節(jié)約資源，是全社會共同的職責(zé)，降低重量，是汽車人努力的方向，節(jié)約成本，是造車人追求利潤的重要手段之一。整車性能卓越，當(dāng)然離不開優(yōu)秀的零部件，但是對于好東西應(yīng)有更為廣闊的市場而言，該載重車的市場份額還不夠大，降低整車價格，是市場能夠接受的唯一途徑。對我們零部件廠家而言，必須無條件接受總成的降價，整車的市場就是我們零部件的市場。因此降低零部件的成本成為我們零部件廠商的唯一出路。該載重車車身懸架中，精鑄件的價值份額占據(jù)了40%左右，降低精鑄件的成本，也能夠為該載重車車身懸架總成成本的降低提供較大的空間。根據(jù)精鑄件可塑性較大的結(jié)構(gòu)特點，精鑄件可優(yōu)化空間較大，因而，優(yōu)化車身懸架精鑄件的結(jié)構(gòu)，降低精鑄件的重量，不僅能夠有效降低車身懸置總成的成本，節(jié)約資源，而且為整車重量的降低做出貢獻。

    1、現(xiàn)生產(chǎn)情況說明

    某載重車車身懸架中，前懸左右翻轉(zhuǎn)支架和前懸下支撐以及后懸下支架均為精密鑄造結(jié)構(gòu)，其中，前懸左右翻轉(zhuǎn)支架分別和前懸下支撐連接，后懸下支架左右各有一件，所有精鑄件共同作為駕駛室的支撐元件，承擔(dān)駕駛室在運動過程中產(chǎn)生的豎直、前后及左右等不同方向的沖擊。圖1所示為精鑄件在車身懸置系統(tǒng)中的布置結(jié)構(gòu)，這些精鑄件的基本信息如表1所示。

    圖1某車身懸架精鑄件分布示意圖

    其中，01——左右翻轉(zhuǎn)支架；02——前懸下支撐；03——后懸下支架

    表1某載重車車身懸架現(xiàn)生產(chǎn)精鑄件基本信息表

    從表1可以看出，前懸左右翻轉(zhuǎn)支架為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，中間部位鑄造性能較差，容易產(chǎn)生縮孔缺陷，正面的兩個小定位凸臺鑄造過程中容易歪斜產(chǎn)生廢品。前懸下支撐通過兩個螺栓孔與左右翻轉(zhuǎn)支架連接，前懸下支撐下端的U型叉部位是與左右翻轉(zhuǎn)支架下端螺紋孔裝配定位用工藝裝置，防止前懸下支撐裝配歪斜。后懸下支架單件達到19公斤，超出了手工批量作業(yè)搬運15公斤的極限，使工人勞動強度過大。每套懸置系統(tǒng)中，這些精鑄件總重為63.2公斤，占一套懸置系統(tǒng)的55%。

    2、精鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    由于現(xiàn)生產(chǎn)的產(chǎn)品，均是批量裝車零件，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提是不影響零部件在主機廠的裝配連接，不改變零部件的裝配狀態(tài)，基本不改變零部件的加工狀態(tài)，同時確保在相同工況下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平不高于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化前后的零件必須經(jīng)過靜壓對比試驗和裝車試驗，確保萬無一失的情況下，方能確定最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

    左右翻轉(zhuǎn)支架和前懸下支撐均由我廠提供，在主機廠進行裝配，從減少主機廠分裝時間，提升總裝效率的角度出發(fā)，我們建議將左右翻轉(zhuǎn)支架與前懸下支撐由我廠裝配，形成一個工藝合件進行總成供貨，減少了總裝工作量的同時，我們也可以通過裝配工裝定位，確保前懸下支撐與翻轉(zhuǎn)支架的垂直位置，因而前懸下支撐上的U型叉和翻轉(zhuǎn)支架上的螺紋定位孔就可以取消，同時翻轉(zhuǎn)支架上的兩個定位凸臺也可以取消，既能降低重量，改善鑄造工藝性能，降低鑄造廢品，同時還減少了切削加工的時間，提升了零件的加工效率。

