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        自卸汽車車廂縱梁強(qiáng)度校核分析

        2020-02-07 06:37:12鄭莉周瓊
        公路與汽運(yùn) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:汽車

        鄭莉, 周瓊

        (江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系, 江西 南昌 330013)

        自卸汽車車廂縱梁不僅承載著車廂自重和載質(zhì)量,在車廂傾卸時(shí),還受到來自舉升機(jī)構(gòu)的舉升力作用,此時(shí)車廂縱梁的負(fù)荷較大。因此,在車廂設(shè)計(jì)前,需根據(jù)整車布置對車廂縱梁強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算,據(jù)此選擇合適的車廂縱梁截面和材料。

        1 自卸汽車車廂縱梁的結(jié)構(gòu)和材料

        自卸汽車車廂縱梁多為平直且截面形狀不變,截面形狀一般有匚形(見圖1)和口形(見圖2)兩種。匚形截面可由普通鋼板機(jī)械加工而成,也可以是槽鋼;口形截面為矩形鋼管或方形鋼管,也可由槽鋼對接焊接而成??v梁截面的形狀和尺寸決定其截面系數(shù),而縱梁材料決定其許用應(yīng)力??箯澖孛嫦禂?shù)越大,縱梁的抗彎性能越好;許用應(yīng)力越大,則縱梁的安全性越高。因此,縱梁的結(jié)構(gòu)和材料極為重要。

        h為高度;b為腿寬度;t為腰厚度。

        2 自卸汽車車廂縱梁強(qiáng)度的校核計(jì)算

        以某公司自卸汽車為例,對車廂強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。

        2.1 自卸車概況

        該車型設(shè)計(jì)載質(zhì)量為855 kg,考慮到實(shí)際使用中存在的超載現(xiàn)象,以2 000 kg的載質(zhì)量進(jìn)行校核。車廂未進(jìn)行舉升時(shí),等同于非自卸車廂,車廂不受垂直方向的彎曲應(yīng)力,車廂縱梁強(qiáng)度能滿足使用要求。車廂舉升過程中,車廂受到載荷G、舉升機(jī)構(gòu)舉升力F和后翻轉(zhuǎn)處的力N的作用。隨著舉升角度的增大,載荷G相對于后翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的力臂逐漸減小,而舉升力F相對于后翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的力臂逐漸增大。根據(jù)力矩平衡原理,舉升力F將隨著舉升角度的增大而減小。因此,車廂剛舉升時(shí),舉升力F最大,車廂縱梁負(fù)荷最大,故只需對這種情況下的車廂進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。下面根據(jù)整車總體布置確定的舉升機(jī)構(gòu)方式及安裝點(diǎn),在載重2 000 kg(不含車廂自重200 kg)舉升時(shí)對車廂縱梁強(qiáng)度進(jìn)行分析。

        圖2 自卸汽車車廂縱梁的截面形狀(口形截面)

        車廂縱梁受力見圖3。假設(shè)車廂受貨物及自身重力G作用,且均勻分布,O點(diǎn)為載荷質(zhì)心;車廂縱梁長度L=2 510 mm,點(diǎn)A、B為縱梁兩端點(diǎn);點(diǎn)C為舉升桿與車廂鉸接點(diǎn),點(diǎn)D為車廂后翻轉(zhuǎn)點(diǎn);舉升桿產(chǎn)生舉升力F,D點(diǎn)處對車廂形成壓力N;點(diǎn)E為重力G與舉升力F的延長線交點(diǎn),ED為力N的作用方向;車廂為均勻舉升。

        以D點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn),根據(jù)力矩平衡,有:

        G×1 134.669=F×740.216

        圖3 車廂縱梁受力示意圖(單位:mm)

        F=G×1 134.669/740.216≈1.533G

        以C點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn),根據(jù)力矩平衡,有:

        G×332.972=N×534.254

        N=G×332.972/534.254≈0.623G

        力F在Y方向的分力為:

        FY=Fsin75°≈1.481G

        力N在Y方向的分力為:

        NY=FY-G=0.481G

        2.2 車廂縱梁所受內(nèi)力及彎矩

        按G=(2 000 kg+200 kg)×9.8 N/kg=21 560 N計(jì)算。AC段長度a=1 629.661 mm,CD段長度b=801.697 mm?,F(xiàn)以截面法求距離A點(diǎn)x距離的縱梁截面的內(nèi)力Q和彎矩M,并分為AC、CD和DB段來計(jì)算。車廂縱梁數(shù)量為2。

