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[轻量化客车] 轻型客车后桥支撑结构设计及轻量化

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发表于 2019-6-3 09:50:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

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轻型客车后桥支撑结构设计及轻量化

江齐乐 1,2,宗志坚 1,2,谭晓军 1,2,高 群 1,2
(1.中山大学 工学院,广东 广州 510006;2.东莞中山大学 研究院,广东 东莞 523000)
摘 要:为满足电动汽车安全和轻量化的设计需求,设计了由底盘纵梁、横梁和板簧支座相互榫接的一种框架式整体受力铝合金后桥支撑结构。通过静载试验,分析其结构强度和刚度,同时联合HyperWorks和ANSYSWorkbench有限元软件建立该结构的有限元模型,并将试验结果与仿真结果对比,校核仿真模型。通过静态有限元分析,得到该结构在几种极限工况下的应力和变形云图,并根据分析结果,提出了该结构的轻量化设计方案。本次优化结果表明,在保证后桥支撑结构刚度和强度的同时,其质量减轻1.92kg,有效节省生产成本,简化工艺流程,为实际设计与制造提供了较好的参考。
关键词:后桥;支撑结构;有限元分析;轻量化

1 引言

后桥是汽车底盘最重要的部件之一,在汽车行驶过程中,其受力状况十分复杂,需要承受来自车体和路面的各种作用力和冲击[1],其结构设计的好坏与底盘各个零部件使用寿命和整车行驶性能密切相关。另外,汽车轻量化越来越备受关注,相比传统燃油汽车,电动汽车对轻量化技术的需求更加迫切[2]。

为此,本单位开发的某款轻量化纯电动客车,针对后桥,设计了一种由底盘纵梁、横梁和板簧支座相互榫接形成的框架式整体受力铝合金支撑结构。目前在后桥结构方面的研究,主要以驱动桥壳为研究对象,有许多学者从结构强度、疲劳特性、振动噪声和轻量化等方面做了大量研究[3-5],对后桥支撑结构的研究很少,尤其对于这种采用铝合金的全新后桥支撑结构,可以借鉴的研究成果很少。为了确保这种结构设计的合理性,有必要对其展开深入研究。通过试验与仿真相结合,分析得到该结构在各种典型工况下的静态力学特性,在检验其结构刚度和强度的同时,发现存在设计冗余问题,进而进行轻量化设计,使该结构趋于完善。


2 后桥支撑结构设计

由于客车后桥左右两侧支撑结构完全一致,从后桥截取的左侧部分支撑结构,如图1所示。主要由U形纵梁、横梁、板簧前后支座、前后部分侧围和加强板组成。其中纵梁截取长度为1.7m,横梁从底盘中心面截取。

图1 后桥左侧支撑结构整体结构示意图

Fig.1 Structure Diagram of Supporting Structure on the Left Side of the Rear Axle


该后桥支撑结构具有以下受力特点:(1)各构件通过采用相互榫接的连接方式,达到整体受力的效果;(2)由于该结构材质均为铝合金,而铝合金存在焊接难,易出现缺陷的问题,这种结构设计可以有效避免焊缝承载。


2.1 纵梁结构设计

部分纵梁结构,如图2所示。其截面为U形截面,内部设有加强板筋,提高纵梁的抗弯扭能力。纵梁上下伸出底板上开有矩形榫口,用于榫接横梁。另外,为了避免与驱动桥壳发生干涉,纵梁上开有一个较大的凹槽。

图2 后桥纵梁结构示意图

Fig.2 Structure Diagram of the Longitudinal Beam



2.2 板簧支座结构设计

考虑到板簧前后两端卷耳在车上的装配方式不同,板簧前后支座结构设计,如图3所示。

图3 板簧前后支座结构示意图

Fig.3 Structure Diagram of Spring Brackets


板簧前后支座形状分别为矩形和L形,支座四周均开有与横梁榫接的榫口及与加强板榫接的插槽,中部设有与板簧卷耳装配的容纳腔体,腔体两侧开有销孔,销孔与铜衬套紧配合装配。


3 支撑结构静载试验3.1 加载方案

试验为满载静载试验,考虑到试件在试验台架上安装及加载的方便性,将试件倒置安装。具体加载方案如下:试验假设横、纵梁截取端面位移为零,通过设计固定夹具使端面完全固定,前后侧围保持自由悬空状态。加载时,对板簧中心螺栓孔附近区域加载,加载方向竖直向下,模拟满载时后桥支撑结构的受力状态。


