关于悬臂类支架轻量化设计的研究

郭宇，刘俊（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200)）

关于悬臂类支架轻量化设计的研究

郭宇，刘俊
（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200)）

摘 要：文章通过对商用车零部件设计过程中使用的两种常用材料的抗弯截面系数进行分析，提出了满足产品轻量化设计的最佳截面类型，为产品的轻量化设计提供参考。

关键词：抗弯截面系数；轻量化设计；悬臂支架

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.007

CLC NO.: U462.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-14-03

引言

目前，由于商用车特殊的车架构造，悬臂支架在整个商用车上应用广泛，在当前高燃油成本，高物流成本的大形势下，采用必要措施降低整车重量，尽量减少材料的使用有积极的意义。目前很多车在运用此类支架时，采用的材料有两种类型：一种是采用圆形截面的钢管，一种是采用矩形型截面的型钢。本文通过对比目前主流的两个截面类型通过对支架的最大抗弯截面模量进行分析计算，得出在承载能力不变的情况下，使支架整体重量最小的截面类型，为悬臂类支架轻量化设计提供参考依据。

在承受弯曲、扭转和压弯载荷的设计中，应在承受已知外载荷的梁，必须在满足强度、刚度、稳定性的条件下求得最小横截面积，在尽可能小的面积上实现大面积惯性矩与阻力矩，也就是说剖面形状因子要达到最大。一般来说，在横截面积相同的情况下，空心型材的面积惯性矩通常比实心横截面的面积惯性矩高出很多，所以在选择材料的过程中应该尽量选择空心材料。对于一个应用性设计，需要重点考虑的是要采用实现尽可能大的面积惯性矩的方法。

1、受力分析

一般情况先悬臂支架安装于车架上主要承受均布载荷和局部集中载荷，简化后受力如下图1所示：

在这种情况下根据叠加原理，当梁上有几项载荷共同作用时，由每一项载荷所引起的梁的支反力、剪力和弯矩将不受其他载荷的影响。梁某一截面上的弯矩就等于每一项载荷单独作用时同一截面上弯矩的代数和，如图所示悬臂梁受集中力F和均布载荷q共同作用，在矩左端为x的横截面上的弯矩就等于集中载荷F和均布载荷q分别单独作用时，该截面上的弯矩−Fx（图2）和（图3）的代数和。

2、不同截面形状对弯矩的影响

W为支架抗弯截面系数；

由公式中可以看出，W值越大，σmax值越小，则支架抗弯承载能力越强。

当材料的抗弯截面系数最大时，材料所受的应力最小，安全系数最高。所以在产品设计过程中，在载荷和安全系数不变的情况下，设计要求在满足强度性能要求的前提下，质量越轻越好，即截面积越小越好，使得材料的抗弯截面系数越小越能够满足轻量化的要求。由其中；W为抗弯截面系数，M为弯矩，为许用应力，可知M= W[ σ ]，即材料许用应力不变的情况下，抗弯截面系数越大零件承受的弯矩越大。

3、圆形截面钢管支架轻量化设计

当α=0时钢管为实心，抗弯截面模量最大，此时使用的材料也上最多的。

当0<α < 1时，令钢管外径D为定值，做如下拟合曲线。

图1 中令D=12，D=22，D=25，D=32，D=40，由上图可知，当a = 0.5左右时，该圆钢的抗弯截面模量最大，但是此时材料的占用比依然很大；当a = 0.6 ~ 0.7区间时，同样材料的抗弯模量下降速度比较平缓，但此时材料消耗比a = 0.5时却降低很多，相比之下在此区间选材，材料的经济性能明显，设计选材时优先推荐在此区间选用，这样可以提高材料的利用率，减少材料使用量；当a = 0.7 ~ 0.95区间时，材料的抗弯模量急剧下降，对于结构设计来说没有任何经济性，所以在设计选材时应该避免在此区域内选用。

4、矩形截面异型管轻量化设计

（1）如图6、图7所示，矩形截面异型管的布置方式有两种，

其中，图6的抗弯截面模量为：

令材料厚度为t，即

故按图6和图7两种相同材料的矩形截面异型管布置时，图6的布置方式可以取得更大的抗弯截面模量，即在设计时矩形管的受力面宽度应该小于非受力面的宽度，这样可以节省材料的使用量。

5、结论

综上所述，本文选用商用车悬臂类支架的两种常用材料进行分析对比，提出了选用此两种材料设计支架时，抗弯截面最大、所用材料最少的一种材料的选用方式，实现产品的轻量化设计。其中，对于圆钢来说，当a 的取值在0.6 附近时，该圆钢的抗弯截面模量最大，所以在设计选材时优先推荐选用a = 0.6附近，这样可以提高材料的利用率，减少材料使用量。对于矩形钢管等异型管来说，当B / H = 0.5左右时，该矩形钢管的抗弯截面模量最大，所以在设计选材时优先推荐选用B / H = 0.5，这样可以提高材料的利用率，减少材料使用量。产品的轻量化设计涉及到产品的选材，结构设计等各方面的因素，本文仅就在使用常规钢材时产品选材的轻量化设计论述，由于篇幅所限本文未能对产品轻量化设计做全面的叙述。

参考文献

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[3] 原思聪.MATLAB语言及机械工程应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4] 王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

Research on Lightweight Design of Cantilever Part

Guo Yu, Liu Jun
( Shaanxi Heavy-Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

Abstract:Based on the section factor of commercial vehicle part used in the design process, in this paper, two commonly used materials were analyzed. the best section type to meet the lightweight design were provided. a reference for lightweight designwere provided in this paper.

Keywords:Section factor; Lightweight design; Cantilever Part

作者简介：郭宇，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，长期从事汽车零部件结构设计方面的开发与研究。

中图分类号：U462.3

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-14-03