基于扭桿式翻轉(zhuǎn)的駕駛室優(yōu)化設(shè)計(jì)

王香廷，祝慧

（安徽江淮汽車股份公司，安徽 合肥 230601）

基于扭桿式翻轉(zhuǎn)的駕駛室優(yōu)化設(shè)計(jì)

王香廷，?；?/p>

（安徽江淮汽車股份公司，安徽 合肥 230601）

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理，對(duì)其進(jìn)行受力分析，結(jié)合駕駛室前支承軸管受力分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出駕駛室底板施加的力矩；通過有限元方法，分析駕駛室在不同載荷工況下，前地板總成主要部件的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化地板部件的受力狀況，提供了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

翻轉(zhuǎn)；扭桿；駕駛室；改進(jìn)

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.032

Kewords: tilting mechanism; torsion bar; cab; optimize

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-99-03

前言

隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，輕卡用戶對(duì)車輛的整車性能、駕駛環(huán)境及操作維修方便性都有了更高的要求。為了便于發(fā)動(dòng)機(jī)維修保養(yǎng)，要求駕駛室能夠向前翻轉(zhuǎn)，市場上輕卡系列車型普遍采用單扭桿結(jié)構(gòu)達(dá)到翻轉(zhuǎn)目的，導(dǎo)致駕駛室左右縱梁受力情況不同，在可靠性路試中，輕卡駕駛室前地板與翻轉(zhuǎn)支撐連接處的鈑金均出現(xiàn)不同程度的開裂。本文為解決駕駛室鈑金開裂的問題，通過理論計(jì)算和有限元方法，對(duì)駕駛室及周邊相關(guān)部件進(jìn)行分析和改進(jìn)，降低駕駛室局部應(yīng)力值，保障乘員的安全。

1、駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受力分析

1.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理

駕駛室的支承不僅具有支承駕駛室的作用，同時(shí)具有減震作用，以保證駕駛室具有良好的平順性。輕型載貨汽車駕駛室前支承結(jié)構(gòu)形式如圖1，主要由前支撐左、右支架總成、前支承軸管總成、扭桿、扭桿臂等組成。其特點(diǎn)是前支承軸管中心、翻轉(zhuǎn)中心與扭桿中心重合，前支承軸管中心即為翻轉(zhuǎn)中心，使駕駛室前支承具有支承、減振、翻轉(zhuǎn)功能三位一體的效果。

1.2 駕駛室重力矩計(jì)算

據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)測試，得駕駛室質(zhì)量m為410.5kg，駕駛室重心距翻轉(zhuǎn)軸心X向距離L為548 mm，Z向高度H為530.6 mm，因此，計(jì)算得出：

最大重力矩 M = mg×L = 410.5×10×548÷103 = 2249.5（Nm）

駕駛室質(zhì)心角 Φ=arttan H/L= 44°

駕駛室翻轉(zhuǎn)中心距后圍長度 L'=548+635=1183（mm）

1.3 駕駛室前支承軸管受力分析

1.3.1 扭桿設(shè)計(jì)扭力矩

扭桿剛度設(shè)計(jì)值K為75Nm/°，駕駛室翻轉(zhuǎn)角度ɑ為44 °±1°，扭桿極限扭轉(zhuǎn)角β為50°。

扭桿常用扭力矩 M常= Kɑ= 75×44 = 3300（Nm）

扭桿極限扭力矩 M極= Kβ= 75×50 = 3750（Nm）

1.3.2 駕駛室前支承軸管受力分析

駕駛室前支承軸管受力比較復(fù)雜, 是駕駛室翻轉(zhuǎn)狀態(tài)下應(yīng)力計(jì)算的關(guān)鍵，因此需要對(duì)其進(jìn)行受力分析。圖2表示駕駛室前支承軸管在駕駛室處于鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)的受力情況。其中A、B 點(diǎn)為前支撐臂，連接于駕駛室地板縱梁上, C、D 為駕駛室前支承軸管總成的左右支承點(diǎn), O點(diǎn)為扭桿的花鍵中點(diǎn)位置。

令：扭桿受扭后在O點(diǎn)對(duì)支承軸管作用扭矩M。A處所受力矩為MA，B 處所受力矩為MB。各力矩方向如圖所示, 為了便于問題的分析, 不考慮回轉(zhuǎn)副的摩擦阻力矩。

