城市客车转向机支架结构轻量化设计

2022-10-29朱红军刘芳忠王坤俊邱钰贤

客车技术与研究 2022年5期

朱红军，熊乐，刘芳忠，王坤俊，邱钰贤

(1.中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412007；2.长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙 410083)

转向机支架是客车转向系统的重要结构件，若其刚度不足会引起前轮摆振、前轮转向响应迟钝、方向盘自由间隙大等问题。为保证有足够的刚度，转向机支架一般设计得比较厚重，可能存在过设计。本文对某城市客车的转向机支架进行性能分析和轻量化设计，以求在结构性能和轻量化间取得平衡。

1 结构性能分析

1.1 结构受力分析

某城市客车的转向机通过5个安装点固定在转向机支架上，如图1所示。其最大输出扭矩为7 173 N·m，转向节臂在对中位置和左、右极限位置的有效长度分别为210 mm、175 mm和150 mm，由=·可得到载荷大小分别为34 157.1 N、40 988.6 N和47 820 N，将其作为有限元分析的输入。

图1 转向机支架及其有限元模型

1.2 有限元模型建立

对转向机、转向机支架和转向机支架附近部分前悬段车架的三维数据进行适当简化得到有限元模型，保留转向机壳体、转向机各安装点及输出轴，忽略安装在转向机内部的各附件总成及其前端的传动轴。转向机与支架的安装孔处和支架与车架的安装孔处的连接均采用螺栓连接单元进行处理。转向机支架及其附近截取的部分前悬段车架构件，因其长、宽的尺寸明显大于其厚度的尺寸，符合壳单元离散的假设，因此使用2D壳单元进行网格划分；转向机壳体则使用四面体单元进行网格划分。上述模型所用的材料均为Q355。将1.1节中计算得到的载荷加载到转向机输出端，得到如图1所示的有限元模型。

对于图1中的模型而言，转向机支架是承受转向机输出扭矩最直接的部件，平板状结构导致其局部安装刚度较低，从以往分析经验来看，其应力水平明显高于周边的前悬段车架；从工程实践的角度来看，转向机支架也是经常发生破坏的部件。因此本文主要将转向机支架作为分析对象，考察其在转向机输出扭矩下的刚强度性能。

约束图1中前悬段车架模型在截断处的6个自由度，将1.1节中计算的载荷加载到图1中转向机输出轴的中心。根据转向节臂在对中和左、右极限的位置，分别考虑左转和右转两种状态后构建6个工况，分别为对中左转工况1、对中右转工况2、左极限左转工况3、左极限右转工况4、右极限左转工况5和右极限右转工况6。

1.3 计算结果分析

计算后得到各工况下的应力云图分布和位移云图分布，其位移和应力在右极限工况下取得最大值，如图2所示。

(a)应力云图分布

由图2可知，转向机支架周边的车架构件整体应力较低，最大应力为110 MPa。模型中最大应力和位移均位于转向机支架，具体值见表1。

表1 转向机支架最大应力和位移

表中工况5对应转向机最大输出扭矩，支架局部最大应力为256.1 MPa，位于图2中左上部安装孔周边，低于所用材料Q355的屈服强度355 MPa；最大变形量为1.05 mm，位于安装孔周边的支架边缘处，且低于1.5 mm的经验许用要求。从以上结果看，支架结构强度富裕较大。考虑到支架厚度为12 mm，经评估认为，该转向机支架存在结构轻量化的空间。

2 结构轻量化设计

2.1 支架结构拓扑优化

由于应力云图分布中出现较大范围的低应力结构区域，因此首先考虑对该支架进行拓扑优化。

将转向机支架与车架的连接孔、转向机支架与转向机的安装孔和支架部分边界区域定义为非设计空间，转向机支架其余结构均定义为设计空间。此外，拓扑优化的边界条件和载荷状况与刚强度分析时的各工况相同。经多次迭代后得到的转向机支架的拓扑优化构型如图3所示。

图3 转向机支架拓扑优化构型

支架的主要承载区位于图3中支架的左侧和下部区域，支架右前方区域为次要承载区，因此可在拓扑优化的基础上进一步对支架结构进行优化设计。

2.2 结构优化设计

根据上述拓扑优化结果，保留原设计状态的主要承载区结构，减少次要承载区材料使用，具体方案如下：①将中间大圆孔沿右前方延伸；②在右侧低承载区开设减重孔；③将左侧圆孔加大；④将左下角直角切除。结构优化设计后的转向机支架如图4所示。

图4 优化设计后的转向机支架

2.3 优化设计效果

将上述优化设计结构重新进行有限元分析，结果是最大应力为268.8 MPa，最大位移为1.07 mm。对比优化前，其强度和刚度与原状态相比无明显变化，质量由17.51 kg减为16.24 kg，减重达7.3%。优化后各工况下的应力和位移云图分布与原状态基本相同。此外，支架周边车架构件的应力分布及最大应力与优化前基本一致。