第24卷第3期2016年9月山东交通学院学报JOUＲNAL OF SHANDONG JIAOTONG UNIVEＲSITY Vol．24No．3Sep．2016收稿日期：2016－04－12基金项目：山东省高等学校科技计划项目（J15LI57）
作者简介：陈修辉（1983—），男，山东菏泽人，
讲师，工学硕士，主要研究方向为运动稳定性与控制，E-mail ：cxhcy1215@163．com．
DOI ：10．3969/j．issn．1672－0032．2016．03．003
陈修辉
（青岛理工大学琴岛学院，山东青岛266106）
摘要：以某重型汽车平衡悬架为例，建立该悬架下推力杆支架的受力分析模型，根据下推力杆支架的受力情况
对其结构进行优化设计，并对优化前后的支架进行有限元仿真分析。结果表明：优化后支架的质量、最大变形
量和最大应力均有所下降，改善了支架的受力情况，且能满足轻量化的设计要求。
关键词：平衡悬架；下推力杆支架；有限元；设计；优化
中图分类号：U463．33文献标志码：A 文章编号：1672－0032（2016）03－0012－04
平衡悬架是多轴汽车的重要组成部分，
是汽车具有良好的操纵稳定性和舒适性的基础性保证［1－2］。汽车在启动、制动、转弯等工况极易导致平衡悬架的推力杆支架疲劳甚至破坏，因此对推力杆支架的强度与刚度的研究尤为重要［3－4］。文献［5］对半挂车悬架前支架进行了有限元分析；文献［6］对半挂车悬架前
支架进行了模态分析；文献［7］对不同结构的推力杆进行应力分析和疲劳寿命计算；文献［8］研究推力杆
的纵向刚度；文献［9］对空气悬架推力杆支架进行拓扑优化设计。目前国内对平衡悬架推力杆支架的强
度与刚度的研究甚少。本文以某重型汽车平衡悬架为例，分析平衡悬架下推力杆支架的受力情况，对其结构进行优化，使其具有更好的力学性能，并力求减轻该支架的质量，节约成本。
1受力分析
汽车平衡悬架下推力杆的一端用球头销与推力杆支架相连，
推力杆支架焊接在驱动桥壳上，如图1所示。平衡悬架推力杆另一端用球头销与平衡悬架心轴支架相连［10］。下推力杆支架材料为ZG270－
500［11］。汽车在紧急制动时，平衡悬架下推力杆支架受力最大［12］，故本文研究汽车紧急制动时下推力杆
支架的受力情况。汽车紧急制动时，中桥和后桥受力几乎相同，
为简便起见，认为中、后桥受力相同，且只分析中桥受力，中桥及上、下推力杆支架受力模型如图2所示。
图1
支架和桥壳连接图图2中桥受力模型
图2中：F t 为制动时中桥轮胎所受的摩擦力，
F d 为中桥下推力杆支架所受推力杆的反作用力，F u 为中桥上推力杆支架所受推力杆的反作用力，F s 为中桥额定荷载力，L 1、L 2分别为上、下推力杆支架受力中
心到桥壳中心线的距离，
N 为中桥轮胎所受地面的支撑力，r 为轮胎半径。F t 的计算式为［13］：
F t =μmg /2，
式中：μ为轮胎与地面的附着系数，μ=0．7；m 为单支驱动桥的额定载荷，
m =10000kg ；g 为重力加速度。计算得F t =34300N 。
由图2得
F d =F t （r +L 1）L 1+L 2
，取r =536mm ，
L 1=330mm ，L 2=175mm ，计算得：F d =58819N 。2模型分析
使用三维制图软件Pro /E 建立悬架下推力杆支架的三维模型，如图3a ）所示。在保证外形尺寸不变的情况下，若图3a ）中箭头所指位置加强筋壁厚太厚，会增加零件质量，不利于轻量化；加强筋太薄，会降低零件强度，增大断裂的可能。本文采用中空结构加强筋，理论上认为这种结构在质量和强度上与优化前结构相当或者更好［14］。经过大量的实际分析，建立优化后的支架三维模型，如图3b ）所示。优化前悬架下推力杆支架的质量14.474kg ，优化后为13.495，减少了36.76%。汽车桥壳
将建立好的三维模型导入有限元分析软件Workbench 中，对模型进行材料参数定义、网格划分、确立分析类型、施加荷载等
［15－17］。施加荷载时，在图4中下端箭头处，即支架头部表面施加大小为58819N 的力，支架上端与桥壳焊接的位置为固定约束，与桥壳贴合面处为位移约束，约束x 、
y 和z 方向的自由度
。图3优化前、后支架三维模型图4施加荷载
利用Workbench 软件求解，得出支架优化前后的变形云图和应力云图，如图5 6所示，
（图5中单位为mm ，图6中单位为MPa ）。优化前悬架下推力杆支架的最大变形为0.15349mm ，优化后为0.14375mm ，减少36.35%；优化前的最大应力为355.92MPa ，优化后为193.40MPa ，减少了45.66%
。
a ）优化前
b ）优化后
图5支架变形云图3
1第3期陈修辉：某重型汽车平衡悬架下推力杆支架优化设计
41山东交通学院学报2016年9月第24卷
a）优化前b）优化后
图6支架应力云图
由图5、6可知，优化后支架的质量、最大变形量和最大应力均有所下降，优化后减轻了支架的质量，同时提高了支架的强度，减小了支架断裂的可能。
优化后的下推力杆支架，在某企业经过大批装车使用，均没有出现断裂现象，进一步验证了优化后该支架结构的可靠性。
3结论
1）对某重型汽车平衡悬架下推力杆支架进行优化设计，优化后支架的最大变形量和最大应力均有所下降，改善了支架的受力情况。同时，减轻了支架的质量，节约了生产成本，提高了经济效益。
2）为分析方便，本文对支架进行优化时，忽略了焊缝区及其热效应等的影响，计算结果与实际情况可能不完全相符。同时，在结构优化之后，若能进行模拟试验，再进行装车使用，将会增加使用的可靠性。因此，在今后对下推力杆支架的进一步研究中，需要考虑更多的实际因素。
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CHEN Xiuhui
（Qindao College ，Qingdao University of Technology ，Qingdao 266106，China ）
Abstract ：Take the balanced suspension of a heavy-duty truck as an example ，this paper establishes a mechanical analysis model of the lower thrust rod bracket．According to the mechanical condition of the lower thrust rod bracket ，the structure is optimized and the finite element simulation analysis of the front and rear brackets is made．The results show that the quality of the optimized bracket ，the maximum deformation and maximum stress declines slightly ，which improves the mechanical condition of the bracket and meets the design requirements of the light weight．
Key words ：balanced suspension ；lower thrust rod bracket ；finite element ；design ；optimization
（责任编辑：杨秀红）5
1第3期陈修辉：某重型汽车平衡悬架下推力杆支架优化设计
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