基于HyperWorks的某重卡副簧支架輕量化設(shè)計(jì)

邢國棟，李海波（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于HyperWorks的某重卡副簧支架輕量化設(shè)計(jì)

邢國棟，李海波
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

采用CATIA三維軟件建模，運(yùn)用HyperWorks對(duì)零部件進(jìn)行有限元分析，對(duì)某重型載貨車副簧支架進(jìn)行應(yīng)力分析，得出分析結(jié)果，從分析結(jié)果得出可優(yōu)化部位，在不影響支架可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)該支架的輕量化設(shè)計(jì)。

副簧支架；CATIA；HyperWorks；有限元分析；輕量化設(shè)計(jì)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.037

CLC NO.: U465Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-117-02

引言

采用主副簧結(jié)構(gòu)的板簧懸架，在載重量較小時(shí)，只有主簧起承載作用，副簧不起作用；當(dāng)載重量增加的一定程度后，由于副簧與副簧支架接觸，從而使主簧與副簧同時(shí)作用，增加懸架的承載能力。在保證載貨車承載能力及可靠性的前提下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可以減少整車自重，從而實(shí)現(xiàn)整車載重量增加。對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析，可以在保證可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)零部件的輕量化設(shè)計(jì)。另外在零部件設(shè)計(jì)初期，對(duì)零部件進(jìn)行有限元分析，成本較低且大大縮短設(shè)計(jì)周期。

1、使用狀況

副簧支架的裝配示意圖如下，該件裝配在車架縱梁腹面上，通過M14的螺栓固定，車輛滿載時(shí)，該件與副簧相接觸，使副簧產(chǎn)生變形，從而增大板簧剛度，提高整車的承載能力。

2、受力分析

車架空載時(shí)，該副簧支架通過4個(gè)M14的螺栓安裝在車架上，承受螺栓的預(yù)緊力，此時(shí)該副簧支架未與板簧接觸，沒有受到來自板簧的力；車輛滿載時(shí)，支架與副簧接觸，額外承受來自板簧的力。

2.1M14螺栓的預(yù)緊力

該副簧支架承受螺栓預(yù)緊力，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

該處螺栓的預(yù)緊力矩為T：170N.m，根據(jù)螺栓的受力計(jì)算可得，螺栓的預(yù)緊力為Fx，由下式計(jì)算：

由螺栓的緊固力矩的計(jì)算公式可得螺栓的預(yù)緊力為 F=44471N。

其中：P為螺距1.5mm；

d2為螺栓的螺紋中徑取d2min=13mm；

Dkm螺母的等效半徑為22.5mm；

摩擦系數(shù)μG和μk定為0.2。

2.2副簧傳遞給該件的力

車輛空載時(shí)，副簧的弧高為 77mm；當(dāng)車輛處在極限工況下，副簧弧高變?yōu)?4mm，副簧撓度變化77mm，副簧剛度為456N/mm，計(jì)算可得單副簧支架受力為456*77/2=17556N。

3、原件CAE分析

3.1分析過程

該件為對(duì)稱模型，因此取模型一半進(jìn)行分析，以減少計(jì)算量。

該模型共由四個(gè)子件構(gòu)成：支架模型、車架模型、板簧模型和螺栓模型。其中支架模型采用C3D10M進(jìn)行離散，車架模型、板簧模型和螺栓模型采用C4D8I進(jìn)行離散。除螺栓和車架接觸面處采用接觸來模擬，其余的接觸面采用Tie來模擬。固定車架一端，在螺栓處添加44471N預(yù)緊力，板簧上施加8778N力。

3.2工況加載

固定車架一端，模型對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，螺栓模型施加44471N預(yù)緊力，在板簧上施加8778N力。

對(duì)各零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義各零部件材料屬性，然后施加約束條件及載荷。

運(yùn)用RADIOSS求解器進(jìn)行仿真分析，獲得下圖的應(yīng)力分布圖。

3.3應(yīng)力云圖

3.4結(jié)果分析

從應(yīng)力云圖中可以看出，去除螺栓孔處不準(zhǔn)確的應(yīng)力，該副簧支架共有兩個(gè)應(yīng)力分析點(diǎn) a點(diǎn)、b點(diǎn)，應(yīng)力分別為89.4MPa及105.3MPa，該件所用材料為QT450-10，屈服強(qiáng)度為450MPa；從以上參數(shù)可得，該副簧支架安全系數(shù)在2.9以上，可以滿足使用要求。

4、優(yōu)化件CAE分析

優(yōu)化件為在原來基礎(chǔ)上對(duì)零部件結(jié)構(gòu)及厚度進(jìn)行優(yōu)化，重量相對(duì)于原來件有所減輕。

4.1應(yīng)力云圖

分析過程及工況加載同原件CAE分析，應(yīng)力云圖如下圖：

4.2結(jié)果分析

從應(yīng)力云圖中可以看出，去除螺栓孔處不準(zhǔn)確的應(yīng)力，兩個(gè)應(yīng)力分析點(diǎn)a點(diǎn)、b點(diǎn)處應(yīng)力分別為81.2MPa及100MPa，優(yōu)化后所用材料仍然為QT450-10；從以上參數(shù)可知，該件安全系數(shù)在3.2以上，相較于原來件安全系數(shù)更高。

5、結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析結(jié)果

表1　

從對(duì)比分析中可以看出，優(yōu)化前零部件重量為5.92kg，優(yōu)化后零部件重量為3.96，優(yōu)化后零部件重量相對(duì)于原來件少了約33%，且安全系數(shù)相對(duì)于原來零部件有所增加。

6、結(jié)論

本文通過Altair HyperWorks12.0對(duì)原副簧支架及優(yōu)化后支架進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，分別得到了兩種狀態(tài)支架在模擬載荷試驗(yàn)下的應(yīng)力分布云圖。通過對(duì)比分析得出，優(yōu)化后支架不僅在原支架基礎(chǔ)上重量有所減輕，可靠性也有所提高。

[1]陳家瑞，汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]邵林，空氣懸架推力桿支架的拓 撲優(yōu)化設(shè)計(jì).陜西：2012.

[3]Altair Engineering，Hyperworks 12.0 Help.

Lightweight Desigan of A Heavy Truck Leaf Spring Bracket Based on HyperWorks

Xing Guodong,Li Haibo
(Anhui Jiang Huai Automobile Corp,Anhui Hefei 230601)

Using CATIA 3D modeling software,using HyperWorks for parts of finite element analysis and for heavy-duty truck leaf spring bracket stress analysis.The analysis results from the analysis results that can optimize the site,under the premise of not affecting the reliability of support to achieve lightweight design of the bracket.

Leaf Spring Bracket; CATIA; HyperWorks; Finite Element Analysis; lightweight design

U465

A

1671-7988（2016）08-117-02

邢國棟（1988-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心重型商用車院，從事底盤懸架的設(shè)計(jì)。