铸造横梁结构改进有限元分析

前言

平衡悬架是重型卡车底盘系统中重要的承载部件，主要由平衡轴支架、横梁、中后桥、板簧组件和上下推力杆等组成。卡车在行驶过程中，平衡悬架通过连接在横梁的推力杆传递驱动力、制动力及其相应的反作用力矩，从而保证汽车的正常行驶。

横梁作为内部连接车架纵梁和传递上推力杆作用力的重要结构件，其结构不仅影响重卡的载重，同时对重卡的综合使用及维修保养有着重要的影响。

铸造横梁不仅体积大、结构复杂，铸造难度也大，而且技术要求高，考虑到生产周期及工装费用，为降低成本，本文采用有限元分析方法，运用Hypermesh软件，对铸造横梁进行强度CAE分析，进而指导设计生产。

1、 铸造横梁有限元模型建立

平衡悬架在汽车行驶过程中，受力较大的工况为：(1)汽车转向时，车身扭转过程中，V型推力杆对平衡悬架的侧向推力;(2)车辆启动及制动过程中，下推力杆对平衡悬架结构的推力。运用Hypermesh软件对平衡悬架系统总成进行前处理。

根据某型重卡的设计载重量要求，满载情况下，平衡悬架支撑结构在转弯和制动的极限工况时，受自身重力G，侧向推力0.6G，制动力1G。其受力情况具体如表1所示。约束车架两端的自由度，分别在V 推支座处加载表2 的载荷。

3、 铸造横梁强度分析

3.1 材料参数

铸造横梁的材料为QT500。

3.2 有限元分析结果

通过对铸造横梁的强度分析，得到新、旧横梁的最小静态安全因子，结构件静态安全因子1时，该结构件达到强度要求。

可以看出，该铸造横梁的最小安全因子均大于1，满足强度要求。但是，该铸造横梁，V型推力杆与它的连接孔为盲孔，根据其铸造公司反馈，铸造横梁在机加工过程中，盲孔加工困难，会大大增加横梁的废品率，导致生产成本增加。考虑以上因素，现对该铸造横梁进行结构改进，并运用有限元方法对其进行验证。

4、 新铸造横梁强度分析

4.1 结构改进的铸造横梁

现将铸造横梁V推支座处盲孔改成通孔。同时取消原铸造横梁凹槽上下侧的筋。

4.2 有限元分析验证

铸造横梁更改为新的铸造横梁，对其进行强度分析，得到新横梁的最小静态安全因子， 可以看出：将盲孔变为通孔并没有对横梁的强度产生较大影响。旧横梁在转弯工况下，应力主要集中在凹槽上下侧的筋处;去掉凹槽上下侧的筋，该处的应力集中现象得到改善。而且，新横梁同样满足强度要求。

5、 铸造横梁强度对比

对比新、旧横梁的最小静态安全因子。可以看出：三种工况下，新、旧横梁的最小安全因子均大于1，满足强度要求，但是转弯工况，安全系数相对较小;新横梁转弯工况下的安全因子略有提高。

新横梁比旧横梁质量略有降低，但是在启动工况和制动工况下，其安全因子较高，还是有优化减重的空间。

6、 结论

(1)三种工况下，新、旧横梁的最小安全因子均大于1，满足强度要求。

(2)将盲孔变为通孔并没有对横梁的强度产生较大影响。而且，去掉凹槽上下侧的筋，在转弯工况下，集中在原筋处的应力得到释放。

(3)新横梁转弯工况下的安全因子略有提高。且新横梁比旧横梁质量略有降低，但是在启动工况和制动工况下，其安全因子较高，还是有优化减重的空间，后续可以对其进行拓扑优化，在满足使用强度的基础上，使减重效果明显。