基于HyperWorks導(dǎo)向臂支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊銀輝，上官望義，馬生平，楊忠平，司震鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于HyperWorks導(dǎo)向臂支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)

楊銀輝，上官望義，馬生平，楊忠平，司震鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

針對(duì)某6×4牽引車復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架斷裂原因進(jìn)行了分析，排除導(dǎo)向臂支架的鑄造缺陷、材料及工藝加工導(dǎo)致失效問題，最終確定導(dǎo)向臂支架的斷裂原因主要是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致斷裂，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確保安裝結(jié)構(gòu)基本不變，運(yùn)用catia三維建模和HyperWorks軟件分別完成三種方案的三維建模和靜強(qiáng)度分析，通過分析結(jié)果比對(duì)，改進(jìn)方案相比原方案，重量降低了8%，疲勞壽命提高了13%，最后經(jīng)過疲勞壽命分析和15000km的道路可靠性試驗(yàn)，改進(jìn)后的導(dǎo)向臂支架滿足設(shè)計(jì)使用要求，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

復(fù)合空氣懸架；導(dǎo)向臂支架；Hyperworks；疲勞分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-76-03

引言

隨著整車輕量化的發(fā)展需求，輕量化懸架系統(tǒng)的應(yīng)用也是整車降低自重的一種關(guān)鍵技術(shù)途徑，本文所介紹的某6×4牽引車所采用的復(fù)合式空氣懸架系統(tǒng)相比板簧懸架重量降低220kg左右，但是提高了燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性。復(fù)合式空氣懸架系統(tǒng)主要由導(dǎo)向臂、導(dǎo)向臂支架、空氣彈簧、橫向推力桿、限位塊、減振器和控制系統(tǒng)（高度閥控制或ECAS控制）組成，如圖1所示，其中導(dǎo)向臂支架為該系統(tǒng)的一關(guān)鍵零部件總成，在該懸架系統(tǒng)開發(fā)初期，可靠性道路試驗(yàn)進(jìn)行到6397km時(shí)，導(dǎo)向臂支架發(fā)生斷裂失效，通過對(duì)失效模式分析，主要是由于結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致，為此，本文主要運(yùn)用HyperWorks軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)，滿足了車輛的使用要求，也降低了整車自重。

1、失效原因分析

失效導(dǎo)向臂支架如圖2所示，斷裂位置在支架下排孔根部，從宏觀斷口可知，斷口紋理清晰，為局部疲勞失效，且斷口上有多個(gè)疲勞源，再通過化學(xué)成分分析及金相組織檢驗(yàn)分析，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果見表1。另外，通過對(duì)導(dǎo)向臂支架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析，該支架上排孔與下排孔凸臺(tái)高度大，過渡圓角小，導(dǎo)致下排孔根部過渡部分應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，后續(xù)重點(diǎn)將對(duì)導(dǎo)向臂支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解決導(dǎo)向臂支架的失效問題。

表1 材料成份分析

2、改進(jìn)方案及靜強(qiáng)度分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則是在原支架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，支架安裝螺栓數(shù)量、材料及硬點(diǎn)安裝尺寸保持不變，后續(xù)的設(shè)計(jì)方案依此為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

2.1 導(dǎo)向臂支架材料屬性

導(dǎo)向臂支架材料為球墨鑄鐵，牌號(hào)為QT500-7，材料力學(xué)性能見表2。

表2 材料力學(xué)性能

2.2 導(dǎo)向臂支架使用工況及載荷

根據(jù)復(fù)合空氣懸架車型的使用工況，在車輛轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)和加速三種典型工況下對(duì)導(dǎo)向臂支架的改進(jìn)前方案、改進(jìn)后的3種方案進(jìn)行分析，表3為作用在導(dǎo)向臂支架各工況下的載荷，表中所列各載荷大小均為模擬計(jì)算值，后續(xù)還需可靠性試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

