駐馬店大力天駿專用汽車制造有限公司 孫海珍、邢濤、王濤、梁偉

引言

近年來，隨著市場對輕量化半掛車的需求，專用車降低車輛自身的重量，提高車輛的承載能力勢在必行，采用高強度鋼鋼材制造車輛的主要零部件。先進的高強鋼具有較低的屈強比、較好的應(yīng)變分布能力、較高的應(yīng)變硬化特性，同時先進的高強鋼的力學(xué)性能更加均勻，因而其回彈量的波動小，并具有更好的碰撞特性和更高的疲勞壽命。

但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，輕量化車型在滿載時易引起車架的變形，空載時變形回彈，雖然車架的強度可以滿足滿載的需求，但由于車架的變形影響車廂部分廂板和立柱之間的間隙，導(dǎo)致廂板打開困難，給客戶的使用帶來諸多不便。如何解決這一問題，是半掛車設(shè)計人員的不斷優(yōu)化設(shè)計方案和研究探索的方向。

基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計理念

車架是半掛車承載的主體，一般為焊接框架結(jié)構(gòu)，由縱梁、主橫梁、貫穿梁、車架邊梁、底板和牽引銷等組成。車架縱梁為“工”字型變截面梁，材料為高強度鋼焊接結(jié)構(gòu)鋼板700L，通過高強度材料的使用，保證了車架的強度和剛度。

車架縱梁為“工”字型變截面梁，由上、下翼板、腹板組成，取消小鵝頸車的腹板內(nèi)加固板，增加小鵝頸車前節(jié)腹板的厚度，減少了縱梁前端焊接腹板內(nèi)加固板的焊接工作量，同時避免了腹板內(nèi)加固板與腹板貼合不緊密，加固強度不好的缺陷，使縱梁的重量降低的同時，縱梁前端的強度明顯提升；改進小鵝頸車尾端縱梁結(jié)構(gòu)，使尾端縱梁的斜坡前移，前支架與尾端斜坡處連接，減少大梁變截面處應(yīng)力集中，同時增加尾端縱梁的高度，降低懸掛的支架高度，有效地提升支架上方縱梁的強度，避免縱梁尾端下沉。另在牽引銷后和前支架前的腹板內(nèi)側(cè)位置進行局部加固，改善此兩處的應(yīng)力集中的問題。

車架滿載時的有限元分析

（1）三維建模

基于目前半掛車設(shè)計制作的基本情況，本設(shè)計主要是運用AotoCAD軟件完成二維圖零件的設(shè)計和裝配，便于指導(dǎo)車間的生產(chǎn)。在進行有限元分析時，在二維圖的基礎(chǔ)上進行三維建模，為方便后續(xù)的有限元分析，節(jié)約分析時間和經(jīng)濟成本，在三維建模時進行相應(yīng)的簡化，由于半掛車的主要承載構(gòu)件是車架，因此僅對車架部分進行建模分析，同時省略掉對車架強度影響不大的附件如支腿固定鐵、牽引銷等，對支架也進行了簡化，按照其靜載時的受力特點，僅保留其支撐的功能；另外主橫梁上的減重孔，大梁腹板上的固定孔，貫穿梁也改為三拼結(jié)構(gòu)，減少對腹板的沖孔，這些孔對車架的強度影響也不大，但是影響后期的網(wǎng)格劃分，因此進行簡化建模。

（2）材質(zhì)的基本參數(shù)

序號 基本參數(shù)項 參數(shù)值1彈性模量 2.1e+011 2泊松比 0.28 3屈服強度極限 700MPa 4密度 7.85

（3）網(wǎng)格劃分

由于半掛車車架結(jié)構(gòu)的特點，考慮到網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，運用ANSYS Workbench自動劃分網(wǎng)格的功能，按照中等平滑度劃分網(wǎng)格，共計劃分137131個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下圖：

（4）邊界條件

半掛車靜載時，牽引銷處和懸掛支架處為固定支撐點，因此固定牽引板和支架與下翼板的接觸面處為限制點。

（5）加載

輕量化車型設(shè)計的基本原則是不能承載集中載荷，按照均布載荷對車架進行靜載的受力分析。本車型符合GB 1589的要求，三軸半掛車最大允許總質(zhì)量限制40000kg，掛車的設(shè)計自重5800kg，滿載可允許裝載貨物34200kg。在進行受力分析時，按滿載34200kg進行加載，由于小鵝頸車的承載面有一定的臺階高度差值，平臺的長度與平臺下方的長度近似比值為1:2，因此在加載時，平臺上方和平臺下方按1:2的載荷值分別加載。

（6）滿載時的最大變形和等效應(yīng)力

運用ANSYS Workbench進行計算分析，得到分析后的等效應(yīng)力云圖和最大變形的應(yīng)力云圖，從分析后的等效應(yīng)力云圖上可以看出，應(yīng)力的集中點在牽引銷后和前支架前，這與以往的設(shè)計經(jīng)驗是相符合的，因此本方案在設(shè)計時對這兩處進行了局部的加固，起到了加強的作用。本設(shè)計方案等效應(yīng)力的最大值為446MPa，設(shè)計時所選取的高強度鋼屈服強度極限為650MPa左右，因此其強度安全系數(shù)為1.46，與機械行業(yè)設(shè)計零件的工作安全系數(shù)要求1.2～1.3相比，本設(shè)計完全可以滿足安全使用要求。

從最大變形量的云圖上可以看出，車架在滿載時的最大變形量時2.7mm，最大變形處為第二節(jié)和第三節(jié)車廂處，這與實際使用時廂門不易打開的位置是相符合的，由于在車廂設(shè)計時，在中立柱與廂板結(jié)合處預(yù)留5～7mm的間隙，因此2.7mm的變形量在門縫間隙允許的范圍之內(nèi)，可以滿足廂門的順利開合。

綜合以上分析可知，半掛車車架的設(shè)計，有效地保障了車輛的承載能力，通過車架滿載時的有限元分析，滿載時車輛的屈服強度極限遠(yuǎn)小于半掛車材質(zhì)的屈服極限，滿足使用要求，車架的最大變形量在設(shè)計的車廂門縫間隙范圍內(nèi)，車廂的廂門可以順利開合。

結(jié)論

本設(shè)計通過樣車的滿載試驗發(fā)現(xiàn)，前節(jié)縱梁、尾端縱梁改進后，車架前端及前支架處強度明顯增強，支腿前邊梁有些輕微下沉，不影響車廂門的打開，因此本設(shè)計有效地解決了輕量化車型出現(xiàn)的廂門開合困難的現(xiàn)象，同時本車型比市場同行業(yè)其他廠家同類車型輕150kg左右，滿足了市場對輕量化車型需求的同時，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

等效應(yīng)力云圖

最大變形量云圖