        在AC段,以截面左端計(jì)算,合力為零,力矩平衡,則內(nèi)力為:

        Q=xG/L/2=4.294 8x(0

        彎矩為:

        M=xG/L/2×x/2=2.147 4x2(0

        在CD段,以截面左端計(jì)算,合力為零,力矩平衡,則內(nèi)力為:

        Q=-(FY-Gx/L)/2=4.294 8x-15 961.484

        (a

        彎矩為:

        M=-[FY(x-a)-Gxx/2L]/2=2.147 4x2-

        15 961.484x+26 011 807.976 9

        (a

        在DB段,以截面右端計(jì)算,合力為零,力矩平衡,則內(nèi)力為:

        Q=-0.5G(L-x)/L=4.298 4x-10 780

        (a+b

        彎矩為:

        M=-0.5G(L-x)(L-x)/2L=-2.147 4x2+

        10 780x-13 528 900 (a+b

        根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,車廂縱梁所受內(nèi)力及彎矩分別見圖4、圖5。

        圖4 車廂縱梁所受內(nèi)力

        圖5 車廂縱梁所受彎矩

        由圖4、圖5可知:在C點(diǎn)處,車廂縱梁所受內(nèi)力及彎矩均最大。

        2.3 車廂縱梁強(qiáng)度校核

        縱梁所受最大彎曲應(yīng)力δmax=Mmax/WZ(WZ為車廂縱梁的抗彎截面系數(shù))。對于由普通鋼板機(jī)械加工而成的匚形截面,WZ為:

        WZ=(h+6b)th/6

        以2 400 mm軸距平板車廂縱梁尺寸計(jì)算:

        WZ=(h+6b)th/6=(50+6×55)×2×

        50/6=38 000/6 mm3

        Mmax=5 703 081.639 35 N·mm,則:

        δmax=Mmax/WZ=900.486 6 N/mm2

        該縱梁材料為Q235薄鋼板,屈服強(qiáng)度δs=235 MPa<δmax,該縱梁用于自卸汽車車廂,在舉升時(shí)會(huì)斷裂。若仍使用該結(jié)構(gòu),在h和b不變的情況下,厚度t至少需增至t=2δmax/δs=900.486 6×2/235≈7.7 mm,從成本上考慮該結(jié)構(gòu)不適用。

        如果縱梁材料換為Q235的8#槽鋼,根據(jù)GB/T 707-1988《熱軋槽鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》,其截面模量Wx=25 300 mm3,則:

        δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/25 300=

        225.418 N/mm2<δs=235 MPa

        8#槽鋼能滿足使用要求。但考慮到δmax較接近δs,且實(shí)際舉升過程并非均勻舉升,δmax的實(shí)際值比計(jì)算值大,出于安全考慮,不宜采用8#槽鋼制作該自卸汽車車廂縱梁。

        如果縱梁材料換為Q235的10#槽鋼,根據(jù)GB/T 707-1988,Wx=39 700 mm3,則:

        δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/39 700=

        143.654 4 N/mm2<δs=235 MPa

        10#槽鋼能滿足使用要求,可用作該自卸汽車車廂縱梁。

        若縱梁材料換為Q235的(80×60×4) mm矩形鋼管,根據(jù)GB/T 3094-2000《冷拔異型鋼管》,其截面模量Wy=23 190 mm3,則:

        δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/23 190=

        245.928 5 N/mm2>δs=235 MPa

        (80×60×4) mm矩形鋼管不能滿足使用要求,在車廂舉升時(shí)縱梁會(huì)斷裂。

        若縱梁材料換為Q235的(80×60×5) mm矩形鋼管,查GB/T 3094-2000,Wy=27 680 mm3,則:

        δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/27 680=

        206.036 N/mm2<δs=235 MPa

        (80×60×4) mm矩形鋼管能滿足使用要求,可用作該自卸汽車車廂縱梁。

        根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果,10#槽鋼和(80×60×5) mm矩形鋼管都能滿足使用要求。在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中,從材料成本及備料方面考慮,該車型車廂縱梁最終采用10#槽鋼來制作。

        3 結(jié)語

        上述車廂縱梁校核計(jì)算方法是最基本的一種,其他不同結(jié)構(gòu)、材料的自卸汽車車廂縱梁可參照該方法進(jìn)行校核計(jì)算。該車型已通過兩輪試裝驗(yàn)證及可靠性試驗(yàn),結(jié)果表明,車廂的強(qiáng)度能滿足整車承載要求,與校核計(jì)算結(jié)論吻合。

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