汽车底盘断开式车桥悬架的仿真受力分析

周康

摘 要：随着汽车技术的进步，底盘系统日益复杂，其各组成子系统的相互作用日益明显，底盘系统设计涉及到多学科领域，系统的总体设计过程十分复杂。为提高设计质量，本文将多学科优化技术引入到底盘设计中，研究了底盘复杂系统的综合优化设计方法，对于底盘系统的设计具有重要应用前景。独立悬架断开式车桥的应用改善了重汽通过性，但其相对于整体式车桥承载能力较弱，建立实体模型进行仿真受力分析，实现其结构的优化。

关键词：实体模型;断开式车桥;结构优化

为了应对能源短缺，汽车轻量化技术都是共性的基础技术，汽车生产企业将汽车轻量化作为产品开发的重要环节汽车轻量化设计技术对降低油耗，减排有较大的贡献。车重每减轻10%，可节省燃油6%，排放下降4%～6%。汽车轻量化技术是在保证汽车使用成本控制的前提下，将轻量化设计材料、制造技术集成应用所实现的整车减重。

实现方法主要部件的尺寸优化和材料替代。对汽车结构部件优化，优化其尺寸以达到减重的目的：使用其它较轻的材料来代替金属，达到减重的目的。汽车轻量化结构的设计研究发展最为迅速，成为了汽车轻量化技术的主要手段，主要是通过对整体及零部件结构分析和优化，使部件薄壁化、小型化等汽车零部件进行结构改进，实现了汽车零部件的轻量化。

1 汽车底盘断开式桥悬架力学分析

悬架包括上下摆臂。在Solid Works软件中建立悬臂架实体模型。以前桥右侧悬架为研究对象，前进方向为X轴，Y轴自右而左，Z轴自下而上。前视坐标（y，z）为：上臂两端（772，810），（413，800）;轮轴点（0，609），下臂两端（896，450），上臂宽度471mm，下臂宽度460mm。（413，439）;油气弹簧上、下端（633，976），（624，428）。转向拉杆位于车桥前，二力杆两端点的坐标为（439，355，578），（269，973，559）。

最大制动力轴荷转移系数1.5，地面附着系数为0.8，制动摩擦力对转向轴形成Z轴方向的力矩平衡。转向轴的（x，y）坐标为（0，413），转向轴到二力杆力线水平距离为169mm，水平分力为176kN，其X轴分量46.7kN，Y轴分量170kN。垂向分量为5.3kN。

拉杆力的水平分力形成对转向轴的力矩平衡，垂向分力等效后，形成力偶，大小为6.5 kN。可以等效平移到通过转向轴。上臂受力18kN，下臂受力28.7kN，得X向的受力：上臂受力11.5kN，下臂受力35.2kN。

拉杆Y向分力与上臂对车轮作用力f1（1）及下臂f2（1）构成汇交平衡，得交点（y，z）坐标（-7 557，578），其与下臂外端点的连线即为f2（1）力线.正交平衡方程：f1=f2（1）0.0174，f1=170kN，得f1（1）=65.5kN，由三力平衡得：f2（1）与油气簧力的交点坐标满足： （z- 428）/（y-624），y=625mm，z=435mm。对下臂力f0（1）方向正余弦为0.016 7，0.999 86;在交点（625，435）列三力平衡式f3（1）0.998 5，0.999 86f0（1）。得f0（1）=7.6kN;f3（1）=104.8kN，分解为f3y（1）=5.8kN。

垂向分量与上下臂对车轮的平衡交点坐标的求解：（810-800）/（772-413），z=798mm。两点连线即为下臂作用力f2（2）力线，f1（2）=5.3kN，得f1（2）=28kN，f2（2）=28.5kN，f2（2）与油气簧力在下臂交点（y，z）坐标（z-428）/（y-624），（z-439）/（y-413）。得f0（2）=10.5kN;f3（2）=28.9kN

计算YZ平面内地面支承力的传递，设上臂力为f1（3），下臂力为f2（3），坐标为（0，789）。根据几何关系，f2（3）的方向正余弦为0.646，0.763。f1（3）0.999 6=f2（3）0.763;得上臂受压力为f1（3）=102.9kN，f2（3）=135kN地面支持力三力平衡交点坐标为（621，263），得f0（3）=159kN;分解为f3y（3）=105.6kN，f3z（3）=71.8kN。

上臂轴套受力f1=140.4kN;即f1y=140kN，f1z=3.9kN。下臂轴套：f2y=27.3kN，f2z=60kN，地面摩擦力与上下臂的力平衡，上臂外端受力87.6kN;下臂外端受力159.6kN;与拉杆力作用于上下臂的力叠加，上臂外端受力76kN，向前。下臂外端受力195kN，向后。

将作用于上下臂外端的力向车架方向传递，形成XY面内的力偶，形成XZ面内的力偶，上臂前轴套受力的三分量为fx=76.06kN，fy=128.2kN，fz=3.6kN;上臂后轴套受力的三分量为fx=0，fy=12kN，fz0.35kN。下臂前轴套受力的三分量为fx=-195kN，fy=-190kN，fz=-35kN;下臂后轴套受力的三分量为fx=0，fy=218kN，fz=-25.3kN。

对悬臂架模型网格剖分，剖分的单元数为9 075，弹性模量2×1011Pa密度7 800kg/m3。各力施加到有限元模型上，上下臂应力较大，安全系数相对较小。

2 结语

采取的优化措施：缩短上下臂的外伸长度，减小制动力产生的力矩。增大上下臂的刚度，抵消上下臂横向力，外移油氣簧下端，力线延长线通过车轮接地点，减小了承受的垂向力，改进后悬架整体质量减少12%，应力下降30%。

参考文献：

[1]王新博，石兆勇，赵娜，刘双燕.汽车底盘断开式车桥悬架力学分析与优化[J].机械设计，2015，32（10）：53-55.