某重型卡車駕駛室前懸托架、支座輕量化設(shè)計(jì)

曹天津，李榮義，石玢，王剛，徐信萬

（1.陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著機(jī)械工業(yè)及汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，客戶對燃油經(jīng)濟(jì)性的不斷提高以及車輛載貨量、油耗性能的重視和政府減少CO2排放的要求，把保證車輛零件機(jī)械性能的輕量化作為實(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)及新材料應(yīng)用的重要內(nèi)容和衡量指標(biāo)。在重卡零部件急需要輕量化的時(shí)候，對新材料的探索一直在進(jìn)行著，無論怎樣，對于生活中經(jīng)常見到的鋁是怎么都繞不過去的，它的低密度，優(yōu)良的工藝性能慫恿著人們探索著它，對鋁進(jìn)行壓鑄工藝處理可以提高鋁的機(jī)械性能。壓鑄鋁以其在成本、安全、制造工藝等方面的優(yōu)勢，在汽車輕量化材料中別具一格。

此文以某重型卡車駕駛室前懸置托架、支座為對象，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)用輕型高強(qiáng)度材料的壓鑄鋁對零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 數(shù)據(jù)模型的建立

1.1 三維數(shù)模的組成

托架、支座作為重型卡車駕駛室前懸置關(guān)鍵部件，對駕駛室動靜態(tài)支撐、平衡、運(yùn)行及翻轉(zhuǎn)有重要的作用。圖1 為某重型卡車駕駛室前懸置總成裝配關(guān)系圖，圖2 為該駕駛室前懸置托架與支座裝配關(guān)系，其通過螺栓連接駕駛室橫梁總成擺臂支座總成及空氣彈簧減振器總成。

圖1 前懸總成裝配關(guān)系

圖2 駕駛室前懸總成

輕量化前前懸托架及支座設(shè)計(jì)材質(zhì)為鑄鋼ZG270，它的屈服強(qiáng)度為270MPa，彈性模量210GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。支座設(shè)計(jì)質(zhì)量為9.68kg，托架設(shè)計(jì)質(zhì)量為12.14kg。

1.2 有限元數(shù)據(jù)模型的建立

將駕駛室前懸置支座、托架三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hyper -mesh 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。

2 有限元分析

模擬駕駛室在實(shí)際工況的運(yùn)行狀態(tài)及載荷情況，對駕駛室前懸置支座、托架進(jìn)行各工況下有限元分析。

設(shè)定駕駛室自重與駕駛員的總重為1250kg，經(jīng)分析前懸置承載是總重的3/5，在分析時(shí)主要考慮垂直沖擊、制動、轉(zhuǎn)彎和扭轉(zhuǎn)的四種工況。具體受力如表1 所示。

表1 駕駛室懸置承載質(zhì)量

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前懸置支架及托架受力分析及安全因子計(jì)算。

利用OptiStruct 求解器進(jìn)行有限元求解，得到前懸置支座、托架的應(yīng)力云圖，如表2 所示。

表2 前懸支座、托架應(yīng)力云圖

各個(gè)工況下駕駛室前懸支架、托架的最大應(yīng)力如表3 所示。

表3 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：各工況下前懸支座/托架的最大應(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。

3 輕量化設(shè)計(jì)

經(jīng)上述分析，各工況下前懸支座、托架有較高的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度儲備充足。因此，采用高強(qiáng)度鋁材料319s代替原結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)達(dá)到輕量化的目的。

3.1 輕量化結(jié)構(gòu)

對支架、托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料減料設(shè)計(jì)，減少壁厚及優(yōu)化結(jié)構(gòu)，綜合考慮實(shí)際工程制造需求，在支座、托架的局部倒大圓角，得到圖3 的支座/托架輕量化結(jié)構(gòu)。

圖3 輕量化后駕駛室前懸托架、支座

319s 屈服強(qiáng)度為300MPa，彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，密度為2800kg/m3。

3.2 輕量化后結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

表4 列舉了駕駛室前懸支座、托架輕量化前后的重量變化。

表4 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，得到輕量化后的前懸支座、托架的應(yīng)力云圖，如表5 所示。

表5 輕量化后支座、托架應(yīng)力云圖

輕量化后各設(shè)計(jì)工況下駕駛室前懸托架、支座的最大應(yīng) 力，如表6 所示。

表6 輕量化后各工況下的最大應(yīng)力（單位：MPa）

3.3 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7 所示：

表7 輕量化前后安全系數(shù)對比

3.4 輕量化分析

通過上述對各個(gè)工況下最大應(yīng)力及安全系數(shù)分析的結(jié)果看出，在相同工況下，輕量化后的駕駛室前懸置支座、托架在各設(shè)計(jì)工況下的安全系數(shù)均大于輕量化前方案結(jié)構(gòu)，并且支座、托架均降重63.4%，從而達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4 輕量化結(jié)論

通過根據(jù)建立某重型卡車駕駛室前懸置支座、托架有限元模型，借助Hyperworks 進(jìn)行了多工況靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果不斷結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終在結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)降重63.4%，達(dá)到了零部件輕量化設(shè)計(jì)目的。對于輕量化應(yīng)以新材料的應(yīng)用為主，結(jié)構(gòu)優(yōu)化為副，以有限元分析為方向才能真正實(shí)現(xiàn)輕量化，從而為汽車工業(yè)的能源和環(huán)境做出貢獻(xiàn)。本文的分析過程及結(jié)果為支架類零部件輕量化提供了設(shè)計(jì)思路，對輕量化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。