一款牽引車踏梯結構優(yōu)化

梁博文，劉靜，潘星，劉歡，付育超，高一博

（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）

前言

近年來，伴隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展以及“中國夢”宏偉藍圖的大力推動，百業(yè)待興，國內(nèi)重型卡車市場更是迎來了第二春，同時伴隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的全面覆蓋，物流運輸行業(yè)以及能源運輸行業(yè)都展現(xiàn)出爆炸式增長，這對于國內(nèi)所有的重型卡車制造企業(yè)而言既是機遇亦是挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)重型卡車制造企業(yè)多不勝數(shù)，產(chǎn)品更是琳瑯滿目，面對市場發(fā)展趨勢，以客戶為中心，不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)及結構該件，打造出最具競爭力的產(chǎn)品。

通過對國內(nèi)重型卡車售后市場調(diào)查，一款牽引車上車踏梯的使用過程中，尤其是在港口運輸車輛的使用工況下，一輛車供多名駕駛員使用，且每一位駕駛員身高、體重均不相同，現(xiàn)有的單層上車踏梯并未充分考慮到不同身高駕駛員的使用舒適性和日常維護便利性。經(jīng)客戶反饋，強烈建議在該零部件版塊增加更為人性化的結構設計，符合產(chǎn)品自身定位的同時，更要符合客戶適用性。

因此，基于現(xiàn)有產(chǎn)品成本、結構及質(zhì)量，對此款車上車踏梯進行結構優(yōu)化，以提升結構改進和適用性。

1 研究對象

圖1為國內(nèi)某重型汽車操作平臺上車踏梯現(xiàn)有結構，主要構成部件：①和②均為Q345B材質(zhì)的沖壓件安裝板；件③為冷拔管20鋼，規(guī)格為Φ25；件④為腳踏防滑板，其結構如圖2所示，有效使用面積為160 mm2，寬度為86 mm，結構防滑作用主要依賴于材料沖孔翻邊，共有12個翻邊凸臺，每個翻邊凸臺高度約為 4 mm。該上車踏梯整體結構簡單，安裝固定后離地間隔約550 mm。

圖1 現(xiàn)有踏梯結構

圖2 防滑板結構

2 結構改進方案設計

根據(jù)客戶反饋，目前在國內(nèi)外同類車型上使用較為舒適的踏梯結構，離地間隙基本控制500 mm范圍以內(nèi)，如果是兩級踏梯結構，最舒適的級差范圍為200-350 mm之間。

因此，根據(jù)前期研究和相關驗證支持工作，本次改進方案設計包含以下兩個方向：（1）降低踏梯離地間隙；（2）采用兩級踏板設計理念。

圖3 優(yōu)化后踏梯結構

圖3為結構優(yōu)化后的方案圖示。件①為Q345B材質(zhì)的加強板，件②和件④均為Q345B的矩形管，件③為牌號為5052的鋁板。與原有機構相比，優(yōu)化后的上車踏梯在腳踏部分分為兩個臺階，其中最下端的腳踏平面離地間隔約 450 mm，兩級踏梯之間的落差為240 mm。圖4為件③防滑板的結構示意圖，與原方案防護板相比，有效長度增加至 230 mm，寬度縮減為 50 mm，在原有依靠沖孔翻邊的防滑原理上新增加了側(cè)面防滑結構。防滑原理同樣是材料翻邊，沖裁成型后均勻分布的墻垛結構，有效避免了雨雪天氣腳底易打滑現(xiàn)象，增強上車安全性。

圖4 防滑板結構

3 結果及分析

3.1 上車狀態(tài)模擬分析

對優(yōu)化前后兩種方案的上車狀態(tài)分別進行模擬，圖5為原結構的登車狀態(tài)，圖6為結構優(yōu)化后的登車狀態(tài)。原始結構上車工況下，腿部提升角度較為明顯，大腿部分基本與地面呈平行狀態(tài)，消耗體力也較大；新結構的上車狀態(tài)相較于原始結構，有了明顯的動作變化，腿部提升角度較小，上車過程更為輕松，體力消耗明顯更小。

圖5 現(xiàn)有產(chǎn)品登車狀態(tài)

圖6 優(yōu)化后結構登車狀態(tài)

3.2 結構輕量化分析

目前重型汽車對于車輛自重的控制較為嚴格，在結構優(yōu)化的過程中必須秉承不超重、不增加成本的原則，因此在材質(zhì)的選擇上尤為重要。

在乘用車和商用車領域，鋁合金是應用最多的輕量化材料。鋁的密度僅有鋼材的 1/3，同種結構下的產(chǎn)品，理論降重比例可達到33 %。目前關于鋁合金的研究主要集中與合金添加材料和成型工藝兩個方向。武小娟[1]等人研究了微量Ag在T4狀態(tài)下對6022合金的性能影響。通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)，在6022材質(zhì)中適量添加一定比例的Ag，可以有效提升6022材質(zhì)的強度。田妮[2]等人對添加了不同合金的薄板進行了固溶處理，研究表明在加熱到500～550 ℃的溫度范圍內(nèi)，此時鋁合金的材料延伸率和屈服強度會隨著溫度的升高而增強，在540 ℃的環(huán)境溫度下，如果保溫30 min可以大幅提升合金的成形性。

