商用车挡泥板支架轻量化结构设计

2021-09-29李海丰杨明杨红旗熊建国

汽车零部件 2021年9期

李海丰，杨明，杨红旗，熊建国

(1.湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰 442002；2.东风(十堰)林泓汽车配套件有限公司，湖北十堰 442002)

0 引言

随着商用车行业的高速发展，客户对车辆的节能效果日益重视，其中燃油经济性能即是一个重要指标，这与整车以及零部件的轻量化水平有很大关系[1]。挡泥板支架是商用车底盘上的一个关键零部件，其上安装有挡泥板、尾灯等附件，功能相当重要；支架在工态下承受较为复杂的振动与冲击，力学性能要求较高，因此为保证其功用，目前通常选用铸钢或碳钢作为支架用材，但这明显不利于商用车轻量化的发展。为此，本文作者以某型号商用车挡泥板支架(图1)为研究对象，利用SW软件三维建模，并使用有限元分析软件INVENTOR和MADAS进行CAE分析，从材质选用、结构优化两方面对挡泥板支架进行轻量化设计，获得较好的效果，为实际应用奠定基础。

图1 挡泥板支架(材质：铸钢;总长710 mm)

1 研究过程及结果

1.1 材料初选分析

工程塑料和复合材料应用在汽车零部件上获得了很好的减重效果，最突出的特点是“轻质高强”，逐渐形成了“以塑代钢”的汽车轻量化发展理念。在一些复杂工况的零部件上，常规的工程塑料因力学性能不足、尺寸稳定性较差等问题而无法使用[2]，但聚合物基复合材料，特别是纤维增强复合材料(玻纤增强和碳纤增强)在车辆省油、减震、隔音、吸能等方面表现出显著优势[3]，这极大扩展了汽车轻量化选材的范围。目前很多文献也报道了该类材料在汽车轻量化上的运用效果[4-5]。结合文中研究对象挡泥板支架需要较高的机械强度和刚度，同时考虑到工艺性和经济性，初步选取玻纤增强型复合材料(俗称玻璃钢)和碳纤增强型复合材料，型号分别为玻纤增强尼龙PA66+GF30和碳纤增强尼龙PA66+CF30，将这两种材料做对比分析以择优选用。材料性能特点与铸钢的比较见表1。

表1 3种材料性能特点对比

1.2 结构设计及材料选用分析

首先对原铸钢材质的支架结构进行分析，其结构主要由三部分构成，即底座、圆管及其上的附件。支架通过底座上的4个螺栓与车架固定，而底座与圆管又通过焊接和螺栓连接，附件也焊接在圆管上。对支架进行轻量化设计，就需要减少零件数量，尽量采用同样的工艺一次成型，因此采用一体化结构设计，即可实现“以少代多”。

考虑到支架的装配要求，即大小尺寸与装配空间的匹配以及不改变、不干涉支架周围的零部件，确定一体化支架的基本结构由三部分构成，即长方形底板、底板上的中空圆筒体和圆筒体根部四周的加强筋。底板边角以及圆筒体根部部位采用圆弧过渡，底板仍然通过4个螺栓与车架固定。初步设计出3种支架结构方案，3种方案的结构如图2所示。通过CAE的刚度(位移或变形)及强度(结构安全系数)分析，优选出合适的材料和结构。

图2 3种方案的支架结构示意

方案1：底板上延伸出壁厚8 mm的管体，管体根部四周设计短尺寸的加强筋。

方案2：底板上延伸出壁厚6 mm的管体，管体根部四周设计长尺寸的加强筋。

方案3：底板上延伸出圆锥形管体，圆管前段壁厚7.5 mm，后段壁厚12.5 mm，管体根部四周设计长尺寸的加强筋。

3种方案的底板结构、支架总长度一样。利用有限元分析软件INVENTOR对结构的刚度和强度进行分析，通过最大位移值(即变形)和最小安全系数(即安全度)反映结构的强度。分析结果见表2。

