基于HyperMesh的商用車托架總成優(yōu)化分析

閆雪鵬，朱建軍

基于HyperMesh的商用車托架總成優(yōu)化分析

閆雪鵬1，朱建軍2

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.山西大運(yùn)汽車制造有限公司，運(yùn)城044000）

托架總成裝配于雙前軸車型的一二軸板簧結(jié)合處，變速箱的正下方，相當(dāng)于車架的第一橫梁，該零部件可以增大車架抗扭剛度。然而售后市場托架總成法蘭板頻繁從螺栓連接孔處撕裂。本文基于HyperMesh建立了商用車托架總成與車架總成裝配模型，并對托架總成在彎扭工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，對托架總成的薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，為車架提供更大的承載能力和抗扭能力，同時(shí)還可以降低市場故障率和售后維修成本。

托架；彎扭工況；優(yōu)化

2.Shanxi Dayun Automobile Manufacture Co.，Ltd， Yuncheng， 044000， China.）

引言

懸架系統(tǒng)在商用汽車的各系統(tǒng)中占舉足輕重的地位，而懸架系統(tǒng)的承載和導(dǎo)向作用尤為重要。本文針對市場反饋的某主機(jī)廠懸架系統(tǒng)中的托架總成故障率偏高，總成維修成本高等缺點(diǎn)，進(jìn)行分析和優(yōu)化。

·托架總成裝配于雙前軸車型的一二軸板簧結(jié)合處，變速箱的正下方，相當(dāng)于車架的第一橫梁，該零部件可以增大車架抗扭剛度，在惡劣工況和頻繁彎曲應(yīng)力作用的情況下會造成托架總成法蘭板及加強(qiáng)筋的斷裂，同時(shí)在使用者不知情的情況下連續(xù)使用，有可能導(dǎo)致車架的斷裂，造成更大的損失和事故。托架總成在車架的上安裝位置如圖1所示：

分析車架在彎扭工況下，未安裝托架總成與裝配該零部件處車架應(yīng)力分布對比如圖2、圖3。從圖2可以看出，應(yīng)力大且在車架邊緣，而圖3的車架應(yīng)力已減小且向車架腹面移動(dòng)從而確定分析、優(yōu)化該零件的必要性，得以起到保護(hù)車架的作用。

1　建立托架總成與車架裝配的模型并進(jìn)行仿真

1.1 實(shí)物測繪及模型的建立

對實(shí)物進(jìn)行測繪并利用Catia繪制三維數(shù)模，法蘭板、加強(qiáng)筋及拱形梁通過焊接連成一個(gè)總成件，三種零件的材料均為510L。然后將繪制的數(shù)模通過支座與車架裝配，模擬實(shí)物裝配后的模型，如圖4所示：

1.2 托架總成與車架裝配的有限元分析

托架總成通過支座與車架裝配后，車架的變形和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力通過剛性支座傳遞給托架總成，托架總成從而為車架提供抵抗扭轉(zhuǎn)變形的力。因而選取車架扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行仿真，將該車架一二橋輪胎，對角抬高175 mm ，在標(biāo)準(zhǔn)軸核作用下，對托架總成的受力情況進(jìn)行分析。從圖5、圖6我們可以看出，托架總成的法蘭板螺栓孔邊緣應(yīng)力達(dá)到780 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于材料的屈服極限510 Mpa，因而托架總成頻繁損壞是意料之中的。

1.3 對故障件的統(tǒng)計(jì)

對該主機(jī)廠2013年6-8三個(gè)月生產(chǎn)并銷售的車輛進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)托架總成的故障率非常高，且故障均集中在法蘭板和加強(qiáng)筋2個(gè)零部件上，失效模式與有限元分析一樣，如表1所示。因而斷定分析是合理的，且零件的應(yīng)力集中點(diǎn)和斷裂位置是一致的，因而接到改進(jìn)、優(yōu)化該零部件的項(xiàng)目。

表1　原托架總成故障率統(tǒng)計(jì)

2　托架總成的改進(jìn)加強(qiáng)方案

2.1材料改進(jìn)

