某重卡動(dòng)力總成懸置支架有限元分析

亓宗磊 袁帥 時(shí)培偉 霍小臭

摘要： 本文是基于有限元分析方法對(duì)某重卡動(dòng)力總成懸置支架進(jìn)行仿真分析，從模態(tài)和靜強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明，前懸置支架滿足設(shè)計(jì)要求;而后懸置支架的強(qiáng)度超出限值，不滿足設(shè)計(jì)要求。因此，結(jié)合計(jì)算結(jié)果優(yōu)化后懸置支架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力總成懸置的布置方式。對(duì)優(yōu)化后的動(dòng)力總成懸置支架再次校核，前懸置支架和后懸置支架均滿足設(shè)計(jì)要求。

Abstract： In this paper， the finite element analysis is used to simulate the powertrain mounting bracket of a heavy truck and check it from two aspects： modal and static strength. The calculation results show that the front mounting bracket meets the design requirements， while the strength of the rear mounting bracket exceeds the limit and does not meet the design requirements. Therefore， the structure of rear mounting bracket and the layout of powertrain suspension are optimized based on the calculation results. The optimized powertrain mounting bracket was checked again， and both the front mounting bracket and the rear mounting bracket meet the design requirements.

關(guān)鍵詞： 懸置支架;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Key words： mounting bracket;finite element analysis;structure optimization

中圖分類號(hào)：U464?????????????????????????? ?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0060-02

0? 引言

動(dòng)力總成是汽車振動(dòng)和噪聲的主要激振源。為了減小動(dòng)力總成傳遞到車身的振動(dòng)，一般在車身和動(dòng)力總成之間設(shè)置懸置系統(tǒng)[1]，其主要由軟墊和支架兩部分組成。懸置支架作為懸置系統(tǒng)的重要組成部分之一，受到的載荷比較復(fù)雜。一方面，懸置支架支撐動(dòng)力總成，受到較大的反作用力，同時(shí)傳遞作用在動(dòng)力總成的力和力矩，需要足夠的強(qiáng)度。如果懸置支架強(qiáng)度不足，在汽車行駛過程中會(huì)造成懸置支架斷裂，嚴(yán)重影響安全性。另一方面，懸置支架的模態(tài)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲影響很大。懸置支架的頻率過低會(huì)導(dǎo)致在一定頻率內(nèi)發(fā)生共振，從而加劇車內(nèi)的振動(dòng)和噪聲，影響整車的NVH性能。因此懸置支架的模態(tài)、強(qiáng)度和剛度必須滿足一定的要求。文中基于有限元法，分別采用HYPERMESH[2]和ABAQUS[3]軟件進(jìn)行有限元模型的前后處理，對(duì)某重卡的懸置支架進(jìn)行模態(tài)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并針對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對(duì)比分析，優(yōu)化后的懸置支架強(qiáng)度得到明顯提高，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

1? 有限元分析

動(dòng)力總成懸置支架包括發(fā)動(dòng)機(jī)前端左右支架（對(duì)稱結(jié)構(gòu)）和飛輪殼端左右支架（對(duì)稱結(jié)構(gòu)），為了接近實(shí)際情況，與懸置支架相連的發(fā)動(dòng)機(jī)支架、飛輪殼和連接螺栓也進(jìn)行建模。使用HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，螺栓采用二階六面體單元，其它部件采用二階四面體單元。懸置支架的平均網(wǎng)格大小為3mm，材料為QT500，其屈服強(qiáng)度為320MPa，抗拉強(qiáng)度為500MPa。

懸置支架模態(tài)計(jì)算模型中，在懸置支架與發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝螺栓孔周邊建立固定約束邊界條件，從而求解其約束模態(tài)。強(qiáng)度計(jì)算模型的參考坐標(biāo)系為：發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端指向自由端為+X方向，豎直向上為+Z方向，Y向遵循右手定則。在懸置支架與車架的安裝螺栓孔周邊建立固定約束邊界條件。在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱質(zhì)心位置分別創(chuàng)建質(zhì)量單元，并分別剛性耦合到發(fā)動(dòng)機(jī)支架或飛輪殼，有限元計(jì)算模型如圖1所示。

2? 結(jié)果分析

2.1 模態(tài)分析? 對(duì)前懸置支架和后懸置支架分別求解其約束模態(tài)。前懸置支架的一階約束模態(tài)頻率為880Hz，后懸置支架的一階約束模態(tài)頻率為724Hz，均大于500Hz，滿足要求，其一階振型分別如圖2所示。根據(jù)共振理論，要求發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的一階模態(tài)固有頻率應(yīng)大于500Hz[4]。因此，在設(shè)計(jì)懸置支架時(shí)，要盡可能的提高其一階固有頻率。

2.2 靜強(qiáng)度分析? 將強(qiáng)度計(jì)算模型提交到Abaqus中，施加最大螺栓預(yù)緊力和6個(gè)方向的7G靜應(yīng)力沖擊載荷，計(jì)算前、后懸置支架各沖擊方向的應(yīng)力分布。螺栓孔周圍以及接觸邊沿處的強(qiáng)度不予評(píng)估。前懸置支架在各向沖擊下的最大Mises應(yīng)力為179.4MPa，低于所應(yīng)用材料QT500的屈服強(qiáng)度的0.57倍，即184MPa，表明前懸置支架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。后懸置支架在+Y方向沖擊下的最大Mises應(yīng)力為408.4MPa，遠(yuǎn)大于184MPa，表明后懸置支架強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求。后懸置支架在+Y方向沖擊下的應(yīng)力分布如圖3所示，可見最大應(yīng)力出現(xiàn)在后懸置支架加強(qiáng)筋的拐角處，零件該位置斷裂的可能性是非常大的。因此，必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3? 優(yōu)化設(shè)計(jì)及校核

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化? 根據(jù)后懸置支架的強(qiáng)度分布云圖，對(duì)應(yīng)力分布集中的加強(qiáng)筋倒角處進(jìn)行優(yōu)化，取消原先拐角處的溝槽，如圖4所示。鑒于動(dòng)力總成采用4點(diǎn)懸置支撐時(shí)，后懸置支架強(qiáng)度超出限值較多，單純的優(yōu)化后懸置支架可能仍舊無法滿足強(qiáng)度要求。因此，在變速箱后端增加一處輔助支撐，動(dòng)力總成由原先的4點(diǎn)懸置支撐更改為5點(diǎn)懸置支撐，其有限元模型如圖5所示。

3.2 優(yōu)化后結(jié)果? 對(duì)優(yōu)化后的有限元模型進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，前懸置支架的最大Mises應(yīng)力由原先的179.4MPa降低到161.4MPa，其安全性能進(jìn)一步提高。后懸置支架的最大Mises應(yīng)力由原先的408.4MPa降低到178.7Mpa，低于所應(yīng)用材料QT500的屈服強(qiáng)度的0.57倍，即184MPa，表明優(yōu)化后的后懸置支架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，其在-Z方向的應(yīng)力分布如圖6所示。

4? 結(jié)論

①在此次的零部件開發(fā)設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用有限元分析手段校核動(dòng)力總成懸置支架的模態(tài)和靜強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)前懸置支架滿足設(shè)計(jì)要求，后懸置支架不滿足設(shè)計(jì)要求。②根據(jù)應(yīng)力分布結(jié)果，優(yōu)化后懸置支架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力總成懸置布置方式。優(yōu)化后的后懸置支架滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉顯臣.汽車NVH綜合技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]于開平，周傳月，譚惠豐，等.Hyper Mesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.