汽车实用技术 设计研究 ＡＵＴＯＭＯＢＩＬＥ ＡＰＰＬＩＥＤ ＴＥＣＩ｛ＮＯＬＯＧｙ ２０１ ４年第１ Ｏ期 ２０ｌ ４ Ｎ０．１０ 基于ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ导向臂支架的结构 优化及改进设计 杨银辉，上官望义，马生平，杨忠平，司震鹏 （陕西重型汽车有限公司，陕西西安７１０２００） 摘要：针对某６×４牵引车复合空气悬架导向臂支架断裂原因进行了分析，排除导向臂支架的铸造缺陷、材料及工 艺加工导致失效问题，最终确定导向臂支架的断裂原因主要是由于结构设计不合理导致断裂，在原结构的基础上， 确保安装结构基本不变，运用ｃａｔｉａ三维建模和ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ软件分别完成三种方案的三维建模和静强度分析，通过 分析结果比对，改进方案相比原方案，重量降低了８％，疲劳寿命提高了１３％，最后经过疲劳寿命分析和１５０００ｋｍ 的道路可靠性试验，改进后的导向臂支架满足设计使用要求，提高了经济效益。 关键词：复合空气悬架；导向臂支架；Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ；疲劳分析；试验验证 中图分类号：Ｕ４６２．３文献标识码：Ａ文章编号：１ ６７１—７９８８（２０１ ４）１ ０ ６ ３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｇｕｉｄｉｎｇ ａｒｍ ｂｒａｃｋｅｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ Ｙａｎｇ Ｙｉｎｈｕｉ，Ｓｈａｎｇｇｕａｎ Ｗａｎｇｙｉ，Ｍａ Ｓｈｅｎｇｐｉｎｇ，Ｙａｎｇ Ｚｈｏｎｇｐｉｎｇ，Ｓｉ Ｚｈｅｎｐｅｎｇ （Ｓｈａａｘｉ Ｈｅａｖｙ ＤｕｔｙＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａａｎｘｉ Ｘｉ’ａｎ ７１０２００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆａ ６￣４ ｔｒａｃｔｏｒ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ａｉｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｇｕｉｄｉｎｇ ａｒｍ ｂｒａｃｋｅｔ ｗｅｒｅ ｎａｌａｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔｓ，ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｅｘｃｌｕｄｅ ｇｕｉｄｉｎｇ ａＨｎ ｂｒａｃｋｅｔ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｆａｉｌｕｒｅ，ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｒｆａｃｔｕｒｅ ｇｕｉｄｉｎｇ ａｒｍ ｂｒａｃｋｅｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｄｕｅ ｔｏ ｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｆｒａｃｔｕｒｅ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｈｅ ｏｒｉｇｉｔｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｅｎｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｅ ｔｕｓｅ ｏｆ ＣＡＴＩＡ ａｎｄ ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆｔｈｒｅｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｈｅ ｏｒｉｇｉｔｎａｌ ｓｃｈｅｍｅ．ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ８％，ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １ ３％，Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｒｏｕｇｈ １ ５０００ｋｍ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ ｎｄ ａｆａｔｉｕｅ ｌｇｉｆｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．