基于Hyperworks的重卡氣室支架結構優化設計研究

干慧

（合肥職業技術學院，安徽 合肥 230012）

作為支撐氣室的主要零部件，氣室支架的性能需要跟隨重卡的發展要求進行強化，但若盲目的對氣室支架進行加厚加大設計，就會使得氣室支架變得笨重，不符合現如今的輕量化發展目標，使之失去市場競爭力，但若設計單薄，則會使得氣室支架因整體結構強度不足而存在斷裂的可能，在此背景下，本文立足于亟需解決重卡氣室支架輕量化和高性能的平衡這一現狀，根據發明問題解決理論（TRIZ），結合實際的工況問題，采用建模、分析軟件，對重卡氣室支架進行結構優化設計，旨在獲得氣室支架結構的最優解。

1 礦用重卡氣室支架現狀

為保障礦區重卡在惡劣路況下制動性能的可靠性，彈簧制動氣室的氣壓值由原先的0.8MPa提升至1MPa，其產生的推力大幅度增長，整車對氣室支架的強度有了更高標準的要求，故有必要對現有的氣室支架進行受力分析。現以某公司的一款氣室支架為研究對象，采用Hyperworks有限元分析對其進行受力分析，以確定該型號氣室支架的可優化空間。

1.1 氣室支架概述

氣室支架的安裝示意圖如圖1所示，氣室支架主要用于連接氣室與橋殼總成，支撐安裝凸輪軸，配合調整臂完成制動作業，因此合理的氣室支架結構不僅能夠提高其自身的壽命，而且還能夠保障整車制動的平穩性，但由于礦用重卡，運行的路面凹凸不平，需要頻繁的進行啟動制停，在此過程中氣室支架會因受到沖擊載荷而存在斷裂的風險，因此在對氣室支架展開輕量化設計時需充分考慮到其強度問題。

圖1 氣室支架的安裝示意圖

1.2 氣室支架模型的建立（優化前）

依據氣室支架的結構尺寸，采用Inventor三維軟件構建氣室支架的立體模型，如圖2所示：

圖2 氣室支架（優化前）

1.3 氣室支架材質參數

氣室支架的材質為QT400-10，材質參數如下表1所示：

表1 QT400-10材質的參數

1.4 受力情況

當重卡進行制動時，彈簧制動氣室會產生一個推力作用于氣室支架上，此推力為氣室支架主要承受的作用力，其余受力情況可以忽略不計，氣室支架匹配的橋型使用的是30/24規格的氣室總成，如圖3所示，在1MPa的氣壓下，氣室總成輸出的推力數值為19000N。

圖3 行程-推桿力特性曲線圖

1.5 受力分析

將氣室支架模型導入Hyperworks有限元分析軟件中進行網格劃分，經過網格劃分后，模型共產生了209475個節點和1036146個單元。對氣室支架的有限元模型進行約束和加載，如圖4所示：

圖4 氣室支架受力分析圖

1.6 結果分析

氣室支架的應力分布圖如圖5所示，其最大應力值260.9MPa主要位于氣室支架支撐面板過渡區，基本滿足重卡的使用需求，存在結構設計過剩的現象，需對其進行結構優化。

圖5 氣室支架應力分布圖（優化前）

2 基于TRIZ理論的氣室支架輕量化研究

2.1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論是將工程問題轉化為固定的問題形式，然后根據TRIZ問題模型選擇相應的求解工具，從而得到問題的解，它解決問題的流程如圖6所示：

圖6 TRIZ解決問題的流程圖

TRIZ理論總體上共有四個可解決問題的模型，即物理矛盾性問題的模型、技術矛盾性問題的模型、物場矛盾性問題的模型和知識力使用問題的模型。

物理矛盾問題是指對同一個參數的兩種不同要求,針對這類問題,它的主要解決途徑之一就是采用分離原理,即通過時間的分離、條件的分離、整體和組成部分之間的分離以及空間的分離等方式來解決具體問題。

技術矛盾問題在處理具體問題時會將其轉化為技術矛盾問題模型后，模型中包含著兩個相互矛盾和制約的參數，采用矛盾矩陣的方式找到相應的發明原理，以此提供解決思路。

物質場問題是兩種物質的一個場的結構信息是有問題的。針對有待解決的實際問題，首先建立問題的初始物質場模型，然后根據具體問題，在標準解系數中找到具體解決方案。

知識利用問題就是要靠尋找一種科學的方式以及原理來實現技術體系功能。

2.2 基于TRIZ理論的氣室支架輕量化方案

本項目采用TRIZ理論中的技術矛盾問題模型來解決氣室支架輕量化的設計問題。依據氣室支架強度/可靠性和重量矛盾的技術參數，在阿奇舒勒矛盾矩陣中查閱發明原理，得到了以下幾個改進方案：

在氣室支架受力較小的部位進行開槽；

在氣室支架應力集中的部位增加加強筋結構；

改進連接圓弧尺寸，降低應力值；

將氣室支架的材質由QT400-10改為QT450-10。根據上述改進方案，對氣室支架的結構以及材質進行改進，改進后的模型如圖7所示。

圖7 氣室支架（優化后）

2.3 氣室支架優化前后的性能對比

根據氣室支架的應力分布圖顯示，如圖8所示。優化后的氣室支架的最大應力值為127.9MPa，安全系數3.52，相較于改進前的氣室支架其應力降低了51%，氣室支架的性能得到了明顯的提升，且氣室支架的重量也由原來的10.052kg降低到了8.098kg，實現了氣室支架的輕量化目標。

圖8 氣室支架應力分布圖（優化后）

3 結語

本文以平衡氣室支架重量和質量為切入點，對氣室支架展開了優化設計并得到了以下的結論：

（1）通過有限元分析，明確了現有的氣室支架剛度、強度基本能夠滿足重卡氣壓值提升所需的使用要求，存在可優化空間。

（2）根據TRIZ技術矛盾問題模型，確定了氣室支架的優化方案，并通過了有限元分析的驗證，優化后的氣室支架相較于改進前性能提升了51%，重量降低了19.5%。