轻型载货车空气压缩机支架性能分析与优化设计

段龙杨

摘 要：为了评判某轻型载货车空气压缩机支架的性能，创建其离散化模型，添加相应的约束条件对其进行模态仿真计算，得到其低阶频率，并且满足振动属性标准。基于重力场方法对其进行强度仿真计算，得到了其各个方向的应力状态，其应力水平均符合要求。最后，对其厚度值进行优化设计，其质量减轻了12.5%。

关键词：轻型载货车;空气压缩机支架;模态;频率;强度

中图分类号：U463.851 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0054-04

Abstract： Aiming at evaluating the performance of a light truck air compressor bracket. Firstly， its discretization model was established， and it was modal analyzed by adding the corresponding constraints ， so its low frequencies were obtained， it could meet vibration performance standard. Secondly， it was strength simulated based on gravity field method， its stress state in all directions were obtained， and its stress level meets the requirements. Lastly， its thickness were optimized， and its weight was reduced by 12.5%.

Keywords： light truck;air compressor;modal;frequency;strength

轻型载货车的空气压缩机是车辆制动系统的重要组成部分，为制动系统提供气源动力，保障车辆的安全行驶。空气压缩机支架将空气压缩机固定安装在轻型载货车的车架纵梁两侧，其各项性能直接影响整车的可靠性和安全性。若空气压缩机支架的固有频率与发动机和道路的激振频率相接近，将使其产生耦合共振，影响车辆的舒适性与稳定性。若空气压缩机支架的强度性能偏弱，将容易引发疲劳断裂风险，从而造成制动系统损坏，严重影响车辆的安全性。同时，汽车各个零部件的轻量化有助于提升车辆的燃油经济性，有效降低尾气的排放。

因此，针对某轻型载货车空气压缩机支架的性能难以获取和评估的问题，采用有限元技术建立空气压缩机支架总成网格模型，提取其固有频率，并且进行模态性能评估。基于重力场工况对其进行强度性能分析，获取其各个方向的应力水平。最后，对支架的结构参数进行优化研究，得到其最优值。

1 模态理论基础

系统的振动属性可以通过模态性能来评判，而模态性能主要通过其固有频率和阵型来表征。它的振动特性与外界载荷无关，因此空气压缩机支架的振动方程为[1-2]：

2 建立有限元网格模型

某轻型载货车空气压缩机支架总成主要包括车架、空气压缩机、空气压缩机支架、散热器和散热器支架等，各个零部件支架通过螺栓连接固定。采用Catia软件建立空气压缩机支架总成三维数学模型，并且加载至Hypermesh软件[3-4]，基于midsurface功能项抽取各个组件的中间面，同时修补各个面，简化或删除对性能影响比较低的特征。网格单元的粗细对仿真分析结果的精度影响较大。大尺寸网格能够节省计算时间，但是精度偏低，小尺寸网格能够表征结构的几何特征和性能，但是也会增加计算时间。因此，合理的网格单元尺寸直接关系着结构性能的准确。结合实际工程经验，基于4 mm的混合单元（以四边形单元为主，三角形单元为辅）对空气压缩机支架总成的各个组件进行网格離散化。各个组件之间的螺栓采用RBE2单元模拟，空气压缩机支架的横梁与纵梁之间的焊缝采用单元共节点模拟。散热器的质量为6.5 kg，空气压缩机的质量为35 kg，采用Mass单元结合RBE3单元模拟散热器和空气压缩机的质量。空气压缩机支架的材料为Q345，其横梁和纵梁的厚度为3.0 mm，并创建各个属性，最终建立空气压缩机支架总成网格模型，如图1所示。

