂对该型重型货车空气悬架导向臂支架的试验测试。

    表1 导向臂支架工况及载荷

    3 模态与静强度分析

    3.1 模态分析

    在约束状态下，对导向臂支架进行模态分析， 利用RADI0SS求解器对导向臂支架进行模态分析， 共计算前20阶模态，这里列举其中前10阶模态结 果，如表2所示。

    表2 导向臂支架前10阶模态

    由表2可知，导向臂支架第1阶约束模态固有频率为185Hz，振型表现整体弯曲变形，如图3所示。进一 步分析支架的前6阶模态振 型，主要表现为结构的整体变形。

    图3 导向臂支架 第1阶振型

    3.2 静强度分析

    导向臂支架的材料为球墨铸铁(QT450-10)，其性能参数如表3所示。

    表3 导向臂支架材料属性