上推力桿支架的有限元分析及其設計應用

樊文問

（方盛車橋（柳州）有限公司技術中心，廣西 柳州 545006）

1 概述

近年來，汽車使用的工況越來越惡劣，現有的上推力桿支架已不能滿足使用要求，在實際使用過程中經常出現斷裂等諸多問題。為此，結合上推力桿支架受力情況，分析故障模式，通過有限元分析，對上推力桿支架進行優化設計，對改進前后的方案進行對比，從而有效地提高了上推力桿支架的性能及其壽命。

2 受力情況

2.1 上推力桿支架在整車上的布置見圖1

圖1 上推力桿支架在整車上的布置圖

2.2 參數

車橋額定載荷m：16000Kg；輪胎滾動半徑R：536mm；上推力桿支架到橋中心線距離A：396mm，下推力桿支架到橋中心線距離B：196mm。

2.3 以下推力桿中心為支點，上推力桿支架簡化受力見圖2

圖2 上推力桿支架的簡化受力圖

上推力桿中心到下推力桿中心的距離C為：

C=A+B=396 mm +196 mm =592 mm

下推力桿中心到地面的距離D為：

D=R-B=536 mm -196 mm =340 mm

地面反作用于輪胎的力F為：

F=μmg=0.8×16000×9.8=125440N

則上推力桿受力P為：

P=（F×D）/C=（125440×340）/592=72043N

3 有限元分析對比

3.1 優化前上推力桿支架三維模型的建立

根據優化前二維圖相關尺寸，利用三維軟件SolidWorks建立上推力桿支架的模型，建立好后的簡化模型見圖3

圖3 優化前上推力桿支架模型

3.2 優化前上推力桿支架進行約束和載荷

根據上推力桿支架實際裝配受力情況，對上推力桿支架進行約束和加載。具體情況見圖 4。由以上參數算得推力桿加載的力P=72043N，該上推力桿支架的材料為ZG310-570。

圖4 優化前上推力桿支架的約束及加載圖

3.3 優化前上推力桿支架受力分析及結果評價

將載荷及約束施加到已建好的模型中，進行有限元分析。通過分析應力圖，分析上推力桿支架的危險部位和可以優化的地方。

圖5 優化前上推力桿支架應力云圖

從受力分析的應力圖可以看出，該上推力桿支架受力最大發生在加工面的小圓角處，為 344Mp，屬于拉應力，第二危險位置發生在加強筋的大圓角處，為307Mp，屬于拉應力。材料的使用應力 310Mp，說明在使用過程中，這幾個地方是有疲勞拉裂的可能。而實際使用過程中，經常出現斷裂的地方正是圖中分析的危險處，必須對其進行優化改進。

3.4 優化后上推力桿支架三維模型的建立

根據優化前的上推力桿支架薄弱部分，進行優化設計，優化方案為：側面加厚，前后增加加強筋，中間加強筋加高并掏空。

優化后的三維模型見圖5。

圖5 優化后上推力桿支架模型

3.5 優化后上推力桿支架進行約束和載荷

按優化前的相同情況進行約束和載荷，具體見圖6

圖6 優化后上推力桿支架的約束及加載圖

3.6 優化后上推力桿支架受力分析及結果評價

經過優化前的分析結果，找出了上推力桿支架容易斷裂的地方，通過改變上推力桿支架的結構，并對其再次進行有限元分析。具體見圖6

圖7 優化后上推力桿支架應力云圖

從受力分析的應力圖可以看出，該上推力桿支架受力最大應力為241Mp，第二危險位置應力為209Mp，均有不同程度的下降，使之達到了工況要求。改進前，薄弱處應力最大為344Mp；改進后，薄弱處應力最大為241Mp，應力減少約30%。

4 結束語

通過建立上推力桿支架的三維模型，并進行靜態特性分析，得到此零件的應力分布情況，為其結構優化提供了依據。有限元分析方法，在其他產品零件設計中，具有重要的借鑒意義。利用計算機輔助設計，可以在精確建模的基礎上，模擬技術零件的強度，找出其結構上的薄弱環節，通過調整零件結構，對零件的應力分布進行對比，從而達到零件優化設計的目的，最終得到理想的方案。同時，為后期的試驗提供參考，減少試驗次數，減低試驗成本，縮短開發周期，提高了產品快速響應市場應變的能力，提高產品品質。

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