关于轻型卡车车身前悬固定螺栓断裂原因分析

1、    关于轻型卡车车身前悬固定螺栓断裂原因分析    马腾飞陈鹏程王鹏周文军时晨城任宽摘 要：轻型卡车翻转机构一般采用单扭杆结构实现车身的翻转。针对单扭杆翻转机构螺栓断裂问题，本文对轻卡车身前悬右支座结构受力进行分析并判断失效原因。同时对其结构进行优化，通过hyperworks软件与理论分析结合的方法对优化前后车身前悬置翻转机构支座以及紧固件进行仿真分析，最后通过台架试验与可靠性路试对优化结构进行了验证。关键词：单扭杆翻转机构;螺栓;车身右悬置支座;可靠性：u463  ：a  ：1671-7988（2020）11-145-04abs

2、tract： light trucks tilting mechanismsgenerally use a single torsion bar structure to achieve cabtilting， this article analyzes the force of right support ofthe front suspension of the light truck cab and determines the cause of failure and optimize the structure. through the combination o

3、f hyperworks software and theoretical analysis， the right support of the front suspension tilting mechanism of the light truck cab and the bolts were simulated. finally， the optimized structure was verified by bench tests and reliability road tests.keywords： a single torsion bar tiltingmechanis

4、m; bolt; the right support of the front suspension of the light truck cab; reliabilityclc no.： u463  document code： a  article id： 1671-7988（2020）11-145-041 前言目前国内绝大部分重卡和轻卡都是平头卡车，为了维修的方便性平头卡车都具有翻转的功能，一般中重型卡车的驾驶室质量大都采用液压举升，轻卡驾驶室质量较小一般采用机械式扭杆弹簧举升，扭杆弹簧的工作原理是驾驶室下落时扭杆弹簧储存弹性势能，在驾驶

5、室举升过程中，扭杆弹簧释放弹性势能克服重力势能，从而达到翻转轻便的目的，一般分为单扭杆和双扭杆结构。其中单扭杆结构简单、调整方便、成本较低，所以应用更加广泛1-4。扭杆两端通过花键与套管相连，一般套管右端通过扭力调节臂与驾驶室前悬置右支座固支，左端与驾驶室前悬置左支座相连，释放绕轴向的旋转自由度。因此扭杆扭转产生的巨大的扭矩通过扭力调节臂传递到驾驶室前悬置右支座上，最终传递到车架上。如果设计时，未考虑此扭力对支座的影响，左右支座整体习惯上设计为左右对称结构，右支座未针对扭力进行加强，那么可能出现右支座支架强度不足以及其固定螺栓断裂的故障，梁会仁5针对单扭杆结构的车身左右地板纵梁受力差异进行了优

6、化。胡文华等6针对扭力引起的车身不正以及螺栓断裂问题通过对车架的优化进行了分析。本文主要针对螺栓断裂原因进行分析，并对车身前悬置右支座进行优化与验证。2 车身前悬置右支座固定螺栓受力的理论分析2.1 单扭杆车身翻转结构单扭杆翻转机构的基本结构如图1所示：图1  单扭杆翻转机构结构示意图装配驾驶室时，通过套管总成两个托架连接驾驶室地板纵梁，调整扭力过程中，驾驶室通过专用的吊装设备按照扭杆的设计预扭角度被吊起来，通过螺栓固定扭力调节臂，此时扭杆未发生扭转变形，驾驶室缓慢落下直到锁止过程中扭杆发生扭转变形，在驾驶室锁止時变形达到最大，驾驶室前悬置右支座受到扭力为最大。在装配性、螺栓拧紧力矩

7、、驾驶室翻转力等满足要求的情况下进行可靠性道路试验以及台架试验，在台架试验过程中出现多次右支座固定螺栓断裂如图2，同时在道路可靠性试验中右支座螺栓出现多次断裂丢失的现象如图3。因此排除了螺栓自身的质量问题，初步判断螺栓断裂的原因为螺栓的拉应力超出材料的屈服强度发生疲劳断裂，因此本文主要从螺栓的应力大小进行故障分析。2.2 扭杆扭力计算扭杆的设计参数如表1。扭杆右支座端为固定端，左支座端为自由端，扭矩施加在自由端。如图4外侧螺栓如图由于结构原因受力必然大于内侧螺栓，所以其受力远远大于15kn，已知8.8级m14螺栓最大拉力为64kn，扭力产生的螺栓轴向拉力不小于螺栓最大拉力的三分之一，同步考虑螺

