基于扭杆式翻转的驾驶室优化设计

王香廷，祝慧

（安徽江淮汽车股份公司，安徽 合肥 230601）

基于扭杆式翻转的驾驶室优化设计

王香廷，祝慧

（安徽江淮汽车股份公司，安徽 合肥 230601）

根据翻转机构工作原理，对其进行受力分析，结合驾驶室前支承轴管受力分析和试验数据，计算出驾驶室底板施加的力矩；通过有限元方法，分析驾驶室在不同载荷工况下，前地板总成主要部件的应力状态，进而优化地板部件的受力状况，提供了一种优化设计思路。

翻转；扭杆；驾驶室；改进

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.032

Kewords: tilting mechanism; torsion bar; cab; optimize

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-99-03

前言

随着市场经济的快速发展，轻卡用户对车辆的整车性能、驾驶环境及操作维修方便性都有了更高的要求。为了便于发动机维修保养，要求驾驶室能够向前翻转，市场上轻卡系列车型普遍采用单扭杆结构达到翻转目的，导致驾驶室左右纵梁受力情况不同，在可靠性路试中，轻卡驾驶室前地板与翻转支撑连接处的钣金均出现不同程度的开裂。本文为解决驾驶室钣金开裂的问题，通过理论计算和有限元方法，对驾驶室及周边相关部件进行分析和改进，降低驾驶室局部应力值，保障乘员的安全。

1、驾驶室翻转机构受力分析

1.1 翻转机构工作原理

驾驶室的支承不仅具有支承驾驶室的作用，同时具有减震作用，以保证驾驶室具有良好的平顺性。轻型载货汽车驾驶室前支承结构形式如图1，主要由前支撑左、右支架总成、前支承轴管总成、扭杆、扭杆臂等组成。其特点是前支承轴管中心、翻转中心与扭杆中心重合，前支承轴管中心即为翻转中心，使驾驶室前支承具有支承、减振、翻转功能三位一体的效果。

1.2 驾驶室重力矩计算

据设计数据和试验测试，得驾驶室质量m为410.5kg，驾驶室重心距翻转轴心X向距离L为548 mm，Z向高度H为530.6 mm，因此，计算得出：

最大重力矩 M = mg×L = 410.5×10×548÷10³ = 2249.5（Nm）

驾驶室质心角 Φ=arttan H/L= 44°

驾驶室翻转中心距后围长度 L'=548+635=1183（mm）

1.3 驾驶室前支承轴管受力分析

1.3.1 扭杆设计扭力矩

扭杆刚度设计值K为75Nm/°，驾驶室翻转角度ɑ为44 °±1°，扭杆极限扭转角β为50°。

扭杆常用扭力矩 M常= Kɑ= 75×44 = 3300（Nm）

扭杆极限扭力矩 M极= Kβ= 75×50 = 3750（Nm）

1.3.2 驾驶室前支承轴管受力分析

驾驶室前支承轴管受力比较复杂, 是驾驶室翻转状态下应力计算的关键，因此需要对其进行受力分析。图2表示驾驶室前支承轴管在驾驶室处于锁止状态时的受力情况。其中A、B 点为前支撑臂，连接于驾驶室地板纵梁上, C、D 为驾驶室前支承轴管总成的左右支承点, O点为扭杆的花键中点位置。

令：扭杆受扭后在O点对支承轴管作用扭矩M。A处所受力矩为MA，B 处所受力矩为MB。各力矩方向如图所示, 为了便于问题的分析, 不考虑回转副的摩擦阻力矩。

根据力矩平衡得：

假设A为固定中心， 轴管的剪切模量为G，惯性矩为IP

O 点：轴管的扭转角 ΨO=MO（a+b）/G×IP (2)

B 点：轴管的扭转角 ΨB=-MB×b/G×IP (3)

由变形协调条件得： ΨO+ΨB=0

其中：a=156mm b=687mm

扭杆的扭力矩与驾驶室重力矩保持平衡

驾驶室：O点扭矩按重力矩取为：MO= 2250 Nm

根据上述公式（1）～（5）计算得：

MA=-511Nm MB=2761Nm

1.3.3 根据驾驶室翻转试验数据计算

扭矩按材料力学公式计算：

最大剪应力τmax= [E/(1+μ)] ×ε45°(6)

抗扭截面模量 Wp=(πD³/16) ×[1-(d/D)4] (7)

Mmax=τmax×Wp=τmax×(πD³/16) ×[1-(d/D)4] (8)

其中弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，套管外径D=45mm，内径d=35mm

轴管45 向测试应变为：ε45°= 300με

由公式（6）～（8）计算得：MA=-550 Nm

结合公式（4）、（5）计算 ：MB= 2974 Nm

M=2424 Nm

基于上述计算分析， 对驾驶室底板施加力矩按A 端MA= -550（Nm），B 端MB=2974（Nm）。

2、驾驶室结构强度有限元分析

扭杆翻转装置对车身前支撑臂附近作用较大的载荷，而且这一载荷在车辆行驶状态下始终作用在车身底板各部件上，扭力杆作用的扭矩所产生的预应力与车辆行驶状态下的动应力相叠加，可能导致与前支撑臂连接的驾驶室底板局部应力过大。此次主要分析在翻转力矩作用下驾驶室底板各主要部件的应力状态，据此说明驾驶室主要结构部件强度问题。

