王守勝，唐述江

（江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

CAE在重卡變速箱懸置橫梁失效分析上的應(yīng)用

王守勝，唐述江

（江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

變速箱懸置橫梁是動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中重要部件，作為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中的輔助支撐，其主要的失效形式是在路面沖擊載荷作用下發(fā)生的疲勞斷裂。針對發(fā)生在某重型卡車上變速箱懸置橫梁斷裂失效的問題，本文通過使用CAE分析工具，找到變速箱懸置橫梁斷裂的原因，并根據(jù)實(shí)際情況對變速箱懸置橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)采用對比分析的方法，對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，使其滿足使用要求，最終解決變速箱懸置橫梁斷裂的故障。

變速箱懸置；橫梁；CAE；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；ABAQUS

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.055

CLC NO.:U467.3 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-161-03

引言

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)按懸置點(diǎn)的數(shù)量劃分，重型卡車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布置型式主要有四點(diǎn)式、五點(diǎn)式及六點(diǎn)式三種，本文中車型動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布置型式為六點(diǎn)式。六點(diǎn)式重型卡車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)一般包括兩部分，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和變速箱懸置，變速箱懸置作為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中的輔助懸置，保證發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱飛輪殼靜態(tài)彎矩滿足使用要求，同時(shí)能提高發(fā)動(dòng)機(jī)懸置零部件使用壽命。重型卡車一般承載較大且使用路況惡劣，變速箱懸置橫梁作為變速箱懸置中重要的支撐元件，所以對于其強(qiáng)度提出更高要求。因此合理設(shè)計(jì)變速箱懸置橫梁，使其滿足強(qiáng)度和使用壽命要求就顯得極為重要。

本文以有限元分析為手段，研究變速箱懸置的靜強(qiáng)度，基于ABAQUS平臺(tái)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析計(jì)算，同時(shí)對原結(jié)構(gòu)件分析結(jié)果與實(shí)車破壞樣件進(jìn)行對比，仿真分析結(jié)果與破壞件破壞形式完全吻合，真實(shí)可靠地反映了變速箱懸置橫梁的破壞機(jī)理。同時(shí)提供多個(gè)優(yōu)化方案，對優(yōu)化方案進(jìn)行了對比分析，選擇其中最優(yōu)結(jié)構(gòu)，使其滿足使用要求，避免應(yīng)力集中引起的早期斷裂現(xiàn)象。

1、變速箱懸置橫梁斷裂失效描述

本變速箱懸置如圖1所示，變速箱懸置橫梁如圖2所示，變速箱懸置橫梁兩端通過橡膠減震墊固定在車架上，中間通過螺栓連接在變速箱上，變速箱懸置橫梁為直槽鋼結(jié)構(gòu)，材料為510L，屈服極限355MPa，主梁及墊板厚度均為6mm。

圖1 變速箱懸置

圖2 變速箱懸置橫梁

本車型載重50t，用于拉沙土，使用路況主要為沙土路面及二級(jí)公路，路況較惡劣，車輛在行駛約10000公里左右時(shí)出現(xiàn)批量性的裂紋隱患或斷裂，見圖3和圖4。

圖3 裂紋產(chǎn)生

圖4 斷裂

車輛在運(yùn)行過程中，變速箱懸置橫梁主要承受來自動(dòng)力總成的質(zhì)量載荷、動(dòng)力總成輸出的扭矩，同時(shí)會(huì)有路面沖擊等動(dòng)載系數(shù)的影響，以及起步、加速、減速、轉(zhuǎn)彎多種工況因素影響，使得變速箱懸置的受力環(huán)境變得更加惡劣。

變速箱懸置橫梁的斷裂初步判定為疲勞斷裂，引起變速箱懸置橫梁疲勞斷裂的最主要的載荷為變速箱懸置橫梁吊掛變速箱所承受的垂向載荷。根據(jù)載荷的傳遞性，此變速箱懸置橫梁的受力可以看做，連接變速箱處固定，連接車架處受垂向載荷，此變速箱懸置關(guān)于整車坐標(biāo)系XZ平面對稱，可將變速箱懸置橫梁簡化為懸臂梁，對懸臂梁做受力分析。

圖 5

2、變速箱懸置橫梁仿真分析

2.1 分析方法

本文橫梁加載載荷F通過計(jì)算動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)極限工況求得[1，2]，為簡化計(jì)算，選擇其中受力最大的一種工況， F取值5000N，同時(shí)本文采用各方案對比分析的方法，基于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，分析各優(yōu)化結(jié)構(gòu)，對各個(gè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)作評估，最終選擇最優(yōu)方案。

為了分析結(jié)果可信度更高，對不同方案的有限元模型劃分相同的網(wǎng)格，加載相同的載荷，使用相同的求解器，采用相同的結(jié)果查看方式。同時(shí)CAE模型盡量采用逼近真實(shí)結(jié)構(gòu)的連接方式，對橫梁開裂的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，同時(shí)避免邊界條件加載在這些區(qū)域。

2.2 靜強(qiáng)度分析

三維模型見圖6，件1變速箱部分箱體；件2主梁；件3墊板；件4螺栓螺母。變速箱固定，在變速箱懸置橫梁兩端加載載荷F。

基于ABAQUS平臺(tái)對變速箱懸置橫梁建模，采用一階非協(xié)調(diào)六面體單元，單元大小4mm，并在橫梁開裂的區(qū)域采用網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格大小1mm，同時(shí)保證，在厚度方向單元數(shù)量不少于3個(gè)，凡各個(gè)部件有真實(shí)接觸，即采用接觸，焊接即使用綁定約束，有限元模型見圖7。

