田海洲 文

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，載貨車正向著高速重載方向發(fā)展，輕量化對于汽車業(yè)的發(fā)展具有重要意義，也決定著汽車的油耗水平。在保持汽車整體品質(zhì)、性能和造價不變甚至優(yōu)化的前提下，通過降低汽車自質(zhì)量實現(xiàn)動力性、可靠性、安全性的提升，以及油耗、廢氣排放量的降低。

1 設(shè)計任務(wù)的提出

某重型8×4載貨汽車擬在沿用原有車型《公告》目錄的情況下，通過降低發(fā)動機功率，限制載貨質(zhì)量，開發(fā)出一款符合法規(guī)要求的變型車，其車架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由于載荷的降低，原有車型的結(jié)構(gòu)強度顯然過剩，為此需要重新設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)更合理?？紤]到今后的生產(chǎn)組織、零部件的通用性等一些因素，要求通過減小車架縱梁截面尺寸、對危險部位進行局部加強來達到輕量化的目的。原車車架設(shè)計截面尺寸為306 mm×95 mm×8 mm+8 mm，新車型大梁擬采用的截面尺寸為273 mm×80 mm×8 mm+5 mm。

假設(shè)車架縱梁工作時雙層槽鋼內(nèi)外層均完全參與受力，不考慮連接鉚釘?shù)淖饔?，根?jù)公式計算截面尺寸改變前后縱梁對z軸的慣性矩：

Iq+Iw+In=91 637 626.7 mm4

Ih=Iw+In=39 897 160.8 mm4

上式中，Iq，變更前車架結(jié)構(gòu)對應(yīng)的慣性矩；Ih，變更后車架結(jié)構(gòu)對應(yīng)的慣性矩；Iw，外層縱梁的慣性矩；In，內(nèi)層縱梁的慣性矩。

可以看到，采用新的截面尺寸后，車架大梁的慣性矩下降了56%，截面面積減小了29%，車架強度和剛度也相應(yīng)下降，因此需提出相應(yīng)的車架結(jié)構(gòu)改進措施。

2 擬采取的結(jié)構(gòu)措施

由于受到前述所規(guī)定的設(shè)計前提要求的限制，只能采用現(xiàn)有底盤參數(shù)(如軸距、后懸長度等)對車架結(jié)構(gòu)進行加強，因此提出以下措施：

(1)減小鉚釘間距。

車架縱梁由內(nèi)外兩層槽鋼鉚接而成，雙層槽鋼梁外層受力變形后，它的變形通過鉚釘將彎矩傳遞給內(nèi)層槽鋼，鉚釘間距直接影響到內(nèi)層槽鋼的受力參與程度。研究表明，鉚釘間距越小，內(nèi)層槽鋼參與受力越充分，但是若鉚釘孔太密，由于應(yīng)力集中等因素也會削弱結(jié)構(gòu)的強度，因此，擬將鉚釘間距由原結(jié)構(gòu)中的150～200 mm改為100 mm。

(2)將位于大梁后軸區(qū)域上翼板處的L型加強板向后懸端延長。

圖1 車架結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)以往的設(shè)計分析，該類車架的危險區(qū)域位于后軸上方，高應(yīng)力由平衡懸架區(qū)域向后懸端逐步減小。為了更好地將這一部分結(jié)構(gòu)的受力加以擴散，降低高應(yīng)力區(qū)的范圍和幅值，將上翼板處的L型加強板向后懸端延長500 mm，而大梁下翼板所受的力為壓應(yīng)力，故下翼板處的L型加強板長度保持不變。

(3)增加車廂底部縱梁在載荷作用下的參與程度。

由于該車架后懸過長，當(dāng)車架縱梁截面尺寸減小后結(jié)構(gòu)的剛度降低，必然在今后的使用過程中產(chǎn)生墜尾現(xiàn)象，當(dāng)路面有不大的不平度時會激發(fā)車架出現(xiàn)明顯的彎曲振動。而貨箱底縱梁截面高度為102 mm，如能充分利用必可極大改善車架的剛度。