    根據(jù)后懸下支架的連接受力特點，將后懸下支架與大梁的連接部位進行了優(yōu)化，特別是上俯面加強筋的布置，有效地節(jié)約了材料，但是零件的中部由于俯面筋的減弱必能導(dǎo)致強度下降，所以將俯面筋與零件側(cè)壁形成一個整體，使零件呈H型結(jié)構(gòu)，使零件中部的強度得到較大的提升。另外，零件上端連接板的支點與后懸橫梁間的結(jié)構(gòu)造型也采用了更強的三角支撐結(jié)構(gòu)。

    精鑄件優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)信息如表2所示。

    表2精鑄件優(yōu)化結(jié)構(gòu)信息表

    從表2可以看出，優(yōu)化后的左右翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)簡潔，鑄造工藝性能良好，在材料不變的前提下，單件重量下降了1.5公斤，前懸下支撐單件重量下降了0.5公斤，而后懸下支架單件重量更是下降了5公斤，達到了零件手工搬動可以接受的15公斤范圍以內(nèi)，并且優(yōu)化后的后懸下支架外形呈流線結(jié)構(gòu)，更為美觀。優(yōu)化后的精鑄結(jié)構(gòu)，材料沒有變化，裝配連接尺寸沒有變化，加工定位基準沒有壓緊基準改動極少，優(yōu)化后的精鑄件總重為49.2公斤，每套懸置系統(tǒng)減重14公斤。#p#分頁標題#e#
 

3、CAE應(yīng)力分析

    3.1、翻轉(zhuǎn)支架CAE分析

    翻轉(zhuǎn)支架承受駕駛室豎直方向3g沖擊載荷，側(cè)向2g沖擊載荷和前后方向0.51g沖擊載荷，主要考察在上述三種沖擊同時作用下，原始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力對比情況。同時對比優(yōu)化前后零件在擺錘撞擊模擬碰撞情況下的應(yīng)力情況，設(shè)定擺錘最大作用力為37600N。

    翻轉(zhuǎn)支架優(yōu)化前后在上述工況下的應(yīng)力對比情況如表3所示。

    表3翻轉(zhuǎn)支架優(yōu)化前后應(yīng)力對比一覽表

    從表3的結(jié)論欄可以看出，在正常工況下，即在豎直、側(cè)向和前后三方向綜合作用力下，翻轉(zhuǎn)支架優(yōu)化后不僅僅是結(jié)構(gòu)造型更為美觀、鑄造工藝性能更好、重量更輕，并且其綜合抗沖擊能力提高了22.3%。同時，在極限工況下，即在擺錘撞擊37600N的大力沖擊下，優(yōu)化后的應(yīng)力僅僅下降了4.2%，可以說，應(yīng)力水平基本相當(dāng)。因此，通過CAE分析，可以說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

    3.2、前懸下支撐CAE分析

    前懸下支撐同樣承受駕駛室豎直方向3g沖擊載荷，側(cè)向2g沖擊載荷和前后方向0.51g沖擊載荷，考察在上述三種沖擊同時作用下，原始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力對比情況。

    同時對比優(yōu)化前后零件在擺錘撞擊模擬碰撞情況下的應(yīng)力情況，設(shè)定擺錘最大作用力為37600N。

    前懸下支撐優(yōu)化前后在上述工況下的應(yīng)力對比情況如表3所示。

    表4前懸下支撐優(yōu)化前后應(yīng)力對比一覽表

    從表4的結(jié)論欄可以看出，在正常工況下，即在豎直、側(cè)向和前后三方向綜合作用力下，前懸下支撐優(yōu)化后不僅僅是結(jié)構(gòu)造型更為美觀、重量更輕，并且其綜合抗沖擊能力和抗擺錘沖擊能力都略有提高。因此，通過CAE分析，可以說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。
 

  3.3、后懸下支架CAE分析

    后懸下支架CAE應(yīng)力分析，考慮駕駛室受垂向4g，側(cè)向2.5g的沖擊工況，運用adams軟件計算，得到垂直載荷：左件9800N，右件0N；側(cè)向載荷：左件23000N，右件：2900N；減震器載荷：左件6300N，右件：5400N，我們分析載荷最大的零件應(yīng)力情況。

    后懸下支架優(yōu)化前后在上述工況下的應(yīng)力對比情況如表5所示。

    表5后懸下支架優(yōu)化前后應(yīng)力對比一覽表

    從表5的結(jié)論欄可以看出，在CAE分析工況下，后懸下支架優(yōu)化后不僅僅是結(jié)構(gòu)造型更為美觀、重量更輕，并且其綜合抗沖擊能力提高了7%。因此，通過CAE分析，可以說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

