122
AUTO TIME
AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计
1 引言
随着“双碳”目标的提出，对商用汽车也提出了低燃油消耗、高动力输出的要求。为落实此项要求，对商用汽车零部件的轻量化技术也提出了更高的要求。
世界铝业协会报告指出：车身自重每减少10%，可降低油耗6%~8%，降低排放5%~6%。结合商用汽车结构特点，簧下质量降低更有助于节能、减排。
当下，轻量化技术主要包括三个方面：新材料应用；新的制造技术；新结构优化设计。基于工程对成本的考量，新结构优化设计成为轻量化措施最理想的方案。
前轴作为汽车底盘系统主要的承载部件，重量最大，相对其他部件在整车上的服役时间最长，甚至远超出
商用汽车的报废年限，从某种意义上来说，传统的汽车前轴无疑是设计过于保守，浪费了材料。对其进行轻量化设计是对汽车底盘轻量化贡献最大的措施。
商用汽车前轴通过悬架与车架相连，两
侧装有从动车轮，起承载、行驶、制动、转向功能。商用车前轴两端近似为方形，中间为向下弯曲的工字型（或圆形，本文主要研究工字型前轴轻量化），如图1所示。其结构利于降低车辆重心，保证了在制动时可承受较大的弯矩和扭矩。
图1 前轴三维图
前轴在汽车上匹配后，根据汽车的运行过程，前轴主要在以下三种工况下受力：动载工况、侧滑工况和制动工况。在这三种工况中，制动工况下前轴所受应力最大，最容易弯曲变形或断裂失效。所以制动工况下前轴安全即可保证整个使用过程安全，为研究前轴在制动工况下的安全性，本文首先对前轴在制动工况下受力进行了理论分析，建立强度与材料应力关系，然后根据产品结构与
强度影响因素对其进行截面优化。其次利用三维建模软件Solidworks 绘制前轴三维模型，然后将其导入有限元分析软件ANSYS Workbench 中进行分析；再进行实物台架，最后得出可靠性更高、重量更低的前轴。
2 商用汽车前轴受力分析及强度计算
2.1 制动工况前轴受力分析
制动工况是汽车在行驶时紧急刹车，此状态下前轴左右两侧所受铅直力Z L 1、Z R 1，制动力X L 1、X R 1相等，其受力如图2所示：
其大小分别为：
（1）
杨万杰1 孙艳1 邱立校2
1.诸城市义和车桥有限公司 山东省诸城市 262200
2.青岛华夏职业学校 山东省青岛市 266031
摘 要： 理论分析明确商用汽车前轴在制动工况下的受力，确定影响前轴安全系数相关的前轴截面，然后利用
有限元分析软件ANSYS Workbench 对商用汽车前轴进行有限元分析，以前轴结构总质量最小为目标，
在保证前轴疲劳寿命前提下，对前轴截面进行设计优化，最终确定优化方案，达到降低前轴重量的目的。
关键词：前轴 轻量化 截面优化 有限元
Application of Section Optimization in Lightweight Design of a Commercial Vehicle Front Axle
Yang Wanjie ，Sun yan ，Qiu Lixiao
Abstract ：
T he article theoretically analyzes the stress on the front axle of commercial vehicles in braking conditions, and determines the relevant sections that affect the safety factor of the front axle. Then, the article uses the finite element analysis software ANSYS Workbench to carry out finite element analysis on the front axle of commercial vehicles. With the goal of minimizing the total mass of the front axle structure, on the premise of ensuring the fatigue life of the front axle, the study optimizes the design of the front axle section, and finally determines the optimization scheme to achieve the purpose of reducing the weight of the front axle.Key words ：
f ront axle, lightweight, section optimization, finite element 图2 制动工况下前轴受力简图
侧动惯性力
X L1Z L1
Z R1X R1
h g A
A B B
B
B'B''C G 1
C Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
AUTO TIME
123
AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计
时代汽车 wwwautotime
式中：G 1——前轴载荷；
M Z 1——制动时前轴荷重新分配系数；φ——轮胎与地面的附着系数；计算制动时前轴荷重新分配系数M Z 1：2.2 制动工况前轴力矩分析
图3 汽车水平停放、制动状态力矩平衡图
G a φ
G a
G 2
G'
P h g
P
A b 当汽车停止在水平路面上时，其力矩平衡如图3所示：
A 点力矩平衡，其平衡方程为：
（2）
同理，当汽车制动时，A 点力矩平衡，其平衡方程为：
（3）
式中：G a ——汽车满载总质量；L ——汽车轴距；
b ——汽车质心到后轴接地点距离；h g ——汽车满载时的质心高度；G'——制动时，前轴轴荷；将（2）带入（3）
（4）
（4
系数m z ：
制动工况下，前轴在铅直面弯矩、水平面弯矩及扭矩图如图4所示：
图4 制动工况前轴弯矩、扭矩图
M 2=Z L1*n*φ
