非公路宽体自卸车转向器支架优化设计.pdf

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1、设计·计算DesignandCaIcuIatiOn工霏杠械第48卷I第7期总第525期马娜，周新涛，张峰，袁磊陕西同力重工股份有限公司摘要I以创新设计的理念，将某自卸车传统转向器支架结构进行改进、统型、优化，以达到节约制造成本、轻量化的目标。在此基础上，将优化的支架结构进行受力分析。结果表明，优化的支架受力情况与原结构相当，可以替代原支架；且优化的支架结构重量减少了31％，制造成本也降低了31％。将优化的支架在矿区进行为期半年的试验，并末出现断裂或产生裂纹，可以投入批量生产。关键词：宽体自卸车；转向器支架；拓扑优化；轻量化非公

2、路宽体自卸车一般作业工况较为恶劣，且经常遇到重载转弯情况【1】，此时转向器需要输出较大转矩来克服路面对整车的转向阻力矩，实现转向；而转向器支架作为转向器的支撑装置，除了承担转向器的重力，还应平衡转向器输出的最大转矩圜。因此转向器支架的设计需要有足够的强度，以适应整车频繁左转或右转的交变应力，保证在设计寿命内能够安全使用。图1所示为某自卸车的转向架结构布局图。此转向架以车架前进方向为参考，左侧为主转向器，右侧为副转向器的双转向结构方式圈。1优化设计背景非公路宽体自卸车的转向器与支架配合安装时，一般安装面与车架都存在一定角度，用于

3、适应转向管柱的位置，使得转向器连接的位置相对于转向管柱的间隙保持均匀；同时，也能保证转向器连接的垂臂能与前簧前支架保持最大间隙，避免运动过程中存在干涉现象。对于具有双转向的宽体自卸车而言，车架左右各布置一个转向器，由此需两个转向器支架来配合使用，由于作者简介：马娜(1988一)，女，工程师，硕士，研究方向：汽车结构设计。删77r枞I约设计·计算DesignandCalculatiOn右转向器有转向器支架左转向器支架左转向器图1转向架结构布局图左右支架与转向器配合的斜面不同，故需要两个模具米制作。为了减少制作模具的成本，实现支架

4、轻量化设计，以及减少单件制造成本，考虑将支架的配合斜面改进为与车架平行面，以此可以将左右转向器支架统一为一种。将改后支架，经cREo三维建模软件装配后，新转向架结构布局图如图2所示。经运动分析得知，转向器图2改进的转向架结构布局图3。l工霰杠敞I2。17。7与转向管柱、垂臂与前簧前支架并不会产生前文所述的干涉问题。在此基础上，本文将原转向器支架进行重新设计并优化。2拓扑优化原始支架模型如图3所示，在原支架基础上，保留支架与车架一端的安装面不变，将转向器一端的安装面倾角改为与车架侧面平行布置，重新设计支架结构。在结构设计初期，考

5、虑到材料分布的合理性，以及结构等强度设计要求，可用有限元分析的拓扑优化方法，辅助结构设计。拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域寻求最优材料分布的问题㈣。拓扑模型如图4所示。拓扑计算时，采用密度法(sIMP方法)，即将有限元模型优化空间的每个单元的单元密度作为设计变量。其计算方法如式(1)所示f7I。支架。j乍架配合面图3原始模型支架与转向器配合面(平面)支架与车架配合唾图4拓扑优化模型z霏缸拭第48卷I第7期总第525期墨(p)=∥眉(1)式中：量为惩罚刚度矩阵；K为实际刚度矩阵．p为材料密度；p

6、为惩罚因子(P≥1)。拓扑优化前，对支架进行网格划分，其结构较规整，连接螺栓也为规则体，因此将支架与连接螺栓均划分六面体网格，可提高网格质量和求解精度。支架有限元模型如图5所示。载荷图5支架有限兀模型在进行支架优化分析时，设置支架与车架安装端的连接螺栓下表面为全约束；因支架的优化是在其承受来自转向器最大转矩的基础上进行的，在施加载荷时，可将最大转矩分解到转向器安装面上的4个螺栓上，螺栓受力大小可按式(2)计算翻。支架加载示意图如图6所示。图6支架加载示意图F：!兰墨!f21‘I2、一7尺1+R2+⋯R。式中：F为螺栓受力大小，

7、N；r为转向器输出转矩，取弘7990N·m；足为转轴到螺栓轴线间的力臂。优化时，约束优化空间的体积分数volume胁c为最大值o．3(即在优化后，最终保留的材料与原材料体积比值不小于o．3)，优化目标为最小化支架柔度comphance(即最大化支架刚度)。拓扑优化结果如图7所示，依据拓扑分析的支架结构材料分布情况，将去除材料的部分按材料走向设计，倒圆孔或圆角，而需要局部加强的地方用加强筋过渡，尽量做到等强度设计，充分发挥结构材料的使用性能。优化设计的支架结构，如图8所示。图7拓扑优化结果材料图8优化支架模型对优化的支架模型再次

8、进行受力分析，并将受力分析结果与统型前的原始支架进行比较，原始支架应力分布情况如图9所示，优化支架应力分布情况如图10所示。两种结构的最大应力所在位置基本一致，均发生在与车架连接2。f7。7

9、工稚杠械I31设计-计算DesignandCalcuLaUOn最大应力124MPa最