表2 3种结构方案采用不同材料的性能对比

由表可知，材料若使用玻纤增强尼龙PA66+GF30，3种结构方案的最大位移值均远远超过技术要求限定值，说明零件在工态下会发生很大变形，这3种结构方案刚度都偏低；同时，方案1和方案3的最小安全系数都小于1，说明结构强度都不够，方案2的最小安全系数虽然达到2.1，但其最大位移值在三者中也最大。相比之下，材料若使用碳纤增强尼龙PA66+CF30，3种结构方案的最大位移值虽然也超过技术要求限定值，但都偏低；同时，三者的最小安全系数都大于1，说明结构强度基本合格，通过结构优化可以进一步提高刚度和强度。因此，对比之下，碳纤增强尼龙PA66+CF30可作为轻量化支架的首选用材。

除此之外，两种材料下，方案2的结构最小安全系数都大于1，且在三者中最高，表明该结构具有较好的强度(安全度高)；而方案3的结构最大位移值在三者中最小，表明该结构具有较好的刚度(变形小)；因此可综合两个结构的优点，获得安全度高、变形小的结构，即采用圆锥形管体、管体根部四周设计长尺寸加强筋的结构，优化后再进行力学分析对比。

1.3 结构优化分析

经过上述分析，对结构进行优化，采用圆锥形管体、管体根部四周设计长尺寸的加强筋，并在管体内壁也设置加强筋，得到优化的结构方案4和方案5。区别在于底板质量，前者采用镂空底板，后者采用实体底板。此外，考虑到支架前段安装有附件，重心位于前部，为保证强度，在方案5的基础上在管体根部四周设计双加强筋的结构，得到优化的结构方案6，3种优化的结构示意图如图3所示。

图3 优化的支架结构

对上述3种方案进行CAE力学分析，结果见表3。可知3种结构方案的质量差别不大，说明方案4底板采用镂空结构虽然可实现一定的减重效果，但与实体结构相比，减重效果并不明显。结构刚度方面，方案6的最大位移较小，而方案4和方案5基本一样，但3种结构方案的最大位移都偏高，说明三者的结构刚度仍不能满足要求。结构强度方面，方案4最低只有1.1，而方案5和方案6的最小安全系数都达到了复合材料最低1.5的要求，表明底板采用实体结构合适，有利于整个结构的安全度。方案4的疲劳寿命在三者中最低，仅有80万次；方案5和方案6的一样，但也只有100万次,分析结果如图4所示，3种结构方案的最小疲劳寿命均没有达到技术要求规定的200万次的最低值。

表3 结构优化后的CAE分析结果

综合上述分析可知，3种结构方案的刚度、疲劳寿命不合格。图4显示了结构上寿命较低的部位，即底板(包括螺栓安装孔)、管体根部以及管体尺寸变化大的部位，图5显示了结构上容易损坏的部位(图中箭头所示)，与图4分析结果一致。因此，可针对结构的薄弱部位重新设计支架的结构。

图5 结构方案的薄弱部位

1.4 结构二次优化设计分析

通过上述分析可知，采用类似原铸钢材质的支架结构，力学分析结果较差。现对支架的功能重新分析设计，支架底部与车架连接，前部安装有附件，重心、载荷都集中于前部，支架相当于一根悬臂梁，对底部结构强度要求较高，可适当增大底板厚度。在上述初步设计的支架结构中，圆管体根部无一例外会出现损伤，且寿命较低，因此该结构非但不能采用，而且还需要加强刚度和强度，借鉴金属结构件中常见的矩形梁，设计“工字钢”形状的“承重梁”。同时，考虑到支架结构的整体性，将安装挡泥板的附件一并整合到支架结构中，采用“一体化”结构、“一次性”成型。因此，经过二次优化、设计的支架结构方案7如图6所示。

图6 二次优化设计的支架结构

重新设计的支架结构与原铸钢材质结构的CAE分析结果对比见表4，可知采用方案7的结构，最大位移比铸钢结构的大，但仍在技术要求的限定范围内；最小安全系数2.9，也符合复合材料对零件结构安全度的要求[6]；因此，方案7的刚度及强度能够满足支架的技术要求，最重要的是方案7的质量仅有1.91 kg，相比铸钢材质的6.75 kg，实现减重72%的效果，达到了支架轻量化的目的。