ｔｈｅ ｇｕｉｄｉｎｇ ａｎＴｌ ｂｒａｃｋｅｔ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｏ ｔｍｅｅｔ ｈｅ ｔｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｔｃ ｂｅｎｅｆｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ ａｉｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ｇｕｉｄｉｎｇ ａｒｍ ｂｒａｃｋｅｔ；Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ；Ｆａｔｉｇｕｅ ａｎａｌｙｓ￣；Ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ＣＬＣ ＮＯ．：Ｕ４６２．３ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｃｏｄｅ：Ａ Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ：１６７１—７９８８（２０１４）１０－７６－Ｏ３ 悬架系统主要由导向臂、导向臂支架、空气弹簧、横向推力 引言 随着整车轻量化的发展需求，轻量化悬架系统的应用也 杆、限位块、减振器和控制系统（高度阀控制或ＥＣＡＳ控制） 组成，如图１所示，其中导向臂支架为该系统的一关键零部 件总成，在该悬架系统开发初期，可靠性道路试验进行到 是整车降低自重的一种关键技术途径，本文所介绍的某６×４ 牵引车所采用的复合式空气悬架系统相比板簧悬架重量降低 ２２０ｋｇ左右，但是提高了燃油经济性和舒适性。复合式空气 作者简介：杨银辉，就职于汽车有限公司汽车丁程研究院。 ６３９７ｋｍ时，导向臂支架发生断裂失效，通过对失效模式分 析，主要是由于结构不合理导致，为此，本文主要运用 ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ软件对原结构进行了结构优化及改进设计，满足 了车辆的使用要求，也降低了整车自重。 汽１ｉ ＩＩｊ技术 ２０ｌ４年第１０期 和加速二种典型 况下对导向臂支架的改进前方案、改进后 的３种方案进行分析，表３为作Ｊ．ｆｊ在导向臂支架各：Ｉ 况下的 载荷，表中所列各载荷大小均为模拟计算值，后续还需可靠 性试验的进一 步验证。 表３导向臂支架工况及载荷值 载简ｌ 况 转弯 制动 图１ Ｆｘ（Ｎ） ０ ２４ｌ３９ 一２４１３９ Ｆｙ（Ｎ） ２４１３９ Ｏ ０ Ｆｚ（Ｎ） ３４４８４ ３４４８４ ３４４８４ 加速 ２．３载荷约束条件 １、失效原因分析 失效导向臂支架如 ２所永，断裂位置在支架下￣Ｐ－ｆＬ根 后续方案分析模犁中添加刚性单元ＲＥＢ２来定义位移 约束，添加刚性 ７亡ＲＥＢ３来定义载荷作川位置，该导向臂 部，从宏观断口可知，断口纹理清晰，为局部疲劳失效，ＦＩ一 断口上有多个疲劳源，再通过化学成分分析及金相组织检验 分析，结果符合标准，测最结果见表ｌ。另外，通过对导向 臂支架设计结构的分析，该支架Ｉ－８ｔ￣４Ｌ 下排孔凸台高度人， 过渡圆角小，导致下排孔根部过渡部分应 集中，结构设计 支架添加ｌ０处片Ｊ于 定约束的ＲＥＢ２，分别位十支架Ｌ 端两排孔与乍架连接处，１个Ｈ】于裁荷施加的ＲＥＢ３单尢， 位ｔ支架下端导向臂支架与导向臂的连接处，如 ３。 ／ｆ 合理，后续重点将对导向臂支架的结构进行优化设汁，以 解决导向臂支架的失效问题。 表１材料成份分析 元素 Ｃ％ Ｓｉ％ Ｍｎ％ Ｐ％ 标准位 实测值 ３．６～３．９ ３．８ ２．２０～２．６Ｏ ０＿３０～０．５５ ２．６Ｏ ０．３４ ≤０．０８ ／ 图３ ２．４优化方案的确定 鼍 图２ 方案ｌ，在原方案基础上将下排孔与卜排孔ＪＬｆｊ竖筋过渡， 消除原支架麻力集中设汁，将中间开口部位两Ｙ，Ｊ￣Ｌ之间 过 渡筋连起来，商到将该筋下延至基体，该方案改进后单个支 架重量增加２．５ｋｇ，利用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ软件对导向臂支架进行 网格划分，由于导向臂支架结构复杂，这里采片ｊ三角形与四 面体的混合单 ，网格尺 ｑ－４ｍｍ（以下方案也是按此进行 格划分），有限 模型节点数５０９４６，实体单兀数２ｌ９３５。利 改进方案及静强度分析 Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ软件的ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ进行有限元静强度分析，经 分析转弯、制动、加速三种１－况，其中在转弯丁况时导ｒｕＪ臂 结构优化原则足在原支架结构基础ｊ一进行结构改进，支 支架的应力最大，原方案最大为１４９Ｍｐａ，安全系数为２．１ ５， 架安装螺栓数 、材料及硬点安装尺寸保持不变， 续的设 方案ｌ的最大应力值为１３３．８Ｍｐ，安全系数２．３８，方案１相 计方案依此为设计基准。 比原方窠有所改淳。如 ４、５分别为原方案和方案ｌ的二维 模型和分析结果。 ２．１导向臂支架材料属性 导向臂支架材料为球景铸铁，牌号为ＱＴ５００．７，材料力 学性能见表２。 表２材料力学性能 ； 材料 掸 Ｈ－：模培 （Ｎ／ｎｕｎ：） 服强度 泊松比 （Ｍｐａ） ：ｉｉ｝ｆ度 （ｋｇ／ｍｍ’１ 图４原方案转弯、制动、加速工况的应力云图 ＱＴ５００—７ ７．２Ｅ０Ｏ４ ３２０ Ｏ．３ ７．