摘 要：平衡悬架在实际使用的过程中各个部件很容易发生失效，究其原因是在实际使用的过程中常常出现严重超载的现象，致使平衡悬架轴产生断裂等失效形式。针对这样的现象，文章对各部件在对失效进行理论分析后，建立CAE模型进行数值分析，又与实际的失效形式对比，并提出了相应的解决措施。
关键词：平衡悬架；CAE；失效；解决措施
中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-0003-03
任何多轴汽车的全部车轮如果都是单独地刚性悬挂在车架上，则在不平的道路上行驶时将不能保证所有车轮同时接触地面。当有弹性悬架而道路不平度较小时，虽然不一定会出现车轮悬空现象，但各个车轮之间的垂直载荷分配比例会有很大的改变。个别车轮对地面的附着力也随之变小甚至变为零。转向车轮遇此情况将使汽车操纵能力大大降低，甚至失去操纵能力；驱动车轮遇此情况不能产生足够的驱动力。此外，还会使其他车轮有超载的危险。
若将两个车桥（如三轴汽车的中桥和后桥）装在平衡杆的两端，而将平衡杆中部与车架作铰链式连接，则一个车桥抬高将使另一个车桥降低。而且，由于平衡杆两臂等长，两个车桥的垂直载荷在任何情况下都相等，不会产生个别车轮悬空的情况。这种能保证中、后桥车轮垂直载荷相等的悬架，称为平衡悬架。它一般可分为等臂式平衡悬架及摆臂式平衡悬架两种形式。
1 失效形式及原因
1.1 平衡悬架失效模式
支架-平衡悬架：在与车架的安装法兰上及过渡区附近发生断裂；平衡悬架轴：在轴径的过渡处断裂；钢板弹簧座-平衡悬架：在钢板弹簧U形螺栓安装孔处断裂；衬套-平衡悬架钢板弹簧座：早期磨损与抱瓦。
1.2 产生失效的原因
上述失效模式产生的主要原因是用户严重超载，若设计载货量为16 t，实际用户装载已达到50 t以上，使平衡悬架失效，其失效的主要原因为早期发生衬套失效，即：早期磨损和抱瓦，轴套早期磨损后使轴瓦与平衡悬架轴间隙过大，增加了平衡悬架中各零部件所承受的冲击载荷；轴瓦抱死，增加了平衡悬架中各零部件所承受的弯曲力矩，使支架-平衡悬架、平衡悬架轴、钢板弹簧座等零件失效。
2 理论失效分析
2.1 支架-平衡悬架失效模式分析
①由于用户严重超载，在路况极其恶劣的条件下，受到冲击载荷的作用，发生脆性断裂。
②支架安装法兰的上平面全部为加工表面，由于铸件存在内应力，在加工后，因应力的变化，使安装法兰变形，其平面度要大于0.5 mm，同时与它相连接的车架为冲压件，其平面度也要在0.5 mm以上，支架在装配到车架上时，因安装平面过大，同时两联接件的平面度大，连接螺栓存在假力矩，在车辆行驶过程中，由于铸件内应力的消失和边梁的变形，使连接螺栓松动，造成支架的安装法兰断裂。
③在衬套磨损时，增加支架所受的弯曲载荷和冲击载荷使，导致其断裂。
2.2 平衡悬架轴失效模式分析
①当用户严重超载时，使轴瓦抱死，钢板弹簧座不能灵活转动，在路面凸凹不平时，此时中桥和后桥一侧的两车轮，只有其中一个单独受力，车轮不能同时接触地面，从而导致平衡悬架轴既受剪切力又承受扭转力矩，使平衡悬架轴断裂。
②由于用户严重超载，使轴瓦与平衡悬架轴的间隙逐渐扩大，有的甚至已无减摩层，此时，导致平衡悬架轴所承受的冲击载荷加大，平衡悬架轴受弯曲力矩加大，导致其断裂。
③轴瓦抱死状态下安全系数校核计算。轴疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大变载荷进行校核计算。危险截面安全系数S的校核计算公式为：
■
式中，■只考虑弯矩作用时的安全系数；■只考虑扭矩作用时的安全系数；[S]为按疲劳强度计算的许用安全系数，见《机械设计手册4》表38.3-4。
其中：■，
■，■，
■。
经查《机械设计手册4》中的相关表中的系数并计算得到在车辆满载和超载时的安全系数分别为：
车辆满载时：■
车辆超载时：■
许用安全系数[S]值为1.8～2.5，满载时安全系数1.06<1.8<2.5，超载时安全系数0.38<1.8，安全系数均不符合设计要求，所以导致平衡悬架轴断裂。
2.3 钢板弹簧座-平衡悬架失效模式分析
①由于轴瓦与平衡悬架轴的间隙增大，使钢板弹簧座所承受的侧向冲击载荷增加，侧向弯曲力矩加大，使钢板弹簧座断裂。
②由于轴瓦与平衡悬架轴抱死，平衡悬架轴不能灵活转动，在路面凸凹不平时，导致中桥和后桥只有其中一个单独受力，使U形螺栓对钢板弹簧座的安装孔产生弯曲力矩，产生断裂现象。
2.4 衬套-平衡悬架钢板弹簧座失效模式分析
