王超，苗永，康孝峰，樊于朝，冶金鑫

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某商用車車架輕量化設(shè)計(jì)

王超，苗永，康孝峰，樊于朝，冶金鑫

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

論文基于用戶對(duì)重卡輕量化的需求，介紹了一種在不影響安全性能情況下的輕量化懸架的設(shè)計(jì)分析優(yōu)選方法，確保輕量化懸架在自重輕的情況下滿足使用強(qiáng)度滿足要求。

重卡；輕量化車架

引言

對(duì)于商用重型卡車，車架是汽車的載體，承載著動(dòng)力系統(tǒng)、駕駛室、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、上裝載貨物等。使在保證強(qiáng)度和剛度需求的基礎(chǔ)上，降低車架總成的重量，不僅可以減少材料用量降低成本，同時(shí)可以提高用戶收益，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。商用車車架均為鋼材，占整車質(zhì)量比重較大，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為保證承載能力，過(guò)于保守導(dǎo)致重量過(guò)大。本文基于有限元分析，通過(guò)三種設(shè)計(jì)方案的比對(duì)選優(yōu)的方式，將輕量化作為一個(gè)考量指標(biāo)，綜合考慮承載能力可靠性，達(dá)到輕量化的目標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 車架總成輕量化設(shè)計(jì)CAE分析

1.1 設(shè)計(jì)方案說(shuō)明

車架一般由左縱梁、右縱梁、首橫梁、中間橫梁、尾梁等組成。本文主要從橫梁結(jié)構(gòu)形式和連接形式多樣性，分析不同結(jié)構(gòu)形式在同等條件下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖1 橫梁方案說(shuō)明附圖

本為設(shè)計(jì)三種對(duì)比方案，其中縱梁總成首橫梁、尾梁、變速器盆梁設(shè)計(jì)方案一致，盆梁后第一、第二、第三、第四橫梁設(shè)計(jì)方案不同，橫梁結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格、材質(zhì)等參數(shù)見(jiàn)圖1。

車架總成由不同結(jié)構(gòu)形式的橫梁在同等位置布置，布置方案可見(jiàn)圖2。

方案一：采用四根橫梁一（法蘭管梁焊接）結(jié)構(gòu)；

方案二：采用兩根橫梁一+兩根槽型橫梁結(jié)構(gòu)；

方案三：采用四根槽型橫梁結(jié)構(gòu)。

圖2 車架總成方案說(shuō)明附圖

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

車架各部件材質(zhì)、性能參數(shù)、不同受力狀態(tài)下的強(qiáng)度見(jiàn)表1和2，整車載荷質(zhì)量、重心位置見(jiàn)表3。

表1 車架各部位材質(zhì)及性能參數(shù)

表2 材質(zhì)力學(xué)性能參數(shù)

1.3 分析工況定義

車架對(duì)汽車的各個(gè)構(gòu)件起著重要的承載作用，它對(duì)汽車整體的安全重要性尤為關(guān)鍵，作為重要的承載體，這就需要車架不僅有足夠大的強(qiáng)度，還需要有足夠大剛度。在行駛時(shí)汽車所受的工況比較復(fù)雜，車架在汽車行駛過(guò)程中承受復(fù)雜載荷，主要分為彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、側(cè)向載荷和縱向載荷，根據(jù)載荷條件我們?cè)O(shè)定四種工況，垂直沖擊工況、轉(zhuǎn)彎工況、車架扭轉(zhuǎn)工況、制動(dòng)工況。

對(duì)于本文中的車架類型，動(dòng)力總成及滿載時(shí)的總質(zhì)量為18噸，將這部分總質(zhì)量以集中載荷的方式加到0-7000mm范圍內(nèi)，這樣就完成了對(duì)整個(gè)車架的全部加載，具體工況定義和載荷條件見(jiàn)表4。根據(jù)車輛運(yùn)行工況、臺(tái)架性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)、路譜數(shù)據(jù)采集，以及綜合市場(chǎng)各部件質(zhì)量反饋情況。

