基于HyperWorks的攪拌車主減速器框架開裂故障的分析和改進

鄧希來，卿艷青，肖 廈

(三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100)

某4×4攪拌車前、后軸均采用獨立懸架，主減速器框架(后文簡稱主減框)是懸架的重要承重件，承受較大的側(cè)向力和制動力。該車在可靠性試驗過程中，出現(xiàn)主減框開裂故障，本文借助HyperWorks有限元軟件分析主減框受力狀況，查找故障原因并提出改進方案。

1 主減框結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象

主減框結(jié)構(gòu)如圖1所示，前、后主減速器安裝在前、后主減框內(nèi)，主減框安裝在車身下部，懸架采用上下叉臂結(jié)構(gòu)，上叉臂鉸接在車身上，下叉臂鉸接在主減框上。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

該車在某試驗場進行可靠性試驗，試驗里程達到4 000km時，前主減框出現(xiàn)兩處開裂，分別是下叉臂球頭安裝支座(位置一)和支座連接板中間位置(位置二)。開裂位置在圖1中的圓圈處，開裂細節(jié)如圖2所示。

圖2 開裂處放大圖

2 故障原因分析

主減框作為懸架的主要承重件，在轉(zhuǎn)向和制動兩種工況下，下叉臂球鉸處承受較大的側(cè)向力和制動力。而在最大垂直力工況下，下叉臂球鉸處受力較小[1]。本文按轉(zhuǎn)向和制動兩種工況，借助HyperWorks有限元軟件對故障原因進行分析。

2.1 轉(zhuǎn)向工況有限元分析

1)約束。約束主減框與車身連接的螺栓。

2)加載。在整車重心位置按0.6g的轉(zhuǎn)向加速度進行加載，受力方向沿著叉臂方向，如圖3所示[2]。

圖3 約束加載和應(yīng)力情況(轉(zhuǎn)向工況)

3)應(yīng)力情況。經(jīng)有限元分析，應(yīng)力情況如圖3所示。

2.2 制動工況有限元分析

1)約束。約束主減框與車身連接的螺栓。

2)加載。按整車能提供的最大減速度0.7g進行加載，受力方向為車輛行駛方向，如圖4所示[2]。

圖4 約束加載和應(yīng)力情況(制動工況)

3)應(yīng)力情況。經(jīng)有限元分析，應(yīng)力情況如圖4所示。

2.3 有限元分析結(jié)論

由應(yīng)力情況可知，在轉(zhuǎn)向工況和制動工況下，叉臂支座與框體連接處(圖2中位置一)應(yīng)力分別達到208MPa和329MPa，與圖2中開裂位置對應(yīng)。

主減框材料主要為Q345B，屈服強度σs為345MPa，在制動工況下，安全系數(shù)僅為1.05。該零部件屬于車輛底盤安保件，查設(shè)計手冊，安全系數(shù)推薦值n應(yīng)大于等于1.5[3]。

而叉臂支座連接板中間位置(圖2中位置二)兩種工況下應(yīng)力僅為130 MPa和136 MPa，遠小于材料屈服強度。結(jié)合開裂位置一的情況，判定為叉臂支座開裂后，叉臂擠壓和拉伸支座連接板，導(dǎo)致連接板中間薄弱位置開裂。

該試驗場上下坡道和轉(zhuǎn)彎路段較多，車輛制動和轉(zhuǎn)向非常頻繁，再結(jié)合有限元分析結(jié)果，判定設(shè)計強度不足為主減框叉臂支座開裂的主要原因。

3 改進方案及分析

3.1 改進方案

根據(jù)上述故障原因分析，結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，提出以下改進方案：

1)改進點一。改進叉臂支座結(jié)構(gòu)，將受力點延伸到至拐角處，改善應(yīng)力集中情況，如圖5所示。

圖5 改進點一

2)改進點二。在主減框框體內(nèi)側(cè)對應(yīng)叉臂支座處增加加強板，增強框體結(jié)構(gòu)剛度，如圖6所示。

圖6 改進點二

3)改進點三。改進叉臂支座連接板結(jié)構(gòu)，增加連接板強度，如圖7所示。

圖7 改進點三

3.2 改進方案有限元分析

借助HyperWorks軟件，采用與原方案相同的約束、加載對改進后的方案進行分析，應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 改進方案應(yīng)力情況

將改進前和改進后的主減框應(yīng)力值做成表格進行對比，見表1。

表1 改進前、后應(yīng)力值對比 MPa

從圖8和表1可以看出，改進后位置一和位置二的應(yīng)力值都有較大幅度的降低。

改進后主減框最大應(yīng)力為制動工況下的121MPa，主減框安全系數(shù)提高至2.85，大于經(jīng)驗值1.5。

根據(jù)有限元分析結(jié)論，筆者所在的項目組初步認為該優(yōu)化方案有效。根據(jù)改進方案對主減框重新進行設(shè)計、制作并裝車。

4 應(yīng)力測試及試驗

改進主減框并重新裝車后，將該車運往試驗場測試其應(yīng)力，測試位置取原開裂位置，如圖9所示。應(yīng)變片貼片情況及應(yīng)力測試結(jié)果如圖10所示。

圖9 應(yīng)力測試位置

圖10 應(yīng)力片貼片情況及測試結(jié)果

從圖10的應(yīng)力曲線可看出，測試點一在制動工況下最大應(yīng)力值為114MPa，轉(zhuǎn)向工況下最大應(yīng)力值為84MPa，測試值與有限元分析結(jié)果接近。

測試點二在制動工況下，最大應(yīng)力值為24MPa，轉(zhuǎn)向工況下最大應(yīng)力值為34MPa，稍大于有限元分析結(jié)果，但絕對值很小。

該車持續(xù)進行可靠性試驗，試驗里程至12 000km時，主減框仍未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

該攪拌車采用4×4獨立懸架，懸架采用上下叉臂結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)良的通過性能，目前國內(nèi)應(yīng)用非常少。由于攪拌車使用工況的復(fù)雜性，對其懸架的可靠性要求非常高，故應(yīng)對懸架的主要結(jié)構(gòu)件主減框進行詳盡的應(yīng)力分析及測試試驗。應(yīng)力分析的關(guān)鍵是主減框的工況分析，對主減框受力最大或最復(fù)雜的幾個工況進行應(yīng)力分析，找出應(yīng)力最集中或最大的區(qū)域，設(shè)計改進并再計算、比較、再改進直至最佳。但應(yīng)力分析畢竟只是理論計算，有其局限性，故還需進行針對性的應(yīng)力測試和可靠性試驗，持續(xù)的改善才能確保主減框及懸架的安全及可靠性。本文的應(yīng)力分析方法及相應(yīng)的測試試驗方法，對工程應(yīng)用有較為實際的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1] 熊向進.基于HyperWorks的汽車前橋有限元分析[J].電腦知識與技術(shù),2009,5(14):3792-3793.

[2] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪,等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[3] 日本自動車技術(shù)會.汽車工程手冊[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2010.