考慮單扭桿翻轉匹配的載貨車白車身剛度優化設計

顧鴃，李鑫，金偉明

（江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

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考慮單扭桿翻轉匹配的載貨車白車身剛度優化設計

顧鴃，李鑫，金偉明

（江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章以匹配單扭桿翻轉機構的某載貨車白車身為研究對象，在白車身剛度設計中，以扭桿翻轉的設計參數作為輸入和約束條件，分析翻轉機構左右支撐臂間距對白車身扭轉和彎曲剛度的影響趨勢，結果表明翻轉機構左右支撐臂間距是白車身剛度設計中的重要影響因數。

單扭桿翻轉；白車身剛度；支撐臂間距

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.007

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-18-03

引言

我國輕型載貨汽車由于法規及日本歐洲汽車的影響，其駕駛室普遍為平頭式結構，為發動機維護方便性考慮，必然要求駕駛室具備向前翻轉的功能，市場上輕型載貨車都匹配扭桿式翻轉機構來實現駕駛室翻轉［1］，根據駕駛室質量，有單扭桿式翻轉和雙扭桿式翻轉機構兩種結構形式，其中由于單扭桿式翻轉機構簡單，成本低，應用最為廣泛。

單扭桿式翻轉機構對白車身前部始終作用有扭桿力矩［2］，且此力矩主要作用于白車身左側，等同于給予白車身施加扭轉力矩，由于此扭轉力矩在整車正常使用和行駛過程中，將始終作用于白車身上，所以對于匹配單扭桿翻轉的載貨車白車身的扭轉剛度提出了較高的要求，扭轉剛度低將直接導致白車身在正常靜止狀態即存在較大扭轉變形，從而易產生白車身縱梁前部及前地板等區域開裂現象。

本文針對此種情況，在載貨車白車身剛度CAE分析中，考慮到扭桿翻轉的扭桿力設計匹配，以扭桿力矩為約束條件，分析白車身扭轉剛度［3］，并分析翻轉機構左右支撐臂間距對白車身扭轉剛度和彎曲剛度的影響，形成最優方案，指導后續車型白車身剛度設計。

1、載貨車單扭桿翻轉機構工作原理及主要設計參數

1.1單扭桿翻轉機構基本結構及工作原理

單扭桿翻轉機構基本結構如圖1所示，其主要由翻轉左右支座，軸管、左右支撐臂、扭桿和扭桿臂組成，其中左右支座通過螺栓和車架連接在一起，起到支撐駕駛室的作用，其內部設計有減振橡膠，可以有效減弱車架傳遞上來的振動，翻轉機構的主要彈性元件為扭桿，扭桿的兩頭為花鍵，右側通過扭桿臂同右支座連接，左側同軸管連接，而軸管和支撐臂是焊接在一起的，支撐臂通過螺栓和白車身縱梁前部連接在一起。

當駕駛室位于水平鎖止位置時，扭桿力矩將通過支撐臂施加在白車身縱梁上，由于扭桿只有左側同軸管連接，導致扭桿力矩主要施加在白車身的左縱梁上，相當于在白車身上施加一個扭轉力矩。

圖1　單扭桿翻轉機構示意圖

1.2單扭桿翻轉機構主要設計參數

單扭桿翻轉機構位于駕駛室和車架之間，布置時受到兩者約束，本文假定車架不發生變動，僅針對白車身和翻轉機構進行設計匹配。

1.2.1根據駕駛室重量匹配扭桿正常工作力矩：

在駕駛室翻轉過程中，駕駛室重力對翻轉中心形成的重力矩和扭桿力矩與翻轉角度的關系曲線［4］如圖2所示。

圖2　駕駛室重力矩和扭桿力矩與翻轉角度關系圖

T1—駕駛室重力矩（N·m）

T2—扭桿力矩（N·m）

Ts—駕駛員最大上翻力矩（N·m）

Tx—駕駛員最大下翻力矩（N·m）

Ta—扭桿預扭狀態對翻轉中心的力矩（N·m）Tx—扭桿正常工作力矩（N·m）

1.2.2主要物理布置約束尺寸說明

左右支撐臂是翻轉機構和白車身連接件，扭桿力通過支撐臂傳遞至白車身，故白車身的主要承載部分縱梁也設計在此處，并與支撐臂通過螺栓緊固在一起。故左右支撐臂間距代表著白車身縱梁前間距，是翻轉機構的重要物理布置約束尺寸，同時也是白車身的重要約束尺寸。

L—白車身縱梁前部間距（翻轉機構左右支撐臂間距）

LC—車架前端外側間距（mm）

H—減振橡膠寬度（mm）

B—支撐臂和支座間隙（mm），此間隙為預留安全間隙，保證兩者能自由旋轉

C—翻轉機構支撐臂寬度（mm）

2、載貨車白車身剛度CAE分析方法

2.1有限元分析模型建立

根據某載貨車白車身三維數據，利用hypermesh軟件建立白車身的有限元分析模型，其中螺栓連接采用rigids單元模擬，焊點采用spotweld模擬，在兩個零件的點焊位置建立沿法向排列的剛性單元。最終建立的有限元模型見圖 3，其中節點共計 321683個，單元共計 333898個，白車身重量166.5Kg。

