某型重卡駕駛室和散熱器副水箱動態干涉問題分析

摘 要：某型重卡在試驗場進行可靠耐久性強化試驗時，散熱器右上方的副水箱安裝支架多次出現開裂現象，因散熱器及其支架結構的強度和耐久性已經在相似車型經過了運用和驗證，因此需要先分析此散熱器系統和駕駛室在試驗過程是否存在運動干涉、觸碰問題而使安裝支架開裂失效。隨后通過采集試驗過程中的道路載荷譜，結合多體建模和分析，對試驗過程中副水箱和駕駛室是否存在干涉現象進行了分析，并給出了設計更改建議，采用建議更改設計方案后，副水箱安裝支架沒有再出現開裂失效問題。此項工作說明，運用多體模型結合道路載荷譜，能夠較好地模擬分析某些復雜結構極限工況下的運動間隙問題，可以為設計部門設計出安全、緊湊的產品結構提供設計依據或參考。

關鍵詞：載荷譜 多體模型 包絡 運動間隙

卡車駕駛室的懸置結構，一般具有較為復雜的力學單元、多處（多個方向）存在運動限位裝置，如下圖1、圖2所示（1-減震器限位塊＼2-翻轉支架前限位塊＼3-翻轉支架后限位塊…8-后懸置氣彈簧等）。由于復雜的力學單元、多處多方向的限位問題，其運動情況一般不能通過三維設計軟件里的機構運動模塊（DMU）對其運動過程進行模擬分析，需要經過多體軟件進行模擬仿真，在確定駕駛室質心的運動軌跡之后，再借助三維軟件生成運動包絡體，分析其與動力、底盤等系統運動間隙或干涉問題。本文通過對某重卡駕駛室和散熱器副水箱動態干涉問題的分析論述，看能否給予需要對相似問題進行分析研究的同行提供些許參考。

1 分析問題的提出

因某重卡的升級車型在襄陽達安汽車試驗場進行可靠耐久性強化試驗過程中，車輛前端散熱器右上方的副水箱安裝支架多次出現開裂現象，因相同散熱器及其支架結構的強度和耐久性，在相似車型已經經過運用和驗證，因此需要先分析此車型駛室和散熱器在試驗過程是否存在運動干涉、觸碰問題導致副水箱安裝支架開裂失效。如無運動干涉問題，需再做進一步的深入分析。

2 建模與分析

2.1 駕駛室以及冷卻系統等的建模

（1）力學單元建模：分析系統里的力學元件主要包括：駕駛室前懸置變剛度彈簧、后懸置氣彈簧、前懸置減震器及上下限位、后懸置減震器及上下限位、橫向穩定桿、前懸置上下襯套、后懸置下襯套、后懸置側向減震器及上下襯套、前懸置擺臂翻轉襯套、擺臂后襯套、駕駛室翻轉限位、三角臂前限位、三角臂后限位等。據試驗測得或供應商提供的力學單元參數，運用多體建模軟件ADAMS逐一建立其力學特性單元，用于模擬分析系統各子組件的力學元件，部分力學單元特性參數曲線如下圖3至圖5所示。

（2）分析系通建模：根據設計的三維模型分析確定需要分析研究的結構，然后按系統逐一拆分成4部分，既駕駛室及其懸置結構、車架基體、橫向穩定桿系統、冷凝器部件4部分，并依次建立起各子系統模型，如下圖6至圖8所示，在圖8所示的車架子系統考慮了駕駛室前、后懸置支架的柔性，然后對子系統進行裝配，最終建立起完整的分析模型裝配結構如圖9所示。

2.2 極限工況分析

（1）試驗場采集載荷譜分析 ： 參考襄陽試驗場強化路面采集的駕駛室懸置載荷譜數據如下圖10所示，分析得出駕駛室在試驗場的慣性加速度幅值：AZ=2.5+1=3.5g（需要加上自身的重力加速度1g）；AX=2g，AY=1.5g。（注：一般X偏大，稍取小值，Y向偏小，稍取大值）

（2）將加速度幅值施加于駕駛室多體分析模型：先施加X向2g加速度（閉環分析），得出駕駛室、冷卻模塊的質心的軌跡，俯仰、側傾和偏轉結果如圖11至圖14所示，然后再依次施加X向-2g、Y向±1.5g、Z向±3.5G工況，與X向2g工況類似，不再贅述。

（3）合并各極限工況的位移結果：將以上各極限分析工況結果進行拼接合并，得出駕駛室、冷卻模塊的質心運動軌跡數據如下圖15至圖16所示，分析結果圖15中cab_xf_2P0中cab指代駕駛室、xf指代X向施加負方向的慣性力、2P0指代施加慣性力為2g，其余類推；圖16中Graditor_xf_2P0中raditor指代冷卻系統，其余指代意義同圖15。

2.3 運動包絡體生成、間隙分析

由多體模型極限工況生成的駕駛室、冷卻模塊模型的質心軌跡，然后運用CATIA軟件DMU機構運動分析模塊的振動分析工具，生成駕駛室部分、冷卻模塊的運動包絡體如下圖17、圖18所示，然后把這兩部分裝配在一起如下圖19所示，通過設置空間閥值間隙小于5mm進行空間分析，分析結果如下圖19所示，左側已有接觸（紅色代表接觸），侵入量為0.472mm，右側頂端兩處的間隙也已小于5mm（綠色代表間隙小于5mm的閥值）。

極限工況分析結果顯示駕駛室下隔熱墊已與冷凝器模塊左側接觸，右側兩處間隙也小于5mm，安全間隙距離過小。考慮零部件的加工以及安裝誤差，在特別惡劣路況時，部分駕駛室底板會觸碰到冷卻模塊，因此建議相應駕駛室和冷卻模塊間的安裝間隙在原來基礎之上再增加10mm，然后進行實車試驗驗證。

3 試驗驗證

跟據本次的分析結果和建議，設計人員對設計數據進行了調整，然后試驗驗證人員策劃安排了兩階段的試驗進行充分驗證，第一階段首先安排了2臺車，在駕駛室底部涂上油漆進行標記，然后在試驗場的強化路面進行了幾輪次的實車試驗，試驗結束后觀察到駕駛室底部所標記漆面完好無損，初步說明駕駛室底部和冷卻系統沒有觸碰，新設計方案預留間隙合理。試驗驗證第二階段（試驗充分性驗證），在另外3臺可靠耐久性試驗樣車上進行搭載試驗，在試驗完成后，冷卻模塊散熱器右上方的副水箱安裝支架依然沒有出現開裂現象，說明此問題已經排除。

4 總結

通過本次的分析和運用，以及后期進行的實車試驗驗證，說明對于具有復雜力學單元和限位形式的機構運動，通過采集機構運動的載荷譜，結合多體軟件（如ADAMS2020）、分析提取出運動機構極限工況的運動軌跡，然后再采用三維軟件（如CATIAV5-2017）機構運動分析DMU模塊的振動分析工具，生成其運動包絡體，然后進行最小運動空間需求分析，是設計開發出安全且結構緊湊的產品的一套有效方法。

參考文獻：

[1]王彥偉，王承凱.ADAMS/Car汽車底盤動力學虛擬開發[M].北京：機械工業出版社，2023.

[2]李增剛李保國.ADAMS入門詳解與實例教程[M].北京：清華大學出版社，2021.

[2]王鈺棟金磊洪清泉.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008.