關于重卡車橋輪邊氣室支架有限元分析及優化

蘆鑫，蔡明，王震，王靜，程遙

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

前言

隨著我國近年來汽車產業的迅速崛起，已然成為我國國民經濟只支柱產業之一。重型卡車作為汽車產業的一部分，也得到了空前發展，其市場保有量持續增高。由于重型卡車的承載力大而且路況多變，在行駛過程中一些重要零件結構需持續優化改進，以滿足可靠性要求，防止售后故障多發，保證行車安全。

1 背景分析

目前重型卡車大體分為：自卸車、牽引車、載貨車等。本文所分析的輪邊氣室支架為左右對稱件（以下皆以左件分析）。其失效模式主要體現在自卸車和牽引車上。失效模式主要為裂紋和斷裂。

該失效模式主要是由整車在工況多變、承載過大的情況下，司機的頻繁制動導致了輪邊氣室支架剛性不足，應力偏大引起。

2 輪邊氣室支架優化方案

通過對輪邊氣室支架舊結構建模分析，根據分析結果并結合輪邊氣室支架失效模式，以及考慮重量不變的情況下對其結構進行CAE優化改進，通過結構的設計改進從而增強該輪邊氣室支架的支撐剛性、降低其售后故障率。（舊結構如圖1；新結構如圖2）

圖1 輪邊氣室支架舊結構

圖2 輪邊氣室支架新結構

3 有限元分析

3.1 材料說明

新輪邊氣室支架結構在材料不發生變化，仍沿用QT450。材料特性如表1。

表1 新輪邊氣室支架結構材料特性

3.2 有限元模型加載說明

有限元模型基于Croe三維幾何模型建立。有限元模型采用車輛前進坐標系，X軸指向車輛前進方向，Y軸指向前進方向的左側，Z軸豎直向上。采用mm，s,t有限元常用單位制。由于該輪邊氣室支架屬于實體結構，采用10結點四面體單元劃分網格。該輪邊氣室支架只在車輛制動時受氣室的反推力，數值如下：

以24''氣室為例，氣壓為1MPa。

A——氣室膜片有效面積；

P——氣室制動氣壓；

F——制動力

所以完整的舊、新輪邊氣室支架有限元模型分別為圖3、圖4：

圖3 舊結構有限元模型

圖4 新結構有限元模型

3.3 舊、新輪邊氣室支架應力云圖比較

當整車制動時，舊、新輪邊氣室支架制動工況下應力云圖分別為圖5和圖6。

圖5 舊結構應力云圖

圖6 新結構應力云圖

表2 新舊結構輪邊氣室支架在制動工況下最大應力

通過對舊、新輪邊氣室支架制動工況下應力云圖對比分析可知，舊結構在制動時的最大應力遠遠大于QT450材料本身屈服強度310MPa，且與故障模式一致，通過CAE結構優化，新結構輪邊氣室支架在制動工況下最大應力均小于QT450材料本身屈服強度，滿足使用強度要求。

4 結論

通過對舊輪邊氣室支架的CAE建模分析，同時針對其市場失效模式以及保持重量不變的情況下，對其舊結構進行了優化改進。新輪邊氣室支架在制動工況下應力分布均勻且都遠遠小于材料本身屈服強度，較原結構有了較大改善，滿足設計需求，從而大幅度提高了該氣室支架的使用壽命、減少了用戶保養維護費用，現已批量裝車使用。