某商用車檢修口蓋輕量化設計

孫浩，陳晶，白團團，聶琪林

（陜西汽車集團有限責任公司技術中心，陜西 西安 710200）

前言

長頭商用車由于其自身結構特點的限制，駕駛室不具備翻轉功能，因此，需要在地板上設計檢修口蓋，方便維修變速箱。檢修口蓋一般布置在主副駕座椅位置，經常踩踏，因此，檢修口蓋不僅要滿足踩踏剛度要求，還要滿足踩踏穩定性的要求，以免因承受過大踩踏載荷而發生屈曲失穩現象，影響用戶使用感受。本文利用有限元分析方法，對某商用車檢修口蓋進行剛度和屈曲分析[1]，掌握踩踏工況下的變形情況[2]，基于此提出輕量化設計方案，以剛度不低于原結構為前提，實現輕量化設計。

1 檢修口蓋現狀

1.1 實車問題

某長頭商用車駕駛室在試制試驗過程中，變速箱檢修口蓋無踩踏變形缺陷，踩踏感受牢固可靠，經評估具備較大減重潛力，考慮輕量化設計。原方案如圖1所示，零件料厚為2.0mm，輕量化方案如圖2所示，結構與原方案相同，料厚減薄到1.5mm。

由于零件型面未發生變化，采用直接減薄進行試制驗證，將兩種料厚的零件安裝到地板上，通過單腳踩踏主觀評價減薄前后的剛度變化。原方案實車踩踏感受無明顯變形，輕量化方案實車踩踏感受中間位置剛度較弱，發生彈性變形，出現失穩，剛度低于原方案。

圖1 原方案

圖2 輕量化方案

1.2 靜力學分析結果

使用Optistruct軟件對兩種方案剛度進行求解計算，將變速箱檢修口蓋10個安裝點位置進行全約束[3]，在X型筋交匯位置270×95的載荷區域施加Z向向下1000N的集中力，材料為線性，靜力學分析結果如圖3、圖4所示。

圖3 位移云圖

圖4 應力云圖

基于表 1計算結果，輕量化方案重量減少 1.1kg，降重25%，減重效果顯著，但最大變形量增大，踩踏主觀感受變差，最大應力有所提高，仍在屈服極限范圍內。

表1 輕量化前后對比

1.3 非線性屈曲分析結果

使用Abqus軟件對兩種方案屈曲進行求解計算[4]，將變速箱檢修口蓋周圈通過節點與地板形成全約束，在X型筋交匯位置270×95的載荷區域施加Z向向下1000N的集中力，材料為非線性，非線性屈曲分析結果如圖5、圖6所示載荷放大因子曲線，原方案較優。

綜合靜力學分析和非線性屈曲分析結果，輕量化方案性能降低，存在風險，考慮采用優化結構實現輕量化，定義剛度指標與載荷放大因子不低于原方案。

圖5 原方案（2.0mm）

圖6 輕量化方案（1.5mm）

2 輕量化優化方案

2.1 優化方法

剛度設計研究結果表明：薄板零件剛度較低時，加強筋設計成Y向，且長度方向與零件短邊方向平齊，加強筋累計寬度≈1/2零件總寬度，即筋的間距約等于筋寬度時，截面慣性矩最大，剛度最優。筋的高度值增加，局部剛度增大，同時需考慮零件沖壓成型工藝性。

2.2 優化方案

基于優化方法，加強筋優化為Y向筋，累計寬度按照1/2零件總寬度設計，綜合考慮布置空間以及工藝可行性高度從10mm提高到15mm，零件料厚減薄到1.5mm，詳細結構如圖7。

圖7 優化方案（1.5mm）

2.3 靜力學分析結果

參照 1.2約束、加載方法，優化方案的靜力學分析結果如圖8所示。

圖8 優化方案（1.5mm）靜力學分析結果

基于表 2計算結果，優化方案重量減少 1.07kg，降重24.3%，減重效果顯著，最大變形量減小，改善效果明顯，最大應力高于輕量化方案，但仍在屈服極限范圍內。

表2 優化前后對比

2.4 非線性屈曲分析結果

參照 1.3約束、加載方法，優化方案的非線性屈曲分析結果如圖9所示載荷放大因子曲線，優化方案的載荷放大因子高于原方案將近1倍，改善效果明顯。

圖9 優化方案（1.5mm）

3 結論

設計蓋板類零件時，考慮特殊工況，采用Opstruct靜力學分析和Abqus非線性屈曲分析，綜合判斷剛度薄弱位置，通過優化加強筋的布置、寬度、高度等方法提高剛度性能。本文結合項目問題，解決了變速箱檢修口蓋輕量化方案剛度不足導致的踩踏變形問題，實現了輕量化設計，重量下降24.3%，提高了主觀評價感受，試制驗證后踩踏效果較好，無明顯變形。本文采用的剛度優化方法對車身上蓋板類零件具有一定的參考價值，可以借鑒應用。