论文部分内容阅读
摘 要 以某12m客车后空气悬架片扭杆作为研究对象，分别对其片杆和扭杆进行了有限元静力学分析。在此基础上对该片扭杆进行了轻量化设计，并与轻量化前的有限元静力学分析结果对比分析。分析结果表明，扭杆轻量化前的重量约为26.186kg，轻量化后的值为24.178kg，约减轻了7.67%；片杆的重量则由6.87kg，减小到5.79kg，减轻了15.7%。與此同时，扭杆和片杆的最大应力分别减小了3.72%和3.37%，强度都有所提升。轻量化的效果比较满意。
关键词 客车；空气悬架；片扭杆；有限元分析；轻量化设计
Abstract The finite element static analysis of the sheet torsion bar of a 12m passenger car rear air suspension was carried out. On this basis， the light weight design of the sheet torsion bar is carried out and compared with the results of the finite element static analysis before the light weight. According to the analysis results， the mass of the torsion bar before the lightweight is 26.186kg， and the value after the lightweight is 24.178kg， reducing about 7.67%， meanwhile， the mass of sheet bar decreased from 6.87kg to 5.79kg， with a decrease of 15.7%. At the same time， the maximum stress of torsion bar and sheet bar decreased by 3.72% and 3.37%， respectively. The effect of lightweight is satisfactory.
Key Words Passenger car； Air suspension； Sheet torsion bar； Finite element analysis； Lightweight Design
引言
空气悬架其刚度可伴随气囊等气室的改变而发生相应的变化，因此可根据该特性将其设计成在理想刚度的范围内进行工作。因装有空气悬架中还可以实现在不同的承载工况下车身能够保持其基本的振动频率不发生剧烈的变化，从而对其车辆的行驶平稳性而言，具有极佳的作用。在节能减排的大背景下，减轻汽车重量是提高汽车燃油经济性的重要手段。
现阶段对于结构件的轻量化设计基本体现在：
（1）使用密度较小，强度较大的新型材料；
（2）对结构进行优化设计，使其在满足强度要求的情况下，减少材料的使用，提高利用率；
（3）进一步提高制造工艺方法和技术创新。
片扭杆是大客车空气悬架的主要结构件之一，对其进行轻量化设计是降低空气悬架总成重量的有效途径。本文通过对片扭杆结构的优化，达到轻量化设计的目的。
1 片扭杆结构介绍
片扭杆的作用类似于扭杆弹簧，其结构由两端的片杆和中间的扭杆组成，工作时片杆上下摆动，扭杆受扭。片杆和扭杆之间焊接。其结构如图1所示。
2 片扭杆的有限元模型
2.1 网格划分
不考虑焊接强度的问题，将片杆和扭杆分开，单独划分网格和分析，采用4面体网格，单元大小设置为0.6cm，提高模拟精度。材料为Q235，弹性模量206Gpa，泊松比0.28。离散后的模型如图2所示。
2.2 指定边界条件
扭杆在约束及加载方面，扭杆则固定一端约束6方向自由度，在另一端垂直于轴中心线进行加载约3700N，如图2a）所示。片杆在约束及加载方面，将作用处节点进行耦合成一个节点，在耦合节点进行约束6自由度及加载荷载约10000N，如图2b）所示。
2.3 计算结果
建立扭杆有限元模型时，既要反应该结构的实际承载情况，又要保证有着良好的网格划分精度，以保证计算结构的准确程度。扭杆的结构特点需要建立实体网格模型，且在网格划分阶段，为了更好地进行网格划分，对计算没有作用的小倒角、连接件进行简化处理，经计算分析，扭杆的应力云图如图3所示。
由图3可以看出，扭杆的最大等效应力为138.644MPa。
3 轻量化设计方案
根据扭杆和片杆各自的静力学分析结果，分别进行结构的优化，以减轻重量，方案如下：
在扭杆两端受力较大处进行了加固，在中间轴部进行了适当的厚度减小等工作，如图5所示。扭杆改进结构的质量由原结构的26.186kg，减小到24.178kg，质量减小2.008kg，降低7.67%。
片杆结构轻量化设计结构如图6所示，在中间部位进行镂空处理。片杆改进结构质量由原结构的6.87kg，减小到5.79kg，质量减小1.08kg，降低15.7%。
4 轻量化结果与分析
4.1 片扭杆的轻量化结果
在对扭杆和片杆分别进行轻量化设计后，对轻量化结果进行强度校核，分析时保持网格类型和大小与原来模型的网格划分相同，各种约束和载荷等边界条件与原来的边界条件相同，分析结果如图7所示。
扭杆改进结构最大应力为133.476MPa<，片杆的最大应力为154.358MPa<。 4.2 优化前后对比
根据图7a）的分析结果可得出：扭杆的改进结构相对于原扭杆结构总重量减轻7.67%，达到轻量化的效果，且该结构在相同的加载条件下，最大应力相对降低3.72%，强度有所提升。從图7b）的分析结果可以看出：片杆的改进结构相对于原片杆结构总重量减轻15.7%，达到轻量化的效果，且该结构在相同的加载条件下，最大应力相对降低3.37%，强度有所提升。具体数据见表1。
5 结论
片扭杆虽然结果较为简单，却是客车空气悬架的重要结构件，对其进行轻量化设计首先要保证其使用性能不能下降。从分析结构来看，片杆和扭杆的力学性能都有小幅提升，重量下降分别达到了7.67%和15.7%，达到了轻量化设计的目的。
参考文献
[1] 韦亿龙.某12m客车后空气悬架片扭杆轻量化设计[D].南昌.江西科技学院，2018.
