某重型卡車駕駛室前懸托架、支座輕量化設計

曹天津，李榮義，石玢，王剛，徐信萬

（1.陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著機械工業及汽車行業的不斷發展，客戶對燃油經濟性的不斷提高以及車輛載貨量、油耗性能的重視和政府減少CO2排放的要求，把保證車輛零件機械性能的輕量化作為實現節能減排的重要手段，零部件輕量化水平日益成為產品設計及新材料應用的重要內容和衡量指標。在重卡零部件急需要輕量化的時候，對新材料的探索一直在進行著，無論怎樣，對于生活中經常見到的鋁是怎么都繞不過去的，它的低密度，優良的工藝性能慫恿著人們探索著它，對鋁進行壓鑄工藝處理可以提高鋁的機械性能。壓鑄鋁以其在成本、安全、制造工藝等方面的優勢，在汽車輕量化材料中別具一格。

此文以某重型卡車駕駛室前懸置托架、支座為對象，利用有限元分析軟件Hyperworks 對其結構強度進行了多工況分析；在保證零件強度要求的前提下，應用輕型高強度材料的壓鑄鋁對零件進行結構優化，達到了輕量化設計的目標。

1 數據模型的建立

1.1 三維數模的組成

托架、支座作為重型卡車駕駛室前懸置關鍵部件，對駕駛室動靜態支撐、平衡、運行及翻轉有重要的作用。圖1 為某重型卡車駕駛室前懸置總成裝配關系圖，圖2 為該駕駛室前懸置托架與支座裝配關系，其通過螺栓連接駕駛室橫梁總成擺臂支座總成及空氣彈簧減振器總成。

圖1 前懸總成裝配關系

圖2 駕駛室前懸總成

輕量化前前懸托架及支座設計材質為鑄鋼ZG270，它的屈服強度為270MPa，彈性模量210GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。支座設計質量為9.68kg，托架設計質量為12.14kg。

1.2 有限元數據模型的建立

將駕駛室前懸置支座、托架三維實體模型導入Hyper -mesh 軟件中用四面體網格進行網格劃分，建立有限元模型。

2 有限元分析

模擬駕駛室在實際工況的運行狀態及載荷情況，對駕駛室前懸置支座、托架進行各工況下有限元分析。

設定駕駛室自重與駕駛員的總重為1250kg，經分析前懸置承載是總重的3/5，在分析時主要考慮垂直沖擊、制動、轉彎和扭轉的四種工況。具體受力如表1 所示。

表1 駕駛室懸置承載質量

Hypermesh 軟件中按上述工況添加各向計算載荷及駕駛室懸置承載質量，進行各工況下的駕駛室前懸置支架及托架受力分析及安全因子計算。

利用OptiStruct 求解器進行有限元求解，得到前懸置支座、托架的應力云圖，如表2 所示。

表2 前懸支座、托架應力云圖

各個工況下駕駛室前懸支架、托架的最大應力如表3 所示。

表3 各工況下的最大應力（單位：MPa）

經各設計工況、載荷下有限元分析，可以得知：各工況下前懸支座/托架的最大應力均小于材料的屈服強度，安全因子均小于1，該結構滿足強度要求。

3 輕量化設計

經上述分析，各工況下前懸支座、托架有較高的安全系數，結構的靜強度儲備充足。因此，采用高強度鋁材料319s代替原結構材料，優化零件結構達到輕量化的目的。

3.1 輕量化結構

對支架、托架結構進行材料減料設計，減少壁厚及優化結構，綜合考慮實際工程制造需求，在支座、托架的局部倒大圓角，得到圖3 的支座/托架輕量化結構。

圖3 輕量化后駕駛室前懸托架、支座

319s 屈服強度為300MPa，彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，密度為2800kg/m3。

3.2 輕量化后結構驗證

表4 列舉了駕駛室前懸支座、托架輕量化前后的重量變化。

表4 輕量化前后重量對比

將輕量化結構進行有限元建模，并在前述設計

工況下進行靜強度分析，得到輕量化后的前懸支座、托架的應力云圖，如表5 所示。

表5 輕量化后支座、托架應力云圖

輕量化后各設計工況下駕駛室前懸托架、支座的最大應 力，如表6 所示。

表6 輕量化后各工況下的最大應力（單位：MPa）

3.3 輕量化前后安全性能對比

根據輕量化前后應力對比分析，得到各工況下安全系數，如表7 所示：

表7 輕量化前后安全系數對比

3.4 輕量化分析

通過上述對各個工況下最大應力及安全系數分析的結果看出，在相同工況下，輕量化后的駕駛室前懸置支座、托架在各設計工況下的安全系數均大于輕量化前方案結構，并且支座、托架均降重63.4%，從而達到了輕量化設計的目標。

4 輕量化結論

通過根據建立某重型卡車駕駛室前懸置支座、托架有限元模型，借助Hyperworks 進行了多工況靜力學分析，根據分析結果不斷結構優化，最終在結構滿足強度要求的同時實現降重63.4%，達到了零部件輕量化設計目的。對于輕量化應以新材料的應用為主，結構優化為副，以有限元分析為方向才能真正實現輕量化，從而為汽車工業的能源和環境做出貢獻。本文的分析過程及結果為支架類零部件輕量化提供了設計思路，對輕量化設計具有一定的指導意義。