某重型卡車駕駛室后懸支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

張莉，劉警，孫萬信，劉親親，許幫柱，邵強(qiáng)

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某重型卡車駕駛室后懸支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

張莉，劉警，孫萬信，劉親親，許幫柱，邵強(qiáng)

（陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

駕駛室后懸置系統(tǒng)是固定駕駛室與車架，實(shí)現(xiàn)支撐駕駛室和衰減震動(dòng)的重要組成部分。后懸支架總成是駕駛室后懸置的重要連接部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)乎車輛安全運(yùn)行問題。文章利用有限元分析軟件Hyperworks對某重型卡車駕駛室后懸支架總成進(jìn)行了多工況分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；采用高強(qiáng)度鋼減薄的優(yōu)化方法，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。

重型卡車；高強(qiáng)度鋼；后懸置系統(tǒng)；有限元分析；輕量化設(shè)計(jì)

1 引言

隨著重卡行業(yè)的發(fā)展，政府對燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)提高和對CO2排放的要求，以及用戶對車輛載貨量、油耗性能的重視，車輛的輕量化作為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段，零部件輕量化水平日益成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容和衡量指標(biāo)。在汽車用輕型材料不斷發(fā)展的今天，高強(qiáng)度鋼仍以其在成本、安全、制造工藝等方面的優(yōu)勢，占據(jù)汽車輕量化材料的主導(dǎo)地位。

本文以某重型卡車駕駛室后懸支架總成為對象，利用有限元分析軟件Hyperworks對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了多工況分析；在保證零件強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)用高強(qiáng)度材料使壁厚減薄并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型

后懸支架作為重型卡車駕駛室后懸關(guān)鍵部件，對駕駛室動(dòng)靜態(tài)支撐、平衡及運(yùn)行有重要的作用。圖1為某重型卡車駕駛室后懸支架架裝配關(guān)系圖，圖2為該駕駛室后懸支架總成，其通過螺栓連接駕駛室液壓鎖壓裝總成及空氣彈簧減振器總成。

目前龍門架總成設(shè)計(jì)材質(zhì)為厚度5mm的510L熱軋板,其屈服強(qiáng)度為355MPa，彈性模量202GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。橫梁設(shè)計(jì)重量為5.53kg，支架設(shè)計(jì)重量為3.67kg，后懸支架總成設(shè)計(jì)重量為14.73kg。

圖1 后懸支架總成裝配關(guān)系

圖2 駕駛室后懸支架總成

1.后懸橫梁 2.連接支架

2.2 有限元模型的建立

將上述駕駛室后懸龍門架總成三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。

3 有限元分析

考慮駕駛室實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)及載荷情況，對駕駛室后懸支架總成進(jìn)行各工況下有限元分析。

駕駛室自重與駕駛員的總重為1250kg,經(jīng)計(jì)算后懸承載是總重的2/5,在分析時(shí)主要考慮跳動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的三種工況。具體的工況及承載如表1與表2所示。

表1 各分析工況及各向載荷

表2 駕駛室懸置承載質(zhì)量

在Hypermesh軟件中按上述工況添加各向計(jì)算載荷及駕駛室懸置承載質(zhì)量，進(jìn)行各工況下的駕駛室后懸支架總成受力分析及安全因子計(jì)算，如圖3所示。

圖3 加載后有限元模型

利用OptiStruct求解器進(jìn)行有限元求解，得到后懸龍門架的應(yīng)力云圖，如表3所示。

表3 后懸龍門架應(yīng)力云圖

根據(jù)上述后懸支架總成應(yīng)力云圖得到各設(shè)計(jì)工況下駕駛室后懸支架的最大應(yīng)力，如表4所示。

表4 各工況下的最大應(yīng)力（單位：MPa）

經(jīng)各設(shè)計(jì)工況、載荷下有限元分析，可以得知：各工況下后懸支架總成的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，安全因子均小于1，該結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4 輕量化設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析，各工況下后懸支架總成具有較高的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度儲(chǔ)備充足。因此，采用高強(qiáng)度鋼材料AH1500HS代替原結(jié)構(gòu)材料，減小材料厚度達(dá)到輕量化的目的。

4.1 材料特性分析

510L和AH1500HS材料物理特性對比，如表5所示：

表5 材料物理特性對比

通過上述參數(shù)對比、分析：兩種材料的彈性模量及泊松比相近，即抵抗彈性變形能力相同，而AH1500HS的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于510L，證明了采用高強(qiáng)度鋼材料AH1500HS代替原結(jié)構(gòu)材料510L進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。

4.2 輕量化結(jié)構(gòu)

對龍門架總成基結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料減薄設(shè)計(jì)，由5mm減少為3mm，綜合考慮實(shí)際工程制造需求，在后懸支架的局部加筋，得到圖4輕量化結(jié)構(gòu)。

圖4 輕量化后駕駛室后懸支架總成

4.3 輕量化后結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

表6列舉了駕駛室后懸支架總成輕量化前后的重量變化。

表6 輕量化前后重量對比

將輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，并在前述設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到輕量化后的后懸支架的應(yīng)力云圖，從而獲得各設(shè)計(jì)工況下的最大應(yīng)力，如表7所示。

表7 輕量化后各工況下的最大應(yīng)力（單位：MPa）

4.4 輕量化前后安全性能對比

根據(jù)輕量化前后應(yīng)力對比分析，得到各工況下安全系數(shù)，如表8所示：

表8 輕量化前后安全系數(shù)對比

4.5 輕量化評估

通過上述分析結(jié)果可以看出，在相同載荷和約束的條件下，輕量化后的駕駛室后懸支架總成在各設(shè)計(jì)工況下的安全系數(shù)均大于原方案結(jié)構(gòu)，且龍門架總成降重33%，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文通過建立某重卡車型駕駛室后懸支架有限元模型，借助Hyperworks進(jìn)行了多工況靜力學(xué)分析。在結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)降重33%，達(dá)到了零部件輕量化設(shè)計(jì)目的。

[1] 劉文欣等,有限元網(wǎng)格劃分方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2004.

[2] 肖存云,基于高強(qiáng)度鋼成形的車身輕量化研究,學(xué)位論文,南昌大學(xué),2016.

[3] 王為,賀永波等,基于Hypermesh的某轉(zhuǎn)向橋軸頭優(yōu)化設(shè)計(jì)[J], 2015.

Optimization design of rear suspension bracket of a heavy truck cab

Zhang Li, Liu Jing, Sun Wanxin, Liu Qinqin, Xu Bangzhu, Shao Qiang

（ShaanXi WanFang Auto Parts Co., LtD, Shaanxi Xi'an 710200）

The rear suspension system of the cab is an important part for fixing the cab and frame, supporting the cab and attenuating vibration. The rear suspension bracket assembly is an important connection part of the rear suspension of the cab. In this paper, the finite element analysis software Hyperworks is used to analyze the multi-case condition of a heavy truck cab rear suspension bracket assembly, which verifies its structural strength requirements. The high-strength steel thinning optimization method is used to realize the lightweight of structure, while meet the structural strength requirements.

Heavy truck;High strength steel;Rear suspension system;Finite element analysis; Lightweight design

A

1671-7988(2018)18-143-03

U463.8

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1671-7988(2018)18-143-03

CLC NO.: U463.8

張莉，就職于陜西萬方汽車零部件有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.049