一種越野型商用貨車平衡軸總成的設(shè)計(jì)

陳金岳

摘 要：根據(jù)整車市場定位，載荷要求，邊界尺寸，使用三維軟件初步完成平衡軸總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后使用HYPERWORKES軟件對關(guān)鍵件進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果再對結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：平衡軸總成；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.200

1 引言

隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施的不斷投入，我國公路路況不斷改善，這對降低汽車故障率，提高整車性能有著積極作用。但是有部分汽車因作業(yè)需求，必須在路況較差甚至無路的環(huán)境中行駛，這其中商用貨車占不少的比重，因此為滿足市場需求許多重卡廠都研究越野型商用貨車的開發(fā)。越野型商用貨車不僅要滿足傳統(tǒng)貨車高載荷，輕量化的需求，而且還要適應(yīng)越野環(huán)境中高通過性，耐沖擊，易維護(hù)的要求。平衡懸架作為連接車架和中后橋的機(jī)構(gòu)承擔(dān)著整車的50%-70%的載荷，而作為平衡懸架的關(guān)鍵部件平衡軸總成，與平衡懸架承受同樣的載荷。因此能否設(shè)計(jì)一款優(yōu)秀越野型商用貨車平衡軸總成關(guān)系到整車的性能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

為了應(yīng)對整車高通過性，耐沖擊，易維護(hù)的特點(diǎn)，平衡軸總成采用分體式設(shè)計(jì)，即分左右兩部分，為了保證零部件通用件，左右件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一致。同時支架和板簧座等部件采用QT500-10材質(zhì)，軸頭部分使用調(diào)質(zhì)的40Cr材質(zhì)，QT500-10材料不僅耐沖擊而且也具有很好的延展性，同時對于之間支架和板簧座這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件必須通過鑄造工藝成型。而作為連接支架與板簧座的零部件軸頭必須采用合金鋼，通過熱處理即耐磨又有很高的韌性。同時板簧座與軸頭之間使用復(fù)合襯套充斥鋰基脂潤滑，不僅可以降低平衡軸的漏油風(fēng)險(xiǎn)，而且易維護(hù)。

平衡軸總成作為平衡懸架的部件，在設(shè)計(jì)過程中需滿足整車設(shè)計(jì)的邊界條件，這些邊界條件主要包括平衡軸安裝位置車架的寬度，左右平衡軸總成推力桿安裝孔的尺寸，平衡軸之間與車間縱梁的安裝孔位尺寸，騎馬螺栓固定板簧的形式，軸頭與車間大梁面的垂直距離，這些參數(shù)對平衡軸總成與整車的匹配設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定零部件清單，除了核心部件外其余部件選用在滿足使用條件的要求下盡量簡單，通用。在確定零部件清單后使用三維軟件對各部件進(jìn)行三維建模并完成裝配，本次設(shè)計(jì)使用UGNX8.0軟件建模，使用三維軟件完成總成設(shè)計(jì)可以有效避免零部件之間裝配干涉等低級錯誤的產(chǎn)生（如圖1）。為保證左右平衡軸總成通用，因此把單個平衡軸總成設(shè)計(jì)成左右對稱。在完成平衡軸總成三維設(shè)計(jì)并確保無干涉現(xiàn)象后，還需將平衡軸納入到平衡懸架和整車中校核，確保總成滿足整車設(shè)計(jì)邊界條件。

3 有限元分析

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用CAE技術(shù)不僅可以有效提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，而且可以大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，這種高沖擊性的越野型商用車平衡軸總成的故障模式主要是支架開裂，對于一種全新的設(shè)計(jì)的平衡軸支架，通過CAE分析來驗(yàn)證支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度要求變的尤為重要。本次設(shè)計(jì)將通過hyperworks軟件模擬平衡軸支架在沖擊工下的整體性能。

3.1 建立有限元模型

平衡軸總成已經(jīng)通過UG軟件完成建模，有限原模型只需要保留支架和軸頭結(jié)構(gòu)，其余部件全部移除，由于該平衡軸總成是左右分體式的因此還得保留部分車架結(jié)構(gòu)。通過UG軟件對簡化后的模型進(jìn)行初步的幾何清理。然后將清理后的模型導(dǎo)入到hypermesh模塊根據(jù)網(wǎng)格要求再次幾何清理，完成幾何清理后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。支架和軸頭實(shí)體使用四面體單元，車架抽取中面后使用正方用和三角形單元劃分，車架焊縫使用rbe2單元模擬，支架與車架間連接的螺栓使用BEAM單元模擬，同時通過BMAM模擬板簧和推力桿。載荷位16噸通過質(zhì)量點(diǎn)模擬并連接與車架最后對各單元完成材料屬性的賦予（見表1）。完成的有限元模型（如圖2）。

3.2 工況設(shè)置

完成有限原模型建立需對中橋左輪X、 Z向，中橋右輪X、Y、Z向，后橋左輪Z向，后橋右輪Y、Z向創(chuàng)建約束。為滿足耐沖擊要求，必須將將載荷系數(shù)加大，所以在模型Z軸方向施加-4.0重力加速度，表示極限4倍載荷。完成設(shè)計(jì)后使用RADIOSS求解器求解。

3.3 分析結(jié)果

使用hyperview模塊打開分析結(jié)果，對由于連接引起的孔周應(yīng)力失真不予考慮。查看支架的應(yīng)力云圖。從圖3觀察發(fā)現(xiàn)，整個支架的薄弱處在內(nèi)側(cè)面三條加強(qiáng)筋處，通過圖3可得出加強(qiáng)筋圓角過度處的

最大應(yīng)力為328Mpa。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，支架整體強(qiáng)度較好，在加強(qiáng)筋與軸頭安裝圓孔連接處在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大應(yīng)力為328MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度320MPa。因此對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，觀察發(fā)現(xiàn)連接處過度圓角較小是造成應(yīng)力集中的根本原因，所以通過增大過度圓角可以降低該處的應(yīng)力。

5 結(jié)語

為滿足市場需求，根據(jù)設(shè)計(jì)邊界條件和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使用UG軟件對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免裝配干涉等設(shè)計(jì)缺陷。同時對三維模型使用Hyperworks軟件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否合理，找出設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)，并對薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，可以快速完成一款平衡軸產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

借助計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)具有快速，可靠等優(yōu)點(diǎn)。可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)失效風(fēng)險(xiǎn)，對同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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