金安鵬

摘 要：商務(wù)車是一種多功能交通工具，其發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的設(shè)計(jì)對(duì)于車輛的性能和安全具有重要影響。本研究旨在優(yōu)化商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的設(shè)計(jì)，提高車輛的整體性能。通過對(duì)商務(wù)車前懸置支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，確定其在車輛運(yùn)行中的受力情況和工作原理。然后，運(yùn)用有限元分析方法，建立發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的三維模型，并模擬不同工況下的應(yīng)力分布和變形情況?；谟邢拊治龅慕Y(jié)果，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架存在的問題，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過改善支架的結(jié)構(gòu)和材料選擇，降低支架的重量，提高了剛度和強(qiáng)度。同時(shí)，采用減震裝置和隔振材料，有效降低振動(dòng)和噪聲。通過對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)測試，證明新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架在性能和安全方面的顯著改善，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架具有良好的抗震性能和減振效果，提高車輛的操控穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：商務(wù)車 發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

商務(wù)車作為一種重要的交通工具，在現(xiàn)代社會(huì)中起著重要的作用。而商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架作為商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，是發(fā)揮商務(wù)車使用性能的關(guān)鍵點(diǎn)。但在實(shí)際使用過程中，商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架存在廢渣問題，如振動(dòng)、噪音、失穩(wěn)等問題。因此，研究人員要加強(qiáng)商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，有效改善商務(wù)車的使用性能?；诖吮疚闹荚谕ㄟ^對(duì)商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，提出一種改進(jìn)方案來解決現(xiàn)有問題。本研究意義在于提高商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的性能和舒適性，滿足用戶需求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的振動(dòng)和噪音，提高駕乘舒適性；優(yōu)化設(shè)計(jì)還可提高商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的穩(wěn)定性，減少安全隱患；優(yōu)化設(shè)計(jì)還苯酚降低商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的能耗，提高燃油利用率，降低運(yùn)營成本。在本文中，將通過對(duì)商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，探索解決現(xiàn)有問題的方法，并提出改進(jìn)方案。希望本研究為商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的設(shè)計(jì)和制造提供參考，進(jìn)一步推動(dòng)商務(wù)車行業(yè)的發(fā)展。

2 商務(wù)車前懸置支架的基本結(jié)構(gòu)

商務(wù)車前懸置支架是指安裝在商務(wù)車前部的重要組成部件，其基本結(jié)構(gòu)包括懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)等。懸掛系統(tǒng)是商務(wù)車前懸置支架的核心部分，主要由彈簧、減振器、懸掛臂等環(huán)節(jié)組成。彈簧起到支撐車身重量和減震的作用，根據(jù)車輛負(fù)載的不同進(jìn)行調(diào)整；減振器則用于消除車輛行駛過程中產(chǎn)生的震動(dòng)和顛簸，提高乘坐舒適性；懸掛臂連接車輪和車身，起到支撐車輪運(yùn)動(dòng)的作用。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向桿、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。轉(zhuǎn)向節(jié)連接車輪和轉(zhuǎn)向桿，通過轉(zhuǎn)向桿傳遞駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，使車輛能按照駕駛員的意愿進(jìn)行轉(zhuǎn)彎；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)則將轉(zhuǎn)向桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向功能。制動(dòng)系統(tǒng)有剎車盤、剎車片、剎車鉗等。剎車盤固定在車輪上，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，剎車片被壓緊到剎車盤上，通過摩擦力將車輪減速或停止；剎車鉗則負(fù)責(zé)施加壓力，使剎車片與剎車盤緊密接觸。阻尼系統(tǒng)主要由減振器和液壓緩沖器組成。減振器通過消耗車輛行駛過程中產(chǎn)生的震動(dòng)和顛簸的能量，提高乘坐舒適性；液壓緩沖器則通過調(diào)節(jié)液體的流速和阻尼力，控制車輛行駛過程中的阻尼效果，保證車輛的穩(wěn)定性。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架幾何模型

