某型重卡驾驶室和散热器副水箱动态干涉问题分析

摘 要：某型重卡在试验场进行可靠耐久性强化试验时，散热器右上方的副水箱安装支架多次出现开裂现象，因散热器及其支架结构的强度和耐久性已经在相似车型经过了运用和验证，因此需要先分析此散热器系统和驾驶室在试验过程是否存在运动干涉、触碰问题而使安装支架开裂失效。随后通过采集试验过程中的道路载荷谱，结合多体建模和分析，对试验过程中副水箱和驾驶室是否存在干涉现象进行了分析，并给出了设计更改建议，采用建议更改设计方案后，副水箱安装支架没有再出现开裂失效问题。此项工作说明，运用多体模型结合道路载荷谱，能够较好地模拟分析某些复杂结构极限工况下的运动间隙问题，可以为设计部门设计出安全、紧凑的产品结构提供设计依据或参考。

关键词：载荷谱 多体模型 包络 运动间隙

卡车驾驶室的悬置结构，一般具有较为复杂的力学单元、多处（多个方向）存在运动限位装置，如下图1、图2所示（1-减震器限位块＼2-翻转支架前限位块＼3-翻转支架后限位块…8-后悬置气弹簧等）。由于复杂的力学单元、多处多方向的限位问题，其运动情况一般不能通过三维设计软件里的机构运动模块（DMU）对其运动过程进行模拟分析，需要经过多体软件进行模拟仿真，在确定驾驶室质心的运动轨迹之后，再借助三维软件生成运动包络体，分析其与动力、底盘等系统运动间隙或干涉问题。本文通过对某重卡驾驶室和散热器副水箱动态干涉问题的分析论述，看能否给予需要对相似问题进行分析研究的同行提供些许参考。

1 分析问题的提出

因某重卡的升级车型在襄阳达安汽车试验场进行可靠耐久性强化试验过程中，车辆前端散热器右上方的副水箱安装支架多次出现开裂现象，因相同散热器及其支架结构的强度和耐久性，在相似车型已经经过运用和验证，因此需要先分析此车型驶室和散热器在试验过程是否存在运动干涉、触碰问题导致副水箱安装支架开裂失效。如无运动干涉问题，需再做进一步的深入分析。

2 建模与分析

2.1 驾驶室以及冷却系统等的建模

（1）力学单元建模：分析系统里的力学元件主要包括：驾驶室前悬置变刚度弹簧、后悬置气弹簧、前悬置减震器及上下限位、后悬置减震器及上下限位、横向稳定杆、前悬置上下衬套、后悬置下衬套、后悬置侧向减震器及上下衬套、前悬置摆臂翻转衬套、摆臂后衬套、驾驶室翻转限位、三角臂前限位、三角臂后限位等。据试验测得或供应商提供的力学单元参数，运用多体建模软件ADAMS逐一建立其力学特性单元，用于模拟分析系统各子组件的力学元件，部分力学单元特性参数曲线如下图3至图5所示。

（2）分析系通建模：根据设计的三维模型分析确定需要分析研究的结构，然后按系统逐一拆分成4部分，既驾驶室及其悬置结构、车架基体、横向稳定杆系统、冷凝器部件4部分，并依次建立起各子系统模型，如下图6至图8所示，在图8所示的车架子系统考虑了驾驶室前、后悬置支架的柔性，然后对子系统进行装配，最终建立起完整的分析模型装配结构如图9所示。

2.2 极限工况分析

（1）试验场采集载荷谱分析 ： 参考襄阳试验场强化路面采集的驾驶室悬置载荷谱数据如下图10所示，分析得出驾驶室在试验场的惯性加速度幅值：AZ=2.5+1=3.5g（需要加上自身的重力加速度1g）；AX=2g，AY=1.5g。（注：一般X偏大，稍取小值，Y向偏小，稍取大值）

（2）将加速度幅值施加于驾驶室多体分析模型：先施加X向2g加速度（闭环分析），得出驾驶室、冷却模块的质心的轨迹，俯仰、侧倾和偏转结果如图11至图14所示，然后再依次施加X向-2g、Y向±1.5g、Z向±3.5G工况，与X向2g工况类似，不再赘述。

（3）合并各极限工况的位移结果：将以上各极限分析工况结果进行拼接合并，得出驾驶室、冷却模块的质心运动轨迹数据如下图15至图16所示，分析结果图15中cab_xf_2P0中cab指代驾驶室、xf指代X向施加负方向的惯性力、2P0指代施加惯性力为2g，其余类推；图16中Graditor_xf_2P0中raditor指代冷却系统，其余指代意义同图15。

2.3 运动包络体生成、间隙分析

由多体模型极限工况生成的驾驶室、冷却模块模型的质心轨迹，然后运用CATIA软件DMU机构运动分析模块的振动分析工具，生成驾驶室部分、冷却模块的运动包络体如下图17、图18所示，然后把这两部分装配在一起如下图19所示，通过设置空间阀值间隙小于5mm进行空间分析，分析结果如下图19所示，左侧已有接触（红色代表接触），侵入量为0.472mm，右侧顶端两处的间隙也已小于5mm（绿色代表间隙小于5mm的阀值）。

极限工况分析结果显示驾驶室下隔热垫已与冷凝器模块左侧接触，右侧两处间隙也小于5mm，安全间隙距离过小。考虑零部件的加工以及安装误差，在特别恶劣路况时，部分驾驶室底板会触碰到冷却模块，因此建议相应驾驶室和冷却模块间的安装间隙在原来基础之上再增加10mm，然后进行实车试验验证。

3 试验验证

跟据本次的分析结果和建议，设计人员对设计数据进行了调整，然后试验验证人员策划安排了两阶段的试验进行充分验证，第一阶段首先安排了2台车，在驾驶室底部涂上油漆进行标记，然后在试验场的强化路面进行了几轮次的实车试验，试验结束后观察到驾驶室底部所标记漆面完好无损，初步说明驾驶室底部和冷却系统没有触碰，新设计方案预留间隙合理。试验验证第二阶段（试验充分性验证），在另外3台可靠耐久性试验样车上进行搭载试验，在试验完成后，冷却模块散热器右上方的副水箱安装支架依然没有出现开裂现象，说明此问题已经排除。

4 总结

通过本次的分析和运用，以及后期进行的实车试验验证，说明对于具有复杂力学单元和限位形式的机构运动，通过采集机构运动的载荷谱，结合多体软件（如ADAMS2020）、分析提取出运动机构极限工况的运动轨迹，然后再采用三维软件（如CATIAV5-2017）机构运动分析DMU模块的振动分析工具，生成其运动包络体，然后进行最小运动空间需求分析，是设计开发出安全且结构紧凑的产品的一套有效方法。

参考文献：

[1]王彦伟，王承凯.ADAMS/Car汽车底盘动力学虚拟开发[M].北京：机械工业出版社，2023.

[2]李增刚李保国.ADAMS入门详解与实例教程[M].北京：清华大学出版社，2021.

[2]王钰栋金磊洪清泉.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.