關(guān)于輕型卡車車身前懸固定螺栓斷裂原因分析

馬騰飛　陳鵬程　王鵬　周文軍　時(shí)晨城　任寬

摘 要：輕型卡車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一般采用單扭桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車身的翻轉(zhuǎn)。針對(duì)單扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓斷裂問題，本文對(duì)輕卡車身前懸右支座結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析并判斷失效原因。同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過HYPERWORKS軟件與理論分析結(jié)合的方法對(duì)優(yōu)化前后車身前懸置翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支座以及緊固件進(jìn)行仿真分析，最后通過臺(tái)架試驗(yàn)與可靠性路試對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：單扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);螺栓;車身右懸置支座;可靠性中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-145-04

Abstract：?Light trucks tilting mechanismsgenerally use a single torsion bar structure to achieve cabtilting， This article analyzes the force of right support ofthe front suspension of the light truck cab and determines the cause of failure and optimize the structure.?Through the combination of HYPERWORKS software and theoretical analysis， the right support of the front suspension tilting mechanism of the light truck cab and the bolts were simulated. Finally， the optimized structure was verified by bench tests and reliability road tests.Keywords：?A single torsion bar tiltingmechanism;?Bolt;?The right support of the front suspension of the light truck cab;?ReliabilityCLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-145-04

1 前言

目前國內(nèi)絕大部分重卡和輕卡都是平頭卡車，為了維修的方便性平頭卡車都具有翻轉(zhuǎn)的功能，一般中重型卡車的駕駛室質(zhì)量大都采用液壓舉升，輕卡駕駛室質(zhì)量較小一般采用機(jī)械式扭桿彈簧舉升，扭桿彈簧的工作原理是駕駛室下落時(shí)扭桿彈簧儲(chǔ)存彈性勢能，在駕駛室舉升過程中，扭桿彈簧釋放彈性勢能克服重力勢能，從而達(dá)到翻轉(zhuǎn)輕便的目的，一般分為單扭桿和雙扭桿結(jié)構(gòu)。其中單扭桿結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本較低，所以應(yīng)用更加廣泛[1-4]。

扭桿兩端通過花鍵與套管相連，一般套管右端通過扭力調(diào)節(jié)臂與駕駛室前懸置右支座固支，左端與駕駛室前懸置左支座相連，釋放繞軸向的旋轉(zhuǎn)自由度。因此扭桿扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大的扭矩通過扭力調(diào)節(jié)臂傳遞到駕駛室前懸置右支座上，最終傳遞到車架上。

如果設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮此扭力對(duì)支座的影響，左右支座整體習(xí)慣上設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，右支座未針對(duì)扭力進(jìn)行加強(qiáng)，那么可能出現(xiàn)右支座支架強(qiáng)度不足以及其固定螺栓斷裂的故障，梁會(huì)仁[5]針對(duì)單扭桿結(jié)構(gòu)的車身左右地板縱梁受力差異進(jìn)行了優(yōu)化。

胡文華等[6]針對(duì)扭力引起的車身不正以及螺栓斷裂問題通過對(duì)車架的優(yōu)化進(jìn)行了分析。

本文主要針對(duì)螺栓斷裂原因進(jìn)行分析，并對(duì)車身前懸置右支座進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證。

2 車身前懸置右支座固定螺栓受力的理論分析

2.1 單扭桿車身翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

單扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 ?單扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

裝配駕駛室時(shí)，通過套管總成兩個(gè)托架連接駕駛室地板縱梁，調(diào)整扭力過程中，駕駛室通過專用的吊裝設(shè)備按照扭桿的設(shè)計(jì)預(yù)扭角度被吊起來，通過螺栓固定扭力調(diào)節(jié)臂，此時(shí)扭桿未發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，駕駛室緩慢落下直到鎖止過程中扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，在駕駛室鎖止時(shí)變形達(dá)到最大，駕駛室前懸置右支座受到扭力為最大。

在裝配性、螺栓擰緊力矩、駕駛室翻轉(zhuǎn)力等滿足要求的情況下進(jìn)行可靠性道路試驗(yàn)以及臺(tái)架試驗(yàn)，在臺(tái)架試驗(yàn)過程中出現(xiàn)多次右支座固定螺栓斷裂如圖2，同時(shí)在道路可靠性試驗(yàn)中右支座螺栓出現(xiàn)多次斷裂丟失的現(xiàn)象如圖3。因此排除了螺栓自身的質(zhì)量問題，初步判斷螺栓斷裂的原因?yàn)槁菟ǖ睦瓚?yīng)力超出材料的屈服強(qiáng)度發(fā)生疲勞斷裂，因此本文主要從螺栓的應(yīng)力大小進(jìn)行故障分析。

2.2 扭桿扭力計(jì)算

扭桿的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

扭桿右支座端為固定端，左支座端為自由端，扭矩施加在自由端。如圖4

外側(cè)螺栓如圖由于結(jié)構(gòu)原因受力必然大于內(nèi)側(cè)螺栓，所以其受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15KN，已知8.8級(jí)M14螺栓最大拉力為64KN，扭力產(chǎn)生的螺栓軸向拉力不小于螺栓最大拉力的三分之一，同步考慮螺栓緊固力矩產(chǎn)生的預(yù)緊力以及車輛運(yùn)行時(shí)垂向工況。所以綜合判斷此處螺栓拉應(yīng)力超出材料的屈服極限產(chǎn)生的失效。