    3.4、CAE分析結(jié)論

    CAE分析的基礎(chǔ)是懸置系統(tǒng)在正常工況下的極限載荷作用下，優(yōu)化前后的零件應(yīng)力對比情況，同時對前懸置零件考慮了在碰撞的意外工況下應(yīng)力對比情況，從CAE分析的結(jié)果可以看出，該懸置系統(tǒng)中的左右翻轉(zhuǎn)支架、前懸下支撐和后懸下支架，優(yōu)化后的應(yīng)力基本比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)要低，由此可以說明，優(yōu)化結(jié)構(gòu)綜合性能要比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更好。

    4、靜壓強度試驗

    僅僅從理論上分析優(yōu)化前后的零件強度往往不具備足夠的說服力，實踐是檢驗真理的唯一標準，我們根據(jù)零件最大應(yīng)力分布情況，通過靜壓對比試驗，在不同作用力下，實際測量零件的應(yīng)力變化。

    4.1翻轉(zhuǎn)支架和前懸下支撐靜壓強度對比試驗

    4.1.1貼片位置

    如圖2所示為翻轉(zhuǎn)支架和前懸下支撐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的貼片位置。如圖3所示為翻轉(zhuǎn)支架和前懸下支撐優(yōu)化結(jié)構(gòu)的貼片位置。

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    圖2

圖3

    4.1.2載荷曲線

    我們按照翻轉(zhuǎn)支架和前懸下支撐實際使用狀況進行聯(lián)合加載，如圖4所示，實物照片為翻轉(zhuǎn)支架與前懸下支撐組合加載圖片，將靜壓力作用在零件的前后方向，即最大應(yīng)力的發(fā)生位置，優(yōu)化前后靜壓載荷的大小、方向及加載時間都相同，如圖5所示。

    圖4

    圖5

    圖5橫坐標表示加載的時間節(jié)點，數(shù)值代表取值點，每段加載時間為60秒，縱坐標表示加載力的大小，從7KN開始，經(jīng)歷12KN、22KN、32KN、42KN和50KN。
 

   4.1.3應(yīng)變曲線

    圖6為優(yōu)化前后的新老結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)支架的應(yīng)變對比情況。

    圖6

    圖7

    圖7為優(yōu)化前后的新老結(jié)構(gòu)前懸下支撐的應(yīng)變對比情況。

    從圖6可以看出，翻轉(zhuǎn)支架新結(jié)構(gòu)比老結(jié)構(gòu)表現(xiàn)要差，兩個貼應(yīng)變花位置的應(yīng)變都比老結(jié)構(gòu)要大得多，老結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變不超過4000，而新結(jié)構(gòu)已超過6000。新結(jié)構(gòu)中應(yīng)變花new567的曲線很奇特：在4.2噸載荷時，應(yīng)變出現(xiàn)一個波動，當(dāng)載荷達到5噸時，應(yīng)變陡然下降，反倒低于4.2噸載荷時的應(yīng)變水平，說明新結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)性能較好，在高載荷作用下，應(yīng)變發(fā)生轉(zhuǎn)移，使得翻轉(zhuǎn)支架的應(yīng)力水平不會持續(xù)擴大，從而導(dǎo)致零件破壞。

    另外，從圖6可以看出，在40KN時，新結(jié)構(gòu)應(yīng)變?yōu)?000，并沒有產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，根據(jù)實際承載狀況，應(yīng)為最大碰撞力為37.6KN，所有可以認為優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求。

    從圖7可以看出，前懸下支撐新老結(jié)構(gòu)總體應(yīng)變水平相當(dāng)，最大應(yīng)變都發(fā)生在0號應(yīng)變處，兩者都在此出發(fā)生屈服，其中新結(jié)構(gòu)比老結(jié)構(gòu)稍大一點。

    4.1.4小結(jié)