3 模态性能分析与评价

基于空气压缩机支架的模态性能分析可以使其避免共振，并且获取其动态响应的振幅与相位，有利于评判结构的振动特性。空气压缩机支架的振动特性主要取决于其低阶固有频率。模态阶数越高，其偏差越大。因此，根据空气压缩机支架总成网格模型，基于Nastran求解器[5-6]约束车架两端的所有自由度，采用阵型叠加法和Lanczos法提取其前3阶特征值，由此得到该空气压缩机支架的前3阶固有频率分别为35.1 Hz、40.6 Hz和52.4 Hz。

图2为空气压缩机支架第1阶阵型。由图2可知，它的阵型为前横梁弯曲，动态最大幅值达到了8.258 mm。

该轻型载货车发动机的怠速达到1 000 r/min，通过理论计算得到其激振频率为33.3 Hz。将其与该空气压缩机支架的前3阶频率进行对比可知，该空气压缩机支架的低阶固有频率均高于外界频率，能够避免发生耦合共振，符合动态特性标准。

4 强度性能分析与评价

该轻型载货车在正常道路和恶劣路面行驶过程中，受到空气压缩机、散热器和车架的综合外载，主要分为纵向载荷、横向载荷和垂向载荷。纵向载荷主要表现为车辆在制动过程中根据基础车型采集的加速度信号，纵向工况设定为X方向5g（g表示重力加速度）重力场。横向载荷主要表现为车辆在转弯过程中根据基础车型采集的加速度信号，横向工况设定为Y方向5g重力场。垂向载荷主要表现为车辆在上跳过程中根据基础车型采集的加速度信号，垂向工况设定为Z方向10g重力场。

基于空气压缩机支架总成网格模型，约束车架两端的所有自由度，设置3个分析步，依次为X方向5g重力場、Y方向5g重力场和Z方向10g重力场，以此输出3个方向的应力值。

图5为空气压缩机支架X方向的应力云图。由图5可知，它的最大应力值为129.1 MPa，位于上端右侧纵梁螺栓孔处。车辆在制动时，整车重心会向前偏移，由此造成上端横梁与车架连接处的应力较大。

图6为空气压缩机支架Y方向的应力云图。由图6可知，它的最大应力值为86.62 MPa，位于下端横梁螺栓孔处。车辆在转弯时，整车会发生偏转，由此造成该位置出现应力集中。

图7为空气压缩机支架Z方向的应力云图。由图7可知，它的应力峰值达到了274.3 MPa，位于上端左侧纵梁螺栓孔处。车辆在上跳时，整体重心上移，由此造成该处产生应力集中。

综上所述，该空气压缩机支架X方向、Y方向和Z方向的应力水平均低于材料屈服值，能够满足强度性能标准，不会引起疲劳开裂。

5 优化设计

基于该空气压缩机支架的模态性能和强度性能分析可知，它的综合性能比较强。考虑到整车的轻量化，将支架的厚度作为结构参数进行优化设计。采用Isight平台[7-8]加载空气压缩机支架的网格模型、振动特性分析和强度特性分析，以其质量最小且基于自适应模拟退火算法[9-12]对其进行优化设计，最终得到其最佳厚度为2.6 mm。优化后，它的质量由原先的7.2 kg减小至6.3 kg，轻量化比例达到了12.5%。

如图8所示，优化后空气压缩机支架的第1阶阵型的最大振幅降低至7.432 mm，且其第1阶固有频率降低至34.2 Hz，仍然符合动态属性要求。

6 结语

采用有限元方法建立空气压缩机支架总成离散化模型，基于Lanczos法提取其低阶频率，满足动态特性要求。基于重力场方法对其进行强度性能仿真分析，得到其X方向、Y方向和Z方向的最大应力值分别为129.1 MPa、86.62 MPa和274.3 MPa，均低于材料极限值，符合强度特性要求。基于集成平台并采用自适应模拟退火算法对支架的厚度值进行优化设计，得到其最优厚度值为2.6 mm，优化之后其第一阶频率为34.2 Hz，其最大应力水平为312.7 MPa，可见其综合性能均都满足标准，并且其轻量化比例达到了12.5%。

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