商務(wù)車作為一種重要的商用交通工具，在商業(yè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色，商務(wù)車的發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架是其重要的組成部分，對(duì)于商務(wù)車的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的幾何模型是根據(jù)車輛的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行確定，其主要功能是為了固定發(fā)動(dòng)機(jī)，使其能在車輛運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定。發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的設(shè)計(jì)考慮多個(gè)因素，包括車輛結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)重量、車輛行駛狀態(tài)等。商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的幾何模型通常由多個(gè)組件組成，包括懸置臂、支撐桿、連接件等。懸置臂是連接發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛底盤的主要組件，其長度和形狀根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確定；支撐桿用于固定懸置臂和車輛底盤之間的連接，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛行駛過程中的穩(wěn)定性；連接件用來連接懸置臂和發(fā)動(dòng)機(jī)，使其能固定在一起。

商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的幾何模型還要考慮到車輛的懸掛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等其他組件的要求，這些要求涉及到懸掛系統(tǒng)的行程和剛度，以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活性。只有在考慮到這些因素的情況下，才能設(shè)計(jì)出適合商務(wù)車的發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架幾何模型。例如：在UG軟件中，工作人員將懸掛模型文件以IGES數(shù)據(jù)格式分別保存。接下來，他們打算將該文件導(dǎo)入Hypermesh軟件，導(dǎo)入一個(gè)三維立體模型，即圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)前懸掛。這款車型由上承重板、中承重板和下承重板共計(jì)6個(gè)部件組成，其中左右兩側(cè)各有一個(gè)部件。此外，左右兩個(gè)框架還需要與副框架進(jìn)行焊接。為了完成上述任務(wù)，工作人員將使用Hypermesh的前處理功能，導(dǎo)入模型后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

4 有限元模型的建立

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架來說，通過CAD軟件進(jìn)行幾何建模，包括確定支架的尺寸、形狀、連接方式等。在建模過程中，要根據(jù)實(shí)際情況考慮支架的各部分，如橫梁、支撐桿等，還要考慮支架與發(fā)動(dòng)機(jī)和車身的連接方式，如螺栓、焊接等。同時(shí)，建立有限元模型需要確定材料特性和邊界條件。對(duì)于商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架來說，常用的材料包括鋼材、鋁合金等。在建立模型時(shí)，要獲取相關(guān)材料的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比等，且確定邊界條件，如支架與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接方式、約束條件等。接下來，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，限元模型是基于離散化的原理建立的，所以要將連續(xù)的支架結(jié)構(gòu)劃分為離散的有限單元。在劃分網(wǎng)格時(shí)，要根據(jù)支架的幾何形狀和應(yīng)力分布進(jìn)行合理劃分，保證模型的準(zhǔn)確性[1]。

根據(jù)前面獲取的材料從而性能參數(shù)，將其輸入到有限元模型中，科學(xué)定義支架材料的機(jī)械行為，準(zhǔn)確地輸入材料參數(shù)，保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在有限元模型中，需要對(duì)支架施加適當(dāng)?shù)妮d荷和約束條件，以模擬實(shí)際工況下的受力情況。根據(jù)加載和邊界條件，使用有限元軟件進(jìn)行求解，得到支架的應(yīng)力、位移和變形等結(jié)果。研究采用PSHELL單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，對(duì)劃分后的網(wǎng)格進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)符合要求0.7的總體質(zhì)量指標(biāo)為0.71，達(dá)到了網(wǎng)格質(zhì)量要求。此外，該模型的單位總數(shù)為18395個(gè)，點(diǎn)位為18846個(gè)，完全的有限元模型是通過焊接單元模擬零件之間的連接而成的。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的有限元分析