M=X L1*hg
M=X L1*hg
Z L1
B
B A
A C C B'G 1n M 1=Z L1*n Z R1
图4：n ——轮胎接地点到受力面的距离通过图4可得：前轴板簧座中间截面C-C 在铅垂面的弯曲应力σ1，水平面的弯曲应力σ2
最大，其值为：
（5
） （6）
式中：M 1——C-C 截面铅直弯矩；M 2——C-C 截面水平弯矩；
W 1——C-C 截面铅直弯矩抗弯截面系数；W 2——C-C 截面水平弯矩抗弯截面系数；2.3 前轴抗弯断面系数分析
前轴弯曲应力最大的截面为C-C ，其铅
直弯矩抗弯断面系数、水平弯矩抗弯断面系数图分别如图5、图6所示：
图5 铅直弯矩抗弯断面系数
b/2
b/2
h
B
H 中性轴
图6 水平弯矩抗弯断面系数
b/2
b/2
B /2
B /2b
H 竖直中心线
为中性
轴
（7
）（8）
2.4 前轴C-C 截面应力计算
从工字型结构可以发现，弯曲应力σ1，水平面的弯曲应力σ2发生在同一点时，方向相同。最大应力σs 为汽车前进方向工字型的下端中点位置，此时：
（9）
中国商用汽车网判定轻量化条件：
当σs ≤[σ]时，前轴安全，存在轻量化空间。
3 商用汽车前轴截面优化
3.1 模型建立
为便于研究，将前轴工字梁简化为下图
标准工字型状态，如图7：
图7 工字型截面模型
b 1
H
h 3
h 1
b3
b2
h 2
从工字型截面模型，可以建立截面参数与应力、挠度、质量的关系，以确定各截面灵敏度。
中性面位置：
（10）
质量：
（11）
3.2 前轴分析
已知某载货车前轴载荷5.5T ，选材为
50#，所配车型为4X2载货车，车货总质量42T ，轮距2080mm ，轮胎径力半径507mm 。
将基础前轴截面按减小浮动20%（表1），计算出其在额定载荷下应力、质量各变量偏
导，得到变量的灵敏度。结果如下：
表1 前轴截面优化值
通过公式（8）计算应力变化值，如（表2
）
表2 前轴截面优化应力变化值
通过公式（10）计算质量变化值，如（表2）。
Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
124
AUTO TIME
AUTOMOBILE DESIGN |
汽车设计
表3 前轴截面优化质量变化值
综合表（1）（2）（3）结果，前轴截面对应力的灵敏度排序为b 1、h 1、b 2、h 3、b 3、h 2；对质量的灵敏度排序为b 1、b 2、b 3、h 3、h 1、h 2。
综上所述降低工字梁上、下翼面厚度可以降低中性面，使前轴材料承受拉应力，降低前轴底部应力。提高安全性。
4 有限元模型及分析方法
为准确仿真前轴截面优化后在制动工况下的安全性，根据其工作状态进行有限元分析，具体仿真结果如图8
所示：
图8 前轴轻量化后制动工况应力
此三维模型包括前轴带转向节，转向节带一体化组合轴承和转向节销等。前轴材料为50#，密度7850kg/m3，弹性模量200GPa ，泊松比0.3，屈服强度500MPa 。
CAE 分析制动工况下最大应力356.64MPa ，安全系数1.4，符合机械部件安全系数大于1.2的标准要求。
5 前轴台架测试
在前轴疲劳寿命试验机上根据QC/T513-1999《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》；QC/T494-1999
《汽车前轴刚度试验方法》；
作者简介
（1984—），男，山东诸城人，机械设
计制造及其自动化本科生，现主要从事商用汽车前桥总成及相关零部件的设计研发工作。
孙 艳： （1985—），女，山东滕州人，机械设
计制造及其自动化本科生，现主要从事商用汽车前桥总成及相关零部件的设计研发工作。
QC/T483-1999《前轴垂直弯曲疲劳寿命》相关标准，模拟前轴加载状态的疲劳试验。如
图9
：
图9 前轴台架测试
按制动力状态力值进行加载，截面优化前轴试验3件产品均超过80万次，满足国家标准要求。
6 结语
通过对前轴在最危险工况下的受力和力
矩平衡分析，可以计算出其所承受的最大应力值，结合产品选材[σ]，得出轻量化的可行性分析；通过对额定载荷5.5吨前轴截面参数与应力、挠度、质量的关系，可以确定各截面对应力的灵敏度排序，确定上、下翼面厚
度优化可以显著降低产品质量，对应力的影响较小。
对材料进行特定调质工艺处理，其应力值与[σ]相当，并有符合设计标准的安全储备系数。利用有限元法，结合分析软件ANSYS Workbench 进行仿真分析，对前轴截面进行优化，实物测试结果满足标准要求。从理论到实际生产实现了前轴轻量化的结构改进。
通过前轴截面优化，额定载荷5.5吨前轴可降重13Kg/件，实现降重12%，在生产上实现了降本。该技术可推广至汽车底盘其他承载部件进行轻量化研究。
参考文献：
[1]倪晋尚.轻量化技术在现代汽车中的应用[J].公路与汽运，2008，（5）：4-7.[2]高荣新，王柏林，韦安杰.汽车轻量化的现状及展望[J].汽车工程师.2010，6（2）：20-23.
[3]张仲江，张新明，李龙，等．重型商用车桥轻量化研究［J ］．汽车实用技术，2015（9）：73-74.
[4]刘惟信.汽车车桥设计[M].北京：清华大学出版社，2004.
[5]尚晓江，邱峰.ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用（第三版）[M].北京：水利水电出版社.2015-01-01
[6]张洪伟，高相胜，张庆余. ANSYS 非线性有限元分析方法及范例应用[M]. 北京： 水利水电出版社.2013.
[7]国家机械工业局.汽车前轴刚度试验：QC/T494—1999[S].北京：中国标准出版社，1999.
[8]国家机械工业局.汽车前轴疲劳寿命限值：QC/T483—1999[S].北京：中国标准出版社，1999.
[9]国家机械工业局.汽车前轴台架疲劳寿命试验：QC/T513—1999[S].北京：中国标准出版社，1999.
Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
发布评论