[2] 赵文涛，任旭东，温雯.客车空气弹簧悬架边界条件模拟与试验验证[J].计算机辅助工程，2018，27（1）：1-6.
[3] 郭聪聪，朱思贤，祝国强，陈子阳.全承载式客车车身结构轻量化研究[J].农业装备与车辆工程，2018，56（1）：68-72.
[4] 张可可.空气悬架全承载式大客车静动态强度分析[D].西安：长安大学，2017：25-28.
[5] 潘超，王海艳，王兴平等.轻型商用车悬架系统轻量化方法研究[J].汽车工艺与材料，2017，42（7）：64-69.
[6] 孔维礼，马冀，段宇鹏等.单纵臂空气悬架关键部件的结构减重优化设计[C].MDAD2017.中国山东青岛：中国力学学会，2017：65.
[7] BC Choi， S Cho， CW Kim. Sequential Approximate Optimization of MacPherson Strut Suspension for Minimizing Side Load by Using Progressive Meta-Model Method [J].International Journal of Automotive Technology， 2018，19（3）： 455-461.
[8] J Liu， DJ Zhuang， F Yu. Optimized design for a MacPherson strut suspension with side load springs [J].International Journal of Automotive Technology， 2008，9（1）：29-35.
[9] T Al， RA Bakar， GL Meng.et. Investigation of passenger car using Macpherson strut for suspension system pt.1： Vehicle behaviour variation of time response [C].AiGEV2016.MATEC： EDP Sciences，2017：1-8.
[10] 张小庭，周磊，越文.8m客车导向臂后悬横梁组件的结构改进[J].客车技术与研究，2017，39（4）：25-27.
[11] 王伟，宋礼，屈翔，等.基于望目特性的空气悬架导向机构结构参数优化[J].现代制造工程，2017，48（10）：68-72.
关键词 客车；空气悬架；片扭杆；有限元分析；轻量化设计
Abstract The finite element static analysis of the sheet torsion bar of a 12m passenger car rear air suspension was carried out. On this basis， the light weight design of the sheet torsion bar is carried out and compared with the results of the finite element static analysis before the light weight. According to the analysis results， the mass of the torsion bar before the lightweight is 26.186kg， and the value after the lightweight is 24.178kg， reducing about 7.67%， meanwhile， the mass of sheet bar decreased from 6.87kg to 5.79kg， with a decrease of 15.7%. At the same time， the maximum stress of torsion bar and sheet bar decreased by 3.72% and 3.37%， respectively. The effect of lightweight is satisfactory.
