截面优化在某商用车前轴轻量化设计中的应用

杨万杰　孙艳　邱立校

摘 要：理论分析明确商用汽车前轴在制动工况下的受力，确定影响前轴安全系数相关的前轴截面，然后利用有限元分析软件ANSYS Workbench对商用汽车前轴进行有限元分析，以前轴结构总质量最小为目标，在保证前轴疲劳寿命前提下，对前轴截面进行设计优化，最终确定优化方案，达到降低前轴重量的目的。

关键词：前轴 轻量化 截面优化 有限元

1 引言

随着“双碳”目标的提出，对商用汽车也提出了低燃油消耗、高动力输出的要求。为落实此项要求，对商用汽车零部件的轻量化技术也提出了更高的要求。

世界铝业协会报告指出：车身自重每减少10%，可降低油耗6%～8%，降低排放5%～6%。結合商用汽车结构特点，簧下质量降低更有助于节能、减排。

当下，轻量化技术主要包括三个方面：新材料应用；新的制造技术；新结构优化设计。基于工程对成本的考量，新结构优化设计成为轻量化措施最理想的方案。

前轴作为汽车底盘系统主要的承载部件，重量最大，相对其他部件在整车上的服役时间最长，甚至远超出商用汽车的报废年限，从某种意义上来说，传统的汽车前轴无疑是设计过于保守，浪费了材料。对其进行轻量化设计是对汽车底盘轻量化贡献最大的措施。

商用汽车前轴通过悬架与车架相连，两侧装有从动车轮，起承载、行驶、制动、转向功能。商用车前轴两端近似为方形，中间为向下弯曲的工字型（或圆形，本文主要研究工字型前轴轻量化），如图1所示。其结构利于降低车辆重心，保证了在制动时可承受较大的弯矩和扭矩。

前轴在汽车上匹配后，根据汽车的运行过程，前轴主要在以下三种工况下受力：动载工况、侧滑工况和制动工况。在这三种工况中，制动工况下前轴所受应力最大，最容易弯曲变形或断裂失效。所以制动工况下前轴安全即可保证整个使用过程安全，为研究前轴在制动工况下的安全性，本文首先对前轴在制动工况下受力进行了理论分析，建立强度与材料应力关系，然后根据产品结构与强度影响因素对其进行截面优化。其次利用三维建模软件Solidworks绘制前轴三维模型，然后将其导入有限元分析软件ANSYS Workbench中进行分析；再进行实物台架，最后得出可靠性更高、重量更低的前轴。

2 商用汽车前轴受力分析及强度计算

2.1 制动工况前轴受力分析

制动工况是汽车在行驶时紧急刹车，此状态下前轴左右两侧所受铅直力ZL1、ZR1，制动力XL1、XR1相等，其受力如图2所示：

其大小分别为：

（1）

式中：G1——前轴载荷；

MZ1——制动时前轴荷重新分配系数；

φ——轮胎与地面的附着系数；

计算制动时前轴荷重新分配系数MZ1：

2.2 制动工况前轴力矩分析

当汽车停止在水平路面上时，其力矩平衡如图3所示：

A点力矩平衡，其平衡方程为：

（2）

同理，当汽车制动时，A点力矩平衡，其平衡方程为：

（3）

式中：Ga——汽车满载总质量；

L——汽车轴距；

b——汽车质心到后轴接地点距离；

hg——汽车满载时的质心高度；

G'——制动时，前轴轴荷；

将（2）带入（3）

（4）

（4）式中即为制动时前轴荷重新分配系数mz：

制动工况下，前轴在铅直面弯矩、水平面弯矩及扭矩图如图4所示：

图4：n——轮胎接地点到受力面的距离

通过图4可得：前轴板簧座中间截面C-C在铅垂面的弯曲应力σ1，水平面的弯曲应力σ2最大，其值为：

（5）

（6）

式中：M1——C-C截面铅直弯矩；

M2——C-C截面水平弯矩；

W1——C-C截面铅直弯矩抗弯截面系数；

W2——C-C截面水平弯矩抗弯截面系数；

2.3 前轴抗弯断面系数分析

前轴弯曲应力最大的截面为C-C，其铅直弯矩抗弯断面系数、水平弯矩抗弯断面系数图分别如图5、图6所示：

（7）

（8）

2.4 前轴C-C截面应力计算

从工字型结构可以发现，弯曲应力σ1，水平面的弯曲应力σ2发生在同一点时，方向相同。最大应力σs为汽车前进方向工字型的下端中点位置，此时：

（9）

判定轻量化条件：

当σs≤[σ]时，前轴安全，存在轻量化空间。

3 商用汽车前轴截面优化

3.1 模型建立

为便于研究，将前轴工字梁简化为下图标准工字型状态，如图7：

从工字型截面模型，可以建立截面参数与应力、挠度、质量的关系，以确定各截面灵敏度。

中性面位置：

（10）

质量：

（11）

3.2 前轴分析

已知某载货车前轴载荷5.5T，选材为50#，所配车型为4X2载货车，车货总质量42T，轮距2080mm，轮胎径力半径507mm。

将基础前轴截面按减小浮动20%（表1），计算出其在额定载荷下应力、质量各变量偏导，得到变量的灵敏度。结果如下：

通过公式（8）计算应力变化值，如（表2）

通过公式（10）计算质量变化值，如（表2）。

综合表（1）（2）（3）结果，前轴截面对应力的灵敏度排序为b1、h1、b2、h3、b3、h2；对质量的灵敏度排序为b1、b2、b3、h3、h1、h2。

综上所述降低工字梁上、下翼面厚度可以降低中性面，使前轴材料承受拉应力，降低前轴底部应力。提高安全性。

4 有限元模型及分析方法

为准确仿真前轴截面优化后在制动工况下的安全性，根据其工作状态进行有限元分析，具体仿真结果如图8所示：

此三维模型包括前轴带转向节，转向节带一体化组合轴承和转向节销等。前轴材料为50#，密度7850kg/m3，弹性模量200GPa，泊松比0.3，屈服强度500MPa。

CAE分析制动工况下最大应力356.64MPa，安全系数1.4，符合机械部件安全系数大于1.2的标准要求。

5 前轴台架测试

在前轴疲劳寿命试验机上根据QC/T513-1999《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》；QC/T494-1999《汽车前轴刚度试验方法》；QC/T483-1999《前轴垂直弯曲疲劳寿命》相关标准，模拟前轴加载状态的疲劳试验。如图9：

按制动力状态力值进行加载，截面优化前轴试验3件产品均超过80万次，满足国家标准要求。

6 结语

通过对前轴在最危险工况下的受力和力矩平衡分析，可以计算出其所承受的最大应力值，结合产品选材[σ]，得出轻量化的可行性分析；通过对额定载荷5.5吨前轴截面参数与应力、挠度、质量的关系，可以确定各截面对应力的灵敏度排序，确定上、下翼面厚度优化可以显著降低产品质量，对应力的影响较小。

对材料进行特定调质工艺处理，其应力值与[σ]相当，并有符合设计标准的安全储备系数。利用有限元法，结合分析软件ANSYS Workbench进行仿真分析，对前轴截面进行优化，实物测试结果满足标准要求。从理论到实际生产实现了前轴轻量化的结构改进。

通过前轴截面优化，额定载荷5.5吨前轴可降重13Kg/件，实现降重12%，在生产上实现了降本。该技术可推广至汽车底盘其他承载部件进行轻量化研究。

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