干慧

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230012）

隨著我國各地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)工程項(xiàng)目的快速發(fā)展，作為運(yùn)輸工具的卡車，需求量也在大幅度增長，特別是在基建過程中占有重要地位的自卸車等重卡，它們的需求增長速度是非?？捎^的。據(jù)1～8月的數(shù)據(jù)顯示，2021年的重卡自卸車銷售量已達(dá)21.15萬輛，與往年同期相比，增長了3.22萬輛，但在重卡行業(yè)高速發(fā)展帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，能源損耗以及環(huán)境污染方面的問題也不容易忽視，為了實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,國內(nèi)外政府出臺了一系列政策,對于機(jī)動車的尾氣廢物排放及其能耗都進(jìn)行了嚴(yán)格控制,例如,歐洲制定的標(biāo)準(zhǔn)(歐6法規(guī))就是要求CO2的尾氣廢物排放總量不能大于超過95g/km。在我國,國6a標(biāo)準(zhǔn)的制定也對車輛的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的管理和控制,這些尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施正在極大地推動著各大型汽車企業(yè)對車輛的原材料、結(jié)構(gòu)以及加工工藝的變革。

氣室支架是整車車橋的一個(gè)組成零部件，屬于制動系統(tǒng)的一部分，故它的強(qiáng)度、剛度直接影響行車安全。目前，國內(nèi)使用的氣室支架多為鑄造件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，開發(fā)模具的難度較大，報(bào)廢率較高，故氣室支架鑄件的開發(fā)周期較長，且難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在鑄造過程中還會排放二氧化硫、一氧化碳等有害氣體，嚴(yán)重地污染周圍環(huán)境，不符合綠色發(fā)展的要求，因此，需改變傳統(tǒng)的鑄造工藝，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，采取一種新型的制造工藝來滿足生產(chǎn)和發(fā)展需求。

1 新型氣室支架加工工藝

傳統(tǒng)的機(jī)械零部件加工方式多為鑄造、鍛造，但是，隨著人們環(huán)保意識的增加，以及產(chǎn)品更新?lián)Q代的實(shí)際需求，生產(chǎn)周期短、污染小的焊接工藝漸漸地引起了機(jī)械零部件生產(chǎn)企業(yè)的重視，焊接是一個(gè)局部的迅速加熱和冷卻過程，現(xiàn)代焊接技術(shù)已能焊出無內(nèi)外缺陷的、機(jī)械性能等于甚至高于被連接體的焊縫，通過這種方式生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕，對于交通運(yùn)輸工具來說，還可以減輕自重、節(jié)約能量，因此，將氣室支架鑄造的加工工藝改為拼焊具有可行性。

2 性能分析

將氣室支架傳統(tǒng)的鑄造工藝改為拼焊工藝，即先根據(jù)氣室支架的結(jié)構(gòu)尺寸以及安裝需求，將其分解為底座、側(cè)板、支撐板以及凸輪軸安裝座等幾大部分，分別采用低碳合金鋼板進(jìn)行加工，再利用先進(jìn)的焊接技術(shù)將幾塊低碳合金鋼板焊接組成一個(gè)氣室支架的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 氣室支架結(jié)構(gòu)示意圖

由于拼焊的氣室支架主要由幾塊鋼板焊接而成，因此，鋼板的厚度對于氣室支架的強(qiáng)度以及剛性影響較大，故針對此氣室支架設(shè)計(jì)了以下幾種方案，如表1所示。

表1 拼焊氣室支架的制造方案

采用Inventor三維軟件分別構(gòu)建3款樣件的模型，并將它們導(dǎo)入Hyperworks有限元分析軟件中進(jìn)行受力分析（此氣室支架匹配的重卡自卸車使用的是30/24規(guī)格的氣室，推力為19000N），得到的結(jié)果如表2所示。

表2

該拼焊的氣室支架使用的材質(zhì)為Q345B，其屈服強(qiáng)度為345MPa，上述氣室支架的最大應(yīng)力值均小于345MPa，符合重卡氣室支架的基本使用條件，但重卡氣室支架的運(yùn)行路況較為復(fù)雜，環(huán)境較為惡劣，故存在沖擊載荷，方案1的應(yīng)力值接近臨界值，存在斷裂的可能，考慮到氣室支架的質(zhì)量問題，故排除方案1。從應(yīng)力分布情況以及最大應(yīng)力值的角度顯示，方案3的最大應(yīng)力值為195.4MPa，其性能明顯優(yōu)于方案2，但是，方案3的氣室支架重量比方案2重1.91kg，綜合重量、質(zhì)量等多方面因素，最終確定方案2為最佳方案。

根據(jù)拼焊式氣室支架的應(yīng)力分布圖顯示，氣室支架的應(yīng)力集中區(qū)為支撐板與側(cè)板的過渡區(qū)，為了進(jìn)一步提升氣室支架的強(qiáng)度，在此區(qū)域設(shè)置加強(qiáng)筋，強(qiáng)化后的氣室支架應(yīng)力分布圖如圖2所示。

圖2 氣室支架應(yīng)力分布圖（優(yōu)化前后）

拼焊式的氣室支架最大應(yīng)力值為183.5MPa，重量為5.643kg，而優(yōu)化前的鑄造式氣室支架最大應(yīng)力值為127.9MPa，重量為8.098kg，對比二者的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，拼焊式氣室支架不僅在性能上可以達(dá)到鑄造式氣室支架的強(qiáng)度，而且還可以有效地實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。

3 結(jié)語

為符合國家的發(fā)展需求，氣室支架的生產(chǎn)方式正在不斷地向環(huán)保、輕量化的要求靠攏，故本項(xiàng)目以此為研究方向，對氣室支架展開了優(yōu)化設(shè)計(jì)并得到了以下的結(jié)論：（1）通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定以低污染的焊接方式作為氣室支架的加工工藝。（2）拼焊式氣室支架主要由鋼板焊接而成，因此鋼板的厚度直接影響氣室支架的質(zhì)量，本文對比分析了3種不同厚度鋼板拼焊的氣室支架受力情況，最終確定了14mm厚的設(shè)計(jì)方案。（3）根據(jù)氣室支架的應(yīng)力分布圖，對氣室支架的強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在應(yīng)力集中區(qū)增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，降低薄弱區(qū)域的應(yīng)力值。（4）對比優(yōu)化前后的氣室支架受力情況，拼焊式氣室支架性能接近鑄造件，能滿足重卡的使用要求，且重量相較優(yōu)化前，降低了30.3%。