衬套平均压力计算：
■
式中，p为衬套平均压力（MPa）；F为衬套承受的径向载荷（N）；S为轴套承载面积（mm2）。
由于车辆行驶时路面凸凹不平，在行驶过程中衬套所受的力为冲击载荷，衬套所受的冲击载荷一般在平稳载荷的1.8倍以上。在冲击载荷的作用下，衬套所受的比压为：p"=1.8p。因此在满载和超载时的衬套比压力分别为11.16 MPa、30.8 MPa，在冲击载荷作用下，衬套材料CnPb10Sn10，GB/T14408的许用比压为15 MPa，所以超载时在冲击下衬套比压远远大于许用比压，不能满足要求。
3 CAE分析建模
材料参数如表1所示。
支架和钢板弹簧座材料为球墨铸铁QT450-10，平衡悬架轴材料为45号钢，衬套材料为CuSn10Pb10。
根据图纸和实物，运用CAD软件CatiaV5建立三维模型如图1所示。
4 CAE失效分析与实际失效分析对比
4.1 支架-平衡悬架：在与车架的安装法兰上及过渡区
附近发生断裂
由计算结果可知，正常受力情况下，支架的应力集中区域不在其与车架的安装法兰上及过渡区附近，由此可知，支架的断裂属于非正常受力状态下的破坏。从技术中心了解到，由于支架结构的限制，支架在安装时不能保证每个螺栓相同的预紧力，其中有三个螺栓不能拧紧（图2），螺栓不能有效预紧必然导致后期使用过程中螺栓进一步松动，运用简化模型对这种情况进行模拟计算（图3），在与车架的安装法兰上及过渡区附近应力集中处，最大应力大于球墨铸铁QT450-10的抗拉强度（450 MPa）。
4.2 平衡悬架轴：在轴径的过渡处断裂
实际上，当用户严重超载时，使轴瓦抱死，钢板弹簧座不能灵活转动，在路面凸凹不平时，此时中桥和后桥一侧的两车轮，只有其中一个单独受力，车轮不能同时接触地面，从而导致平衡悬架轴既受剪切力又承受扭转力矩，使平衡悬架轴断裂。运用简化模型对平衡悬架轴既受剪切力又承受扭转力矩这种情况进行模拟计算（图4），在轴径的过渡处最大应力可达666.3 MPa，超过了材料的抗拉强度，足以使轴断裂。
4.3 钢板弹簧座-平衡悬架：在钢板弹簧U形螺栓安装
孔处断裂
由于轴瓦与平衡悬架轴抱死，平衡悬架轴不能灵活转动，在路面凸凹不平时，导致中桥和后桥只有其中一个单独受力，使U形螺栓对钢板弹簧座的安装孔产生弯曲力矩，产生断裂现象（图5）。
4.4 衬套-平衡悬架钢板弹簧座：早期磨损与抱瓦
计算结果可知，由于早期磨损，衬套尺寸较大，衬套受力高度不均匀，衬套与平衡悬架轴之间必然形成不均匀的间隙，导致油膜分布不均匀，使衬套磨损速度加剧（图6）。
5 解决措施
①解决支架断裂。其一，减小支架安装法兰安装平面与车架安装平面的接触面积，以减小支架安装法兰的应力集中和变形，防止联接螺栓存在假力矩和松动；其二，增加支架安装法兰的厚度，加大根部的过渡圆角；
②解决平衡悬架轴断裂。增大轴颈以提高其强度，并加大轴颈的过渡圆角。
③解决钢板弹簧座断裂。关键是提高衬套的承载能力，防止衬套早期失效。
④衬套早期失效。通过计算可知，在用户严重超载时，衬套的承载能力不能满足用户超载的需求，必然要导致衬套失效，衬套失效是导致支架、平衡悬架轴、钢板弹簧座等失效的主要原因，提高衬套的承载能力是解决平衡悬架失效的关键措施。其一，加大衬套的内径，若由φ121改为φ126。改进后可提高衬套的承载能力，其承载能力可提高11%左右。其二，减少油槽的数量，使展开后油槽的间距为15 mm，以保证图纸设计的间距，现实物不符合图纸的设计要求，改进后可增大衬套的承载面积，提高衬套的承载能力，其承载能力可提高7%左右。其三，将衬套的材料改为钢带表面渗碳处理。
6 结 论
本文在理论和ABAQUS/CAE有限元分析软件对平衡悬架的主要部件进行受力变形分析得到以下结论：
①平衡悬架的各个部分发生失效的形式为：支架，在与车架的安装法兰上及过度区附近发生断裂；平衡悬架轴，在轴颈的过渡处断裂；钢板弹簧座，在钢板弹簧U形螺栓安装孔处断裂；衬套，早期磨损与抱瓦。
②对于这些失效形式，其主要原因是因为实际使用过程中的严重超载，致使早期发生衬套失效，使轴瓦与平衡悬架轴间隙过大，增加了平衡悬架中各零件所受的冲击载荷。
③对于这些失效形式，提高衬套的承载能力是解决平衡悬架失效的关键措施。
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作者简介：魏培鲜（1985-），女，河南郑州人，大学本科，助教，主要从事机械、机电工程及汽车运用研究与教学。