某商用车检修口盖轻量化设计

孙浩，陈晶，白团团，聂琪林

（陕西汽车集团有限责任公司技术中心，陕西 西安 710200）

前言

长头商用车由于其自身结构特点的限制，驾驶室不具备翻转功能，因此，需要在地板上设计检修口盖，方便维修变速箱。检修口盖一般布置在主副驾座椅位置，经常踩踏，因此，检修口盖不仅要满足踩踏刚度要求，还要满足踩踏稳定性的要求，以免因承受过大踩踏载荷而发生屈曲失稳现象，影响用户使用感受。本文利用有限元分析方法，对某商用车检修口盖进行刚度和屈曲分析[1]，掌握踩踏工况下的变形情况[2]，基于此提出轻量化设计方案，以刚度不低于原结构为前提，实现轻量化设计。

1 检修口盖现状

1.1 实车问题

某长头商用车驾驶室在试制试验过程中，变速箱检修口盖无踩踏变形缺陷，踩踏感受牢固可靠，经评估具备较大减重潜力，考虑轻量化设计。原方案如图1所示，零件料厚为2.0mm，轻量化方案如图2所示，结构与原方案相同，料厚减薄到1.5mm。

由于零件型面未发生变化，采用直接减薄进行试制验证，将两种料厚的零件安装到地板上，通过单脚踩踏主观评价减薄前后的刚度变化。原方案实车踩踏感受无明显变形，轻量化方案实车踩踏感受中间位置刚度较弱，发生弹性变形，出现失稳，刚度低于原方案。

图1 原方案

图2 轻量化方案

1.2 静力学分析结果

使用Optistruct软件对两种方案刚度进行求解计算，将变速箱检修口盖10个安装点位置进行全约束[3]，在X型筋交汇位置270×95的载荷区域施加Z向向下1000N的集中力，材料为线性，静力学分析结果如图3、图4所示。

图3 位移云图

图4 应力云图

基于表 1计算结果，轻量化方案重量减少 1.1kg，降重25%，减重效果显著，但最大变形量增大，踩踏主观感受变差，最大应力有所提高，仍在屈服极限范围内。

表1 轻量化前后对比

1.3 非线性屈曲分析结果

使用Abqus软件对两种方案屈曲进行求解计算[4]，将变速箱检修口盖周圈通过节点与地板形成全约束，在X型筋交汇位置270×95的载荷区域施加Z向向下1000N的集中力，材料为非线性，非线性屈曲分析结果如图5、图6所示载荷放大因子曲线，原方案较优。

综合静力学分析和非线性屈曲分析结果，轻量化方案性能降低，存在风险，考虑采用优化结构实现轻量化，定义刚度指标与载荷放大因子不低于原方案。

图5 原方案（2.0mm）

图6 轻量化方案（1.5mm）

2 轻量化优化方案

2.1 优化方法

刚度设计研究结果表明：薄板零件刚度较低时，加强筋设计成Y向，且长度方向与零件短边方向平齐，加强筋累计宽度≈1/2零件总宽度，即筋的间距约等于筋宽度时，截面惯性矩最大，刚度最优。筋的高度值增加，局部刚度增大，同时需考虑零件冲压成型工艺性。

2.2 优化方案

基于优化方法，加强筋优化为Y向筋，累计宽度按照1/2零件总宽度设计，综合考虑布置空间以及工艺可行性高度从10mm提高到15mm，零件料厚减薄到1.5mm，详细结构如图7。

图7 优化方案（1.5mm）

2.3 静力学分析结果

参照 1.2约束、加载方法，优化方案的静力学分析结果如图8所示。

图8 优化方案（1.5mm）静力学分析结果

基于表 2计算结果，优化方案重量减少 1.07kg，降重24.3%，减重效果显著，最大变形量减小，改善效果明显，最大应力高于轻量化方案，但仍在屈服极限范围内。

表2 优化前后对比

2.4 非线性屈曲分析结果

参照 1.3约束、加载方法，优化方案的非线性屈曲分析结果如图9所示载荷放大因子曲线，优化方案的载荷放大因子高于原方案将近1倍，改善效果明显。

图9 优化方案（1.5mm）

3 结论

设计盖板类零件时，考虑特殊工况，采用Opstruct静力学分析和Abqus非线性屈曲分析，综合判断刚度薄弱位置，通过优化加强筋的布置、宽度、高度等方法提高刚度性能。本文结合项目问题，解决了变速箱检修口盖轻量化方案刚度不足导致的踩踏变形问题，实现了轻量化设计，重量下降24.3%，提高了主观评价感受，试制验证后踩踏效果较好，无明显变形。本文采用的刚度优化方法对车身上盖板类零件具有一定的参考价值，可以借鉴应用。