翻转机构优化.docx

轻卡白车身强度分析的翻转机构优木文针对某轻卡白车身前地板2力过大、岀现开裂的现彖,建立白车身和翻转机构的冇 限元模型,通过对翻转机构的结构进行•优化,确定两个方案,用有限元分析的方法,对不同 方案下片车身强度进行计算和研究,分析结构可行性,从而指导车辆的改进后后续车型的研忖前我国的载货汽车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够 向前翻转，即白车身通过翻转支承结构与车架相连接，该翻转机构在起支承驾驶室作用的同 时，还具有减振作用，以保证驾驶室具有良好的平顺性木文针对道路试验中，轻卡驾驶室前地板岀现开裂现象，对其白车身进行强度CAE分 析，得到白车身在3.5g垂直工况、1g制动工况和1g转弯T况下的最大应力值，并对翻转支 承结构进行优化设计，对比优化前后的车身应力值大小，同时评价其改进可行性，从而得出 车身应力分布最优状态，并指导麻续车型白车身和翻转支承结构的匹配设计翻转机构结构特点及工作原理轻型载货汽车驾驶室前翻转结构形式如图1所示，主要由左、右支架总成，驾驶室前支 承轴管总成，扭杆和扭杆臂等组成其特点是驾驶室前支承轴管中心、翻转中心与扭杆中心 重合，驾驶室前支承轴管中心即为翻转中心，使芻驶室前翻转机构具有支承、减振和翻转功 能三位一体的效果。

其工作原理如下：图1中，扭杆一端插入驾驶室左支承轴管内花键中，另一端由扭杆臂 固定在前右支架上,驾驶室前支承臂与驾驶室左右地板纵梁骨架连接驾驶室为锁止状态时, 该结构使扭杆的扭转角为报大，此时扭杆的转矩最大，即驾驶室的重力矩最大；当锁止解除 后，扭杆的转矩作用于驾驶室前支承，克服驾驶室重力矩，并施加较小的向上推力可使驾驶 室实现翻转当驾驶室翻转到最大角位置时，扭杆的能最基木释放，驾驶室的翻转速度逐渐 衰减，轻轻上推驾驶室，依靠驾驶室支承杆将驾驶室锁在最大翻转角的位置当放下驾驶室 时，驾驶室利用白身的重力下落，其重力矩逐渐增大，驾驶室前支承对扭杆作用使其扭转角增大，则扭转阻力力矩也增大，克服重力矩，使驾驶室的冋落速度逐渐减小，略施加外力, 向下拉动驾驶室即可使其锁住图2白车身有限元模型有限元模型建立商用车轻卡驾驶室为非承载式车身，驾驶室通过翻转锁止机构与车架相连接，白车身结 构由冲压件冷轧钢板通过点焊的方式联接1. 白车身有限元模型建立本文对某轻卡白车身进行分析简化，在HYPERMESH中采用4节点或3节点壳单元 Shell63对白车身飯金件进行有限元网格划分，其中三角形网格的数目占总网格数目的比例 应低于10%,理想的网格取边长为20mm的四边形。

对于螺栓联结，利用Rigids单元模拟 刚性连接，而对于悍点，运用Spotweld面板在模型焊接部位的两个相对的单元Z间创建沿 法向排列的单元，形成焊接单元综上所述，建立的驾驶室有限元模型如图2所示模型中Shell63单元为92487个，其中 三角形7450个，四边形85037个，三角形数目占总数目的8.06%；焊接单元2132个涂胶材 料选用Glue,鞭金件采用弹性材料Steel,材料屈性如表1所示，白车身质最为21 Okg0S3驾驶室舸靖约束图4骂驶室后鑄约束2. 模型约束除有限元模型Z外，为了正确施加约束，以及更好地模拟实际情况，在驾驶室前部建立 一个扭杆以模拟实际翻转机构驾驶室的示端采用全约束，即约束其3个方向上的位移以及 绕3轴的转动H由度具体的约朿以及模拟的翻转机构如图3、图4所示驾驶室前部约朿在 扭杆上，约束扭杆两端的x、y、z 3个方向的位移，释放其绕3轴的扭转自由度而扭杆驾 驶室的连接则采用Rigids刚性单元并与驾驶室地板的纵梁连接3. 驾驶室翻转状态下载荷（1） 驾驶室自身的质量加载时要考虑驾驶室自身的重力，因此需要设置相应的质量信 息2） 转矩的加载实际翻转机构在驾驶室处于落下的情况时,对驾驶室纵梁有很大转矩。

