利用HyperWorks進(jìn)行助力缸支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳杰

摘 要：文章運(yùn)用有限元分析軟件HyperWorks對助力支架建立受力分析模型，計(jì)算助力缸支架應(yīng)力、剛度情況，并利用拓?fù)鋬?yōu)化功能實(shí)現(xiàn)助力缸支架材質(zhì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到助力缸支架改善受力、降低重量的目的，為助力缸支架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種改善方法。

關(guān)鍵詞：有限元分析；HyperWorks；助力缸支架；拓?fù)鋬?yōu)化

中圖分類號：TK403 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0010-02

轉(zhuǎn)向助力缸支架是雙前橋商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中一個重要零件，其功能是固定轉(zhuǎn)向助力缸缸筒端，確保轉(zhuǎn)向助力缸能夠正常推拉二軸轉(zhuǎn)向垂臂，實(shí)現(xiàn)二軸車輪轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向助力缸支架通常固定在車架縱梁腹面，與助力缸球銷套筒端球頭銷錐面配合。如果助力缸支架強(qiáng)度不足，在使用過程中會存在支架斷裂，整車失去轉(zhuǎn)向功能；如果助力缸支架強(qiáng)度富余，會導(dǎo)致零件重量大、零件成本高、車輛使用油耗高。

隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，可以利用先進(jìn)的CAE技術(shù)對助力缸支架進(jìn)行材質(zhì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文先建立助力缸支架三維模型，采用有限元分析軟件HyperWorks進(jìn)行該支架應(yīng)力、剛度計(jì)算，利用HyperWorks中的拓?fù)鋬?yōu)化功能實(shí)現(xiàn)助力缸支架材質(zhì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了改善助力缸支架受力和降低重量的目的，為該支架類零件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了指導(dǎo)意義。

1 助力缸支架結(jié)構(gòu)及材料特性

本文介紹的我司某款助力缸支架材料為40 Cr，零件重量4.1 kg，采用鍛件形式，而國內(nèi)其他主流商用車助力缸支架采用鑄件形式。根據(jù)工況相同分析，可知該款助力缸支架存在優(yōu)化空間。

在雙前橋商用車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向助力缸支座主要起到固定轉(zhuǎn)向助力缸的作用，確保轉(zhuǎn)向助力缸能夠正常推拉二軸轉(zhuǎn)向垂臂，實(shí)現(xiàn)二軸車輪轉(zhuǎn)向。助力缸支座結(jié)構(gòu)以及在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

2 助力缸支架受力計(jì)算

在轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向桿系受力情況復(fù)雜，一般按照極限工況計(jì)算轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足使用條件。對于助力缸極限工況為當(dāng)轉(zhuǎn)向輪憋死，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力升至最高油壓時，助力缸支座受到助力缸最大作用力。該助力缸支座匹配φ50 mm、φ70 mm兩種缸徑轉(zhuǎn)向助力缸，按照φ70 mm缸徑，系統(tǒng)最大壓力18 MPa進(jìn)行計(jì)算助力缸支座受力F=69 237 N。

F=P·S=18 000 000×3.14×0.035×0.035=69 237 N

力的方向沿著助力缸伸縮方向，在轉(zhuǎn)向過程中，助力缸處于運(yùn)動狀態(tài)，與水平面的夾角也處于變化之中，當(dāng)助力缸運(yùn)動至水平方向時，這時助力缸相對于支架錐孔中心的作用力矩最大，因此將力的方向設(shè)置為水平方向。力的作用點(diǎn)距離支架大錐孔端面的距離為35 mm。

3 助力缸支架強(qiáng)度、剛度計(jì)算

為對該助力缸支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要對助力缸支架現(xiàn)狀進(jìn)行CAE分析。根據(jù)助力缸支架安裝、受力情況建立模型如下：助力缸支架安裝在車架腹面，采用四顆M14螺栓將助力缸支架與車架固定。作用力大小F=69 237 N，球銷點(diǎn)與助力缸支座錐孔采用剛性單元模擬，球銷采用梁單元模擬，力作用與梁單元末端，沿水平方向。如圖2和圖3所示。

經(jīng)計(jì)算，助力缸支架現(xiàn)狀最大應(yīng)力604 MPa，剛度（最大變形量）2.03 mm。按照材料40Cr屈服強(qiáng)度785 MPa，抗拉強(qiáng)度 980 MPa；其安全系數(shù)1.62。助力缸支架現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)重量大，同時最大應(yīng)力值偏高。可利用HyperWorks中的拓?fù)鋬?yōu)化功能對助力缸支架進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4 助力缸支架拓?fù)鋬?yōu)化

先根據(jù)助力缸支架的安裝形式，畫出大致助力缸支架外形圖：助力缸支架通過4顆螺栓與車架相連，與助力缸采用球銷錐面配合，因此上述點(diǎn)在拓?fù)鋬?yōu)化過程中需保留；因此建立助力缸支架拓?fù)鋬?yōu)化模型，如圖4所示。

①助力缸支架與車架腹面安裝采用剛性連接，按照車架標(biāo)準(zhǔn)化孔位90x100布置4個φ15螺栓安裝孔；

②圖中灰色區(qū)域?yàn)榉峭負(fù)鋮^(qū)域，黃色區(qū)域?yàn)橥負(fù)鋮^(qū)域；

③球頭錐孔與球銷配合采用剛性單元模擬，球銷采用梁單元模擬；

④助力缸支架受力大小69 237 N，作用與球銷點(diǎn)處。

拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，助力缸支架主要受力點(diǎn)是四顆螺栓及與助力缸球銷連接錐面附近，助力缸支架內(nèi)部存在強(qiáng)度過剩，根據(jù)助力缸支架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，助力缸支架優(yōu)化方案采用中空結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

分別采用ZGD410-620、ZGD535-720兩種鑄件材料進(jìn)行優(yōu)化方案，采用優(yōu)化方案后，助力缸支架的重量和受力分別得到一定的降低和改善。具體數(shù)值，見表1。

最終從成本、整車輕量化、可靠性等方面綜合考慮，最終采用優(yōu)化方案2對現(xiàn)有助力缸支架進(jìn)行改進(jìn)。

5 結(jié) 語

助力缸支架在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中起到固定助力缸的作用，必須具有一定的可靠性；同時為實(shí)現(xiàn)整車輕量化，降低重量、成本、油耗，轉(zhuǎn)向助力缸支架設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡量避免強(qiáng)度富余。通過HyperWorks軟件的CAE計(jì)算和拓?fù)鋬?yōu)化功能，對助力缸支架進(jìn)行材質(zhì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為該類零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種改善對策。

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