根據(jù)力矩平衡得：

假設(shè)A為固定中心， 軸管的剪切模量為G，慣性矩為IP

O 點(diǎn)：軸管的扭轉(zhuǎn)角 ΨO=MO（a+b）/G×IP (2)

B 點(diǎn)：軸管的扭轉(zhuǎn)角 ΨB=-MB×b/G×IP (3)

由變形協(xié)調(diào)條件得： ΨO+ΨB=0

其中：a=156mm b=687mm

扭桿的扭力矩與駕駛室重力矩保持平衡

駕駛室：O點(diǎn)扭矩按重力矩取為：MO= 2250 Nm

根據(jù)上述公式（1）～（5）計(jì)算得：

MA=-511Nm MB=2761Nm

1.3.3 根據(jù)駕駛室翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

扭矩按材料力學(xué)公式計(jì)算：

最大剪應(yīng)力τmax= [E/(1+μ)] ×ε45°(6)

抗扭截面模量 Wp=(πD3/16) ×[1-(d/D)4] (7)

Mmax=τmax×Wp=τmax×(πD3/16) ×[1-(d/D)4] (8)

其中彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，套管外徑D=45mm，內(nèi)徑d=35mm

軸管45 向測試應(yīng)變?yōu)椋害?5°= 300με

由公式（6）～（8）計(jì)算得：MA=-550 Nm

結(jié)合公式（4）、（5）計(jì)算 ：MB= 2974 Nm

M=2424 Nm

基于上述計(jì)算分析， 對(duì)駕駛室底板施加力矩按A 端MA= -550（Nm），B 端MB=2974（Nm）。

2、駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

扭桿翻轉(zhuǎn)裝置對(duì)車身前支撐臂附近作用較大的載荷，而且這一載荷在車輛行駛狀態(tài)下始終作用在車身底板各部件上，扭力桿作用的扭矩所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力與車輛行駛狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力相疊加，可能導(dǎo)致與前支撐臂連接的駕駛室底板局部應(yīng)力過大。此次主要分析在翻轉(zhuǎn)力矩作用下駕駛室底板各主要部件的應(yīng)力狀態(tài)，據(jù)此說明駕駛室主要結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度問題。

2.1 駕駛室有限元模型的建立

駕駛室材料為普通冷軋鋼板，對(duì)其進(jìn)行性能參數(shù)設(shè)定，彈性模量E=2.1E5MPa，泊松比NU=0.3，密度7.85E-9t/mm3，在Hyperworks中對(duì)其進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，并設(shè)定相應(yīng)的材料和料厚屬性，建立有限元模型。

為正確施加約束，在駕駛室前部建立一個(gè)扭桿以模擬實(shí)際翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，駕駛室前部約束扭桿兩端的 x、y、z 三個(gè)方向的位移，釋放其繞三軸的扭轉(zhuǎn)自由度；駕駛室的后端采用全約束，即約束其三個(gè)方向上的位移以及繞三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。而扭桿與駕駛室的連接則采用rigids 剛性單元與地板縱梁連接。

2.2 駕駛室翻轉(zhuǎn)狀態(tài)下載荷

2.2.1 駕駛室自身的重量

加載時(shí)，要考慮駕駛室自身的重力，所以需要設(shè)置相應(yīng)的卡片。

2.2.2 扭矩的加載

實(shí)際翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在駕駛室處于落下的情況時(shí)，對(duì)駕駛室縱梁有很大扭矩。根據(jù)測試數(shù)據(jù)及相關(guān)計(jì)算，在駕駛室的右端施加550Nm 力矩，左端施加3000 Nm 力矩，力臂取290mm，兩個(gè)力矩的方向相反；為了模擬實(shí)際駕駛室縱梁的受力情況，在加載時(shí)，采取線性分布加載。

圖中，將力臂等分為8 段，即L=290mm/8=36.25mm。而力F1～F8 分別為施加在等分點(diǎn)上的集中力，且滿足線性關(guān)系。O點(diǎn)為扭桿的中心。

由力矩平衡，可得：

由上兩式，代入數(shù)值 M1=550Nm;M2= 3000Nm; L=290mm/8=36.25mm；可以分別計(jì)算出：

① 右邊縱梁（副駕駛側(cè)）

F4=371.88N F3=446.25N F2=520.63N F1=595N

② 左邊縱梁（駕駛員側(cè)）

F8'=405.68N F7'=811.36N F6'=1217.04N F5'=1622.72N

F4'=2028.40N F3'=2434.08N

F2'=2839.76N F1'=3245.44N

具體加載時(shí)，選擇將集中力均分加載到同一排的節(jié)點(diǎn)上。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 駕駛室底板主要部件應(yīng)力分析

