重型自卸車后承載系可靠性故障的探究與優(yōu)化

董金國，居剛，李海波

引言

目前，國內(nèi)重型工程車的后懸架主流為平衡軸式。平衡軸通過螺栓與車架縱梁、第五橫梁及其加固板相連接，由于第五橫梁位于車架總成連接后軸的中間部位，且推力桿支架安裝于第五橫梁上，故第五橫梁處是整個后承載系受力最大的部位。另外，對于常規(guī)的雙后橋車型，后承載系承載了約70%的整車總重，故第五橫梁部位承受的扭矩和彎矩為整車之最，由此導致各種可靠性問題頻發(fā)，其中第五橫梁及其加固板開裂對整車的正常使用及行駛安全影響重大。

1、某重型自卸車后承載系可靠性故障描述

1.1 第五橫梁總成下翼面開裂、第五橫梁加固板折彎處開裂，（見圖1和圖2）

2、原因分析

針對上述2.1中的第五橫梁總成、第五橫梁加固板開裂問題，進行如下三個步驟的原因分析。

首先，對目前出現(xiàn)開裂問題的第五橫梁以及車架進行CAE受力分析，判斷是否存在橫梁及車架自身結(jié)構(gòu)強度不足問題而導致。其次，對第五橫梁生產(chǎn)廠家的加工實況，加工方法，工藝能力等進行現(xiàn)場調(diào)查，查找工藝缺陷與不足。最后用標桿分析法，進行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

2.1 第五橫梁CAE分析

考慮第五橫梁受力極限工況，即車輛在緊急啟動加速或緊急制動剎車時，第五橫梁（在整車坐標系下的X向）一側(cè)受拉力，另一側(cè)受推力，力的大小方向均相同，按此工況進行加載并進行CAE分析，分析見下圖3、圖4。

可見，在極限狀態(tài)下（緊急啟動或緊急制動），第五橫梁最大應力為 249Mpa，低于橫梁材料 510L的許用屈服應力355MPa，即該橫梁強度滿足設計要求。但橫梁上窄下寬，根據(jù)力流原理，下部因受力點較多而受力較大，從而可能導致應力集中，疲勞受損、開裂。

2.2 車架總成的CAE元分析

第五橫梁裝配于后懸架正上方的車架上，用于加強車架總成的抗拉，抗壓及抗扭等性能。反之，車架總成的抗扭強度對橫梁也有極大的影響。

滿載總質(zhì)量50T時，車架的有限元分析如下圖5：

可見，在整車滿載50T時，車架總成最大應力為298MPa，最大應力點位于縱梁連接第五橫梁處。縱梁材料為550L，其許用屈服應力為400MPa，強度滿足要求。

超載時（總質(zhì)量63T時）有限元分析入下圖6。

可見，在超載重63T時，車架總成最大應力為345MPa，位于第五橫梁折彎處，小于車架的屈服應力 400MPa，強度滿足設計要求，但安全系數(shù)13.75%，存在疲勞損壞的風險。

2. 3 第五橫梁與加固板加工工藝的符合性

通過走訪橫梁生產(chǎn)廠家，對橫梁裝配車間進行現(xiàn)場查看，從橫梁本身加工質(zhì)量作為切入點，進行調(diào)查分析導致橫梁開裂的真正原因。調(diào)查結(jié)果如下：

a.第五橫梁加固板折彎角核對。

可見，第五橫梁加固板折彎角不符合設計要求。b.第五橫梁加固板與橫梁的貼合間隙調(diào)查。

可見，該加固板加工時，工藝控制不能滿足產(chǎn)品圖紙所規(guī)定的垂直度要求，導致該加固板在裝配完成后，普遍存在2～3mm的間隙，部分間隙可達 5mm。從而導致加固板未起到與橫梁面貼合共同抵抗外力的作用，車輛在使用過程中該加固板自身始終受到推力桿支座傳遞來的推、拉往復力，進而導致該加固板過早開裂。

2. 4 車架與推力桿支座與競品的對比分析

a.車架與某競品的對比；建立某車架3D數(shù)模，在相同載荷和約束的情況下，競品車架的應力分布明顯要較故障車的均勻（見圖13），極限工況下最大應力173MPa。

b.推力桿支座結(jié)構(gòu)與某競品的對比；故障車輛的推力桿支座是采用沖壓加拼焊的方式組合裝配（見下圖 14），而國內(nèi)其他競品為整體式的鑄件（見圖 15），支座上端面直接與橫梁相連，支架結(jié)構(gòu)更加合理，受力更加的均勻。

3、優(yōu)化方案及驗證結(jié)果

3.1 優(yōu)化第五橫梁結(jié)構(gòu)

由上窄下寬的非對稱結(jié)構(gòu)改進為上下翼面等寬結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后下翼面應力可降低 20%。橫梁優(yōu)化 CAE分析應力圖對比如下圖16與圖17：

3.2 工藝管控

供應商對第五橫梁加固板沖壓成型模具進行整改，在生產(chǎn)加工時，嚴格保證加固板折彎處R角符合圖紙設計要求，確保裝配到整車上的加固板為合格件；

3.3 推力桿支座優(yōu)化

將推力桿支座由沖壓拼焊改為整體式鑄造（見圖 18），改善其與橫梁連接的接觸間隙，優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)，使受力更加均衡，增加承受推力的強度。優(yōu)化后的應力分析見下圖 19和圖20。

3.4 市場驗證

為了驗證方案的有效性，我們在山東改裝了8臺車用于運輸土石方；在西北地區(qū)改裝了10臺車用于挖山開礦，然后對用戶的使用情況進行跟蹤反饋，歷時9個多月，平均行駛歷程20000多公里，未曾發(fā)生一起類似的可靠性故障，充分驗證了整改的有效性。

4、結(jié)束語

通過對某重型自卸車后承載系—第五橫梁及其加固板開裂等問題的調(diào)查研究，從零部件結(jié)構(gòu)，到加工工藝，以及相關的理論分析，利用CAE輔助分析手段，成功的找到了問題的根源所在，并針對性的提出了有效的優(yōu)化方案，從設計源頭解決了故障點，積累了解決承載系可靠性故障的經(jīng)驗，為進一步開發(fā)高質(zhì)量、高品質(zhì)的產(chǎn)品打下堅實的基礎。

[1] 唐劍.鋁合金熔煉與鑄造技術。冶金工業(yè)出版社。(2009-09).

[2] 徐灝.機械設計手冊第三卷[M].北京：機械工業(yè)出版社.1991。

[3] 王望予.汽車設計[M].北京：機械工業(yè)出版社.2000.

[4] 張勝蘭.基于 HYPERWORKS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術. 北京：機械工業(yè)出版社.2007.11.

[5] 張云杰. UG NX 6.0中文版零件與裝配設計（配光盤）. 北京：清華大學出版社.2010.11.