3 數(shù)值仿真分析

為了進(jìn)一步分析螺栓斷裂的原因，分析扭桿扭力對(duì)螺栓產(chǎn)生的應(yīng)力大小，同時(shí)對(duì)原方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化增加車架側(cè)面安裝點(diǎn)如圖7，并對(duì)優(yōu)化方案同時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析。本文通HYPERWORK有限元仿真軟件進(jìn)行模型的處理與分析。

3.1 軟件介紹

HYPERWORK是一款優(yōu)秀有限元計(jì)算分析軟件，具有快速高效的前處理功能如Hypermesh模塊，同時(shí)針對(duì)線性、非線性、沖擊等不同的問題集成了豐富求解器如Abaqus、Ansys、OptiSturct、RADIOSS等，具有高度可視化的后處理功能。具備豐富的三維軟件接口如CATIA、UG、PROE等。

3.2 計(jì)算分析

3.2.1 模型簡化

本文主要分析螺栓的受力，為了簡化分析過程，分別將車身前懸置右支座取出單獨(dú)分析，本文主要分析的是螺栓的應(yīng)力，固將右支座連接的車架一同簡化，模型如圖7所示。

3.2.2 模型清理與網(wǎng)格劃分

前處理采用Hypermesh抽取中面的功能，采用shell單元清理掉若干減重孔以及圓角，安裝孔選擇0.5Rwasher，單元類型選擇mixed，單元尺寸選擇3mm，對(duì)各個(gè)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)產(chǎn)生間隙和焊接部分采用共節(jié)點(diǎn)或剛性單元進(jìn)行連接，對(duì)螺栓采用1D梁單元進(jìn)行模擬。

3.2.3 施加邊界條件

對(duì)車架選擇表面進(jìn)行全約束，通過映射功能，映射到車架單元。駕駛室重量傳遞在右支座上的力為1650N，根據(jù)道路試驗(yàn)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，垂向工況一般重力加速度為5g，因此右支座加載8250N的垂向力，同時(shí)在扭力調(diào)節(jié)螺栓支架處與扭力調(diào)節(jié)臂裝配孔分別建立剛性單元，并分別在剛性單元上施加大小相等方向相反的力來模擬2700N.m的扭矩。完整的模型如圖所示。

3.2.4 結(jié)果后處理及分析

因?yàn)檠芯繉?duì)象主要是螺栓，所以本文關(guān)注的是螺栓的應(yīng)力大小，分析的類型選擇1D單元，分析結(jié)果如上圖所示由于駕駛室與垂向工況產(chǎn)生的應(yīng)力大小優(yōu)化前和優(yōu)化后分別為272MPa如圖9和71MPa如圖10，應(yīng)力降低了74%。結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)效果明顯。

4 螺栓強(qiáng)度校核

4.1 螺栓的預(yù)應(yīng)力

式中：d2為螺栓中徑;d3螺紋牙底所形成的螺紋小徑具體可通過標(biāo)準(zhǔn)件手冊(cè)得到。

通過上述公式求得：σH為335.5MPa。

4.2 螺栓的強(qiáng)度校核

仿真計(jì)算未添加螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)靜力計(jì)算為線性，所以實(shí)際螺栓的應(yīng)力為兩者的疊加，強(qiáng)度條件為：

式中：στ為螺栓總應(yīng)力大小;σs由駕駛室垂向工況產(chǎn)生的螺栓應(yīng)力;[σ]為螺栓許用應(yīng)力。

螺栓采用的8.8級(jí)六角法蘭面M14普通螺栓，考慮動(dòng)載荷等因素采用0.8的系數(shù)的許用應(yīng)力：

（10）

因此根據(jù)公式（9）得到斷裂螺栓總的應(yīng)力大小如表2：

5 結(jié)論

（1）本文對(duì)單扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)扭桿對(duì)前懸置右支座產(chǎn)生的扭力大小進(jìn)行理論計(jì)算，由此對(duì)螺栓斷裂的原因進(jìn)行了初步的分析。

（2）利用Hyperwork有限元分析軟件得到了原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)扭力工況下斷裂螺栓的應(yīng)力大小。

（3）考慮到擰緊力矩產(chǎn)生螺栓應(yīng)力的大小，將擰緊力矩產(chǎn)生的應(yīng)力大小與未考慮擰緊力矩CAE分析結(jié)果進(jìn)行線性疊加，得到了原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)下斷裂螺栓扭力與垂向工況下的應(yīng)力大小，判斷出原結(jié)構(gòu)螺栓斷裂的原因?yàn)椋郝菟ɡ瓚?yīng)力大小超出屈服極限最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

（4）優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)通過了可靠性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與可靠性道路試驗(yàn)如圖11，說明通過對(duì)原方案結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，螺栓的應(yīng)力滿足螺栓的強(qiáng)度條件。同時(shí)也驗(yàn)證了CAE分析方法的正確性與可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧駃，李鑫，金偉明.考慮單扭桿翻轉(zhuǎn)匹配的載貨車白車身剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（6）：18-20.

[2] 張新堂，孫武.單扭桿駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2013（8）： 42-44.

[3] 蔣德云，李杰，王麗偉.某輕型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，2012.

[4] 聶毓琴，孟廣偉.材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：58-68.

[5] 梁會(huì)仁.某商用車駕駛室地板開裂問題分析研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 胡文華，楊懷光，何寄平.某型工程車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)螺栓斷裂和車身不正有限元分析[J].汽車零部件，2014（2）：25-28.