表3 導(dǎo)向臂支架工況及載荷值

2.3 載荷約束條件

在后續(xù)方案分析模型中添加剛性單元REB2來定義位移約束，添加剛性單元REB3來定義載荷作用位置，該導(dǎo)向臂支架中共添加10處用于固定約束的REB2，分別位于支架上端兩排孔與車架連接處，1個(gè)用于載荷施加的REB3單元，位于支架下端導(dǎo)向臂支架與導(dǎo)向臂的連接處，如圖3。

2.4 優(yōu)化方案的確定

方案1，在原方案基礎(chǔ)上將下排孔與上排孔用豎筋過渡，消除原支架應(yīng)力集中設(shè)計(jì)，將中間開口部位兩列孔之間用過渡筋連起來，直到將該筋下延至基體，該方案改進(jìn)后單個(gè)支架重量增加2.5kg，利用Hyperworks軟件對(duì)導(dǎo)向臂支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于導(dǎo)向臂支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這里采用三角形與四面體的混合單元，網(wǎng)格尺寸4mm（以下方案也是按此進(jìn)行網(wǎng)格劃分），有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)50946，實(shí)體單元數(shù)21935。利用Hyperworks軟件的OptiStruct進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析，經(jīng)分析轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速三種工況，其中在轉(zhuǎn)彎工況時(shí)導(dǎo)向臂支架的應(yīng)力最大，原方案最大為149Mpa，安全系數(shù)為2.15，方案1的最大應(yīng)力值為133.8Mp，安全系數(shù)2.38，方案1相比原方案有所改善。如圖4、5分別為原方案和方案1的三維模型和分析結(jié)果。

方案2，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，由于布置原因，原方案導(dǎo)向臂支架與燃油箱存在干涉問題，為此，將原導(dǎo)向臂支架下端導(dǎo)向臂的安裝方式由兩個(gè)螺栓連接改進(jìn)為銷連接，同時(shí)將

導(dǎo)向臂支架中間向中間收攏，內(nèi)側(cè)板加強(qiáng)，與導(dǎo)向臂支架下部圓滑過渡，該方案改進(jìn)后單個(gè)支架重量降低3kg，同時(shí)利用Hyperworks軟件對(duì)導(dǎo)向臂支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)41623，實(shí)體單元數(shù)175094。利用Hyperworks軟件的OptiStruct進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析，經(jīng)分析轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速三種工況，其中在轉(zhuǎn)彎工況時(shí)導(dǎo)向臂支架的應(yīng)力最大，該方案的最大應(yīng)力值為344Mp，安全系數(shù)僅為0.93，相比原方案，應(yīng)力太大。如圖6所示為方案2的三維模型和分析結(jié)果。

方案3，是在方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在下排外側(cè)孔兩孔的側(cè)部，圓滑過渡四條S結(jié)構(gòu)的豎筋，直到過渡至上排四個(gè)孔處，同時(shí)考慮到螺栓的裝配，將下排中間部位的孔凸起，以便于安裝螺栓，并將兩側(cè)與導(dǎo)向臂下端連接的筋進(jìn)行加厚處理，消除方案2中應(yīng)力偏大的問題，該方案改進(jìn)后單個(gè)支架重量降低2kg，同時(shí)利用Hyperworks軟件對(duì)導(dǎo)向臂支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)43868，實(shí)體單元數(shù)18742。利用Hyperworks軟件的OptiStruct進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析，經(jīng)分析轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速三種工況，其中在轉(zhuǎn)彎工況時(shí)導(dǎo)向臂支架的應(yīng)力最大，該方案的最大應(yīng)力值為129Mp，安全系數(shù)僅為2.48，相比原方案應(yīng)力大幅降低。如圖7所示為方案3的三維模型和分析結(jié)果。