    綜上所述，從靜壓試驗對比可以看出，優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)支架和前懸下支撐在30KN以內(nèi)的載荷左右下，應(yīng)變情況與CAE分析的情況基本一致，可以滿足使用要求。另外，在50KN的大載荷作用下，優(yōu)化后的零件性能有不同程度的下降，但是優(yōu)化設(shè)計是在減輕零件重量的情況下，能夠滿足極限工況的應(yīng)有要求為基準，我們認為優(yōu)化的零件結(jié)構(gòu)在可接受范圍內(nèi)，完全能夠滿足使用要求。

    4.2后懸下支架靜壓強度對比試驗

    4.2.1貼片位置

    如圖8所示為后懸下支架現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的貼片位置。如圖9所示為后懸下支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)的貼片位置。所有貼片位置基本分布在CAE分析應(yīng)力最大的位置。（注：此處分析的優(yōu)化結(jié)構(gòu)為第一輪優(yōu)化產(chǎn)品，零件中部的俯面筋與側(cè)壁為分離結(jié)構(gòu)。）

    圖8

4.2.2載荷曲線

    如圖10所示，實物照片為后懸下支架加載圖片，將靜壓力作用在零件的側(cè)向，即最大應(yīng)力的發(fā)生位置，優(yōu)化前后靜壓載荷的大小、方向及加載時間都相同，如圖5所示。

    圖10

    4.2.3應(yīng)變曲線

    圖11為老結(jié)構(gòu)后懸下支架的應(yīng)變對比情況。

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    圖11橫坐標表示時間節(jié)點，縱坐標表示應(yīng)變

    圖12橫坐標表示時間節(jié)點，縱坐標表示應(yīng)變

    從圖11可以看出，老結(jié)構(gòu)的后懸下支架加載到50KN后，仍然表現(xiàn)完好，零件沒有明顯的屈服變形。從圖12可以看出，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的后懸下支架在22KN以內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生屈服變形，最大應(yīng)變?yōu)?100，但是當(dāng)載荷上升到32KN的途中，零件的中部已經(jīng)發(fā)生永久塑性變形，應(yīng)變片損壞。

    4.2.4小結(jié)

    綜上所述，從靜壓試驗對比可以看出，優(yōu)化后的后懸下支架在22KN壓力以內(nèi)，能夠滿足使用要求，應(yīng)變水平與現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相當(dāng)，從這一點來說，優(yōu)化的后懸下支架基本可以滿足使用要求。而在22KN以上，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能明顯不如現(xiàn)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，為了進一步提升零件的結(jié)構(gòu)強度，需要進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以確保在意外工況下的使用要求。

    4.2.5后懸下支架結(jié)構(gòu)改善

    根據(jù)靜壓試驗中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)零件中段在22KN到32KN的加載途中產(chǎn)生塑變的情況，我們進一步對后懸下支架進行優(yōu)化改善，確定了后懸下支架中部由俯面筋與側(cè)面一體聯(lián)結(jié)的H型結(jié)構(gòu)，如表2后懸下支架最終方案圖所示，這樣零件的中段得到了較大的加強。再次進行靜壓試驗表明，零件中段在32KN以內(nèi)沒有產(chǎn)生塑性變形，完全可以滿足使用要求。

    5、路試

    為確保批量順利轉(zhuǎn)產(chǎn)，該載重車車身懸置精鑄件優(yōu)化結(jié)構(gòu)不僅要滿足CAE分析和靜壓強度試驗要求，更要確保在實際工況下能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、不同工況下的使用要求。因此，在2008年8月，我廠對該載重車車身懸置中的優(yōu)化精鑄件進行了整車搭載試驗，在山西煤礦，換裝了兩臺煤礦工程車，截至2009年9月，這兩臺車換裝的優(yōu)化減重零件使用均超過了8萬公里，零件使用情況良好。搭載試驗照片如圖13所示。

    圖13

    6、總結(jié)

    該載重車車身懸架精鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從優(yōu)化設(shè)計到CAE分析、靜態(tài)試驗、搭載裝車試驗，歷時一年多，通過反復(fù)設(shè)計、驗證，最終確定了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案。在CAE分析設(shè)計過程中，得到了某商用車技術(shù)中心的大力支持和幫助，在此表示感謝！該車身懸架精鑄件優(yōu)化結(jié)構(gòu)的實施，不僅較大地降低了總成的重量，節(jié)約了資源，降低了成本，也為我廠在精鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化方面積累了一定的經(jīng)驗，為我廠新產(chǎn)品的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。