基于Hyperworks的重卡气室支架结构优化设计研究

干慧

（合肥职业技术学院，安徽 合肥 230012）

作为支撑气室的主要零部件，气室支架的性能需要跟随重卡的发展要求进行强化，但若盲目的对气室支架进行加厚加大设计，就会使得气室支架变得笨重，不符合现如今的轻量化发展目标，使之失去市场竞争力，但若设计单薄，则会使得气室支架因整体结构强度不足而存在断裂的可能，在此背景下，本文立足于亟需解决重卡气室支架轻量化和高性能的平衡这一现状，根据发明问题解决理论（TRIZ），结合实际的工况问题，采用建模、分析软件，对重卡气室支架进行结构优化设计，旨在获得气室支架结构的最优解。

1 矿用重卡气室支架现状

为保障矿区重卡在恶劣路况下制动性能的可靠性，弹簧制动气室的气压值由原先的0.8MPa提升至1MPa，其产生的推力大幅度增长，整车对气室支架的强度有了更高标准的要求，故有必要对现有的气室支架进行受力分析。现以某公司的一款气室支架为研究对象，采用Hyperworks有限元分析对其进行受力分析，以确定该型号气室支架的可优化空间。

1.1 气室支架概述

气室支架的安装示意图如图1所示，气室支架主要用于连接气室与桥壳总成，支撑安装凸轮轴，配合调整臂完成制动作业，因此合理的气室支架结构不仅能够提高其自身的寿命，而且还能够保障整车制动的平稳性，但由于矿用重卡，运行的路面凹凸不平，需要频繁的进行启动制停，在此过程中气室支架会因受到冲击载荷而存在断裂的风险，因此在对气室支架展开轻量化设计时需充分考虑到其强度问题。

图1 气室支架的安装示意图

1.2 气室支架模型的建立（优化前）

依据气室支架的结构尺寸，采用Inventor三维软件构建气室支架的立体模型，如图2所示：

图2 气室支架（优化前）

1.3 气室支架材质参数

气室支架的材质为QT400-10，材质参数如下表1所示：

表1 QT400-10材质的参数

1.4 受力情况

当重卡进行制动时，弹簧制动气室会产生一个推力作用于气室支架上，此推力为气室支架主要承受的作用力，其余受力情况可以忽略不计，气室支架匹配的桥型使用的是30/24规格的气室总成，如图3所示，在1MPa的气压下，气室总成输出的推力数值为19000N。

图3 行程-推杆力特性曲线图

1.5 受力分析

将气室支架模型导入Hyperworks有限元分析软件中进行网格划分，经过网格划分后，模型共产生了209475个节点和1036146个单元。对气室支架的有限元模型进行约束和加载，如图4所示：

图4 气室支架受力分析图

1.6 结果分析

气室支架的应力分布图如图5所示，其最大应力值260.9MPa主要位于气室支架支撑面板过渡区，基本满足重卡的使用需求，存在结构设计过剩的现象，需对其进行结构优化。

图5 气室支架应力分布图（优化前）

2 基于TRIZ理论的气室支架轻量化研究

2.1 TRIZ理论简介

TRIZ理论是将工程问题转化为固定的问题形式，然后根据TRIZ问题模型选择相应的求解工具，从而得到问题的解，它解决问题的流程如图6所示：

图6 TRIZ解决问题的流程图

TRIZ理论总体上共有四个可解决问题的模型，即物理矛盾性问题的模型、技术矛盾性问题的模型、物场矛盾性问题的模型和知识力使用问题的模型。

物理矛盾问题是指对同一个参数的两种不同要求,针对这类问题,它的主要解决途径之一就是采用分离原理,即通过时间的分离、条件的分离、整体和组成部分之间的分离以及空间的分离等方式来解决具体问题。

技术矛盾问题在处理具体问题时会将其转化为技术矛盾问题模型后，模型中包含着两个相互矛盾和制约的参数，采用矛盾矩阵的方式找到相应的发明原理，以此提供解决思路。

物质场问题是两种物质的一个场的结构信息是有问题的。针对有待解决的实际问题，首先建立问题的初始物质场模型，然后根据具体问题，在标准解系数中找到具体解决方案。

知识利用问题就是要靠寻找一种科学的方式以及原理来实现技术体系功能。

2.2 基于TRIZ理论的气室支架轻量化方案

本项目采用TRIZ理论中的技术矛盾问题模型来解决气室支架轻量化的设计问题。依据气室支架强度/可靠性和重量矛盾的技术参数，在阿奇舒勒矛盾矩阵中查阅发明原理，得到了以下几个改进方案：

在气室支架受力较小的部位进行开槽；

在气室支架应力集中的部位增加加强筋结构；

改进连接圆弧尺寸，降低应力值；

将气室支架的材质由QT400-10改为QT450-10。根据上述改进方案，对气室支架的结构以及材质进行改进，改进后的模型如图7所示。

图7 气室支架（优化后）

2.3 气室支架优化前后的性能对比

根据气室支架的应力分布图显示，如图8所示。优化后的气室支架的最大应力值为127.9MPa，安全系数3.52，相较于改进前的气室支架其应力降低了51%，气室支架的性能得到了明显的提升，且气室支架的重量也由原来的10.052kg降低到了8.098kg，实现了气室支架的轻量化目标。

图8 气室支架应力分布图（优化后）

3 结语

本文以平衡气室支架重量和质量为切入点，对气室支架展开了优化设计并得到了以下的结论：

（1）通过有限元分析，明确了现有的气室支架刚度、强度基本能够满足重卡气压值提升所需的使用要求，存在可优化空间。

（2）根据TRIZ技术矛盾问题模型，确定了气室支架的优化方案，并通过了有限元分析的验证，优化后的气室支架相较于改进前性能提升了51%，重量降低了19.5%。