Key Words Passenger car； Air suspension； Sheet torsion bar； Finite element analysis； Lightweight Design
引言
空气悬架其刚度可伴随气囊等气室的改变而发生相应的变化，因此可根据该特性将其设计成在理想刚度的范围内进行工作。因装有空气悬架中还可以实现在不同的承载工况下车身能够保持其基本的振动频率不发生剧烈的变化，从而对其车辆的行驶平稳性而言，具有极佳的作用。在节能减排的大背景下，减轻汽车重量是提高汽车燃油经济性的重要手段。
现阶段对于结构件的轻量化设计基本体现在：
（1）使用密度较小，强度较大的新型材料；
（2）对结构进行优化设计，使其在满足强度要求的情况下，减少材料的使用，提高利用率；
（3）进一步提高制造工艺方法和技术创新。
片扭杆是大客车空气悬架的主要结构件之一，对其进行轻量化设计是降低空气悬架总成重量的有效途径。本文通过对片扭杆结构的优化，达到轻量化设计的目的。
1 片扭杆结构介绍
片扭杆的作用类似于扭杆弹簧，其结构由两端的片杆和中间的扭杆组成，工作时片杆上下摆动，扭杆受扭。片杆和扭杆之间焊接。其结构如图1所示。
2 片扭杆的有限元模型
2.1 网格划分
不考虑焊接强度的问题，将片杆和扭杆分开，单独划分网格和分析，采用4面体网格，单元大小设置为0.6cm，提高模拟精度。材料为Q235，弹性模量206Gpa，泊松比0.28。离散后的模型如图2所示。
2.2 指定边界条件
扭杆在约束及加载方面，扭杆则固定一端约束6方向自由度，在另一端垂直于轴中心线进行加载约3700N，如图2a）所示。片杆在约束及加载方面，将作用处节点进行耦合成一个节点，在耦合节点进行约束6自由度及加载荷载约10000N，如图2b）所示。
2.3 计算结果
建立扭杆有限元模型时，既要反应该结构的实际承载情况，又要保证有着良好的网格划分精度，以保证计算结构的准确程度。扭杆的结构特点需要建立实体网格模型，且在网格划分阶段，为了更好地进行网格划分，对计算没有作用的小倒角、连接件进行简化处理，经计算分析，扭杆的应力云图如图3所示。
由图3可以看出，扭杆的最大等效应力为138.644MPa。
3 轻量化设计方案
根据扭杆和片杆各自的静力学分析结果，分别进行结构的优化，以减轻重量，方案如下：
在扭杆两端受力较大处进行了加固，在中间轴部进行了适当的厚度减小等工作，如图5所示。扭杆改进结构的质量由原结构的26.186kg，减小到24.178kg，质量减小2.008kg，降低7.67%。
片杆结构轻量化设计结构如图6所示，在中间部位进行镂空处理。片杆改进结构质量由原结构的6.87kg，减小到5.79kg，质量减小1.08kg，降低15.7%。
4 轻量化结果与分析
4.1 片扭杆的轻量化结果
在对扭杆和片杆分别进行轻量化设计后，对轻量化结果进行强度校核，分析时保持网格类型和大小与原来模型的网格划分相同，各种约束和载荷等边界条件与原来的边界条件相同，分析结果如图7所示。
扭杆改进结构最大应力为133.476MPa<，片杆的最大应力为154.358MPa<。 4.2 优化前后对比
根据图7a）的分析结果可得出：扭杆的改进结构相对于原扭杆结构总重量减轻7.67%，达到轻量化的效果，且该结构在相同的加载条件下，最大应力相对降低3.72%，强度有所提升。從图7b）的分析结果可以看出：片杆的改进结构相对于原片杆结构总重量减轻15.7%，达到轻量化的效果，且该结构在相同的加载条件下，最大应力相对降低3.37%，强度有所提升。具体数据见表1。
5 结论
片扭杆虽然结果较为简单，却是客车空气悬架的重要结构件，对其进行轻量化设计首先要保证其使用性能不能下降。从分析结构来看，片杆和扭杆的力学性能都有小幅提升，重量下降分别达到了7.67%和15.7%，达到了轻量化设计的目的。
参考文献
[1] 韦亿龙.某12m客车后空气悬架片扭杆轻量化设计[D].南昌.江西科技学院，2018.
[2] 赵文涛，任旭东，温雯.客车空气弹簧悬架边界条件模拟与试验验证[J].计算机辅助工程，2018，27（1）：1-6.
[3] 郭聪聪，朱思贤，祝国强，陈子阳.全承载式客车车身结构轻量化研究[J].农业装备与车辆工程，2018，56（1）：68-72.
[4] 张可可.空气悬架全承载式大客车静动态强度分析[D].西安：长安大学，2017：25-28.
[5] 潘超，王海艳，王兴平等.轻型商用车悬架系统轻量化方法研究[J].汽车工艺与材料，2017，42（7）：64-69.
[6] 孔维礼，马冀，段宇鹏等.单纵臂空气悬架关键部件的结构减重优化设计[C].MDAD2017.中国山东青岛：中国力学学会，2017：65.
[7] BC Choi， S Cho， CW Kim. Sequential Approximate Optimization of MacPherson Strut Suspension for Minimizing Side Load by Using Progressive Meta-Model Method [J].International Journal of Automotive Technology， 2018，19（3）： 455-461.
[8] J Liu， DJ Zhuang， F Yu. Optimized design for a MacPherson strut suspension with side load springs [J].International Journal of Automotive Technology， 2008，9（1）：29-35.
[9] T Al， RA Bakar， GL Meng.et. Investigation of passenger car using Macpherson strut for suspension system pt.1： Vehicle behaviour variation of time response [C].AiGEV2016.MATEC： EDP Sciences，2017：1-8.
[10] 张小庭，周磊，越文.8m客车导向臂后悬横梁组件的结构改进[J].客车技术与研究，2017，39（4）：25-27.
[11] 王伟，宋礼，屈翔，等.基于望目特性的空气悬架导向机构结构参数优化[J].现代制造工程，2017，48（10）：68-72.