汽車行業(yè)使用的鋁合金主要是形變鋁合金，形變鋁合金是經(jīng)熔煉鑄成鋁錠后，再經(jīng)過熱擠壓形成的各種型材和板材[3]。形變鋁合金根據(jù)其合金元素成分不同又具體劃分為1000～7000幾個系列。在鋁板的系列中，5000系列的鋁板最為常用，鎂元素含量為3～5 %之間，又稱為鋁鎂合金，其中5052是目前最常用的合金鋁板之一，主要用于制造車輛油箱、大型鈑金件和五金制品等。

本次所研究的上車踏梯結構優(yōu)化方案采用以下兩個方面減重：（1）用矩形管替代原有的圓管結構。經(jīng)分析驗證，采用壁厚較薄規(guī)格矩形管可達到同樣的結構強度，最終實現(xiàn)管材降重 10%；（2）在防滑板材質(zhì)上選擇 5052鋁板，主要原因是5052鋁板比重輕、抗拉強度好、較高的材料延伸率以及較好的防腐防銹能力，整體重量比原有結構的不銹鋼防滑板減少了60 %，踏梯總成的降重效果較為顯著。

3.3 結構強度分析

為了驗證優(yōu)化后踏梯的結構強度，分別對兩種結構的上車踏梯建立有限元模型進行CAE分析[4]。將建立的三維模型導入Hypermesh進行幾何清理、網(wǎng)格劃分、單元檢查、賦材料參數(shù)，然后提交求解器運算求解，再運用后處理工具Hyperview查看結果，并對優(yōu)化前和優(yōu)化后兩種結構踏梯在上車工況下的分析結果進行對比。

牽引車踏梯結構主要功能部件為薄板沖壓件，薄板的變形與所受載荷的方向和大小有關。當薄板平行受力時，屬于平面應力分析的范疇；如果載荷是垂直于薄板，則會造成彎曲變形。

視平分薄板厚度的平面為x-y平面，垂直于平面的軸為z軸，在平面應力分析的范疇內(nèi)只存在三個應力分量，且均平行于 x-y 平面：σxy、σyz和τxy=τyz。

這三個應力分量僅代表x和y之間的函數(shù)關系，其余分量為0。平面應力的物理方程為：

上車踏步的使用工況屬于薄板彎曲的小撓度問題，應力和零件變形的物理方程為：

牽引車上車踏梯防滑板屬于薄板，在使用中既會產(chǎn)生平面應力，也存在彎曲變形，因此在模擬分析中，需要綜合考慮到兩個方面作用。因此在建立有限元模型時，采用板殼單元來建模，可以充分展示出兩種特性下的力學特征[5]。圖7和圖8分別為現(xiàn)有踏梯和優(yōu)化后方案的網(wǎng)格模型。

圖7 現(xiàn)有踏梯網(wǎng)格模型

圖8 優(yōu)化后踏梯網(wǎng)格模型

圖9為現(xiàn)有狀態(tài)踏梯上車工況下的分析結果。上車工況下支撐圓管的受力狀態(tài)，整體結構強度較好，各組成部分均滿足強度要求，未表現(xiàn)出較為明顯地風險隱患。

圖9 現(xiàn)有踏梯上車工況分析

圖10和圖11分別為優(yōu)化后踏梯結構上下踏板上車工況狀態(tài)的分析結果。通過與優(yōu)化前踏梯工況分析結果對比發(fā)現(xiàn)：一級和二級踏梯各自的安全因子系數(shù)相較于優(yōu)化前狀態(tài)均有明顯提升。

圖10 優(yōu)化后踏梯上踏板工況分析

圖11 優(yōu)化后踏梯下踏板工況分析

表1為CAE分析計算結果匯總表。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，結構優(yōu)化后產(chǎn)品整體強度提升較為明顯， 也更具有優(yōu)勢。

表1 CAE分析計算結果匯總表

4 結論

在不改變現(xiàn)有連接方式的前提下，通過對踏梯結構進行優(yōu)化，實現(xiàn)60%降重；優(yōu)化后踏梯舒適性和安全性均得到了有效提升；利用有限元分析軟件，驗證了優(yōu)化后的踏梯安全因子均大于現(xiàn)有結構，為新方案的推廣應用提供了可靠的依據(jù)。