關于懸臂類支架輕量化設計的研究

郭宇，劉俊（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)）

關于懸臂類支架輕量化設計的研究

郭宇，劉俊
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200)）

摘 要：文章通過對商用車零部件設計過程中使用的兩種常用材料的抗彎截面系數(shù)進行分析，提出了滿足產品輕量化設計的最佳截面類型，為產品的輕量化設計提供參考。

關鍵詞：抗彎截面系數(shù)；輕量化設計；懸臂支架

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.007

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-14-03

引言

目前，由于商用車特殊的車架構造，懸臂支架在整個商用車上應用廣泛，在當前高燃油成本，高物流成本的大形勢下，采用必要措施降低整車重量，盡量減少材料的使用有積極的意義。目前很多車在運用此類支架時，采用的材料有兩種類型：一種是采用圓形截面的鋼管，一種是采用矩形型截面的型鋼。本文通過對比目前主流的兩個截面類型通過對支架的最大抗彎截面模量進行分析計算，得出在承載能力不變的情況下，使支架整體重量最小的截面類型，為懸臂類支架輕量化設計提供參考依據(jù)。

在承受彎曲、扭轉和壓彎載荷的設計中，應在承受已知外載荷的梁，必須在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的條件下求得最小橫截面積，在盡可能小的面積上實現(xiàn)大面積慣性矩與阻力矩，也就是說剖面形狀因子要達到最大。一般來說，在橫截面積相同的情況下，空心型材的面積慣性矩通常比實心橫截面的面積慣性矩高出很多，所以在選擇材料的過程中應該盡量選擇空心材料。對于一個應用性設計，需要重點考慮的是要采用實現(xiàn)盡可能大的面積慣性矩的方法。

1、受力分析

一般情況先懸臂支架安裝于車架上主要承受均布載荷和局部集中載荷，簡化后受力如下圖1所示：

在這種情況下根據(jù)疊加原理，當梁上有幾項載荷共同作用時，由每一項載荷所引起的梁的支反力、剪力和彎矩將不受其他載荷的影響。梁某一截面上的彎矩就等于每一項載荷單獨作用時同一截面上彎矩的代數(shù)和，如圖所示懸臂梁受集中力F和均布載荷q共同作用，在矩左端為x的橫截面上的彎矩就等于集中載荷F和均布載荷q分別單獨作用時，該截面上的彎矩?Fx（圖2）和（圖3）的代數(shù)和。

2、不同截面形狀對彎矩的影響

W為支架抗彎截面系數(shù)；

由公式中可以看出，W值越大，σmax值越小，則支架抗彎承載能力越強。

當材料的抗彎截面系數(shù)最大時，材料所受的應力最小，安全系數(shù)最高。所以在產品設計過程中，在載荷和安全系數(shù)不變的情況下，設計要求在滿足強度性能要求的前提下，質量越輕越好，即截面積越小越好，使得材料的抗彎截面系數(shù)越小越能夠滿足輕量化的要求。由其中；W為抗彎截面系數(shù)，M為彎矩，為許用應力，可知M= W[ σ ]，即材料許用應力不變的情況下，抗彎截面系數(shù)越大零件承受的彎矩越大。

3、圓形截面鋼管支架輕量化設計

當α=0時鋼管為實心，抗彎截面模量最大，此時使用的材料也上最多的。

當0<α < 1時，令鋼管外徑D為定值，做如下擬合曲線。

圖1 中令D=12，D=22，D=25，D=32，D=40，由上圖可知，當a = 0.5左右時，該圓鋼的抗彎截面模量最大，但是此時材料的占用比依然很大；當a = 0.6 ~ 0.7區(qū)間時，同樣材料的抗彎模量下降速度比較平緩，但此時材料消耗比a = 0.5時卻降低很多，相比之下在此區(qū)間選材，材料的經濟性能明顯，設計選材時優(yōu)先推薦在此區(qū)間選用，這樣可以提高材料的利用率，減少材料使用量；當a = 0.7 ~ 0.95區(qū)間時，材料的抗彎模量急劇下降，對于結構設計來說沒有任何經濟性，所以在設計選材時應該避免在此區(qū)域內選用。

4、矩形截面異型管輕量化設計

（1）如圖6、圖7所示，矩形截面異型管的布置方式有兩種，

其中，圖6的抗彎截面模量為：

令材料厚度為t，即

故按圖6和圖7兩種相同材料的矩形截面異型管布置時，圖6的布置方式可以取得更大的抗彎截面模量，即在設計時矩形管的受力面寬度應該小于非受力面的寬度，這樣可以節(jié)省材料的使用量。

5、結論

綜上所述，本文選用商用車懸臂類支架的兩種常用材料進行分析對比，提出了選用此兩種材料設計支架時，抗彎截面最大、所用材料最少的一種材料的選用方式，實現(xiàn)產品的輕量化設計。其中，對于圓鋼來說，當a 的取值在0.6 附近時，該圓鋼的抗彎截面模量最大，所以在設計選材時優(yōu)先推薦選用a = 0.6附近，這樣可以提高材料的利用率，減少材料使用量。對于矩形鋼管等異型管來說，當B / H = 0.5左右時，該矩形鋼管的抗彎截面模量最大，所以在設計選材時優(yōu)先推薦選用B / H = 0.5，這樣可以提高材料的利用率，減少材料使用量。產品的輕量化設計涉及到產品的選材，結構設計等各方面的因素，本文僅就在使用常規(guī)鋼材時產品選材的輕量化設計論述，由于篇幅所限本文未能對產品輕量化設計做全面的敘述。

參考文獻

[1] 羅迎社.材料力學[M].武漢:武漢理工大學出版社,2001.

[2] 劉瑞堂.工程材料力學性能[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001.

[3] 原思聰.MATLAB語言及機械工程應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[4] 王望予.汽車設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

Research on Lightweight Design of Cantilever Part

Guo Yu, Liu Jun
( Shaanxi Heavy-Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

Abstract:Based on the section factor of commercial vehicle part used in the design process, in this paper, two commonly used materials were analyzed. the best section type to meet the lightweight design were provided. a reference for lightweight designwere provided in this paper.

Keywords:Section factor; Lightweight design; Cantilever Part

作者簡介：郭宇，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，長期從事汽車零部件結構設計方面的開發(fā)與研究。

中圖分類號：U462.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-14-03