城市客車轉向機支架結構輕量化設計

朱紅軍，熊 樂，劉芳忠，王坤俊，邱鈺賢

(1.中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.長沙中車智馭新能源科技有限公司，長沙 410083)

轉向機支架是客車轉向系統(tǒng)的重要結構件，若其剛度不足會引起前輪擺振、前輪轉向響應遲鈍、方向盤自由間隙大等問題。為保證有足夠的剛度，轉向機支架一般設計得比較厚重，可能存在過設計。本文對某城市客車的轉向機支架進行性能分析和輕量化設計，以求在結構性能和輕量化間取得平衡。

1 結構性能分析

1.1 結構受力分析

某城市客車的轉向機通過5個安裝點固定在轉向機支架上，如圖1所示。其最大輸出扭矩為7 173 N·m，轉向節(jié)臂在對中位置和左、右極限位置的有效長度分別為210 mm、175 mm和150 mm，由=·可得到載荷大小分別為34 157.1 N、40 988.6 N和47 820 N，將其作為有限元分析的輸入。

圖1 轉向機支架及其有限元模型

1.2 有限元模型建立

對轉向機、轉向機支架和轉向機支架附近部分前懸段車架的三維數據進行適當簡化得到有限元模型，保留轉向機殼體、轉向機各安裝點及輸出軸，忽略安裝在轉向機內部的各附件總成及其前端的傳動軸。轉向機與支架的安裝孔處和支架與車架的安裝孔處的連接均采用螺栓連接單元進行處理。轉向機支架及其附近截取的部分前懸段車架構件，因其長、寬的尺寸明顯大于其厚度的尺寸，符合殼單元離散的假設，因此使用2D殼單元進行網格劃分；轉向機殼體則使用四面體單元進行網格劃分。上述模型所用的材料均為Q355。將1.1節(jié)中計算得到的載荷加載到轉向機輸出端，得到如圖1所示的有限元模型。

對于圖1中的模型而言，轉向機支架是承受轉向機輸出扭矩最直接的部件，平板狀結構導致其局部安裝剛度較低，從以往分析經驗來看，其應力水平明顯高于周邊的前懸段車架；從工程實踐的角度來看，轉向機支架也是經常發(fā)生破壞的部件。因此本文主要將轉向機支架作為分析對象，考察其在轉向機輸出扭矩下的剛強度性能。

約束圖1中前懸段車架模型在截斷處的6個自由度，將1.1節(jié)中計算的載荷加載到圖1中轉向機輸出軸的中心。根據轉向節(jié)臂在對中和左、右極限的位置，分別考慮左轉和右轉兩種狀態(tài)后構建6個工況，分別為對中左轉工況1、對中右轉工況2、左極限左轉工況3、左極限右轉工況4、右極限左轉工況5和右極限右轉工況6。

1.3 計算結果分析

計算后得到各工況下的應力云圖分布和位移云圖分布，其位移和應力在右極限工況下取得最大值，如圖2所示。

(a)應力云圖分布

由圖2可知，轉向機支架周邊的車架構件整體應力較低，最大應力為110 MPa。模型中最大應力和位移均位于轉向機支架，具體值見表1。

表1 轉向機支架最大應力和位移

表中工況5對應轉向機最大輸出扭矩，支架局部最大應力為256.1 MPa，位于圖2中左上部安裝孔周邊，低于所用材料Q355的屈服強度355 MPa；最大變形量為1.05 mm，位于安裝孔周邊的支架邊緣處，且低于1.5 mm的經驗許用要求。從以上結果看，支架結構強度富裕較大?？紤]到支架厚度為12 mm，經評估認為，該轉向機支架存在結構輕量化的空間。

2 結構輕量化設計

2.1 支架結構拓撲優(yōu)化

由于應力云圖分布中出現較大范圍的低應力結構區(qū)域，因此首先考慮對該支架進行拓撲優(yōu)化。

將轉向機支架與車架的連接孔、轉向機支架與轉向機的安裝孔和支架部分邊界區(qū)域定義為非設計空間，轉向機支架其余結構均定義為設計空間。此外，拓撲優(yōu)化的邊界條件和載荷狀況與剛強度分析時的各工況相同。經多次迭代后得到的轉向機支架的拓撲優(yōu)化構型如圖3所示。

圖3 轉向機支架拓撲優(yōu)化構型

支架的主要承載區(qū)位于圖3中支架的左側和下部區(qū)域，支架右前方區(qū)域為次要承載區(qū)，因此可在拓撲優(yōu)化的基礎上進一步對支架結構進行優(yōu)化設計。

2.2 結構優(yōu)化設計

根據上述拓撲優(yōu)化結果，保留原設計狀態(tài)的主要承載區(qū)結構，減少次要承載區(qū)材料使用，具體方案如下：①將中間大圓孔沿右前方延伸；②在右側低承載區(qū)開設減重孔；③將左側圓孔加大；④將左下角直角切除。結構優(yōu)化設計后的轉向機支架如圖4所示。

圖4 優(yōu)化設計后的轉向機支架

2.3 優(yōu)化設計效果

將上述優(yōu)化設計結構重新進行有限元分析，結果是最大應力為268.8 MPa，最大位移為1.07 mm。對比優(yōu)化前，其強度和剛度與原狀態(tài)相比無明顯變化，質量由17.51 kg減為16.24 kg，減重達7.3%。優(yōu)化后各工況下的應力和位移云圖分布與原狀態(tài)基本相同。此外，支架周邊車架構件的應力分布及最大應力與優(yōu)化前基本一致。

3 結束語

針對開發(fā)中的某城市客車轉向機支架，基于有限元分析結果進行拓撲優(yōu)化，并對支架低承載區(qū)進行了結構優(yōu)化設計，輕量化效果較好，為類似結構的優(yōu)化設計提供了參考。