進(jìn)入HYPERWORKS 后處理階段，用HYPERVIEW 打開后綴名為FEM 的計(jì)算結(jié)果文件，查看米塞斯應(yīng)力云圖，其主要的車身應(yīng)力云圖如圖4所示。

2.3.2 初步分析結(jié)果

從駕駛室整體應(yīng)力云圖來看，應(yīng)力主要是集中在駕駛室地板連接部分，由于力加載在縱梁上，所以地板縱梁及其加強(qiáng)梁的應(yīng)力較大；前地板應(yīng)力及地板左右前縱梁前連接板應(yīng)力也較大，位置基本集中在與縱梁接觸的地方，提取云圖中應(yīng)力較大位置的應(yīng)力值如下表1所示。

表1 駕駛室地板各區(qū)域應(yīng)力值

初步分析，駕駛室在靜態(tài)時(shí)，由于單扭桿翻轉(zhuǎn)裝置對(duì)整個(gè)駕駛室地板前部的扭矩作用，使得地板部件的應(yīng)力過大，接近或超過板件材料的屈服強(qiáng)度極限，且該應(yīng)力一直都施加于地板縱梁上；當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)時(shí)，駕駛室地板受到的應(yīng)力就是上述應(yīng)力以及動(dòng)應(yīng)力的疊加，最終導(dǎo)致接近材料強(qiáng)度極限，使得結(jié)構(gòu)部件可能出現(xiàn)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3、結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

基于駕駛室有限元建模與分析結(jié)論，主要分析駕駛室在不同載荷工況及地板部件尺寸改變情況下，前地板總成主要部件的應(yīng)力狀態(tài)，以此說明結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果及方案可行性。前地板總成主要部件如圖5所示，前地板總成由前橫梁、前縱梁前連接板、前地板加強(qiáng)板及前地板組成。按照相關(guān)路試資料，開裂部件主要集中在前橫梁和前地板上。

基于前述駕駛室建模與分析，以下是設(shè)想各種工況條件計(jì)算結(jié)果，并據(jù)此分析各種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的可行性。

共計(jì)進(jìn)行了八種工況的分析，八種工況下各主要部件最大應(yīng)力值對(duì)比如下表：

表2

綜合各種設(shè)想工況計(jì)算，可以對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案作出如下分析：

1）根據(jù)工況2，加長前支承臂為原來2倍，可以有效地減小前地板和前橫梁的應(yīng)力值；

2）根據(jù)工況3，并結(jié)合工況8，改變翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受力條件，使得左右兩側(cè)扭轉(zhuǎn)力矩大小盡可能一致，可以降低前地板、前橫梁的應(yīng)力值；

3）根據(jù)工況5，增加板件厚度，也能夠一定程度上減小應(yīng)力值。

4）可以考慮采用高強(qiáng)度鋼板改變橫梁等部件材料，提高其材料強(qiáng)度。

基于上述各種工況計(jì)算方案對(duì)比，在制造工藝及材料選擇可行的條件下，選擇某種方案執(zhí)行進(jìn)一步細(xì)化計(jì)算，確定最終解決方案。

4、結(jié)論

本文通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理，對(duì)駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析；通過對(duì)駕駛室重力矩計(jì)算，駕駛室前支承軸管受力分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出駕駛室底板施加的力矩；以駕駛室的有限元建模，分析駕駛室在不同載荷工況及地板部件尺寸改變情況下，前地板總成主要部件的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果，進(jìn)而優(yōu)化地板部件的受力狀況。為扭桿式翻轉(zhuǎn)駕駛室提供了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

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The optimization of Cab Based on Tilting of Torsion Bar

Wang Xiangting, Zhu Hui
( AnHui JiangHuai AutoMobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Analyze the stress distribution of tilting mechanism according to the operating principle, and calculate the moment of cab floor by stress analysis and test data of axle tube of cab suspension; and then analyze the stress of the cab floor on different load by finite element analysis, to optimize the stress distribution of cab floor. This paper support an positive design method.

U469.7

A

1671-7988(2016)10-99-03

王香廷，男，（1978-），工程師，就職于江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。