８Ｅ一００６ 方案２， 进行方案设计时，由十布置原冈，原方案导 臂支架与燃汕箱存在Ｔ涉问题，为此，将原导向髓支架下 ２＿２导向臂支架使用工况及载荷 根据复合 气怂架 ｉ 的使川Ｔ况， 车辆转弯、制动 端导 臂的安装方式由两个蝶栓连接改进为销连接，同时将 ２０１４年第１０期 杨银辉等：基于ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ导向臂支架的结构优化及改进设汁 导向臂支架中间向中问收拢，内侧板加强，与导向臂支架下 系数略有提高，但是重量增加较多，作为标载轻量化牵引车， 部圆滑过渡，该方案改进后单个支架重量降低３ｋｇ，同时利 同时方案１不利于整车布置，该方案也不可行：方案３与原 用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ软件对导向臂支架进行网格划分，划分后有限 方案相比，最大应力降低至１２９Ｍｐａ，重量降低了８％，冈此 元模型节点数４１６２３，实体单元数１７５０９４。利用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ 选择方案３为导向臂支架的最终改进方案。 软件的ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ进行有限元静强度分析，经分析转弯、制 动、加速三种１二况，其中在转弯工况时导向臂支架的应力最 ３、疲劳分析及试验验证 大，该方案的最大应力值为３４４Ｍｐ，安全系数仅为０．９３，相 比原方案，戍力太大。如图６所示为方案２的三维模型和分 析结果。 为了进…步验证方案３的可行性，运片Ｊ Ｒａｄｉｏｓｓ中的 Ｆａｔｉｇｕｅ求解器，对原方案和方案３进行了Ｓ－Ｎ寿命对比分析， 分析时采用采用常麻变幅载荷，原方案从支架下排孔根部周 围疲劳最短，最低疲劳寿命仪为６．６５万次，与第一次道路试 验结果基本吻合：方案３在同样区域疲劳寿命低，但是最低 Ｖ： ｙ 图５方案１转弯、制动、加速工况的应力云图 循环为２８万次，疲劳寿命高于原支架４．２９倍，因此采用方 案３是可行，结构设计合理，在质量大大减轻的同时大幅提 高了支架的疲劳寿命，具仃很高的使用价值。 根据第＿次改进结果，按照方案３的优化结果，进行了 第二次ｌ５０００ｋｍ道路可靠性试验，经过试验验证，改进后的 导ｒｕＪ臂支架未发生裂纹、断裂等故障，与疲劳分析结果＿一致， 完全满足产品改进的要求。图８为二维装配验 和道路试验 装车情况。 图６方案２转弯、制动、加速工况的应力云图 方案３，是在方案２的基础上进行优化设计，在下排外 侧孔两孔的侧部，圆滑过渡四条Ｓ结构的竖筋，直到过渡至 上排四个孔处，同时考虑到螺栓的装配，将下排中问部位的 孔凸起，以便于安装螺柃，并将两侧与导向臂下端连接的筋 进行加厚处理，消除方案２中应力偏大的问题，该方案改进 后单个支架重量降低２ｋｇ，同时利用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ软件对导向 图８方案３的三维装配和道路试验验证情况 臂支架进行网格划分，划分后有限元模型节点数４３８６８，实 体单元数１８７４２。利用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ软件的ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ进行有 ４、结论 本文通过对复合空气悬架导向臂支架断裂原因进行了分 限元静强度分析，绎分析转弯、制动、加速三种Ｔ况，其中 在转弯工况时导向臂支架的应力最大，该方案的最大应力值 析，排除了导向臂支架的铸造缺陷、材料及工艺加工问题，为１２９Ｍｐ，安全系数仅为２．４８，相比原方案麻力大幅降低。 最终确定导向臂支架的断裂原冈主要是由于结构设计不合理 如图７所示为方案３的三维模型和分析结果。 导致断裂，为此，在原结构的基础上，保持原安装结构基本 小变的原则，运用ｃａｔｉａ三维建模，分别完成二种方案的三维 ： Ｖ：Ｖ：。Ｖ 图７方案３转弯、制动、加速工况的应力云图 建模和静强度分析，通过分析结果比对，方案３相比原方案， 重量降低了８％，疲劳寿命提高了１３％。最后经过疲劳寿命 分析和ｌ ５０００ｋｍ的道路可靠性试验，改进后的导向臂支架 （方案３）满足设计使用要求，目前采用该导向臂支架的复 合空气悬架车型已批量投放市场，ｉｈ场反馈效果良好，经济 效益也很显著。 原方案与改进方案的对比分析结果见表４。 方案 况 最小安 龟量 转弯 原方案 方案ｌ 制动 加速 全系数 ２．１５ ２．３９ 参考文献 ２５ｋｇ ２７．５ｋｇ １４９Ｍｐａ １３３．８Ｍｐａ ７２ＭＰａ ７４ＭＰａ ７５ＭＰａ ７７ＭＰａ …ｌ张胜兰，郑东黎，郝琪，李楚琳．基于ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ的结构优化 设计技术【Ｍｌ＿机械工业出版社，２００７． ［２】吴仕赋．基于有限元汽车支架有限元设计【Ｄ】．长存：吉林大学，２００５． 【３】李楚琳．ＨｙｐｅｒＷｏｒｋｓ分析应用实例．机械￣ｑｋ出版社，２００８． 方案２ 方案３ ３４４Ｍｐａ ８８．５ＭＰａ ８９ＭＰａ １２９Ｍｐａ ３９ＭＰａ ３９ＭＰａ ０．９３ ２．４８ ２２ｋｇ ２３ｋｇ 由以上的分析结果可以看出，方案２最大应力远大于原 【４］赵来刚，陈道炯．复合式悬架计算与设计 ．汽车技术，２００ｌ１（３） 方案，方案２不可取；方案１相比原方案，最大应力和安全 ３８～４０．