3 有限元仿真分析

為了對上述結(jié)構(gòu)措施的有效性進行判斷，減小設(shè)計的盲目性，利用有限元分析技術(shù)對車架進行仿真分析。

根據(jù)分析結(jié)果，由雙層槽鋼鉚接而成的縱梁在鉚釘間距100 mm的情況下，內(nèi)層槽鋼腹板、翼板傳力連續(xù)，整個結(jié)構(gòu)充分參與受力，而鉚釘間距大于100 mm的其他情況，傳力在腹板、翼板處明顯出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，應(yīng)力集中也明顯上升。減小鉚釘間距使得內(nèi)層槽鋼參與受力的程度提高，對車架剛度、強度影響較為顯著，因此，計算中對原設(shè)計中L形角鐵板高應(yīng)力區(qū)域的鉚釘分布進行了重新調(diào)整，使其間距由200 mm調(diào)整為100 mm，并按該方案進行有限元分析。

3.1 車架有限元模型的建立

根據(jù)車架的幾何特點，計算采用全殼單元對車架進行離散，用剛性單元模擬鉚釘連接，用彈簧單元與梁單元組成的機構(gòu)模擬懸架的作用。將載荷沿貨箱布置位置均勻的分布加載在外層大梁的上翼面上，將發(fā)動機、變速箱載荷以集中力的形式施加在其安裝位置，將駕駛室自重、駕駛員重力載荷等效地施加在相應(yīng)位置。

3.2 計算結(jié)果分析

計算的車架外層大梁采用的鋼材型號為QSTE500TM，拉力試驗結(jié)果顯示其抗拉極限應(yīng)力σb=570 MPa，屈服極限σs=450 MPa；根據(jù)有關(guān)資料可以近似推算其對稱循環(huán)疲勞極限為310 MPa。彎曲工況以疲勞極限為強度判據(jù)，而扭轉(zhuǎn)工況以屈服極限作為強度判據(jù)。

3.2.1 彎曲工況

模擬車架在靜止?fàn)顟B(tài)及平穩(wěn)行駛工況下的受力情況，計算結(jié)果如圖2所示。

從分析數(shù)據(jù)來看，靜態(tài)彎曲工況下，車架高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力接近200 MPa，在車架靜態(tài)應(yīng)力計算數(shù)據(jù)較高的情況下，車架的彎曲疲勞強度是否滿足要求要結(jié)合車輛的動態(tài)電測試驗的結(jié)果綜合考慮。研究表明，車架剛度下降能使動荷系數(shù)有所提高。因此，車架在實際使用過程中的動應(yīng)力水平還需通過測試確定。

圖2 彎曲工況下車架的應(yīng)力分布圖

L型加強板延長前，在靠背梁至車架尾部這一段危險區(qū)域中，高應(yīng)力是由平衡懸架、靠背梁處開始向后逐步減小的，為了更好地將這一部分結(jié)構(gòu)的受力加以擴散，降低高應(yīng)力區(qū)的范圍和幅值，將上角鐵板的后端延長500 mm，下角鐵板長度保持不變(因為大梁下翼板所受的力為壓應(yīng)力)，將L型加強板延長后，車架上危險區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)明顯縮小，因此該措施是有效的。

3.2.2 扭轉(zhuǎn)工況

考慮到該型車的實際使用條件，在扭轉(zhuǎn)工況計算中采用了懸架上升200 mm，模擬貨車駛過200 mm高凸臺的情況。扭轉(zhuǎn)工況下計算的結(jié)果顯示其應(yīng)力水平遠低于450 MPa，且由于車輛在扭轉(zhuǎn)的情況下車速較慢，因而動荷系數(shù)不大可以認為是一種準(zhǔn)靜態(tài)過程。另外，發(fā)生大扭轉(zhuǎn)工況的概率較低，所以可用材料的屈服極限作為該工況強度的判據(jù)，車架在扭轉(zhuǎn)工況下的強度是滿足使用要求的。

4 結(jié)論

通過車架的分析和試驗，證明了所建立的有限元分析模型是基本正確的，分析結(jié)果可以作為加強板結(jié)構(gòu)改進設(shè)計的基礎(chǔ)。應(yīng)用上述技術(shù)生產(chǎn)的試驗車經(jīng)試驗及用戶的實際使用證明是安全可靠的，并已投入批量生產(chǎn)。文中的一些設(shè)計思路對于其他車型的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。