空氣濾清器支架故障分析及優化設計

曹泰峰，周鵬，尚凌潔，曹剛

(1.大運汽車股份有限公司，山西 運城 044000；2.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819)

空氣濾清器支架作為重型商用車動力附件系統的重要組成部分，其主要作用是將空氣濾清器安全可靠地固定在進氣系統中。空氣濾清器支架通過螺栓連接固定在車架上，車輛行駛過程中，空氣濾清器支架承受地面傳來的沖擊載荷，在惡劣工況下，空氣濾清器支架振動加劇，其所承受的瞬時沖擊力大幅上升，同時破壞路面可能使空氣濾清器支架發生共振，進而在應力集中處產生疲勞斷裂。某重型商用車空氣濾清器支架在使用過程中頻繁發生斷裂，且故障模式高度一致。本文采用有限元軟件HyperMesh對該空氣濾清器支架的跳動工況進行靜力學仿真分析，確定其結構缺陷，從而進行有針對性的優化，使其滿足車輛使用性能要求。

1 故障原因分析

對該支架布置形式、結構及斷裂模式進行分析，并采用仿真軟件進行計算，分析其斷裂原因。

1.1 空氣濾清器支架布置形式

受進氣系統結構限制，空氣濾清器布置在車架外側。空氣濾清器支架為長懸臂結構，如圖1所示，通過焊接將支架底座與主體圓鋼管連接為一體，支架底座通過螺栓連接將整體支架固定在車架上。

圖1 空氣濾清器支架布置形式

1.2 故障模式分析

對故障件進行分析統計，發現該類空氣濾清器支架的主要故障模式有支架底座板開裂、支架底座與鋼管焊縫處開裂2種(見圖2、圖3)。該車支架故障主要發生在支架根部靠近車架的位置。

圖2 支架底座板開裂

圖3 支架底座與鋼管焊縫處開裂

車輛行駛過程中，支架頻繁遭受地面向上的沖擊載荷，長懸臂結構使得支架根部容易發生應力集中，在面對坑洼較多的破壞路面時，甚至會出現共振現象。且鋼管與底座焊接處焊縫過多，易發生焊接應力集中，焊接熱量嚴重燒蝕管材，使其機械性能下降，從而導致支架焊縫處容易發生斷裂。

1.3 仿真分析

為找出支架斷裂的原因，按表1所示工況通過HyperMesh軟件對支架進行模態及強度分析，結果見圖4～7。

表1 有限元分析工況

圖4 空氣濾清器支架1階振型圖

圖5 垂向工況下空氣濾清器支架應力云圖(單位：MPa)

由圖4～7可知：該支架1階模態為14.97 Hz，振型為上下擺動；最大應力為237.19 MPa，未超出其最大許用應力355 MPa。

在惡劣工況下，車架會產生更高頻率振動，并直接激勵與之剛性連接的空氣濾清器支架。當激勵源頻率接近空氣濾清器支架1階模態時，空氣濾清器支架易產生共振導致疲勞斷裂。在垂向沖擊工況，最大應力發生在底座與鋼管的焊接處及底座固定孔位附近，與失效模式相符。因此，確定該支架的斷裂原因為焊接處應力超過材料本身的屈服強度。需對底座和支架管進行優化，提高其整體剛度，降低最大應力，從而保障其可靠性滿足使用要求。

圖6 制動工況下空氣濾清器支架應力云圖(單位：MPa)

圖7 轉向工況下空氣濾清器支架應力云圖(單位：MPa)

2 優化設計

針對空氣濾清器支架斷裂原因，通過更換鋼管結構、優化支架組合工藝等對其進行優化設計。

2.1 優化設計方案

圖8為優化前后支架方案。優化后方案采用矩形鋼管與鈑金折彎板組合結構，矩形鋼管直接固定在車架上，鈑金折彎板用于安裝空氣濾清器總成。組合支架采用螺栓螺母連接，避免焊接加工導致的支架焊接應力集中。優化后支架質量及成本降低20%左右。

圖8 支架設計方案對比

2.2 仿真分析

根據對該支架故障斷裂部位及車輛經常行駛路況的分析，確定該支架的仿真分析工況為垂向8g沖擊工況。在該工況下進行仿真分析，優化前后支架的最大應力見圖9，1階模態見圖10，仿真分析結果見表2。

圖9 優化前后支架的最大應力(單位：MPa)

圖10 優化前后支架方案的1階模態

表2 優化前后支架仿真分析結果對比

由表2可知：優化方案的最大應力為137.47 MPa，遠低于原方案；優化方案的1階模態為21.46 Hz，大于破壞路面的激勵范圍15～20 Hz，可避免因共振產生疲勞斷裂。

3 試驗驗證

為驗證優化方案的可靠性和仿真分析結果的準確性，對優化后支架進行模態測試、臺架振動試驗和破壞路面可靠性試驗。

3.1 模態測試

對優化后支架進行模態振動測試，測試方法為錘擊法，測試優化后支架前3階模態。圖11為空氣濾清器支架模態測試幾何模型，優化后支架各階模態和振型見圖12，模態測試結果見表3。

圖11 空氣濾清器支架幾何模型

圖12 優化后空氣濾清器支架各階模態

表3 優化后空氣濾清器支架模態測試結果

由表3可知：優化后支架的1階模態為20.4 Hz，與仿真分析結果基本相當，可滿足車輛使用性能要求。

3.2 臺架振動試驗

為驗證優化方案是否滿足使用要求，同時縮短驗證周期，對優化后支架進行臺架振動試驗，試驗結果見表4。

表4 優化后空氣濾清器支架臺架振動試驗結果

經過臺架振動試驗驗證，在33 Hz、67Hz振動頻率和不同加速度條件下，優化后空氣濾清器支架均未出現斷裂現象，優化方案滿足要求。

3.3 破壞路面可靠性試驗

為驗證優化方案的可靠性，搭載整車進行6 000 km破壞路面可靠性試驗。結果顯示，優化后空氣濾清器支架未出現開裂故障。

4 結論

針對空氣濾清器支架斷裂問題，先從故障模式入手分析其故障原因，然后通過仿真分析確定故障原因。對支架結構進行優化，提高其剛度和強度，從而提高其可靠性。最后通過臺架試驗及破壞路面可靠性試驗對優化方案進行驗證，確定優化后結構可滿足車輛使用性能要求。根據售后反饋結果，優化后結構斷裂現象明顯減少。通過該空氣濾清器支架的優化設計，得到以下結論：空氣濾清器支架設計中應避免過多焊接結構；矩形管結構優于圓管焊接結構。