圖3　白車身有限元模型

2.2剛度分析約束條件施加

某載貨車設計為單扭桿式翻轉機構，其駕駛室重量為379Kg，根據重點距離和質心角可算出此駕駛室在水平位置時的重力矩T1為2876N·m，考慮到駕駛員人機操作方便性，駕駛員最大下拉力矩 Tx經驗值為 250N·m以內，根據公式 1可得扭桿正常工作力矩T為3126N·m。即該車，在正常行駛過程中，白車身的縱梁前端即翻轉機構安裝處受到翻轉機構施加的扭轉力矩為3126N·m，考慮到此種情況，在白車身扭桿剛度分析中，將翻轉機構施加的扭轉力矩作為其約束條件。

為此，扭轉剛度CAE分析的約束條件為：

約束左右后懸置安裝點處X、Y、Z向平動自由度，在翻轉機構安裝處施加大小相等、方向相反的兩個集中力，形成繞軸3126N·m的扭矩，并在翻轉機構安裝處約束 MPC的 Z向自由度，如圖4所示：

Z1—白車身縱梁左前端變形值

Z2—白車身縱梁右前端變形值

圖4　白車身扭轉剛度約束條件示意圖

彎曲剛度約束條件為：

約束翻轉機構安裝處Z向平動自由度，左右后懸置安裝點處約束X、Y、Z向平動自由度，在主副駕駛員位置分別施加1666N和1666N的垂向載荷；

F—施加到白車身上的垂向載荷

Z3—白車身左縱梁最大變形值

Z4—白車身右縱梁最大變形值

3、基于單扭桿翻轉匹配的白車身剛度優化

3.1考慮到單扭轉翻轉匹配的載貨車白車身縱梁前間距布置區間計算

某載貨車車架外側間距為 760mm，根據公式（2），可計算出白車身縱梁前部間距L最大值為490mm，同時考慮到翻轉機構對駕駛室支撐的有效率，保證駕駛室在行駛過程中的穩定性，此處根據前期車型經驗，設定L的最小值為380mm。即：

3.2白車身縱梁前部間距與白車身剛度關系曲線

以白車身縱梁前部間距L為輸入條件，對白車身彎曲剛度和扭轉剛度進行CAE分析計算，得到白車身縱梁左右前端變形值和白車身左右縱梁的最大變形量，如圖5所示：

圖5　白車身縱梁變形值（Z1、Z2、Z3、Z4）隨白車身縱梁前部間距（L）變化的關系曲線

根據公式（3）和公式（4），可計算得到白車身彎曲和扭轉剛度，如圖6所示。

從圖6中可以看出，即白車身彎曲剛度隨著白車身縱梁前間距L的增加，呈現先上升后下降的趨勢，并在L為440mm時達到峰值，而白車身扭轉剛度則隨著白車身縱梁前間距 L的增加，呈現逐步上升趨勢。

圖6　白車身剛度（Kn、Kw）隨白車身縱梁前部間距（L）變化的關系曲線

3.3基于單扭桿翻轉匹配的白車身剛度優化方案選擇

對于匹配單扭桿翻轉的輕型載貨車，其白車身始終受到扭桿的扭轉力矩作用，因此我們希望在白車身彎曲剛度達到指標值（3000N/m）的情況下，白車身的扭轉剛度能盡量大，以增加其抵抗扭桿扭轉力矩的能力，從而增加白車身壽命。

因此，根據圖6的關系曲線，本文將白車身縱梁前間距L設計為460mm，此時可得到白車身扭轉剛度為6820N·m/°，白車身彎曲剛度為 3232N/m，同時結合白車身開口部變形值的情況，其前風窗和門框對角線變形量都在0.2%以內，可滿足指標要求。

4、結論

1）匹配單扭桿翻轉的載貨車在使用過程中，其白車身除受到路面的激勵外，還始終受到翻轉機構傳遞的扭桿力，受力狀態與普通載貨車有較大區別，故在設計過程中，應重點關注其白車身扭轉剛度，增加白車身抵抗扭轉的能力。

2）考慮到單扭桿翻轉機構與載貨車的匹配情況，在白車身扭轉剛度CAE分析中，將翻轉機構扭桿正常工作力矩作為剛度計算的輸入條件，更有效的反映白車身受力狀態。

3）白車身縱梁前間距即單扭桿翻轉機構支撐臂間距，是載貨車白車身剛度的重要影響因素，白車身扭轉剛度隨白車身縱梁前間距的增加而增加，白車身彎曲剛度隨白車身縱梁前間距的增加呈現先升后降的趨勢，為后續車型白車身剛度優化提供一定的參考價值。

[1] 周福庚等.輕型載貨汽車駕駛室翻轉機構的結構特點及設計.農業裝備與車輛工程,2008(1):13-19.

[2] 祝慧等. 基于某輕卡白車身強度分析的翻轉機構優化. 汽車制造業,2014(5):44-46.

[3] 張繼偉等. 基于 HyperWorks的某轎車白車身剛度分析及優化.科技信息,2011(8):3-4.

[4] 王香廷等. 基于單扭桿結構的車身翻轉匹配設計.農業裝備與車輛工程,2014(11):56-59.

The Optimum Design on Stiffness of BIW in Truck with Single Twist Bar Cab Tilting Mechanism

Gu Jue, Li Xin, Jin Weiming
（Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

With the design parameters of single twist bar cab tilting mechanism as the input and the constraint conditions, the influence of the distance between the supporting arms on the torsion and bending stiffness of truck BIW is analyzed. The results show that the distance of supporting arm in tilting mechanism is an important influencing factor of BIW stiffness design.

Single Twist Bar Cab Tilting Mechanism; Stiffness of Truck BIW; Distance Between The Supporting Arms

顧駃，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U462.2

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1671-7988 （2016）06-18-03