某重型卡車踏步支架總成輕量化設計

茍丹，溫鵬，朱曉康，王謙，李林，徐信萬

（陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著汽車工業快速發展，繼而出現交通堵塞、環境污染等相關問題，政府為加強汽車管理，最新出臺國六排放標準，節能減排已成為現代汽車的主要研究及發展方向，而車輛的輕量化是實現節能減排的重要手段。

本文以某重型卡車踏步支架總成為對象，針對原產品設計不合理的地方進行了結構優化，并用高強度鋼替代普通材料，利用有限元分析軟件Hyperworks 對其結構強度進行了多工況分析；在保證裝車強度及裝配要求的前提下，實現汽車零部件設計輕量化。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型

上車踏步支架是連接車架與上車踏板的關鍵部件，直接影響駕駛員上下車過程中的安全性。圖1 為某重型卡車踏步支架裝配關系圖，圖2 為該上車踏步支架總成與托架總成裝配關系，其鑄件端通過螺栓連接固定在車架大梁上，沖壓件端則與上車托架連接，起到固定上車踏板的作用。

踏步支架由固定座、右支架、連接板、固定板組成，托架總成由過渡板、右彎管、右下托架組成，踏步支架總成與托架總成通過螺栓裝配連接。

1.2 有限元模型的建立

將踏步支架三維實體模型導入Hypermesh 軟件中用四面體網格進行網格劃分，建立有限元模型。

圖1 上車踏步支架總成裝配關系

圖2 踏步支架總成與托架總成裝配關系

圖3 有限元模型對比圖

1.3 零件材料及技術參數

表1 中Q235B、Q235A 和510L 材料物理特性對比：

表1 零件牌號及技術參數

3 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510L 的屈服強度和抗拉強度均遠大于Q235B、Q235A，證明了采用高強度鋼材料510L 代替原結構材料Q235B、Q235A 進行結構優化的可行性。

2 有限元分析

2.1 分析工況與加載

約束與車架連接的固定座四個螺栓孔的6 個自由度，分別從極限工況和上車工況下進行有限元分析。

載荷條件：極限工況，踏板踩踏位置施加負Z 向力2050N，Y 向1140N；上車工況，踏板踩踏位置YZ 平面內，與Z 軸夾角18°方向施加負1500N。

在Hypermesh 軟件中按上述工況添加各向計算載荷，加載示意如圖4 所示。

圖4 加載后有限元模型

2.2 有限元求解分析

利用OptiStruct 求解器進行有限元求解，得到踏步支架的位移和應力云圖，如表2 所示。

表2 踏步支架位移、應力云圖

在極限工況條件下，優化后方案總體位移減小1.11mm，目標件位移減小0.08mm，最大應力值由387.3MPa 減少為238.4 Mpa。

在上車工況條件下，優化后方案總體位移減小0.68mm，目標件位移減小0.05mm，最大應力值由228.2MPa 減少為140.7Mpa。

經各設計工況、載荷下有限元分析，可以得知：各工況下優化后的踏步支架最大應力均小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

2.3 有限元分析結果

結構優化后應力值、安全系數、質量變化對比見表3。 分析結論：

（1）優化后固定板在極限工況下應力值降低了148.9 MPa，最小安全系數由原來的0.61 增加至1.49。

（2）優化后固定板在上車工況下應力值降低了87.5 MPa，最小安全系數由原來的1.03 增加至2.52。

（3）優化后新沖壓件可替代原來兩個沖壓件焊接結構，實現了產品降種類。

（4）優化后結構降重0.34 kg，降重率達13.88%。

表3 結構優化數據對比

3 結論

本文通過建立某重卡車型踏步支架總成的有限元模型，借助Hyperworks 進行了多工況靜力學分析，驗證了優化結構設計的可行性，減少了沖壓件產品種類，在結構滿足強度要求的同時實現降重13.88%，達到了零部件輕量化設計目的。