表3 車架各總成質(zhì)量及質(zhì)心

表4 工況定義和載荷條件

1.4 靜強(qiáng)度分析 對(duì)三種方案在四種不同工況下加載對(duì)比分析，對(duì)總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)校核。 1.4.1 垂直沖擊載荷下的有限元分析 汽車滿載狀態(tài)下在良好的路面行駛，所有車輪著地。車架承受路面反作用力，車架在保證足夠承載條件下，還應(yīng)保證變形不會(huì)太大，否則易造成車架的扭曲。為消除剛體位移的影響，不同的工況設(shè)定不同自由度。 看了這一條，讀者通過(guò)邏輯思維必然會(huì)覺(jué)得“原來(lái)鵝鼻山就是秦望山！秦始皇是登上鵝鼻山‘以望南?！?！”但再一想又不對(duì)了：大越不會(huì)有兩座秦望山，前一條說(shuō)山在縣東南四十里，入城者已經(jīng)難以看到它，現(xiàn)在搬到縣西南七十里，使涉境者更難見(jiàn)到了。 垂直沖擊工況加載方式和載荷分布見(jiàn)圖3，在Z向重力加載3.5g。 約束條件： 從2011年至2016年，日本大學(xué)的專利轉(zhuǎn)讓件數(shù)和專利轉(zhuǎn)讓獲得的收入也呈現(xiàn)出了增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，具體數(shù)量見(jiàn)圖2。 1輪左端自由度DOF(13) = 0mm，2輪左端自由度DOF(3) = 0mm。 “八百里分麾下炙”的辛棄疾，二十歲便出入行伍，曾在萬(wàn)軍中俘虜敵軍大將，屢立戰(zhàn)功；二十五歲執(zhí)筆上言平戎十論，有霍去病、衛(wèi)青的氣概，指點(diǎn)江山豪氣干云。但不久一貶再貶，英雄淪落為田舍菜翁，其間幽忿落寞之情，有誰(shuí)共鳴？寫下“而今識(shí)盡愁滋味”的辛棄疾，不想抱怨嗎？他不是不想，而是明白抱怨無(wú)用，干脆就不抱怨了，他把他的一腔孤憤化為詞中溝壑，那怨氣怒氣、不平之氣釀成了他青史留名的底氣。 1輪右端自由度DOF(123)= 0mm，2輪右端自由度DOF(3)= 0mm。 圖3 垂直沖擊加載方式和載荷分布 三種方案車架總成分析對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4，方案一在第一橫梁、第三橫梁和第四橫梁處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力較大區(qū)域，靜態(tài)安全因子1.28.方案二在第一橫梁和第四橫梁出現(xiàn)應(yīng)力較大區(qū)域，靜態(tài)安全因子1.46。方案三在第四橫梁處應(yīng)力較大，靜態(tài)安全因子1.52。均滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行條件。垂直沖擊加載工況下，車架各部位應(yīng)力較大區(qū)域主要在縱梁與橫梁連接部位、板簧支架螺栓連接部位。車架兩側(cè)應(yīng)力集中區(qū)相近，說(shuō)明加載在車架的分布較理想。 顏曉晨有些糾結(jié)，超支三十塊，可今天借沈侯的光，省下了乘公車地鐵的錢，顏曉晨問(wèn)沈侯，“你覺(jué)得呢？我要嗎？” 圖4 垂直沖擊整體分析 1.4.2 轉(zhuǎn)彎工況載荷下的有限元分析 第三，建立持續(xù)性雙向激勵(lì)及約束機(jī)制。外部監(jiān)督的實(shí)現(xiàn)要求政府在政策制定、實(shí)施細(xì)則、需求發(fā)布等環(huán)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估和人員追蹤，落實(shí)懲戒措施以杜絕共謀行為的發(fā)生。一是形成有效監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建嚴(yán)厲懲處問(wèn)責(zé)機(jī)制。二是持續(xù)動(dòng)態(tài)審查。在委托購(gòu)買前應(yīng)對(duì)承接組織進(jìn)行資質(zhì)審核。簽訂合同后應(yīng)通過(guò)科學(xué)細(xì)化的量化性指標(biāo)，對(duì)中標(biāo)組織進(jìn)行持續(xù)性動(dòng)態(tài)化專業(yè)考核以保證公共服務(wù)質(zhì)量。購(gòu)買合同中關(guān)于購(gòu)買服務(wù)的各項(xiàng)參數(shù)及指標(biāo)應(yīng)由專業(yè)性權(quán)威機(jī)構(gòu)確立。政府應(yīng)根據(jù)第三方評(píng)估機(jī)構(gòu)的評(píng)估及動(dòng)態(tài)考察結(jié)果對(duì)效果較差的承接主體予以撤銷資格并確立相應(yīng)的懲罰措施。 車輛在行駛過(guò)程中急轉(zhuǎn)彎時(shí)遇到障礙物或者路面凹凸不平的工況時(shí)，會(huì)使車輪并不在同一平面上，由于載荷力的分布不均，在非對(duì)稱支撐條件下，車輛會(huì)收到扭轉(zhuǎn)載荷的影響，這種工況容易使得車架結(jié)構(gòu)收到破壞，因此該類型工況對(duì)車架剛度相對(duì)于其他工況下剛度的要求要高很多，本章通過(guò)加速度的方式施加載荷模擬轉(zhuǎn)彎工況。 轉(zhuǎn)彎工況加載方式見(jiàn)圖5，Z向重力加速度1g；Y向0.6g加速度。 約束條件： 1輪左端自由度DOF(13) = 0 mm ，2輪左端自由度DOF(3) = 0 mm； 1輪右端自由度DOF(3) = 0 mm ，2輪右端自由度DOF(3) = 0 mm； 連接左、右側(cè)車輪的彈簧另一端自由度（2）=0 mm。 圖5 轉(zhuǎn)彎工況加載和載荷分布 三種方案車架總成分析對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6，方案一在第一橫梁、第三橫梁和第四橫梁處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力較大區(qū)域，靜態(tài)安全因子1.44.