商务车发动机前悬置支架的优化设计

金安鹏

摘 要：商务车是一种多功能交通工具，其发动机前悬置支架的设计对于车辆的性能和安全具有重要影响。本研究旨在优化商务车发动机前悬置支架的设计，提高车辆的整体性能。通过对商务车前悬置支架的结构进行分析和研究，确定其在车辆运行中的受力情况和工作原理。然后，运用有限元分析方法，建立发动机前悬置支架的三维模型，并模拟不同工况下的应力分布和变形情况。基于有限元分析的结果，针对发动机前悬置支架存在的问题，提出优化设计方案。通过改善支架的结构和材料选择，降低支架的重量，提高了刚度和强度。同时，采用减震装置和隔振材料，有效降低振动和噪声。通过对优化设计方案的验证和实验测试，证明新设计的发动机前悬置支架在性能和安全方面的显著改善，优化设计后的商务车发动机前悬置支架具有良好的抗震性能和减振效果，提高车辆的操控稳定性。

关键词：商务车 发动机前悬置支架 优化设计

1 引言

商务车作为一种重要的交通工具，在现代社会中起着重要的作用。而商务车发动机前悬置支架作为商务车发动机的重要组成部分，是发挥商务车使用性能的关键点。但在实际使用过程中，商务车发动机前悬置支架存在废渣问题，如振动、噪音、失稳等问题。因此，研究人员要加强商务车发动机前悬置支架的优化设计研究，有效改善商务车的使用性能。基于此本文旨在通过对商务车发动机前悬置支架的优化设计研究，提出一种改进方案来解决现有问题。本研究意义在于提高商务车发动机前悬置支架的性能和舒适性，满足用户需求，通过优化设计，降低商务车发动机前悬置支架的振动和噪音，提高驾乘舒适性；优化设计还可提高商务车发动机前悬置支架的稳定性，减少安全隐患；优化设计还苯酚降低商务车发动机前悬置支架的能耗，提高燃油利用率，降低运营成本。在本文中，将通过对商务车发动机前悬置支架的优化设计研究，探索解决现有问题的方法，并提出改进方案。希望本研究为商务车发动机前悬置支架的设计和制造提供参考，进一步推动商务车行业的发展。

2 商务车前悬置支架的基本结构

商务车前悬置支架是指安装在商务车前部的重要组成部件，其基本结构包括悬挂系统、转向系统、制动系统、阻尼系统等。悬挂系统是商务车前悬置支架的核心部分，主要由弹簧、减振器、悬挂臂等环节组成。弹簧起到支撑车身重量和减震的作用，根据车辆负载的不同进行调整；减振器则用于消除车辆行驶过程中产生的震动和颠簸，提高乘坐舒适性；悬挂臂连接车轮和车身，起到支撑车轮运动的作用。转向系统包括转向节、转向杆、转向机构等。转向节连接车轮和转向杆，通过转向杆传递驾驶员的转向指令，使车辆能按照驾驶员的意愿进行转弯；转向机构则将转向杆的转动转换为车轮的转动，实现车辆的转向功能。制动系统有刹车盘、刹车片、刹车钳等。刹车盘固定在车轮上，当驾驶员踩下制动踏板时，刹车片被压紧到刹车盘上，通过摩擦力将车轮减速或停止；刹车钳则负责施加压力，使刹车片与刹车盘紧密接触。阻尼系统主要由减振器和液压缓冲器组成。减振器通过消耗车辆行驶过程中产生的震动和颠簸的能量，提高乘坐舒适性；液压缓冲器则通过调节液体的流速和阻尼力，控制车辆行驶过程中的阻尼效果，保证车辆的稳定性。

3 发动机前悬置支架几何模型

商务车作为一种重要的商用交通工具，在商业领域中扮演着重要的角色，商务车的发动机前悬置支架是其重要的组成部分，对于商务车的稳定性起着关键作用。商务车发动机前悬置支架的几何模型是根据车辆的设计需求进行确定，其主要功能是为了固定发动机，使其能在车辆运行过程中保持稳定。发动机前悬置支架的设计考虑多个因素，包括车辆结构、发动机重量、车辆行驶状态等。商务车发动机前悬置支架的几何模型通常由多个组件组成，包括悬置臂、支撑杆、连接件等。悬置臂是连接发动机和车辆底盘的主要组件，其长度和形状根据车辆设计要求进行确定；支撑杆用于固定悬置臂和车辆底盘之间的连接，确保发动机在车辆行驶过程中的稳定性；连接件用来连接悬置臂和发动机，使其能固定在一起。

商务车发动机前悬置支架的几何模型还要考虑到车辆的悬挂系统和转向系统等其他组件的要求，这些要求涉及到悬挂系统的行程和刚度，以及转向系统的灵活性。只有在考虑到这些因素的情况下，才能设计出适合商务车的发动机前悬置支架几何模型。例如：在UG软件中，工作人员将悬挂模型文件以IGES数据格式分别保存。接下来，他们打算将该文件导入Hypermesh软件，导入一个三维立体模型，即图1所示的发动机前悬挂。这款车型由上承重板、中承重板和下承重板共计6个部件组成，其中左右两侧各有一个部件。此外，左右两个框架还需要与副框架进行焊接。为了完成上述任务，工作人员将使用Hypermesh的前处理功能，导入模型后对网格进行划分。

