截面優化在某商用車前軸輕量化設計中的應用

楊萬杰　孫艷　邱立校

摘 要：理論分析明確商用汽車前軸在制動工況下的受力，確定影響前軸安全系數相關的前軸截面，然后利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對商用汽車前軸進行有限元分析，以前軸結構總質量最小為目標，在保證前軸疲勞壽命前提下，對前軸截面進行設計優化，最終確定優化方案，達到降低前軸重量的目的。

關鍵詞：前軸 輕量化 截面優化 有限元

1 引言

隨著“雙碳”目標的提出，對商用汽車也提出了低燃油消耗、高動力輸出的要求。為落實此項要求，對商用汽車零部件的輕量化技術也提出了更高的要求。

世界鋁業協會報告指出：車身自重每減少10%，可降低油耗6%～8%，降低排放5%～6%。結合商用汽車結構特點，簧下質量降低更有助于節能、減排。

當下，輕量化技術主要包括三個方面：新材料應用；新的制造技術；新結構優化設計。基于工程對成本的考量，新結構優化設計成為輕量化措施最理想的方案。

前軸作為汽車底盤系統主要的承載部件，重量最大，相對其他部件在整車上的服役時間最長，甚至遠超出商用汽車的報廢年限，從某種意義上來說，傳統的汽車前軸無疑是設計過于保守，浪費了材料。對其進行輕量化設計是對汽車底盤輕量化貢獻最大的措施。

商用汽車前軸通過懸架與車架相連，兩側裝有從動車輪，起承載、行駛、制動、轉向功能。商用車前軸兩端近似為方形，中間為向下彎曲的工字型（或圓形，本文主要研究工字型前軸輕量化），如圖1所示。其結構利于降低車輛重心，保證了在制動時可承受較大的彎矩和扭矩。

前軸在汽車上匹配后，根據汽車的運行過程，前軸主要在以下三種工況下受力：動載工況、側滑工況和制動工況。在這三種工況中，制動工況下前軸所受應力最大，最容易彎曲變形或斷裂失效。所以制動工況下前軸安全即可保證整個使用過程安全，為研究前軸在制動工況下的安全性，本文首先對前軸在制動工況下受力進行了理論分析，建立強度與材料應力關系，然后根據產品結構與強度影響因素對其進行截面優化。其次利用三維建模軟件Solidworks繪制前軸三維模型，然后將其導入有限元分析軟件ANSYS Workbench中進行分析；再進行實物臺架，最后得出可靠性更高、重量更低的前軸。