3.2 测点布置

选择关键测点布设应变片和位移传感器,以得到测点的应力和位移。应变片测点序号为S1~S12,共12组;位移传感器测点序号为D1~D4,共4组。测点整体布置示意图,如图4所示。部分测点现场布置,如图5所示。

图4 应变片和位移传感器布置示意图

Fig.4 Schematic Diagram of Strain Gauges and Displacement Sensors Arrangement


图5 部分测点现场布置

Fig.5 The Layout of Some Measuring Points


采用某机械研究院研发的多通道电液伺服动静试验机进行静载试验,施加载荷为满载时后桥单边簧上载荷F=14125N,重复5组试验,现场试验照片,如图6所示。选取测试表格数据中各个测点的最大值,通过系数换算得到对应测点的最大应力值和位移值。

图6 现场试验照片

Fig.6 The Experimental Picture


4 有限元模型建立与验证4.1 建立有限元模型

联合具有强大网格划分前处理功能的Hypermesh和大型有限元软件ANSYSWorkbench进行有限元模型的建立和仿真。在网格划分上,除板簧前后支座及衬套采用实体单元Soild185外,其余结构均为薄壁结构,选用壳单元shell63模拟。划分好的有限元网格模型中,单元个数为164871个,其中实体单元37136个,壳单元127735个。

该结构铝合金材料为6061-T6,密度ρ=2672 kg/m3,弹性模量 E=69.8GPa,泊松比 μ=0.33,抗拉强度 σb=328MPa,屈服强度σs=289.9MPa[6]。衬套材料为ZCuZn38Mn2Pb2铸铜合金,密度ρ=8500kg/m3,弹性模量 E=110GPa,泊松比 μ=0.34,抗拉强度 σb≥345MPa。

在接触设置上,焊接部位采用“Bonded”接触行为,榫接紧配合部位选用“No Separation”接触行为。在接触算法上,选用多点约束算法(MPC)能够较好解决不同单元之间的连接问题[7]。


4.2 有限元模型的验证

对上述静载试验进行仿真分析,验证该有限元模型的正确性。由于不考虑板簧,无法直接对板簧加载,因此选择对板簧前后支座销孔施加载荷。通过该后桥悬架动力学分析,得到静载试验对应的板前支座硬点载荷 Fz=(-6214)N,Fx=(-991)N,板后支座硬点载荷Fz=(-5330)N,Fx=991N。对板簧前后支座销孔衬套施加对应方向载荷,并在大梁和横梁端面施加固定约束在仿真结果中分别提取与应变和位移测点相同位置节点的计算应力和位移,与试验测量结果对比,如表1、表2所示。其中拉应力为正,压应力为负。


表1 应力测点试验与仿真结果对比

Tab.1 Comparison of Testing Results and Simulation Analysis Results of Stress Measuring Points


表2 位移测点试验与仿真结果对比

Tab.2 Comparison of Testing Results and Simulation Analysis Results of Displacement Measuring Points


由上表可知,绝大多数测点的有限元计算值与试验测量值的相对误差在20%以内,满足工程分析时可接受的范围[8]。


5 极限工况下仿真分析

考虑到试验条件的限制,几种极限工况下的试验无法完全开展,但基于上述已验证的有限元模型,可以借助仿真分析来考察各个工况下该后桥结构的静态力学性能。


5.1 板簧支座硬点载荷获取

选取垂直冲击、转弯和紧急制动三种极限工况[9],在Adams/Car中,对后桥悬架进行suspensionanalysis/staticloads仿真分析[10],得到各工况左侧板簧前后支座硬点载荷,如表3所示。


表3 极限工况板簧前后支座硬点载荷

Tab.3 Hard Points Load of Spring Bracket in Extreme Conditions



5.2 极限工况有限元分析

将各个工况下支座的硬点载荷作为有限元分析的载荷边界条件,得到各工况下的仿真结果,如图7~图9所示。

图7 垂直工况后桥支撑结构分析图

Fig.7 The Rear Axle Support Structure Analysis Chart in Vertical Condition


图8 转弯工况后桥支撑结构分析图

Fig.8 The Rear Axle Support Structure Analysis Chart in Turning Condition


图9 制动工况后桥支撑结构结构分析图

Fig.9 The Rear Axle Support Structure Analysis Chart in Braking Condition


由以上图可知,三种工况下后桥支撑结构的最大总变形均发生在后侧围处,其中,垂直冲击工况下的总变形最大,为5.73mm。在应力方面,垂直冲击工况和紧急制动最大应力值分别为134.51MPa和110.27MPa,分别发生在板簧前支座与上、下横向加强板榫接处;转弯工况下最大应力值为153.53MPa,发生在板前支座的衬套边缘。参照材料力学性能可知,该结构满足强度要求。


