龍俊華,吳林波,安瑞兵

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 510000)

0 引言

車架是重卡牽引車的最重要且最核心的零部件，是一個(gè)承載體，駕駛室通過(guò)懸置連接在車架上，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)支撐連接在車架，同時(shí)車橋和懸架通過(guò)支座連接在車架上，以及油箱、尿素罐、儲(chǔ)氣筒等其他各個(gè)系統(tǒng)零部件都是安裝在車架上，因此車架承受著各個(gè)系統(tǒng)的載荷，車架設(shè)計(jì)的好壞直接影響著底盤其他系統(tǒng)[1-2]。

牽引車經(jīng)常跑長(zhǎng)途運(yùn)輸，路途遙遠(yuǎn)，各種工況復(fù)雜，要承受彎曲工況、轉(zhuǎn)向工況、制動(dòng)工況、扭轉(zhuǎn)工況等產(chǎn)生的應(yīng)力，設(shè)計(jì)牽引車車架時(shí)就要保證足夠的強(qiáng)度來(lái)適應(yīng)各種復(fù)雜的工況。

本文作者以某6×4牽引車車架為研究對(duì)象，在車架設(shè)計(jì)的開始階段，考慮到可能性和必要性，只需對(duì)車架縱梁進(jìn)行簡(jiǎn)化的彎曲強(qiáng)度計(jì)算，以此來(lái)初步確定縱梁的截面尺寸。根據(jù)截面尺寸將車架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，采用有限元分析軟件進(jìn)行各種工況下的強(qiáng)度計(jì)算，得出各個(gè)工況下的最大應(yīng)力，與材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，研究?jī)?nèi)容對(duì)新車架設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 車架縱梁截面尺寸確定

1.1 車架縱梁截面特性

牽引車車架截面為槽型，其截面參數(shù)如圖1所示。

圖1 車架截面參數(shù)

車架X處抗彎截面系數(shù)為

(1)

1.2 縱梁強(qiáng)度校核

車架受上裝垂直向下的力，以及底盤簧上質(zhì)量在車架垂直向下的力，這兩種力假設(shè)均勻分布在車架縱梁上，如圖2所示。

圖2 車架受力簡(jiǎn)化示意

T2處力矩平衡原理，計(jì)算出支反力T1

T1=[F1k(k/2-n)+F2w(m-w/2-v)]/m

(2)

式中：T1為前橋中心處對(duì)車架的支反力，N；

T2為中后橋中心處對(duì)車架的支反力，N；

F1為底盤簧上質(zhì)量在車架上的均布載荷，N/m；

F2為裝在車架上的分布載荷，N/m；

y為上裝質(zhì)心位置，m。

根據(jù)平衡方程，得出L處的截面彎矩和剪力分別為：

M=F1(L+s)2/2+F2(L-v)2/2-F1L

(3)

Q=F1(L+s)+F2(L-v)-T1

(4)

當(dāng)剪力Q=0時(shí)，M出現(xiàn)極值M0；當(dāng)支反力R1、R2處M亦出現(xiàn)拐點(diǎn)M1,M2。最大彎矩Mmax取三者之間的最大值，考慮實(shí)際使用條件和安全系數(shù)，最大彎矩Mmax取2倍靜載荷條件。故單根縱梁斷面的最大彎曲應(yīng)力為：

(5)

式中：σS為材料的屈服強(qiáng)度。

根據(jù)式(1)和式(5)來(lái)初步確定車架的截面尺寸。

2 車架有限元模型的建立

根據(jù)上述確定的車架截面利用Catia軟件進(jìn)行車架總體設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)后通過(guò)有限元仿真軟件Hyperworks 進(jìn)行車架總體強(qiáng)度分析。

2.1 網(wǎng)格劃分

牽引車車架總成由縱梁、橫梁、前后懸架支座、鞍座等組成，且進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)需要加上油箱支架、尿素罐及儲(chǔ)氣筒支架、消聲器支架、駕駛室龍門梁、前后橋等一起分析，算出來(lái)的應(yīng)力值才更加準(zhǔn)確。

