基于HyperWorks的某重卡副簧支架轻量化设计

邢国栋，李海波（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



基于HyperWorks的某重卡副簧支架轻量化设计

邢国栋，李海波
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

采用CATIA三维软件建模，运用HyperWorks对零部件进行有限元分析，对某重型载货车副簧支架进行应力分析，得出分析结果，从分析结果得出可优化部位，在不影响支架可靠性的前提下，实现该支架的轻量化设计。

副簧支架；CATIA；HyperWorks；有限元分析；轻量化设计

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.037

CLC NO.: U465Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-117-02

引言

采用主副簧结构的板簧悬架，在载重量较小时，只有主簧起承载作用，副簧不起作用；当载重量增加的一定程度后，由于副簧与副簧支架接触，从而使主簧与副簧同时作用，增加悬架的承载能力。在保证载货车承载能力及可靠性的前提下，对产品进行轻量化设计，可以减少整车自重，从而实现整车载重量增加。对已有产品进行有限元分析，可以在保证可靠性的前提下，实现零部件的轻量化设计。另外在零部件设计初期，对零部件进行有限元分析，成本较低且大大缩短设计周期。

1、使用状况

副簧支架的装配示意图如下，该件装配在车架纵梁腹面上，通过M14的螺栓固定，车辆满载时，该件与副簧相接触，使副簧产生变形，从而增大板簧刚度，提高整车的承载能力。

2、受力分析

车架空载时，该副簧支架通过4个M14的螺栓安装在车架上，承受螺栓的预紧力，此时该副簧支架未与板簧接触，没有受到来自板簧的力；车辆满载时，支架与副簧接触，额外承受来自板簧的力。

2.1M14螺栓的预紧力

该副簧支架承受螺栓预紧力，产生内应力。

该处螺栓的预紧力矩为T：170N.m，根据螺栓的受力计算可得，螺栓的预紧力为Fx，由下式计算：

由螺栓的紧固力矩的计算公式可得螺栓的预紧力为 F=44471N。

其中：P为螺距1.5mm；

d2为螺栓的螺纹中径取d2min=13mm；

Dkm螺母的等效半径为22.5mm；

摩擦系数μG和μk定为0.2。

2.2副簧传递给该件的力

车辆空载时，副簧的弧高为 77mm；当车辆处在极限工况下，副簧弧高变为-4mm，副簧挠度变化77mm，副簧刚度为456N/mm，计算可得单副簧支架受力为456*77/2=17556N。

3、原件CAE分析

3.1分析过程

该件为对称模型，因此取模型一半进行分析，以减少计算量。

该模型共由四个子件构成：支架模型、车架模型、板簧模型和螺栓模型。其中支架模型采用C3D10M进行离散，车架模型、板簧模型和螺栓模型采用C4D8I进行离散。除螺栓和车架接触面处采用接触来模拟，其余的接触面采用Tie来模拟。固定车架一端，在螺栓处添加44471N预紧力，板簧上施加8778N力。

3.2工况加载

固定车架一端，模型对称面施加对称约束，螺栓模型施加44471N预紧力，在板簧上施加8778N力。

对各零部件进行网格划分，定义各零部件材料属性，然后施加约束条件及载荷。

运用RADIOSS求解器进行仿真分析，获得下图的应力分布图。

3.3应力云图

3.4结果分析

从应力云图中可以看出，去除螺栓孔处不准确的应力，该副簧支架共有两个应力分析点 a点、b点，应力分别为89.4MPa及105.3MPa，该件所用材料为QT450-10，屈服强度为450MPa；从以上参数可得，该副簧支架安全系数在2.9以上，可以满足使用要求。

4、优化件CAE分析

优化件为在原来基础上对零部件结构及厚度进行优化，重量相对于原来件有所减轻。

4.1应力云图

分析过程及工况加载同原件CAE分析，应力云图如下图：

4.2结果分析

从应力云图中可以看出，去除螺栓孔处不准确的应力，两个应力分析点a点、b点处应力分别为81.2MPa及100MPa，优化后所用材料仍然为QT450-10；从以上参数可知，该件安全系数在3.2以上，相较于原来件安全系数更高。

5、结构优化分析结果

表1　

从对比分析中可以看出，优化前零部件重量为5.92kg，优化后零部件重量为3.96，优化后零部件重量相对于原来件少了约33%，且安全系数相对于原来零部件有所增加。

6、结论

本文通过Altair HyperWorks12.0对原副簧支架及优化后支架进行了静强度有限元分析，分别得到了两种状态支架在模拟载荷试验下的应力分布云图。通过对比分析得出，优化后支架不仅在原支架基础上重量有所减轻，可靠性也有所提高。

[1]陈家瑞，汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]邵林，空气悬架推力杆支架的拓 扑优化设计.陕西：2012.

[3]Altair Engineering，Hyperworks 12.0 Help.

Lightweight Desigan of A Heavy Truck Leaf Spring Bracket Based on HyperWorks

Xing Guodong,Li Haibo
(Anhui Jiang Huai Automobile Corp,Anhui Hefei 230601)

Using CATIA 3D modeling software,using HyperWorks for parts of finite element analysis and for heavy-duty truck leaf spring bracket stress analysis.The analysis results from the analysis results that can optimize the site,under the premise of not affecting the reliability of support to achieve lightweight design of the bracket.

Leaf Spring Bracket; CATIA; HyperWorks; Finite Element Analysis; lightweight design

U465

A

1671-7988（2016）08-117-02

邢国栋（1988-），男，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心重型商用车院，从事底盘悬架的设计。