6 轻量化设计

板后支座一侧榫接的三根横梁,如图10所示。通过前面的有限元分析发现,横梁2的应力和变形相对较小,可能出现设计冗余。因此从轻量化的角度出发,考虑将该横梁及其对应在支座和纵梁上的榫口去掉,再对新的结构进行有限元分析,判断其结构刚度和强度是否仍满足要求,优化后的后桥有限元模型,如图11所示。

图10 板簧后支座榫接横梁

Fig.10 The Rear Bracket of Spring Joggle Joint the Crossbeams


图11 优化后后桥支撑结构有限元模型

Fig.11 The Optimized Rear AxleSupport Structure Finite Element Model


将优化前、后该结构各工况下的仿真分析结果汇总,如表4所示。优化前后,该结构质量减轻1.92kg,各个工况下最大应力和变形的变化率均在10%以内,其结构刚度和强度均满足要求,表明对该优化方案的可行性。

表4 分析结果对比

Tab.4 The Comparison Results



7 结论

(1)设计了一种全新后桥铝合金支撑结构,通过静载试验与仿真相结合,将有限元计算得到的应力和变形与试验测得结果比较,验证所建有限元模型的正确性。

(2)基于该有限元模型,得到后桥支撑结构在三种典型极限工况下的结构变形情况和应力分布规律,结果表明该结构具有足够结构刚度和强度的同时存在设计冗余。

(3)针对上述问题,提出了轻量化设计方案。优化后,后桥支撑结构的刚度和强度依然能满足要求,并且质量减轻了1.92kg,为实际设计与制造提供了较好的参考。

参考文献

[1]刘维信.汽车车桥设计[M].北京:清华大学出版社,2004.(Liu Wei-xin.Automotive Axle Design[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.)

[2]陈辛波,杭鹏,王叶枫.电动汽车轻量化技术研究现状与发展趋势[J].汽车工程师,2015,42(11):23-28.(Chen Xin-bo,Hang Peng,Wang Ye-feng.Current statusand development trend of electric vehicle lightweight technology[J].Auto Engineer,2015 42(11):23-28.)

[3]王开松,许文超,王雨晨.汽车驱动桥壳有限元分析和轻量化设计[J].机械设计与制造,2016(7):222-225.(Wang Kai-song,Xu Wen-chao,Wang Yu-chen.FE Analysis and lightweight designof vehicle drive axle housing[J].Machinery Design&Manufacture,2016(7):222-225.)

[4]周兆华.电动汽车驱动桥设计及疲劳分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.(Zhou Zhao-hua.The design of electric vehicle driving axle and fatigue life[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2015.)

[5]刘文军.某中型客车驱动桥振动噪声分析与试验研究[D].长春:吉林大学,2013.(Liu Wen-jun.Analysis and test study of vibration and noise for a medium busdriveaxle[D].Changchun:Jilin University,2013.)

[6]Jogi B F,Brahmankar P K,Nanda V S.Some studies on fatigue crack growth rate of aluminum alloy 6061[J].Journal of Materials Processing Technology,2008,201(1-3):380-384.

[7]谢元丕,冯刚.ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究[J],机械设计,2009,26(4):5-7.(Xie Yuan-pi,Feng Gang.Study of ANSYSmodellingon thecombination of 3D entity unit and plate shell unit[J].Journal of Machine Design,2009,26(4):5-7.)

[8]徐文.微型汽车底盘零部件强度分析与试验方法研究[D].北京:清华大学,2010:.(Xu Wen.Study on themethodsof strength analysisand test of thechassis components of a minibus[D].Beijing:Tsinghua University,2010.)

[9]余珩.载重货车后桥疲劳分析[D].武汉:武汉理工大学,2014.(Yu Heng.Fatigue life analysis of truck axle load[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2014.)

[10]陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.(Chen Jun.Examples of MSC.ADAMS Technology and Engineering[M].Beijing:China Water Power Press,2008.)



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