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发表于 2021-7-30 10:31:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
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某重型卡车变速箱支架轻量化设计
车前,贺洋洋,陈文博,刘静,梁博文
(陕西万方汽车零部件有限公司,陕西 西安 710200)
摘 要:文章主要通过有限元分析软件Hyperworks 对某重型卡车变速箱支架的结构进行分析验证[1],并对其原有结构通过采用高强度铸钢代替普通铸钢、结构优化等方式,在满足结构强度的同时实现产品结构的轻量化。
关键词:轻量化;重型卡车;变速箱支架;有限元分析
1 引言

汽车轻量化是目前各个车企的主要研究对象,各大主机厂在推出换型换代车型时,都会对整车的重量作出严格的要求。而且随着国家对环境的重视以及目前已经出台新的汽车尾气排放法规要求,使得用户越来越重视车辆载货的重量以及汽车的油耗,如何降低整车重量、减小油耗已经是各大车企的主要关注点。目前各大车企主要通过采用新材料、新工艺、新结构等方式来对汽车零部件进行轻量化的设计。

本文主要介绍了通过采用高强度钢材料代替普通铸钢、结构优化等方式对某重型卡车的变速箱支架进行轻量化结构的设计,并利用有限元分析软件Hyperworks 对原有结构及轻量化结构进行分析。验证轻量化结构的可行性,通过分析得出在满足强度要求及装配要求的同时可以对原有结构进行轻量化结构设计。

2 数据模型的建立2.1 三维数模的建立

变速箱左右支架作为变速箱与车架连接的重要组成部件,对变速箱的静态平衡、支撑及运行有着重要作用,其通过螺栓连接在车架上。图1 为装配关系图。

图1 左右支架装配关系

轻量化前左右支架采用的材质、屈服强度、弹性模量、泊松比、密度重量如表1 所示。

表1 轻量化前各种数据表

2.2 有限元模型的建立

本文采用Hypermesh 软件进行有限元模型的建立,为减少计算规模提高计算精度,对模型原有的结构进行简化处理,对分析过程中影响较小的部分进行简化,如简化圆角的设计、简化倒角设计等,将简化后的结构另存为STP 格式的导入到Hypermesh 软件中采用四面体网格划分模块,对模型进行有限元网格划分,得到图2 所示的有限元模型。

图2 有限元模型

3 有限元分析3.1 分析工况与加载

(1)约束条件:约束与车架连接的两个螺栓的6 个自由度后进行静态有限元分析。

(2)载荷条件:静态分析情况下,变速箱支架的受力情况为向下6000N 的力,故在有限元分析时对变速箱支架施加负Z 向6000N 的力。

按照上述的约束条件及载荷条件利用Hypermesh 软件进行载荷的添加后,对其结构进行受力分析及安全因子、位移情况的计算[2]。

通过OptiStruct 求解器进行求解后,得到最大位移为0.083,位移云图如图3 所示;最大的应力为108.55MPa,安全因子为2.49,应力云图如图4 所示。

图3 位移云图

图4 应力云图

通过有限元分析得到以下结论:原有设计结构的最大应力值为108.55MPa,小于材料的屈服强度270MPa。安全因子等于屈服强度除以最大应力值为2.49,大于1,满足结构强度要求。

4 轻量化设计

通过上述的有限元分析,原有的结构强度满足要求,且安全因子比较高,结构的强度满足轻量化要求,可以对其进行结构优化设计,在满足强度的前提下尽可能地完成整车质量的降低。

4.1 轻量化结构

以原有设计结构为基础,在原有结构上进行材料的去除及结构的优化设计,并采用铸钢RZG310-570 材质,考虑到其装配关系及强度要求,对其进行结构进行轻量化设计,得到如图5 所示的轻量化结构。

图5 轻量化后结构

RZG310-570 材质的屈服强度为310MPa,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,密度为7860kg/m3。

4.2 轻量化后有限元分析

按照前面所述的设计工况将轻量化的结构导入到Hyper-mesh 软件中进行有限元分析,通过OptiStruct 求解器进行求解后,得到最大位移为0.122,位移云图如图6;最大的应力为139.05MPa,安全因子为2.23,应力云图如图7 所示。

图6 轻量化结构位移云图

图7 轻量化结构应力云图

4.3 分析对比

轻量化后结构的产品重量、应力值、位移、安全系数变化对比见表2。

表2 轻量化前后对比

结论分析如下:

(1)轻量化方案位移相比原结构增大0.039mm;

(2)轻量化方案最小安全因子相比原方案减小0.26,但二者最小安全系数均大于1,结构强度满足要求;

(3)轻量化方案质量相比原方案减轻53.74%,达到了轻量化的要求。

5 结论

本文建立了某重型载货汽车变速箱支架的有限元模型,利用 Hyperworks 软件对其优化前结构及轻量化结构进行了静力分析对比,最终在满足结构强度及装配要求的前提下,使原有设计零部件产品重量减轻了53.74% 。本文的分析过程和结果为支架零件的轻量化设计提供了思路,对轻量化设计具有一定的指导作用[3]。

参考文献

[1] 苟炜伟,马玉金,郭延威,等.某重型卡车驾驶室前悬连接支架轻量化设计[J].汽车实用技术,2018(1):16-18.

[2] 曹天津,李荣义,石玢,等.某重型卡车驾驶室前悬托架,支座轻量化设计[J].汽车实用技术,2019(019):98-100.

[3] 苟丹,温鹏,朱晓康,等.某重型卡车踏步支架总成轻量化设计[J].汽车实用技术,2019(019):90-92.


Lightweight Design of a Heavy-duty Truck Transmission Bracket
Che Qian,He Yangyang,Chen Wenbo,Liu Jing,Liang Bowen
(Shaanxi Wanfang Auto Parts Co.,Ltd.,Shaanxi Xi'an 710200)

Abstract:In this paper,finite element analysis software HyperWorks is used to analyze and verify the structure of a heavy truck gearbox bracket[1],and high strength cast steel is used instead of ordinary cast steel to optimize the structure,so as to meet the structural strength and make the product structure lightweight.

Keywords:Lightweight;Heavy trucks;Gearbox bracket;Finite element analysis


中图分类号:U463.1

文献标识码:A

文章编号:1671-7988(2021)11-41-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.011.014

作者简介:车前,就职于陕西万方汽车零部件有限公司。

CLC NO.:U463.1

Document Code:A

Article ID:1671-7988(2021)11-41-03



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