方案二在第一橫梁和第四橫梁出現(xiàn)應(yīng)力較大區(qū)域，靜態(tài)安全因子1.79。方案三在第四橫梁處應(yīng)力較大，靜態(tài)安全因子1.72。 1.4.3 扭轉(zhuǎn)工況載荷下的有限元分析 車輛在行駛過(guò)程中由于路面不平整，在遇到凸包或凹坑路面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一側(cè)輪胎處于抬起狀態(tài)，而另一側(cè)處于懸空狀態(tài)，從而對(duì)車架造成劇烈的扭轉(zhuǎn)。 圖6 轉(zhuǎn)彎工況整體分析 扭轉(zhuǎn)工況加載方式見(jiàn)圖7，Z向重力加速度1g，對(duì)角太高300mm。 約束條件： 1輪左端自由度DOF(13)=300mm，3輪左端自由度DOF (3)=0mm； 1輪右端自由度DOF(123)=0mm，3輪右端自由度DOF(3) = 300mm。 圖7 扭轉(zhuǎn)工況加載和載荷分布 三種方案車架總成分析對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖8，車架由于非對(duì)稱性支撐產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在盆梁區(qū)域。主要原因在于整車布置條件的限制，在車架前端承載抗扭載荷只有首橫梁和盆梁，兩個(gè)部件之間距離較大，且此區(qū)域承載動(dòng)力總成發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的震動(dòng)載荷和駕駛室抖動(dòng)沖擊載荷。扭轉(zhuǎn)工況下此區(qū)域受力復(fù)雜，重點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)首橫梁和盆梁的結(jié)構(gòu)和相對(duì)位置關(guān)系。三種方案總體應(yīng)力分布一致，安全因子均在1.22左右，均能滿足承載要求。 利用DNASTAR軟件分析JEV P3株C基因編碼127個(gè)氨基酸(如表2)，分子量大小13 KDa；從氨基酸組成上，25個(gè)強(qiáng)酸性氨基酸 (K,R)，5個(gè)強(qiáng)堿性氨基酸 (D, E)，53個(gè)疏水性氨基酸(A, I, L, F, W, V)，18個(gè)兩性氨基酸 (N, C, Q, S, T, Y)，等電點(diǎn)為11. 89，在中性環(huán)境中帶正電。C蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)分析 (圖4) 發(fā)現(xiàn)C蛋白主要由β片層結(jié)構(gòu)和α螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成，中間有少量的β轉(zhuǎn)角相連接。整個(gè)蛋白親水性一般，有較強(qiáng)的抗原性。 帕里認(rèn)為，程式是相同格律條件下，為表述特定意義而常用的一組詞語(yǔ)[7]。換句話說(shuō)，在民歌中，程式是一種具有固定韻律結(jié)構(gòu)的語(yǔ)言模式，是一種出現(xiàn)頻率很高的語(yǔ)言文體現(xiàn)象。程式是民歌歌手在即興創(chuàng)作時(shí)所依賴的文體表達(dá)思想，具有相對(duì)的穩(wěn)定性。因此，程式是民歌的突出本質(zhì)。西北民歌“花兒”也不例外，無(wú)論是在唱詞還是曲調(diào)上都具有高度的前景化、程式化特點(diǎn)。這些程式化特質(zhì)具體而言，就是“花兒”中習(xí)以為常的思維方式與敘事方式，約定俗稱的語(yǔ)言習(xí)慣與表演習(xí)慣。筆者認(rèn)為，“花兒”的程式可大致可分為：曲令程式、格律程式、語(yǔ)言程式、修辭程式、謀篇程式及表演程式。 圖8 扭轉(zhuǎn)工況整體分析 1.4.4 制動(dòng)工況載荷下的有限元分析 車輛在正常行駛過(guò)程中通常會(huì)出現(xiàn)加速或者減速的情況，由于車架在加減速的一瞬間仍然保持原有的速度在前進(jìn)，這種情況下就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)慣性力，從而使車輛在運(yùn)行的方向上收到一個(gè)縱向的載荷影響。制動(dòng)工況主要考慮的車輛制動(dòng)瞬間沖擊載荷對(duì)車架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，通過(guò)載荷和約束條件轉(zhuǎn)化為靜力結(jié)構(gòu)模擬動(dòng)態(tài)工況。 近紅外光譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與出現(xiàn)，有助于更好地檢測(cè)小麥中蛋白質(zhì)的含量，同時(shí)采用MPA光譜儀驗(yàn)證了近紅外光譜分析方法用于谷物品質(zhì)檢測(cè)的可行性。然后利用CA-06光柵光譜分析儀建立小麥蛋白、水分的偏最小二乘法模型，使得儀器性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性大大提高。利用凱氏定氮、DA 7200和8620近紅外光譜儀這三種方法研究小麥面粉蛋白質(zhì)含量的快速測(cè)定方法，測(cè)定出籽粒蛋白質(zhì)差異較大的60個(gè)小麥品種（系）蛋白質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)可以用8620、DA 7200近紅外光譜儀對(duì)育種材料進(jìn)行早期測(cè)定[2]。 制動(dòng)工況加載方式和載荷分布見(jiàn)圖9，加載載荷X方向1g，Z方向1g。 