某重型卡車駕駛室后懸支架優化設計

張莉，劉警，孫萬信，劉親親，許幫柱，邵強

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某重型卡車駕駛室后懸支架優化設計

張莉，劉警，孫萬信，劉親親，許幫柱，邵強

（陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

駕駛室后懸置系統是固定駕駛室與車架，實現支撐駕駛室和衰減震動的重要組成部分。后懸支架總成是駕駛室后懸置的重要連接部件，其結構強度關乎車輛安全運行問題。文章利用有限元分析軟件Hyperworks對某重型卡車駕駛室后懸支架總成進行了多工況分析，驗證了其結構強度要求；采用高強度鋼減薄的優化方法，在滿足結構強度要求的同時實現了結構的輕量化。

重型卡車；高強度鋼；后懸置系統；有限元分析；輕量化設計

1 引言

隨著重卡行業的發展，政府對燃油經濟性標準提高和對CO2排放的要求，以及用戶對車輛載貨量、油耗性能的重視，車輛的輕量化作為實現節能減排的重要手段，零部件輕量化水平日益成為產品設計的重要內容和衡量指標。在汽車用輕型材料不斷發展的今天，高強度鋼仍以其在成本、安全、制造工藝等方面的優勢，占據汽車輕量化材料的主導地位。

本文以某重型卡車駕駛室后懸支架總成為對象，利用有限元分析軟件Hyperworks對其結構強度進行了多工況分析；在保證零件強度要求的前提下，應用高強度材料使壁厚減薄并進行結構優化，達到了輕量化設計的目標。

2 有限元模型建立

2.1 幾何模型

后懸支架作為重型卡車駕駛室后懸關鍵部件，對駕駛室動靜態支撐、平衡及運行有重要的作用。圖1為某重型卡車駕駛室后懸支架架裝配關系圖，圖2為該駕駛室后懸支架總成，其通過螺栓連接駕駛室液壓鎖壓裝總成及空氣彈簧減振器總成。

目前龍門架總成設計材質為厚度5mm的510L熱軋板,其屈服強度為355MPa，彈性模量202GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。橫梁設計重量為5.53kg，支架設計重量為3.67kg，后懸支架總成設計重量為14.73kg。

圖1 后懸支架總成裝配關系

圖2 駕駛室后懸支架總成

1.后懸橫梁 2.連接支架

2.2 有限元模型的建立

將上述駕駛室后懸龍門架總成三維實體模型導入Hypermesh軟件中用四面體網格進行網格劃分，建立有限元模型。

3 有限元分析

考慮駕駛室實際的運行狀態及載荷情況，對駕駛室后懸支架總成進行各工況下有限元分析。

駕駛室自重與駕駛員的總重為1250kg,經計算后懸承載是總重的2/5,在分析時主要考慮跳動、制動和轉彎的三種工況。具體的工況及承載如表1與表2所示。

表1 各分析工況及各向載荷

表2 駕駛室懸置承載質量

在Hypermesh軟件中按上述工況添加各向計算載荷及駕駛室懸置承載質量，進行各工況下的駕駛室后懸支架總成受力分析及安全因子計算，如圖3所示。

圖3 加載后有限元模型

利用OptiStruct求解器進行有限元求解，得到后懸龍門架的應力云圖，如表3所示。

表3 后懸龍門架應力云圖

根據上述后懸支架總成應力云圖得到各設計工況下駕駛室后懸支架的最大應力，如表4所示。

表4 各工況下的最大應力（單位：MPa）

經各設計工況、載荷下有限元分析，可以得知：各工況下后懸支架總成的最大應力均小于材料的屈服強度，安全因子均小于1，該結構滿足強度要求。

4 輕量化設計

經上述分析，各工況下后懸支架總成具有較高的安全系數，結構的靜強度儲備充足。因此，采用高強度鋼材料AH1500HS代替原結構材料，減小材料厚度達到輕量化的目的。

4.1 材料特性分析

510L和AH1500HS材料物理特性對比，如表5所示：

表5 材料物理特性對比

通過上述參數對比、分析：兩種材料的彈性模量及泊松比相近，即抵抗彈性變形能力相同，而AH1500HS的屈服強度遠大于510L，證明了采用高強度鋼材料AH1500HS代替原結構材料510L進行結構優化的可行性。

4.2 輕量化結構

對龍門架總成基結構進行材料減薄設計，由5mm減少為3mm，綜合考慮實際工程制造需求，在后懸支架的局部加筋，得到圖4輕量化結構。

圖4 輕量化后駕駛室后懸支架總成

4.3 輕量化后結構驗證

表6列舉了駕駛室后懸支架總成輕量化前后的重量變化。

表6 輕量化前后重量對比

將輕量化結構進行有限元建模，并在前述設計工況下進行靜強度分析，得到輕量化后的后懸支架的應力云圖，從而獲得各設計工況下的最大應力，如表7所示。

表7 輕量化后各工況下的最大應力（單位：MPa）

4.4 輕量化前后安全性能對比

根據輕量化前后應力對比分析，得到各工況下安全系數，如表8所示：

表8 輕量化前后安全系數對比

4.5 輕量化評估

通過上述分析結果可以看出，在相同載荷和約束的條件下，輕量化后的駕駛室后懸支架總成在各設計工況下的安全系數均大于原方案結構，且龍門架總成降重33%，達到了輕量化設計的目標。

5 結論

本文通過建立某重卡車型駕駛室后懸支架有限元模型，借助Hyperworks進行了多工況靜力學分析。在結構滿足強度要求的同時實現降重33%，達到了零部件輕量化設計目的。

[1] 劉文欣等,有限元網格劃分方法研究[J].機械設計與制造,2004.

[2] 肖存云,基于高強度鋼成形的車身輕量化研究,學位論文,南昌大學,2016.

[3] 王為,賀永波等,基于Hypermesh的某轉向橋軸頭優化設計[J], 2015.

Optimization design of rear suspension bracket of a heavy truck cab

Zhang Li, Liu Jing, Sun Wanxin, Liu Qinqin, Xu Bangzhu, Shao Qiang

（ShaanXi WanFang Auto Parts Co., LtD, Shaanxi Xi'an 710200）

The rear suspension system of the cab is an important part for fixing the cab and frame, supporting the cab and attenuating vibration. The rear suspension bracket assembly is an important connection part of the rear suspension of the cab. In this paper, the finite element analysis software Hyperworks is used to analyze the multi-case condition of a heavy truck cab rear suspension bracket assembly, which verifies its structural strength requirements. The high-strength steel thinning optimization method is used to realize the lightweight of structure, while meet the structural strength requirements.

Heavy truck;High strength steel;Rear suspension system;Finite element analysis; Lightweight design

A

1671-7988(2018)18-143-03

U463.8

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1671-7988(2018)18-143-03

CLC NO.: U463.8

張莉，就職于陜西萬方汽車零部件有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.049