某型重卡駕駛室和散熱器副水箱動態(tài)干涉問題分析

摘 要：某型重卡在試驗(yàn)場進(jìn)行可靠耐久性強(qiáng)化試驗(yàn)時，散熱器右上方的副水箱安裝支架多次出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因散熱器及其支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性已經(jīng)在相似車型經(jīng)過了運(yùn)用和驗(yàn)證，因此需要先分析此散熱器系統(tǒng)和駕駛室在試驗(yàn)過程是否存在運(yùn)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(yàn)過程中的道路載荷譜，結(jié)合多體建模和分析，對試驗(yàn)過程中副水箱和駕駛室是否存在干涉現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并給出了設(shè)計更改建議，采用建議更改設(shè)計方案后，副水箱安裝支架沒有再出現(xiàn)開裂失效問題。此項(xiàng)工作說明，運(yùn)用多體模型結(jié)合道路載荷譜，能夠較好地模擬分析某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)極限工況下的運(yùn)動間隙問題，可以為設(shè)計部門設(shè)計出安全、緊湊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供設(shè)計依據(jù)或參考。

關(guān)鍵詞：載荷譜 多體模型 包絡(luò) 運(yùn)動間隙

卡車駕駛室的懸置結(jié)構(gòu)，一般具有較為復(fù)雜的力學(xué)單元、多處（多個方向）存在運(yùn)動限位裝置，如下圖1、圖2所示（1-減震器限位塊＼2-翻轉(zhuǎn)支架前限位塊＼3-翻轉(zhuǎn)支架后限位塊…8-后懸置氣彈簧等）。由于復(fù)雜的力學(xué)單元、多處多方向的限位問題，其運(yùn)動情況一般不能通過三維設(shè)計軟件里的機(jī)構(gòu)運(yùn)動模塊（DMU）對其運(yùn)動過程進(jìn)行模擬分析，需要經(jīng)過多體軟件進(jìn)行模擬仿真，在確定駕駛室質(zhì)心的運(yùn)動軌跡之后，再借助三維軟件生成運(yùn)動包絡(luò)體，分析其與動力、底盤等系統(tǒng)運(yùn)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(tài)干涉問題的分析論述，看能否給予需要對相似問題進(jìn)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(dá)安汽車試驗(yàn)場進(jìn)行可靠耐久性強(qiáng)化試驗(yàn)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(xiàn)開裂現(xiàn)象，因相同散熱器及其支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，在相似車型已經(jīng)經(jīng)過運(yùn)用和驗(yàn)證，因此需要先分析此車型駛室和散熱器在試驗(yàn)過程是否存在運(yùn)動干涉、觸碰問題導(dǎo)致副水箱安裝支架開裂失效。如無運(yùn)動干涉問題，需再做進(jìn)一步的深入分析。

2 建模與分析

2.1 駕駛室以及冷卻系統(tǒng)等的建模

（1）力學(xué)單元建模：分析系統(tǒng)里的力學(xué)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(wěn)定桿、前懸置上下襯套、后懸置下襯套、后懸置側(cè)向減震器及上下襯套、前懸置擺臂翻轉(zhuǎn)襯套、擺臂后襯套、駕駛室翻轉(zhuǎn)限位、三角臂前限位、三角臂后限位等。據(jù)試驗(yàn)測得或供應(yīng)商提供的力學(xué)單元參數(shù)，運(yùn)用多體建模軟件ADAMS逐一建立其力學(xué)特性單元，用于模擬分析系統(tǒng)各子組件的力學(xué)元件，部分力學(xué)單元特性參數(shù)曲線如下圖3至圖5所示。

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

2.2 極限工況分析

（1）試驗(yàn)場采集載荷譜分析 ： 參考襄陽試驗(yàn)場強(qiáng)化路面采集的駕駛室懸置載荷譜數(shù)據(jù)如下圖10所示，分析得出駕駛室在試驗(yàn)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(huán)分析），得出駕駛室、冷卻模塊的質(zhì)心的軌跡，俯仰、側(cè)傾和偏轉(zhuǎn)結(jié)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(jié)果：將以上各極限分析工況結(jié)果進(jìn)行拼接合并，得出駕駛室、冷卻模塊的質(zhì)心運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)如下圖15至圖16所示，分析結(jié)果圖15中cab_xf_2P0中cab指代駕駛室、xf指代X向施加負(fù)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(tǒng)，其余指代意義同圖15。

2.3 運(yùn)動包絡(luò)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(zhì)心軌跡，然后運(yùn)用CATIA軟件DMU機(jī)構(gòu)運(yùn)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(yùn)動包絡(luò)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(shè)置空間閥值間隙小于5mm進(jìn)行空間分析，分析結(jié)果如下圖19所示，左側(cè)已有接觸（紅色代表接觸），侵入量為0.472mm，右側(cè)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(jié)果顯示駕駛室下隔熱墊已與冷凝器模塊左側(cè)接觸，右側(cè)兩處間隙也小于5mm，安全間隙距離過小?？紤]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(yīng)駕駛室和冷卻模塊間的安裝間隙在原來基礎(chǔ)之上再增加10mm，然后進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

跟據(jù)本次的分析結(jié)果和建議，設(shè)計人員對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)整，然后試驗(yàn)驗(yàn)證人員策劃安排了兩階段的試驗(yàn)進(jìn)行充分驗(yàn)證，第一階段首先安排了2臺車，在駕駛室底部涂上油漆進(jìn)行標(biāo)記，然后在試驗(yàn)場的強(qiáng)化路面進(jìn)行了幾輪次的實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后觀察到駕駛室底部所標(biāo)記漆面完好無損，初步說明駕駛室底部和冷卻系統(tǒng)沒有觸碰，新設(shè)計方案預(yù)留間隙合理。試驗(yàn)驗(yàn)證第二階段（試驗(yàn)充分性驗(yàn)證），在另外3臺可靠耐久性試驗(yàn)樣車上進(jìn)行搭載試驗(yàn)，在試驗(yàn)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(xiàn)開裂現(xiàn)象，說明此問題已經(jīng)排除。

4 總結(jié)

通過本次的分析和運(yùn)用，以及后期進(jìn)行的實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，說明對于具有復(fù)雜力學(xué)單元和限位形式的機(jī)構(gòu)運(yùn)動，通過采集機(jī)構(gòu)運(yùn)動的載荷譜，結(jié)合多體軟件（如ADAMS2020）、分析提取出運(yùn)動機(jī)構(gòu)極限工況的運(yùn)動軌跡，然后再采用三維軟件（如CATIAV5-2017）機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析DMU模塊的振動分析工具，生成其運(yùn)動包絡(luò)體，然后進(jìn)行最小運(yùn)動空間需求分析，是設(shè)計開發(fā)出安全且結(jié)構(gòu)緊湊的產(chǎn)品的一套有效方法。

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