2 商用汽車前軸受力分析及強度計算

2.1 制動工況前軸受力分析

制動工況是汽車在行駛時緊急剎車，此狀態下前軸左右兩側所受鉛直力ZL1、ZR1，制動力XL1、XR1相等，其受力如圖2所示：

其大小分別為：

（1）

式中：G1——前軸載荷；

MZ1——制動時前軸荷重新分配系數；

φ——輪胎與地面的附著系數；

計算制動時前軸荷重新分配系數MZ1：

2.2 制動工況前軸力矩分析

當汽車停止在水平路面上時，其力矩平衡如圖3所示：

A點力矩平衡，其平衡方程為：

（2）

同理，當汽車制動時，A點力矩平衡，其平衡方程為：

（3）

式中：Ga——汽車滿載總質量；

L——汽車軸距；

b——汽車質心到后軸接地點距離；

hg——汽車滿載時的質心高度；

G'——制動時，前軸軸荷；

將（2）帶入（3）

（4）

（4）式中即為制動時前軸荷重新分配系數mz：

制動工況下，前軸在鉛直面彎矩、水平面彎矩及扭矩圖如圖4所示：

圖4：n——輪胎接地點到受力面的距離

通過圖4可得：前軸板簧座中間截面C-C在鉛垂面的彎曲應力σ1，水平面的彎曲應力σ2最大，其值為：

（5）

（6）

式中：M1——C-C截面鉛直彎矩；

M2——C-C截面水平彎矩；

W1——C-C截面鉛直彎矩抗彎截面系數；

W2——C-C截面水平彎矩抗彎截面系數；

2.3 前軸抗彎斷面系數分析

前軸彎曲應力最大的截面為C-C，其鉛直彎矩抗彎斷面系數、水平彎矩抗彎斷面系數圖分別如圖5、圖6所示：

（7）

（8）

2.4 前軸C-C截面應力計算

從工字型結構可以發現，彎曲應力σ1，水平面的彎曲應力σ2發生在同一點時，方向相同。最大應力σs為汽車前進方向工字型的下端中點位置，此時：

（9）

判定輕量化條件：

當σs≤[σ]時，前軸安全，存在輕量化空間。

3 商用汽車前軸截面優化

3.1 模型建立

為便于研究，將前軸工字梁簡化為下圖標準工字型狀態，如圖7：

從工字型截面模型，可以建立截面參數與應力、撓度、質量的關系，以確定各截面靈敏度。

中性面位置：

（10）

質量：

（11）

3.2 前軸分析

已知某載貨車前軸載荷5.5T，選材為50#，所配車型為4X2載貨車，車貨總質量42T，輪距2080mm，輪胎徑力半徑507mm。

將基礎前軸截面按減小浮動20%（表1），計算出其在額定載荷下應力、質量各變量偏導，得到變量的靈敏度。結果如下：

通過公式（8）計算應力變化值，如（表2）

通過公式（10）計算質量變化值，如（表2）。

綜合表（1）（2）（3）結果，前軸截面對應力的靈敏度排序為b1、h1、b2、h3、b3、h2；對質量的靈敏度排序為b1、b2、b3、h3、h1、h2。

綜上所述降低工字梁上、下翼面厚度可以降低中性面，使前軸材料承受拉應力，降低前軸底部應力。提高安全性。

4 有限元模型及分析方法

為準確仿真前軸截面優化后在制動工況下的安全性，根據其工作狀態進行有限元分析，具體仿真結果如圖8所示：

此三維模型包括前軸帶轉向節，轉向節帶一體化組合軸承和轉向節銷等。前軸材料為50#，密度7850kg/m3，彈性模量200GPa，泊松比0.3，屈服強度500MPa。

CAE分析制動工況下最大應力356.64MPa，安全系數1.4，符合機械部件安全系數大于1.2的標準要求。

5 前軸臺架測試

在前軸疲勞壽命試驗機上根據QC/T513-1999《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》；QC/T494-1999《汽車前軸剛度試驗方法》；QC/T483-1999《前軸垂直彎曲疲勞壽命》相關標準，模擬前軸加載狀態的疲勞試驗。如圖9：

按制動力狀態力值進行加載，截面優化前軸試驗3件產品均超過80萬次，滿足國家標準要求。

6 結語

通過對前軸在最危險工況下的受力和力矩平衡分析，可以計算出其所承受的最大應力值，結合產品選材[σ]，得出輕量化的可行性分析；通過對額定載荷5.5噸前軸截面參數與應力、撓度、質量的關系，可以確定各截面對應力的靈敏度排序，確定上、下翼面厚度優化可以顯著降低產品質量，對應力的影響較小。

對材料進行特定調質工藝處理，其應力值與[σ]相當，并有符合設計標準的安全儲備系數。利用有限元法，結合分析軟件ANSYS Workbench進行仿真分析，對前軸截面進行優化，實物測試結果滿足標準要求。從理論到實際生產實現了前軸輕量化的結構改進。

通過前軸截面優化，額定載荷5.5噸前軸可降重13Kg/件，實現降重12%，在生產上實現了降本。該技術可推廣至汽車底盤其他承載部件進行輕量化研究。

參考文獻：

[1]倪晉尚.輕量化技術在現代汽車中的應用[J].公路與汽運，2008，（5）：4-7.

[2]高榮新，王柏林，韋安杰.汽車輕量化的現狀及展望[J].汽車工程師.2010，6（2）：20-23.

[3]張仲江，張新明，李龍，等．重型商用車橋輕量化研究［J］．汽車實用技術，2015（9）：73-74.

[4]劉惟信.汽車車橋設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5]尚曉江，邱峰.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用（第三版）[M].北京：水利水電出版社.2015-01-01

[6]張洪偉，高相勝，張慶余. ANSYS非線性有限元分析方法及范例應用[M]. 北京： 水利水電出版社.2013.

[7]國家機械工業局.汽車前軸剛度試驗：QC/T494—1999[S].北京：中國標準出版社，1999.

[8]國家機械工業局.汽車前軸疲勞壽命限值：QC/T483—1999[S].北京：中國標準出版社，1999.

[9]國家機械工業局.汽車前軸臺架疲勞壽命試驗：QC/T513—1999[S].北京：中國標準出版社，1999.