分动箱油冷器侧边连接结构优化设计研究

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摘 要：针对某越野车辆分动箱油冷器侧边支架在整车可靠性路试中出现断裂故障，对其结构进行优化，使用CATIA软件进行三维建模，运用Hypermesh软件创建油冷器和侧边支架的有限元模型，在特定工况下，使用ANSYS软件对其进行约束模态、静强度和频率响应分析，对比改进方案、原方案分析结果，结果显示原方案应力较大处与实物断裂位置相同，并且改进方案满足设计要求。最后，在实车路试上对其进行可靠性验证，结果表明：优化后的侧边支架与新增的橡胶软垫组件组合使用通过了道路可靠性试验，满足整车使用要求。

关键词：越野车;侧边支架;有限元分析;强度;模态中图分类号：U469.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）20-71-04

Study on the Structural Optimal Design of the Lateral Connecting Structureof Transfer Case Oil Cooler

Feng Xiansong， Fu Bangcui

（Dong Feng Special Equipment Division （Dong Feng Off-Road Vehicle CO.， Ltd.）， Hubei Wuhan 430000）

Abstract： For the lateral connecting bracket in the transfer case oil cooler of the off-road vehicle was broken on vehicle road reliability test. Optimize its structure and use CATIA software built three-dimensional model. Use HYPERMESH software to create the finite element model of oil cooler and lateral connecting bracket.Under certain working conditions， ANSYS software is used to analyze its constrained modal， static strength and frequency response. Comparing the analysis results of the improved project and the original project， the results show that the original project has the same fracture position as the material object position， and the improved project satisfy the design requirements. Finally， its reliability is verified on vehicle reliability test and the results showed that the combination of the optimized lateral connecting bracket and the newly added rubber cushion components passed the vehicle road reliability test and satisfy the requirements of the vehicle.Keywords： Off-road vehicle; Lateral connecting bracket; Finite element analysis; Strength; ModalCLC NO.： U469.3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）20-71-04

前言

目前高機动越野车辆为实现在复杂苛刻路面上行驶，需配置分动箱，对动力总成输入扭矩进行有效分配，将不同的扭矩传递给前、中、后驱动桥。受制于箱体本身结构，并且布置于车体中部，无法通过周边环境或自身壳体进行有效散热，箱体内的润滑油无法维持于合理温度。首先，为确保分动箱正常工作，需采用外置式油冷器;其次，为达到整车重量限制，就要采用轻量化材料，并且需要尽可能地提高油冷器散热能力，这就要求油冷器和侧边支架采用铝合金材质。其中，侧边支架能否可靠地支撑油冷器，使其正常工作，决定了分动箱能否正常运转^[1]-[4]。

1 问题描述

某越野车辆分动箱油冷器为实现最佳的散热性能，固定于机舱水箱上，位于水箱正前方，见图1，该布置有效利用水箱后部风扇吸气时产生的气流，对其进行主动降温。其中，油冷器与侧边支架焊接成一体，侧边支架通过螺栓与固定支架连接，固定支架通过螺栓固定于水箱上。

据试验报告反馈，实车在越野路行驶过程中，出现了侧边支架断裂的故障，如图2所示。

图1  油冷器安装示意图

图2  油冷器侧边支架断裂图

2 侧边支架断裂原因分析

车辆在苛刻的可靠性考核路面上行驶时，复杂的冲击振动通过车轮、悬架、车架、车身等系统传导到油冷器上，侧边支架作为油冷器的主要承重件，在上万公里的路试中，长时间的激振造成侧边支架薄弱处断裂。

3 改进设计

水箱前部空间有限，只能在原方案基础上对侧边支架进行结构优化，并在侧边支架与固定支架间增加橡胶软垫组合件，见图3所示。

3  油冷器侧边结构优化后的安装示意图

该套装置的详细设计如下：L型且竖向相对设置的两个侧边支架，两个侧边支架间设有竖向的中间固连板，三者连接形成开口水平、两臂间距可调整的U型结构，U型结构在远离开口的水平外侧分别安装一个橡胶软垫组件，见图4所示。橡胶软垫组件由橡胶、衬芯、垫片组成，见图5所示。

图4  侧边连接结构示意图     图5  橡胶软垫组合件示意图

4 改进方案和原方案有限元约束模态、静强度和频率响应分析结果对比

4.1 建立有限元模型及确定边界条件

根据有限元理论，对油冷器及侧边支架进行有限元建模 ^[5]。其中，上、下盖板、侧边支架是铝合金，铝合金材料码是3678H，屈服强度是65MPa，中间固连板、固定支架材料是Q235，屈服強度是235MPa。利用Hypermesh软件进行网格划分。相关的有限元模型如图6所示。

图6  有限元模型

车辆行驶时，油冷器通过固定支架与水箱固连成一体，油冷器受到自身重力和水箱传递激振的相互作用，约束固定支架位于水箱上4个固定孔的所有自由度，其余节点的自由度都释放。