約束條件： 1,2輪左端自由度DOF(123 ) =0mm， 1,2輪右端自由度DOF(13) =0mm 。 受原材料價(jià)格上漲影響，復(fù)合肥價(jià)格自國(guó)慶節(jié)過(guò)后一直呈現(xiàn)階梯狀上揚(yáng)的走勢(shì)。尿素價(jià)格近期持續(xù)高位，進(jìn)入11月份，而在供應(yīng)方面，受北方供暖影響，天然氣供應(yīng)緊張，北方氣頭將相繼停車，造成供應(yīng)減少。原料方面，煤炭?jī)r(jià)格繼續(xù)高位，企業(yè)成本繼續(xù)高位。再加上環(huán)保檢查力度加大，預(yù)計(jì)后期尿素價(jià)格下降的可能性不大。 圖9 制動(dòng)工況加載條件和載荷分布 圖10 制動(dòng)工況整體分析 三種方案車架總成分析對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖10，方案一在第一橫梁和第三橫梁之間縱梁處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力較大區(qū)域，靜態(tài)安全因子1.42以上。在X方向加載1g的制動(dòng)力，車架主要承載由地面摩擦傳遞至板簧支架扭轉(zhuǎn)力矩。在橫梁與縱梁連接處對(duì)產(chǎn)生位移，在各部件分析時(shí)重點(diǎn)關(guān)注此區(qū)域。 對(duì)三種方案縱梁對(duì)比分析見(jiàn)圖4.43，應(yīng)力較大區(qū)域均在第一橫梁與第三橫梁之間縱梁下平面區(qū)域，靜態(tài)應(yīng)力安全因子均在1.4以上。 通過(guò)四種工況對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行比對(duì)分析可知均滿足使用要求，對(duì)比輕量化指標(biāo)，方案一較方案二輕15kg，較方案三輕30kg，從而可得出方案一為輕量化優(yōu)選方案。 人才是社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的第一資源，社會(huì)組織人才是我國(guó)人才隊(duì)伍的重要組成部分，其專業(yè)化程度直接關(guān)系到社會(huì)組織發(fā)展與和諧社會(huì)構(gòu)建。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界關(guān)于社會(huì)組織人才專業(yè)化的專門研究并不多見(jiàn)，已有的相關(guān)研究成果主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。 2 總結(jié) 本文重點(diǎn)對(duì)車架總成輕量化優(yōu)選設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論述，并通過(guò)有限元法對(duì)不同滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度需求的方案進(jìn)行不同工況條件下的校核分析，從而優(yōu)選出最優(yōu)的輕量化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到很好的降重效果。 參考文獻(xiàn) [1] 譚繼錦,張代勝.汽車結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:清華大學(xué)出版社.2009. [2] 陳傳增.基于Hypermesh有限元分析的橋殼輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014年第1期:60-64. [3] 陳明,周城.某型號(hào)摩托車車架有限元分析[J].裝備制造技術(shù),2012年第7期:43-45. [4] 張文博.重型商用汽車車架輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2012年第9期:18-22. A commercial vehicle frame lightweight design Wang Chao, Miao Yong, Kang Xiaofeng, Fan Yuchao, Ye Jinxin ( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Shaanxi Xi'an 710200 ) Abstract:Based on the user's demand for light weight, this paper introduces a method of design analysis and optimization for light weight suspension without affecting the overall performance, so as to ensure that the strength of one suspension can meet the requirements in the case of light weight. Keywords:heavy-duty truck;Lightweightframe CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)21-214-04 中圖分類號(hào)：U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988(2018)21-214-04 作者簡(jiǎn)介：王超，畢業(yè)于吉林大學(xué)車輛工程專業(yè)，本科生學(xué)歷，現(xiàn)就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與技術(shù)管理工作。 10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.072