將法蘭板、加強(qiáng)筋和拱形梁的材質(zhì)由510L加強(qiáng)至610L，同時(shí)提高加強(qiáng)筋的壁厚。

2.2結(jié)構(gòu)改進(jìn)

連接方式由焊接改為螺栓連接，將剛性體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雱傂泽w，如圖7所示。

托架總成法蘭板由直板增加翻邊，可以對法蘭板起到保護(hù)、加強(qiáng)的作用，同時(shí)加強(qiáng)筋的厚度由6 mm增加至8 mm，并在側(cè)邊增加翻邊，翻邊平面可以用螺栓連接加強(qiáng)筋與法蘭板，腹面與托架拱形梁相連接，從而形成介于剛性體與撓性體之間的一種結(jié)構(gòu)。示意如圖8所示：

2.3改進(jìn)后托架總成及各零部件仿真：

改進(jìn)后的托架總成在同樣的扭轉(zhuǎn)載荷作用下，車架扭轉(zhuǎn)通過支座傳遞給托架的應(yīng)力分布可以看出，改進(jìn)后翻邊處應(yīng)力在497 MPa左右，如圖9所示，而改進(jìn)前邊緣處的應(yīng)力高達(dá)780 MPa，在邊緣處改善效果達(dá)到36%，雖然法蘭板和加強(qiáng)筋各有一處應(yīng)力集中現(xiàn)象，但均遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。在滿足最惡劣的扭轉(zhuǎn)工況后，對制動(dòng)工況、垂直載荷工況及轉(zhuǎn)向工況同時(shí)進(jìn)行校核，均遠(yuǎn)小于材料屈服極限。所以優(yōu)化方案是成功的。

3　結(jié)論

改進(jìn)后的托架總成，即使因?yàn)槠趯?dǎo)致托架的某個(gè)零部件斷裂或者失效，也可以通過更換某一單個(gè)零件而讓其恢復(fù)功能，而不需要像以前的焊接件需要更換總成。該件經(jīng)該主機(jī)廠切換使用以來，市場反饋良好，售后故障率直線下降，且三包費(fèi)用趨于零。

［1］劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［2］周長城.車輛懸架設(shè)計(jì)及理論［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2011.

［3］聶毓琴，孟廣偉.材料力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］陳耀明. 汽車懸架論文集［M］.蘇州:蘇州大學(xué)出版社，2012.

［5］陳傳增.基于HyperMesh有限元分析的橋殼輕量化設(shè)計(jì)［J］.汽車實(shí)用技術(shù)， 2014，（01）:61～64.

［6］鐘佩思，辛紀(jì)光，劉鳳景，等.基于Hypermesh的中型貨車車架有限元分析與優(yōu)化［J］.煤礦機(jī)械，2009，（04）:6～8.

專家推薦

史建鵬：

本文研究出了售后市場托架總成法蘭板頻繁從螺栓連接孔處撕裂的原因，并應(yīng)用對托架總成在彎扭工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，提出了解決方案，得到市場用戶的認(rèn)可。屬于利用CAE仿真技術(shù)較好地解決了工程中實(shí)際的問題，建議推薦。

The optimization design and analysis of commercial vehicle bracket assembly based on Heypermesh

YAN Xue-peng1， ZHU Jian-jun2
（1.School of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China；

Bracket isLocated at the plate spring attaches， which is between the first axle and the second axle of the double front axle model， just below the gearbox. It could increase the frame's torsional stiffness. Then， its bracket assembly flange plate tears from bolt connection hole frequently. This article is based on HyperMesh to establish commercial vehicle bracket assembly and frame assembly model， and then calculate it under the crankle condition in the simulation environment. In the end， some optimization is done at the aim of the vulnerabilities of bracket assembly. The final destination provides better carrying capacity and the torsional ability for the frame， at the same time it can also reduce the failure rate and the cost of aftersales maintenance.

vehicle bracket； bending and torsion condition； optimization

U463

A

1005-2550（2015）02-0014-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.004

2014-08-12