圖6 三維模型

圖7 有限元模型

分析結(jié)果見圖8、圖9，最大應(yīng)力為551MPa（備注：本分析為線性靜態(tài)分析，主要用于模擬材料線彈性階段，如果應(yīng)力超出材料屈服極限，但沒有出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，應(yīng)力結(jié)果仍可用），應(yīng)力最大部位位于與變速箱連接貼合部位，見圖9，與實(shí)物裂紋產(chǎn)生部位一致，見圖3。

圖8 整體應(yīng)力云圖

由（d）可見，最大彎矩在固定點(diǎn)B處，即變速箱懸置橫梁與變速箱固定點(diǎn)處，其大小為|M|max=FL。且變速箱懸置橫梁在此處有 φ17的安裝孔，此孔為本懸置橫梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)，進(jìn)一步降低了變速箱懸置橫梁的強(qiáng)度。再加上可能存在的加工缺陷，在應(yīng)力集中點(diǎn)逐漸產(chǎn)生細(xì)微裂紋，隨著行駛里程的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，以致其不能承受所加載荷而突然發(fā)生脆性斷裂。

圖9 危險(xiǎn)點(diǎn)局部放大圖

2.3 優(yōu)化方案分析

優(yōu)化方案一，將原變速箱懸置橫梁加寬，主梁+墊板厚度采用10+4（mm）。分析結(jié)果見圖10、圖11，最大應(yīng)力為355MPa，應(yīng)力值有所減小，但危險(xiǎn)點(diǎn)位置不變。

圖10 方案一整體應(yīng)力云圖

圖11 方案一危險(xiǎn)點(diǎn)局部放大圖

優(yōu)化方案二，在原變速箱懸置橫梁基礎(chǔ)上加寬，墊板采用與主梁相同的結(jié)構(gòu)，有限元模型見圖12，分析結(jié)果見圖13，最大應(yīng)力為309MPa，應(yīng)力值有所減小，危險(xiǎn)點(diǎn)位置不變。

圖12 方案二有限元模型

圖13 方案二危險(xiǎn)點(diǎn)局部放大圖

優(yōu)化方案三，采用拱形梁結(jié)構(gòu)（6mm主梁+6mm墊板+圓墊塊）。分析結(jié)果見圖14、圖15，最大應(yīng)力為447MPa，應(yīng)力最大部位為與變速箱螺栓連接處，應(yīng)力有減小，危險(xiǎn)點(diǎn)位置仍沒有變化。

圖14 方案三整體應(yīng)力云圖

圖15 方案三危險(xiǎn)點(diǎn)局部放大圖

優(yōu)化方案四，采用拱形梁結(jié)構(gòu)（6mm主梁+8mm吊耳+4mm墊片）。分析結(jié)果見圖17、圖18、圖19，最大應(yīng)力為280MPa，應(yīng)力值減小一半，危險(xiǎn)點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移。

圖16 方案四三維模型

圖17 方案四整體應(yīng)力云圖

圖18 方案四吊耳局部應(yīng)力圖

圖19 方案四主梁局部應(yīng)力圖

3、結(jié)論

有限元分析結(jié)果與變速箱懸置橫梁開裂的實(shí)際情況完全吻合，分析方法及分析結(jié)果是可信的。

優(yōu)化方案一、二、三雖然經(jīng)過不同方式的加強(qiáng)，應(yīng)力值相對原結(jié)構(gòu)有所下降，其中方案一、二最大應(yīng)力小于355MPa，但它們危險(xiǎn)點(diǎn)位置仍為與變速箱連接的安裝孔，如果加工過程中產(chǎn)生缺陷，橫梁就極易開裂。

優(yōu)化方案四在結(jié)構(gòu)上突破原有直槽鋼結(jié)構(gòu)，采用拱形梁+吊耳結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力值280MPa，安全系數(shù)1.26，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上應(yīng)力值減小49.2%，且危險(xiǎn)點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步降低了斷裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)該零部件各部位應(yīng)力分布更加均勻，符合零部件等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念。綜合考慮，最終選用優(yōu)化方案四。

優(yōu)化后的變速箱懸置橫梁經(jīng)過可靠性能試驗(yàn)，滿足使用要求，投入市場使用的車輛，最大行駛里程已超過20萬公里，且無任何故障發(fā)生。

[1] JDG-HT-C02-2007中重卡發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[S].內(nèi)部資料.

[2] QJQ1052-2013_發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架技術(shù)條件_20130816[S].內(nèi)部資料.

[3] 石亦平, 周玉蓉. ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

Application Of CAE In Heavy-duty Truck Gearbox Suspension Beam Failure Analysis

Wang Shousheng, Tang Shujiang
( Research Institute Of Heavy Commercial Vehicle, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Heavy-duty truck gearbox beam is an important component of powertrain mount system,as auxiliary support of a powertrain mounting system, it’s main failure mode is fatigue fracture under impact loading of the road. according to a heavy-duty truck gearbox suspension beam fracture problems, by using CAE tool, to find the reason of the gearbox suspension beam fracture, and in accordance with the actual situation on the gearbox mount beams for structural optimization, through the method of comparative analysis, analyzes the optimized structure to meet the requirements, finally solve the gearbox suspension beam fracture.

gearbox mount; beam; CAE; Structural Optimization; ABAQUS

U467.3

A

1671-7988(2016)01-161-03

王守勝，就職于江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所。