原方案與改進(jìn)方案的對(duì)比分析結(jié)果見表4。

由以上的分析結(jié)果可以看出，方案2最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于原方案，方案2不可?。环桨?相比原方案，最大應(yīng)力和安全系數(shù)略有提高，但是重量增加較多，作為標(biāo)載輕量化牽引車，同時(shí)方案1不利于整車布置，該方案也不可行；方案3與原方案相比，最大應(yīng)力降低至129Mpa，重量降低了8%，因此選擇方案3為導(dǎo)向臂支架的最終改進(jìn)方案。

3、疲勞分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案3的可行性，運(yùn)用Radioss中的Fatigue求解器，對(duì)原方案和方案3進(jìn)行了S-N壽命對(duì)比分析，分析時(shí)采用采用常應(yīng)變幅載荷，原方案從支架下排孔根部周圍疲勞最短，最低疲勞壽命僅為6.65萬(wàn)次，與第一次道路試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；方案3在同樣區(qū)域疲勞壽命低，但是最低循環(huán)為28萬(wàn)次，疲勞壽命高于原支架4.29倍，因此采用方案3是可行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在質(zhì)量大大減輕的同時(shí)大幅提高了支架的疲勞壽命，具有很高的使用價(jià)值。

根據(jù)第二次改進(jìn)結(jié)果，按照方案3的優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行了第二次15000km道路可靠性試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的導(dǎo)向臂支架未發(fā)生裂紋、斷裂等故障，與疲勞分析結(jié)果一致，完全滿足產(chǎn)品改進(jìn)的要求。圖8為三維裝配驗(yàn)證和道路試驗(yàn)裝車情況。

4、結(jié)論

本文通過對(duì)復(fù)合空氣懸架導(dǎo)向臂支架斷裂原因進(jìn)行了分析，排除了導(dǎo)向臂支架的鑄造缺陷、材料及工藝加工問題，最終確定導(dǎo)向臂支架的斷裂原因主要是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致斷裂，為此，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，保持原安裝結(jié)構(gòu)基本不變的原則，運(yùn)用catia三維建模，分別完成三種方案的三維建模和靜強(qiáng)度分析，通過分析結(jié)果比對(duì)，方案3相比原方案，重量降低了8%，疲勞壽命提高了13%。最后經(jīng)過疲勞壽命分析和15000km的道路可靠性試驗(yàn)，改進(jìn)后的導(dǎo)向臂支架（方案3）滿足設(shè)計(jì)使用要求，目前采用該導(dǎo)向臂支架的復(fù)合空氣懸架車型已批量投放市場(chǎng)，市場(chǎng)反饋效果良好，經(jīng)濟(jì)效益也很顯著。

[1]張勝蘭，鄭東黎，郝 琪，李楚琳.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]吳仕賦.基于有限元汽車支架有限元設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

[3]李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[4]趙來剛，陳道炯.復(fù)合式懸架計(jì)算與設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù)，20011（3）38～40.

Structure optimization and improvement design for guiding arm bracket based on Hyperworks

Yang Yinhui, Shangguan Wangyi, Ma Shengping, Yang Zhongping, Si Zhenpeng
（Shaaxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

According to the fracture reason of a 6×4 tractor compound air suspension guiding arm bracket were analyzed, the casting defects, materials and processing technology to exclude guiding arm bracket leads to failure, ultimately determine the fracture guiding arm bracket is mainly due to unreasonable design leading to fracture, on the basis of the original structure, ensure that the installation structure basically unchanged, analysis of the use of CATIA and HyperWorks software complete 3D modeling of three schemes and static strength, through the analysis of results, improvements compared with the original scheme, the weight is reduced by 8%, the fatigue life is increased by 13%, Finally through 15000km the road reliability test and fatigue life analysis,the guiding arm bracket improved to meet the design requirements, improve the economic benefit.

Compound air suspension; guiding arm bracket; Hyperworks; Fatigue analysis; Test verification

U462.3

A

1671-7988(2014)10-76-03

楊銀輝，就職于汽車有限公司汽車工程研究院。