根据试验测试数据及相关计算得出，驾驶室右端施加550N.m力矩，左端施加3000N.m力矩, 力臂取0.29m,两个力矩方向相反；为了模拟实际驾驶室纵梁的受力情况，在加载时采取线 性分布加载，如图5所示，将力臂等分为8段，即L=290mm/8=36.25mmo而力F1〜F8分 别为施加在等分点上的集中力，且满足线性关系，O点为扭杆的中心 >!I JF3F2F1图5驾驶室地板纵梁加载翻转结构的优化方案基于前期的建模与分析，与翻转前支承臂相连接区域的地板飯金丿应力较集中，在道路试 验中地板前横梁出现开裂现象经分析需要加强前支承臂作用力矩周边镀金的局部刚度，则 应通过加强结构把力分散，均匀地传给地板，避免因丿应力集中而引起地板变形及开裂具体 可通过以下方式来实现：在驾驶室落下后，卸除或降低预转矩；设计新型翻转装置，使左右支承臂均匀受力，改善地板局部受力条件；加长前支承臂，降低力的峰值（力矩不变）；对 前横梁等主要部件选用高强度材料并适当调報厚度经过对比分析，制定两个优化方案：方案一为加长翻转前支承的力臂，即分别计算1.3倍、1.5倍和2倍原力臂长度尺寸情况 下，驾驶室底板主要部件的应力情况，以及驾驶室左右两侧在对称载荷作用下主要部件的应 力情况。

方案二保持原力臂长度不变，使左、右两侧力矩相等原结构中，由于左、右支承臂力 矩不等，使底板处于不利受力状况通过左、右支承臂给底板预先施加一个力矩，预加的力 矩方向与原支承臂处于水平位置时所产生的力矩方向相反，从而平衡原结构所受的力矩，使 左、右支承臂力矩相等将左、右两支承臂错开一定角度（经计算错开理论角度为5.4° , 考虑力矩损耗，实际角度可以取为5.5° ）将前支承臂轴管连同前支承臂先安装到驾驶室底 板上，给驾驶室底板施加一预载荷，此预载荷与翻转机构的重力矩相互叠加，使作用在驾驶 室底板上的左、右力矩相等图8纵樂支承确力结果分析1 •驾驶室底板主要部件应力分析图7舸地板应力图9前横梁应力在HYPERWORKS中杏看应力云图，驾驶室地板几个主要件应力如图6、图7、图8和图9 所示，分别为前地板加强板、前地板、纵梁支承板和前横梁，即道路可靠性试验中出现开裂 的部件，并提取各工况下的应力最大值（见表2）表1白车身模型材料属性材料弹性模S / (N/mm2)泊松比密度 / (kg/mm3)Steel2.10E+050.37.85E-06Glue4000.41.00E-06从表2中可以看出，驾驶室在静态时，由于单扭杆翻转装置对報个驾驶室地板前部的转 矩作用，使得地板部件的应力过大，且应力施加较集中；当车辆处于行驶状态时，驾驶室地 板受到的应力就是上述应力以及动应力的叠加，最终导致接近材料强度极限，使得结构部件 出现开裂并进一步造成裂纹扩展；方案一中，随着前支承力臂的加长，前地板、纵梁支承板 和前横梁的最大应力值都有明显下降趋势，前地板加强板的应力略上升，变动幅度较小；方 案二为左、右前支承臂错开一定角度，通过左、右支承臂给底板预先施加一个力矩，分析得 出该状态下车体鞭金件应力值都有较大稈度的减小。

表2不同方案下地板聂大应力值古56量大应力值/MPa前地板加强板前地板纵梁支承板前横梁原始状态1倍力臂.角度0・53.37135.9121.9102.9方案一1・3倍力臂长53.86111.12111.2697.661.5倍力臂长54.5097.57104.8986.292倍力臂长57.3375,75102 6264.95方案二左右支承臂角度5.5'40.3392.1796.2668.592.结构可行性分析我们通过对CAE结果的分析，结合车身本体结构，以及翻转支承结构可行性，加长翻 转机构前支承臂，需要对车体纵梁结构和地板结构进行变更，由于总布置空间问题，存在较 大困难，且方案一的分析结果显示车体镀金部分件最大应力值下降趋势不明显;而方案二中, 通过降低扭杆机构施加在地板上的预应力，可以很明显地减小车体锻金件的最大应力值在 结构上，仅通过变更翻转机构的夹具即可实现，变动成本报小，变更效果最明显结语木文建立了轻卡白车身和翻转机构的有限元模型，对其进行应力分析，并结合道路试验 和CAE分析的结果进行对比研究驾驶室结构强度分析表明，在翻转力矩作用下在车身底 板相关部件上会产生较大的应力，而这是现有驾驶室翻转装置作用下不可避免的，针对此问 题，建立优化方案，在CAE分析结果中进行模拟验证，最终根据实际情况制定可行的方案, 通过变更翻转支承左右前支承臂的角度可以有效地改善前地板区域的应力状态，有效地解决 了地板应力过大的问题，并为后续车型的开发提供了参考和借鉴。