關(guān)于懸臂類支架輕量化設(shè)計(jì)的研究

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關(guān)于懸臂類支架輕量化設(shè)計(jì)的研究

郭宇，劉俊
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)）

摘 要：文章通過對(duì)商用車零部件設(shè)計(jì)過程中使用的兩種常用材料的抗彎截面系數(shù)進(jìn)行分析，提出了滿足產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的最佳截面類型，為產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：抗彎截面系數(shù)；輕量化設(shè)計(jì)；懸臂支架

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.007

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-14-03

引言

目前，由于商用車特殊的車架構(gòu)造，懸臂支架在整個(gè)商用車上應(yīng)用廣泛，在當(dāng)前高燃油成本，高物流成本的大形勢(shì)下，采用必要措施降低整車重量，盡量減少材料的使用有積極的意義。目前很多車在運(yùn)用此類支架時(shí)，采用的材料有兩種類型：一種是采用圓形截面的鋼管，一種是采用矩形型截面的型鋼。本文通過對(duì)比目前主流的兩個(gè)截面類型通過對(duì)支架的最大抗彎截面模量進(jìn)行分析計(jì)算，得出在承載能力不變的情況下，使支架整體重量最小的截面類型，為懸臂類支架輕量化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

在承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓彎載荷的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在承受已知外載荷的梁，必須在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的條件下求得最小橫截面積，在盡可能小的面積上實(shí)現(xiàn)大面積慣性矩與阻力矩，也就是說剖面形狀因子要達(dá)到最大。一般來說，在橫截面積相同的情況下，空心型材的面積慣性矩通常比實(shí)心橫截面的面積慣性矩高出很多，所以在選擇材料的過程中應(yīng)該盡量選擇空心材料。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用性設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)考慮的是要采用實(shí)現(xiàn)盡可能大的面積慣性矩的方法。

1、受力分析

一般情況先懸臂支架安裝于車架上主要承受均布載荷和局部集中載荷，簡(jiǎn)化后受力如下圖1所示：

在這種情況下根據(jù)疊加原理，當(dāng)梁上有幾項(xiàng)載荷共同作用時(shí)，由每一項(xiàng)載荷所引起的梁的支反力、剪力和彎矩將不受其他載荷的影響。梁某一截面上的彎矩就等于每一項(xiàng)載荷單獨(dú)作用時(shí)同一截面上彎矩的代數(shù)和，如圖所示懸臂梁受集中力F和均布載荷q共同作用，在矩左端為x的橫截面上的彎矩就等于集中載荷F和均布載荷q分別單獨(dú)作用時(shí)，該截面上的彎矩?Fx（圖2）和（圖3）的代數(shù)和。

2、不同截面形狀對(duì)彎矩的影響

W為支架抗彎截面系數(shù)；

由公式中可以看出，W值越大，σmax值越小，則支架抗彎承載能力越強(qiáng)。

當(dāng)材料的抗彎截面系數(shù)最大時(shí)，材料所受的應(yīng)力最小，安全系數(shù)最高。所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，在載荷和安全系數(shù)不變的情況下，設(shè)計(jì)要求在滿足強(qiáng)度性能要求的前提下，質(zhì)量越輕越好，即截面積越小越好，使得材料的抗彎截面系數(shù)越小越能夠滿足輕量化的要求。由其中；W為抗彎截面系數(shù)，M為彎矩，為許用應(yīng)力，可知M= W[ σ ]，即材料許用應(yīng)力不變的情況下，抗彎截面系數(shù)越大零件承受的彎矩越大。

3、圓形截面鋼管支架輕量化設(shè)計(jì)

當(dāng)α=0時(shí)鋼管為實(shí)心，抗彎截面模量最大，此時(shí)使用的材料也上最多的。

當(dāng)0<α < 1時(shí)，令鋼管外徑D為定值，做如下擬合曲線。

圖1 中令D=12，D=22，D=25，D=32，D=40，由上圖可知，當(dāng)a = 0.5左右時(shí)，該圓鋼的抗彎截面模量最大，但是此時(shí)材料的占用比依然很大；當(dāng)a = 0.6 ~ 0.7區(qū)間時(shí)，同樣材料的抗彎模量下降速度比較平緩，但此時(shí)材料消耗比a = 0.5時(shí)卻降低很多，相比之下在此區(qū)間選材，材料的經(jīng)濟(jì)性能明顯，設(shè)計(jì)選材時(shí)優(yōu)先推薦在此區(qū)間選用，這樣可以提高材料的利用率，減少材料使用量；當(dāng)a = 0.7 ~ 0.95區(qū)間時(shí)，材料的抗彎模量急劇下降，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說沒有任何經(jīng)濟(jì)性，所以在設(shè)計(jì)選材時(shí)應(yīng)該避免在此區(qū)域內(nèi)選用。

4、矩形截面異型管輕量化設(shè)計(jì)

（1）如圖6、圖7所示，矩形截面異型管的布置方式有兩種，

其中，圖6的抗彎截面模量為：

令材料厚度為t，即

故按圖6和圖7兩種相同材料的矩形截面異型管布置時(shí)，圖6的布置方式可以取得更大的抗彎截面模量，即在設(shè)計(jì)時(shí)矩形管的受力面寬度應(yīng)該小于非受力面的寬度，這樣可以節(jié)省材料的使用量。

5、結(jié)論

綜上所述，本文選用商用車懸臂類支架的兩種常用材料進(jìn)行分析對(duì)比，提出了選用此兩種材料設(shè)計(jì)支架時(shí)，抗彎截面最大、所用材料最少的一種材料的選用方式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)。其中，對(duì)于圓鋼來說，當(dāng)a 的取值在0.6 附近時(shí)，該圓鋼的抗彎截面模量最大，所以在設(shè)計(jì)選材時(shí)優(yōu)先推薦選用a = 0.6附近，這樣可以提高材料的利用率，減少材料使用量。對(duì)于矩形鋼管等異型管來說，當(dāng)B / H = 0.5左右時(shí)，該矩形鋼管的抗彎截面模量最大，所以在設(shè)計(jì)選材時(shí)優(yōu)先推薦選用B / H = 0.5，這樣可以提高材料的利用率，減少材料使用量。產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)涉及到產(chǎn)品的選材，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面的因素，本文僅就在使用常規(guī)鋼材時(shí)產(chǎn)品選材的輕量化設(shè)計(jì)論述，由于篇幅所限本文未能對(duì)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)做全面的敘述。

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Research on Lightweight Design of Cantilever Part

Guo Yu, Liu Jun
( Shaanxi Heavy-Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

Abstract:Based on the section factor of commercial vehicle part used in the design process, in this paper, two commonly used materials were analyzed. the best section type to meet the lightweight design were provided. a reference for lightweight designwere provided in this paper.

Keywords:Section factor; Lightweight design; Cantilever Part

作者簡(jiǎn)介：郭宇，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，長(zhǎng)期從事汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的開發(fā)與研究。

中圖分類號(hào)：U462.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-14-03