5.1 邊界約束和載荷處理

邊界約束是有限元分析中不可忽視的因素，正確地定義邊界約束能準(zhǔn)確模擬實(shí)際工況下的受力情況，對(duì)于預(yù)測前懸置支架應(yīng)力具有重要意義。通常邊界約束包括固定約束和位移約束，固定約束是指將支架的某些部分固定在空間中，如固定在車身上、與發(fā)動(dòng)機(jī)底座相連，真實(shí)模擬實(shí)際安裝的情況；位移約束是指對(duì)支架的某些位置施加位移限制，模擬實(shí)際受力情況下的變形。通過合理定義邊界約束，減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，確保有限元分析結(jié)果的可靠性。而載荷處理是有限元分析中的關(guān)鍵要點(diǎn)，在實(shí)際工況下，前懸置支架承受著來自發(fā)動(dòng)機(jī)的重量、振動(dòng)力、動(dòng)態(tài)載荷等多種載荷，準(zhǔn)確模擬這些載荷對(duì)于前懸置支架應(yīng)力分析至關(guān)重要。在有限元分析中，載荷可通過靜態(tài)加載或者動(dòng)態(tài)加載來施加。靜態(tài)加載是指將固定值的力或者壓力施加在支架上，從而模擬靜止?fàn)顟B(tài)下的受力情況；動(dòng)態(tài)加載是施加變化的壓力，在一段時(shí)間內(nèi)模擬振動(dòng)實(shí)際工況下的載荷。通過合理選擇載荷類型，并根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行加載，真實(shí)模擬前懸置支架在工作狀態(tài)下的受力情況[2]。

作為新車初期開發(fā)的分析數(shù)據(jù)，各大知名車企根據(jù)道路狀況、使用環(huán)境、地域等不同因素，總結(jié)出各種汽車行駛情況，共計(jì)28種標(biāo)準(zhǔn)工況（如表1所示）。為了進(jìn)行模擬分析，他們應(yīng)用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件，根據(jù)動(dòng)力總成懸掛系統(tǒng)的硬點(diǎn)布置，建立了相應(yīng)的模型。通過模擬分析各種工況，他們提取出了載荷數(shù)據(jù)，從中提煉出了6種更常見的工況，以便進(jìn)行CAE分析。在處理邊界約束時(shí)，在與副車架連接的區(qū)域上施加六自由度完全約束，并在與引擎連接的硬點(diǎn)上施加負(fù)荷，保證懸掛系統(tǒng)的布置結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

5.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與分析

利用INP格式導(dǎo)入ABAQUS分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分的前懸支架模型，在5G向下和3G向右的工況下，通過計(jì)算得到最大的應(yīng)力。這個(gè)最大應(yīng)力值達(dá)到370MPa，位于右掛支架安裝孔洞處，這是由于連接橡膠部件連接處，整個(gè)支架受力狀況低于250MPa而產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這種最大應(yīng)力值雖然比材料的屈服應(yīng)力要小，但由于高應(yīng)力分布比較集中，容易造成支架的疲勞性損傷，因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化處理，使它的受力水平總體上有所降低[3]。

6 發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

6.1 確定設(shè)計(jì)變量

通過對(duì)上述懸掛式支架三維模型的分析發(fā)現(xiàn)，它是由三個(gè)結(jié)構(gòu)件焊接而成，工作人員應(yīng)將支架的三個(gè)結(jié)構(gòu)件分別應(yīng)用于PART1、PART2和PART3中，作為設(shè)計(jì)的優(yōu)化變量來表示（如表2所示）。

6.2 約束條件選擇

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，經(jīng)過一些特定工況下的應(yīng)力測試，前懸支架承受的力量超過了材料的屈服極限。為了確保設(shè)計(jì)的安全性，工作人員決定選擇懸吊支架材料（SAPH440）的屈服應(yīng)力作為約束條件，即353MPa。這個(gè)決策是基于對(duì)懸吊支架所承受的巨大壓力的深入研究和分析。工作人員需要保證該結(jié)構(gòu)在任何情況下都能夠承受并保持其完整性，以確保人員的安全。因此，工作人員決定采用這個(gè)約束條件，以確保前懸支架的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

6.3 前懸置支架的優(yōu)化分析

工作人員結(jié)合以上分析數(shù)據(jù)，利用支架最高受力的6種工況進(jìn)行優(yōu)化分析，推導(dǎo)出支架各環(huán)節(jié)的斷面尺寸，經(jīng)過Optistruct的迭代（如表3所示）。

7 總結(jié)

綜上所述，商務(wù)車發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提高車輛的穩(wěn)定性和乘坐舒適度具有顯著的效果。通過采用新型懸置支架結(jié)構(gòu)，車輛能夠更好地應(yīng)對(duì)道路震動(dòng)，提供更平穩(wěn)舒適的行駛體驗(yàn)，并降低維修成本。因此，建議商務(wù)車制造商在生產(chǎn)中采用這一優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高車輛的整體性能和市場競爭力。

參考文獻(xiàn)：

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