8、栓紧固力矩产生的预紧力以及车辆运行时垂向工况。所以综合判断此处螺栓拉应力超出材料的屈服极限产生的失效。3 数值仿真分析为了进一步分析螺栓断裂的原因，分析扭杆扭力对螺栓产生的应力大小，同时对原方案进行结构优化增加车架侧面安装点如图7，并对优化方案同时进行对比分析。本文通hyperwork有限元仿真软件进行模型的处理与分析。3.1 软件介绍hyperwork是一款优秀有限元计算分析软件，具有快速高效的前处理功能如hypermesh模块，同时针对线性、非线性、冲击等不同的问题集成了丰富求解器如abaqus、ansys、optisturct、radioss等，具有高度可视化的后处理功能。具备丰富的三维

9、软件接口如catia、ug、proe等。3.2 计算分析3.2.1 模型简化本文主要分析螺栓的受力，为了简化分析过程，分别将车身前悬置右支座取出单独分析，本文主要分析的是螺栓的应力，固将右支座连接的车架一同简化，模型如图7所示。3.2.2 模型清理与网格划分前处理采用hypermesh抽取中面的功能，采用shell单元清理掉若干减重孔以及圆角，安装孔选择0.5rwasher，单元类型选择mixed，单元尺寸选择3mm，对各个面进行网格划分，对产生间隙和焊接部分采用共节点或刚性单元进行连接，对螺栓采用1d梁单元进行模拟。3.2.3 施加边界条件对车架选择表面进行全约束，通过映射功能，映射到车架单

10、元。驾驶室重量传递在右支座上的力为1650n，根据道路试验验证经验，垂向工况一般重力加速度为5g，因此右支座加载8250n的垂向力，同时在扭力调节螺栓支架处与扭力调节臂装配孔分别建立刚性单元，并分别在刚性单元上施加大小相等方向相反的力来模拟2700n.m的扭矩。完整的模型如图所示。3.2.4 结果后处理及分析因为研究对象主要是螺栓，所以本文关注的是螺栓的应力大小，分析的类型选择1d单元，分析结果如上图所示由于驾驶室与垂向工况产生的应力大小优化前和优化后分别为272mpa如图9和71mpa如图10，应力降低了74%。结构上的改进效果明显。4 螺栓强度校核4.1 螺栓的预应力式中：d2为螺栓中径;

11、d3螺纹牙底所形成的螺纹小径具体可通过标准件手册得到。通过上述公式求得：h为335.5mpa。4.2 螺栓的強度校核仿真计算未添加螺栓预紧产生的预应力，因为结构静力计算为线性，所以实际螺栓的应力为两者的叠加，强度条件为：式中：为螺栓总应力大小;s由驾驶室垂向工况产生的螺栓应力;为螺栓许用应力。螺栓采用的8.8级六角法兰面m14普通螺栓，考虑动载荷等因素采用0.8的系数的许用应力：（10）因此根据公式（9）得到断裂螺栓总的应力大小如表2：5 结论（1）本文对单扭杆翻转机构扭杆对前悬置右支座产生的扭力大小进行理论计算，由此对螺栓断裂的原因进行了初步的分析。（2）利用hyperwork有限元分析软件

12、得到了原结构与优化结构扭力工况下断裂螺栓的应力大小。（3）考虑到拧紧力矩产生螺栓应力的大小，将拧紧力矩产生的应力大小与未考虑拧紧力矩cae分析结果进行线性叠加，得到了原结构与优化结构下断裂螺栓扭力与垂向工况下的应力大小，判断出原结构螺栓断裂的原因为：螺栓拉应力大小超出屈服极限最终导致螺栓断裂。（4）优化后的新结构通过了可靠性台架实验与可靠性道路试验如图11，说明通过对原方案结构的优化，螺栓的应力满足螺栓的强度条件。同时也验证了cae分析方法的正确性与可行性。参考文献1 顾駃，李鑫，金伟明.考虑单扭杆翻转匹配的载货车白车身刚度优化设计j.汽车实用技术，2016（6）：18-20.2 张新堂，孙武.单扭杆驾驶室翻转机构的结构与设计方法j.拖拉机与农用运输车，2013（8）： 42-44.3 蒋德云，李杰，王