橫梁、縱梁、油箱支架、尿素罐及儲(chǔ)氣筒支架、消聲器支架、駕駛室龍門梁、發(fā)動(dòng)機(jī)支架由薄板組成，所采用的單元類型為四邊形以及少量三角形進(jìn)行網(wǎng)格劃分；而前后懸架支座、鞍座、前后橋等為鑄件或鍛造件所采用的單元類型四面體實(shí)體[3]。

2.2 連接處理

車架孔位直徑φ9 mm及以下清除，會(huì)對(duì)有限元分析結(jié)果造成影響，φ9 mm以上螺栓和鉚釘連接處，用剛性單元和單元組合模擬，板簧用彈簧單元，連桿用梁?jiǎn)卧M，焊接單元用網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)重合處理，發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、油箱、尿素罐、消聲器用質(zhì)心代替，用集中質(zhì)量單元模擬質(zhì)量載荷。由于輪胎剛度比懸架剛度大得多，因此忽略輪胎的變形，輪胎由質(zhì)心點(diǎn)代替[4]。

車架總成網(wǎng)格劃分及連接有限元模型如圖3所示。

圖3 車架有限元模型

3 車架強(qiáng)度分析結(jié)果

3.1 載荷與邊界

重卡牽引車車架在行駛過(guò)程中主要承受4種工況，分別是彎曲工況、轉(zhuǎn)向工況、制動(dòng)工況、扭轉(zhuǎn)工況，這4種工況施加載荷見表1，邊界條件見表2。

表1 4種工況下載荷情況

表2 4種工況下邊界條件

表2中A表示前橋左輪，B表示前橋右輪，C表示中橋左輪，D表示中橋右輪，E表示后橋左輪，F(xiàn)表示后橋右輪。數(shù)字代表要約束的自由度，1表示x軸平移方向，2表示y軸平移方向，3表示z軸平移方向，4表示繞x軸旋轉(zhuǎn)方向，5表示繞y軸旋轉(zhuǎn)方向，6表示繞z軸旋轉(zhuǎn)方向，3=200表示在z軸方向施加強(qiáng)制位移200 mm。

3.2 各種工況有限元分析結(jié)果

施加載荷和邊界條件后，利用Hyperworks自帶求解器Optistruct對(duì)各種工況下求解，應(yīng)力云圖如圖4—圖7所示(僅顯示車架應(yīng)力)。

圖6 制動(dòng)工況車架應(yīng)力云圖

圖7 扭轉(zhuǎn)工況車架應(yīng)力云圖

4種工況下最大應(yīng)力見表3。

表3 4種工況下最大應(yīng)力

由表3可知，車架縱梁和橫梁材料為B510L，材料的屈服強(qiáng)度355 MPa[1]，以上4種工況最大應(yīng)力334.8 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度評(píng)判要求。

4 輕量化設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)力云圖，對(duì)車架受力不大的地方進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。具體措施為：將第三橫梁處下連接板厚度10 mm改為8 mm，縱梁上連接板厚度8 mm改為6 mm，左右位置各兩次，如圖8所示。

圖8 車架輕量化位置

車架減重后應(yīng)力云圖如圖9—圖12所示。

圖9 減重后彎曲工況車架應(yīng)力云圖

圖10 減重后轉(zhuǎn)向工況車架應(yīng)力云圖

圖11 減重后制動(dòng)工況車架應(yīng)力云圖

圖12 減重后扭轉(zhuǎn)工況車架應(yīng)力云圖

可以看出，車架減重后與減重前4種工況下，車架承受的最大應(yīng)力相當(dāng)，滿足強(qiáng)度要求。

車架共減輕15.4 kg,4種工況下最大應(yīng)力見表4。

表4 4種工況下最大應(yīng)力 kg

5 結(jié)論

文中首先通過(guò)理論公式對(duì)車架縱梁截面進(jìn)行選擇，按此截面設(shè)計(jì)完成車架總成后，通過(guò)有限元仿真分析對(duì)車架總成進(jìn)行實(shí)際道路上各種工況下的強(qiáng)度分析。根據(jù)應(yīng)力結(jié)果，提出了橫梁和縱梁連接板的減輕方案，結(jié)果顯示，減重后和減重前應(yīng)力相當(dāng)，滿足強(qiáng)度要求。

通過(guò)對(duì)車架的有限元分析，前期設(shè)計(jì)之初可以大大縮短時(shí)間，提高產(chǎn)品準(zhǔn)確率。