4 有限元模型的建立

对于发动机前悬置支架来说，通过CAD软件进行几何建模，包括确定支架的尺寸、形状、连接方式等。在建模过程中，要根据实际情况考虑支架的各部分，如横梁、支撑杆等，还要考虑支架与发动机和车身的连接方式，如螺栓、焊接等。同时，建立有限元模型需要确定材料特性和边界条件。对于商务车发动机前悬置支架来说，常用的材料包括钢材、铝合金等。在建立模型时，要获取相关材料的力学性能参数，如弹性模量、屈服强度、泊松比等，且确定边界条件，如支架与发动机的连接方式、约束条件等。接下来，进行网格划分，限元模型是基于离散化的原理建立的，所以要将连续的支架结构划分为离散的有限单元。在划分网格时，要根据支架的几何形状和应力分布进行合理划分，保证模型的准确性[1]。

根据前面获取的材料从而性能参数，将其输入到有限元模型中，科学定义支架材料的机械行为，准确地输入材料参数，保證模拟结果的准确性。在有限元模型中，需要对支架施加适当的载荷和约束条件，以模拟实际工况下的受力情况。根据加载和边界条件，使用有限元软件进行求解，得到支架的应力、位移和变形等结果。研究采用PSHELL单元进行网格划分后，对划分后的网格进行检查，发现符合要求0.7的总体质量指标为0.71，达到了网格质量要求。此外，该模型的单位总数为18395个，点位为18846个，完全的有限元模型是通过焊接单元模拟零件之间的连接而成的。

5 发动机前悬置支架的有限元分析

5.1 边界约束和载荷处理

边界约束是有限元分析中不可忽视的因素，正确地定义边界约束能准确模拟实际工况下的受力情况，对于预测前悬置支架应力具有重要意义。通常边界约束包括固定约束和位移约束，固定约束是指将支架的某些部分固定在空间中，如固定在车身上、与发动机底座相连，真实模拟实际安装的情况；位移约束是指对支架的某些位置施加位移限制，模拟实际受力情况下的变形。通过合理定义边界约束，减少计算量，提高计算效率，确保有限元分析结果的可靠性。而载荷处理是有限元分析中的关键要点，在实际工况下，前悬置支架承受着来自发动机的重量、振动力、动态载荷等多种载荷，准确模拟这些载荷对于前悬置支架应力分析至关重要。在有限元分析中，载荷可通过静态加载或者动态加载来施加。静态加载是指将固定值的力或者压力施加在支架上，从而模拟静止状态下的受力情况；动态加载是施加变化的压力，在一段时间内模拟振动实际工况下的载荷。通过合理选择载荷类型，并根据实际工况进行加载，真实模拟前悬置支架在工作状态下的受力情况[2]。

作为新车初期开发的分析数据，各大知名车企根据道路状况、使用环境、地域等不同因素，总结出各种汽车行驶情况，共计28种标准工况（如表1所示）。为了进行模拟分析，他们应用ADAMS动力学软件，根据动力总成悬挂系统的硬点布置，建立了相应的模型。通过模拟分析各种工况，他们提取出了载荷数据，从中提炼出了6种更常见的工况，以便进行CAE分析。在处理边界约束时，在与副车架连接的区域上施加六自由度完全约束，并在与引擎连接的硬点上施加负荷，保证悬挂系统的布置结构的准确性。

5.2 强度计算结果与分析

利用INP格式导入ABAQUS分析软件进行网格划分的前悬支架模型，在5G向下和3G向右的工况下，通过计算得到最大的应力。这个最大应力值达到370MPa，位于右挂支架安装孔洞处，这是由于连接橡胶部件连接处，整个支架受力状况低于250MPa而产生的应力集中现象。这种最大应力值虽然比材料的屈服应力要小，但由于高应力分布比较集中，容易造成支架的疲劳性损伤，因此在设计上应该进行优化处理，使它的受力水平总体上有所降低[3]。

6 发动机前悬置支架结构优化设计

6.1 确定设计变量

通过对上述悬挂式支架三维模型的分析发现，它是由三个结构件焊接而成，工作人员应将支架的三個结构件分别应用于PART1、PART2和PART3中，作为设计的优化变量来表示（如表2所示）。

6.2 约束条件选择

根据有限元分析的结果，经过一些特定工况下的应力测试，前悬支架承受的力量超过了材料的屈服极限。为了确保设计的安全性，工作人员决定选择悬吊支架材料（SAPH440）的屈服应力作为约束条件，即353MPa。这个决策是基于对悬吊支架所承受的巨大压力的深入研究和分析。工作人员需要保证该结构在任何情况下都能够承受并保持其完整性，以确保人员的安全。因此，工作人员决定采用这个约束条件，以确保前悬支架的可靠性和稳定性[4]。

6.3 前悬置支架的优化分析

工作人员结合以上分析数据，利用支架最高受力的6种工况进行优化分析，推导出支架各环节的断面尺寸，经过Optistruct的迭代（如表3所示）。

7 总结

综上所述，商务车发动机前悬置支架的优化设计对于提高车辆的稳定性和乘坐舒适度具有显著的效果。通过采用新型悬置支架结构，车辆能够更好地应对道路震动，提供更平稳舒适的行驶体验，并降低维修成本。因此，建议商务车制造商在生产中采用这一优化设计，以提高车辆的整体性能和市场竞争力。

参考文献：

[1]曾华玉，陈欣，李强，等.轻客冷藏车前端轮系双压缩机支架开发及发动机强刚度分析[J].专用汽车，2021（12）：108-113.

[2]徐稼航，高新贝，袁帅.某重型柴油机一体式运输支架故障分析及优化[J].汽车实用技术，2023，48（5）：77-80.

[3]黄光华.某重卡动力总成悬置多目标优化及结构设计[D].重庆理工大学，2022.

[4]朱红霞，楼贵东，卓耀彬，等.沙滩车动力总成悬置系统模态分析及优化[J].机械工程师，2021（6）：125-127.