2.1 驾驶室有限元模型的建立

驾驶室材料为普通冷轧钢板，对其进行性能参数设定，弹性模量E=2.1E5MPa，泊松比NU=0.3，密度7.85E-9t/mm3，在Hyperworks中对其进行单元网格划分，并设定相应的材料和料厚属性，建立有限元模型。

为正确施加约束，在驾驶室前部建立一个扭杆以模拟实际翻转机构，驾驶室前部约束扭杆两端的 x、y、z 三个方向的位移，释放其绕三轴的扭转自由度；驾驶室的后端采用全约束，即约束其三个方向上的位移以及绕三轴的转动自由度。而扭杆与驾驶室的连接则采用rigids 刚性单元与地板纵梁连接。

2.2 驾驶室翻转状态下载荷

2.2.1 驾驶室自身的重量

加载时，要考虑驾驶室自身的重力，所以需要设置相应的卡片。

2.2.2 扭矩的加载

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扭矩。根据测试数据及相关计算，在驾驶室的右端施加550Nm 力矩，左端施加3000 Nm 力矩，力臂取290mm，两个力矩的方向相反；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。

图中，将力臂等分为8 段，即L=290mm/8=36.25mm。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。

由力矩平衡，可得：

由上两式，代入数值 M1=550Nm;M2= 3000Nm; L=290mm/8=36.25mm；可以分别计算出：

① 右边纵梁（副驾驶侧）

F4=371.88N F3=446.25N F2=520.63N F1=595N

② 左边纵梁（驾驶员侧）

F8'=405.68N F7'=811.36N F6'=1217.04N F5'=1622.72N

F4'=2028.40N F3'=2434.08N

F2'=2839.76N F1'=3245.44N

具体加载时，选择将集中力均分加载到同一排的节点上。

2.3 计算结果

2.3.1 驾驶室底板主要部件应力分析

进入HYPERWORKS 后处理阶段，用HYPERVIEW 打开后缀名为FEM 的计算结果文件，查看米塞斯应力云图，其主要的车身应力云图如图4所示。

2.3.2 初步分析结果

从驾驶室整体应力云图来看，应力主要是集中在驾驶室地板连接部分，由于力加载在纵梁上，所以地板纵梁及其加强梁的应力较大；前地板应力及地板左右前纵梁前连接板应力也较大，位置基本集中在与纵梁接触的地方，提取云图中应力较大位置的应力值如下表1所示。

表1 驾驶室地板各区域应力值

初步分析，驾驶室在静态时，由于单扭杆翻转装置对整个驾驶室地板前部的扭矩作用，使得地板部件的应力过大，接近或超过板件材料的屈服强度极限，且该应力一直都施加于地板纵梁上；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，使得结构部件可能出现开裂的风险。

3、结构改进方案

基于驾驶室有限元建模与分析结论，主要分析驾驶室在不同载荷工况及地板部件尺寸改变情况下，前地板总成主要部件的应力状态，以此说明结构改进效果及方案可行性。前地板总成主要部件如图5所示，前地板总成由前横梁、前纵梁前连接板、前地板加强板及前地板组成。按照相关路试资料，开裂部件主要集中在前横梁和前地板上。

基于前述驾驶室建模与分析，以下是设想各种工况条件计算结果，并据此分析各种结构改进方案的可行性。

共计进行了八种工况的分析，八种工况下各主要部件最大应力值对比如下表：

表2

综合各种设想工况计算，可以对驾驶室结构改进方案作出如下分析：

1）根据工况2，加长前支承臂为原来2倍，可以有效地减小前地板和前横梁的应力值；

2）根据工况3，并结合工况8，改变翻转机构受力条件，使得左右两侧扭转力矩大小尽可能一致，可以降低前地板、前横梁的应力值；

3）根据工况5，增加板件厚度，也能够一定程度上减小应力值。

4）可以考虑采用高强度钢板改变横梁等部件材料，提高其材料强度。

基于上述各种工况计算方案对比，在制造工艺及材料选择可行的条件下，选择某种方案执行进一步细化计算，确定最终解决方案。

4、结论

本文通过翻转机构工作原理，对驾驶室翻转机构进行受力分析；通过对驾驶室重力矩计算，驾驶室前支承轴管受力分析和试验数据，计算出驾驶室底板施加的力矩；以驾驶室的有限元建模，分析驾驶室在不同载荷工况及地板部件尺寸改变情况下，前地板总成主要部件的应力状态，结构改进效果，进而优化地板部件的受力状况。为扭杆式翻转驾驶室提供了一种优化设计思路。

[1] 盛景方,译.扭杆弹簧的设计与制造手册[M].北京,学术期刊出版社,1988.

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[4] 张炳力,师东升,张平平.等.基于不同材料的某中型卡车驾驶室翻转扭杆的研究[J].机械强度,2009，31(6):1024-1028.

The optimization of Cab Based on Tilting of Torsion Bar

Wang Xiangting, Zhu Hui
( AnHui JiangHuai AutoMobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Analyze the stress distribution of tilting mechanism according to the operating principle, and calculate the moment of cab floor by stress analysis and test data of axle tube of cab suspension; and then analyze the stress of the cab floor on different load by finite element analysis, to optimize the stress distribution of cab floor. This paper support an positive design method.

U469.7

A

1671-7988(2016)10-99-03

王香廷，男，（1978-），工程师，就职于江淮汽车股份有限公司技术中心。