4.2 约束模态分析

模态反映了结构件的固有振动特性，通过模态分析可得到结构件的固有频率和模态振型^[6]。根据第4.1规定的约束条件，运用ANSYS软件进行模态分析，分别得出原方案和改进方案前4阶频率和振型图，见图7、8所示。

a）第一阶振型                   b）第二阶振型

c）第三阶振型                      d）第四阶振型

图7  原方案振型图

a）第一阶振型                  b）第二阶振型

c）第三阶振型                  d）第四阶振型

图8  改进方案振型图

表1  原方案和改进方案固有频率

该越野车辆发动机为六缸四冲程发动机，其怠速激励频率根据下式算出：

其中f为激励频率，n为发动机转速，z为发动机气缸数，τ为发动机冲程数。该发动机怠速为800rpm，故怠速激励频率是40Hz，根据表1统计数据，原方案和改进方案前四阶模态均大于发动机怠速激励频率，避开共振频率，避免油冷器及其侧边支架发生共振情况。

4.3 静强度分析

图9  原方案静强度分析应力云图

图10 改进方案静强度分析应力云图

油冷器及侧边支架的静强度分析，需要选取对其影响最恶劣的工况进行校核，才具有实际价值。现以垂直跳动工况和制动工况作为校核工况，垂直跳动工况是在Z向施加2.5g，制动工况是在X向施加1.0g，根据第4.1规定的约束条件，运用ANSYS软件进行分析，分别得出原方案和改进方案相应的计算结果：原方案的最大应力为16.9MPa，见图9所示，改进方案的最大应力为16MPa，见图10所示，应力大小都小于材料许用应力。

4.4 频率响应分析

频率响应分析方法有直接频率响应与模态频率响应2种方法，其中模态频率响应法更高效^{[7]- [9]}，故采用模态频率响应法。

在第4.1规定约束条件基础上，分别在固定点处施加X、Y、Z三个方向激励，大小分别是1.5g、1.5g、3g，扫频范围是5～200Hz，模态阻尼系数设定为0.06，运用ANSYS软件进行分析，分别得出原方案和改进方案相应的计算结果：两种方案最大应力都是在62Hz时产生，原方案的最大应力为158.9MPa，见图11所示，改进方案的最大应力为35.7MPa，见图12所示，原方案最大应力大于材料许用应力，改进方案最大应力小于材料许用应力。从分析结果也可以看出，原方案应力较大处与实物断裂处相吻合，并且改进方案已有明显改善。

图11  原方案62Hz时的应力云图

图12  改进方案62Hz时的应力云图

5 实车可靠性试验

该越野车辆将油冷器及侧边支架跟换为改进方案后，在安徽定远国家汽车试验场进行道路可靠性试验。试验总里程超过3万公里，路况包括高速环路、越野路、石块路、砂石路、蛇形路、搓板路、扭曲路等。试验完成后，油冷器及侧边支架未出现脱焊、变形、断裂等故障，表明改进方案通过了可靠性试验验证。

6 结束语

（1）在有限的空间中，通过优化侧边支架结构，并使用橡胶软垫组件，实现方案的优化。

（2）计算出两种方案油冷器及侧边支架的前四阶模态固有频率，均大于发动机怠速激励频率，避开了共振频率，避免油冷器侧边支架发生共振。（3）通过垂直跳动和制动两种最恶劣工况的静强度分析，两种方案油冷器侧边支架的最大应力都小于材料许用应力，满足静强度要求。（4）通过频率响应分析，得出原方案侧边支架最大应力是158.9MPa，应力较大处与实物断裂处相吻合，改进方案最大应力是35.7MPa，小于材料许用应力，满足设计要求。（5）改进方案通过了整车可靠性试验，满足使用要求。

参考文献

[1] 解剑英.汽车散热器用多层复合铝合金薄壁高频焊管制造技术的研究[D].浙江大学.2005.

[2] 金姣姣.车辆分动器性能及其检测系统研究[D].浙江大学.2008.

[3] 张磊，葛铠，单红波，等.大功率分动器润滑散热系统的设计与试验研究[J].机械传动. 2018，42（9）：173-178.

[4] 李欢.全地形双节履带运输车分动箱稳态热平衡分析[D].吉林大学.2011.

[5] 曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[6] 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[7] 赵婷婷，汪霞，工昌富.基于频率响应法的后视镜振动光学稳定性优化[J].汽车技术. 2014，（12）：9-12.

[8] 胡勇.汽车导流罩结构强度优化设计仿真研究[J].计算机仿真. 2018，49（10）：127-131.

[9] 邓志强，彭卓凯，黄振邦.基于Nastran的防护板动力学分析[J].机械强度.2014，36（6）：944-948.

作者简介：冯显松（1985.10-），男，工程师，就职于东风特种装备事业部（东风越野车有限公司），主要研究方向：汽车传动系统设计。

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