朱維娜，田志強(qiáng)，趙洋康

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

前言

近年來(lái)，為了保證整車(chē)物流行業(yè)的快速健康發(fā)展，國(guó)家開(kāi)展了嚴(yán)厲的治超工作。交通運(yùn)輸部頒布的《超限運(yùn)輸車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定》更是明確了對(duì)于車(chē)輛超載的嚴(yán)格管控。在行業(yè)背景下，重型貨車(chē)市場(chǎng)對(duì)車(chē)輛輕量化提出新的需求。在標(biāo)準(zhǔn)承載時(shí)，車(chē)輛在保證可靠性的前提下做得越輕，用戶就可能裝載更多的貨物，從而實(shí)現(xiàn)收益增值。因此各個(gè)廠家都在不斷推出輕量化車(chē)型產(chǎn)品打動(dòng)購(gòu)車(chē)用戶。

車(chē)架作為整車(chē)的一個(gè)基本載體，承載了駕駛室、動(dòng)力總成、上裝大箱等幾乎車(chē)輛上所有的總成件，并且需承受來(lái)自車(chē)輛在運(yùn)行階段的不同工況下沖擊載荷及變形。故其可靠性一直以來(lái)都是設(shè)計(jì)的首要指標(biāo)，無(wú)論是通過(guò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)還是材料本身的性能提升，設(shè)計(jì)過(guò)程中的安全系數(shù)均預(yù)留較大余量以滿足整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中車(chē)架的可靠性。

由此帶來(lái)問(wèn)題就是車(chē)架總成過(guò)強(qiáng)及重量過(guò)大。而這與目前市場(chǎng)對(duì)于車(chē)輛的輕量化性能的突出需求相矛盾，故而車(chē)架的設(shè)計(jì)就需要考慮除可靠性之外的輕量化設(shè)計(jì)原則[1]。

1 輕量化單層梁車(chē)架設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，主要有兩個(gè)思路：一個(gè)是通過(guò)使用新型材料如鋁合金等低密度材料實(shí)現(xiàn)降重，另一個(gè)就是根據(jù)部件功能需求，在滿足功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)降重，例如增加減重孔、采用集成設(shè)計(jì)方法等。

本文采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行車(chē)架輕量化，在現(xiàn)有車(chē)架基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化縱梁內(nèi)部加強(qiáng)板、橫梁、橫梁連接板、鞍座安裝板及車(chē)架總成的橫梁布置位置對(duì)車(chē)架進(jìn)行了輕量化的設(shè)計(jì)，如圖1所示：

圖1 輕量化單層梁車(chē)架總成

該車(chē)架輕量化的總體原則為：（1）不影響車(chē)架整體承載及抗扭性；（2）對(duì)于應(yīng)力相對(duì)集中的區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)；（3）精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降重。該方案優(yōu)化了車(chē)架縱梁的加強(qiáng)方式，對(duì)橫梁連接板適當(dāng)延長(zhǎng)，同時(shí)精簡(jiǎn)縱梁內(nèi)部加強(qiáng)板。優(yōu)化橫梁中間支撐部分的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)飛機(jī)梁的上下連接板，延長(zhǎng)至第二橫梁中部，同時(shí)延長(zhǎng)了鞍座安裝板。通過(guò)CATIA軟件對(duì)車(chē)架數(shù)模增加材料屬性，該車(chē)架實(shí)現(xiàn)降重80 kg。

2 仿真分析

2.1 建立有限元模型

為保證純單層梁車(chē)架的可靠性及輕量化效果，應(yīng)用計(jì)算分析軟件HyperWorks對(duì)優(yōu)化前后的車(chē)架進(jìn)行了有限元強(qiáng)度對(duì)比分析。

首先對(duì)于車(chē)架及其承載的大總成支架進(jìn)行了前處理，即三維數(shù)模的網(wǎng)格化，如圖2所示。針對(duì)均為沖壓件的車(chē)架零部件采用抽取中間面用二維殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于鑄造件的大總成支架采用三維四面體及少量二維三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同采用不用的網(wǎng)格模型，可提升網(wǎng)格劃分的精度及準(zhǔn)確性[2]。

圖2 有限元模型

對(duì)于安裝與車(chē)架上的大總成如駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架、供給系統(tǒng)、蓄電池等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)質(zhì)心位置與車(chē)架進(jìn)行連接。車(chē)架總成上的螺栓及鉚釘均采用RB2剛性單元進(jìn)行連接。對(duì)裝在車(chē)架上的大總成質(zhì)量點(diǎn)使用Rigids通過(guò)限定自由度與車(chē)架連接。而懸架系統(tǒng)則采用spring單元進(jìn)行等效模擬[3]。

2.2 設(shè)定工況

按照車(chē)架實(shí)際工況，抽取典型的四個(gè)工況進(jìn)行分析，分別為垂向加速度、轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)及制動(dòng)工況[4]，針對(duì)每個(gè)工況施加不同方向及大小的加速度進(jìn)行模擬，如圖3所示：

圖3 分析車(chē)架強(qiáng)度的四個(gè)工況

2.3 計(jì)算并分析結(jié)果

因優(yōu)化車(chē)架涉及縱梁加強(qiáng)板、橫梁及鞍座安裝板，故計(jì)算結(jié)果將分別對(duì)比改進(jìn)前后的縱梁、橫梁及安裝板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及安全因子。分析結(jié)果顯示優(yōu)化后方案車(chē)架縱梁及橫梁連接板在四種不同工況下安全因子均滿足設(shè)計(jì)要求。圖4到圖7為左右縱梁在垂向及扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布及安全因子。

圖4 垂向沖擊工況下原方案仿真結(jié)果

圖5 垂向沖擊工況下輕量化方案仿真結(jié)果

圖7 扭轉(zhuǎn)工況下輕量化方案仿真結(jié)果

圖6 扭轉(zhuǎn)工況下原方案仿真結(jié)果

優(yōu)化后車(chē)架總成各部件的安全因子在四個(gè)工況下的分析結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出，優(yōu)化后車(chē)架方案安全因子均大于1，滿足設(shè)計(jì)需求。

表1 優(yōu)化后車(chē)架各結(jié)構(gòu)安全因子

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于車(chē)架的可靠性驗(yàn)證在計(jì)算仿真分析滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后，還進(jìn)行了該車(chē)架的實(shí)車(chē)裝配及整車(chē)可靠性驗(yàn)證，還原車(chē)輛在全生命周期過(guò)程中車(chē)架所承受的沖擊載荷、變形及疲勞的過(guò)程。整車(chē)按照6×4車(chē)型標(biāo)準(zhǔn)滿載載荷49 t進(jìn)行了8000 km綜合路可靠性試驗(yàn)。可靠性試驗(yàn)報(bào)告顯示，車(chē)架滿足實(shí)際工況的可靠性要求，未出現(xiàn)故障反饋。

4 結(jié)論

車(chē)架是重型貨車(chē)的重要承載部件，其可靠性仍是首要性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的輕量化設(shè)計(jì)，既滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求，又能提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。本文基于對(duì)原始車(chē)架的CAE分析結(jié)果及實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的市場(chǎng)反饋及對(duì)標(biāo)，對(duì)車(chē)架進(jìn)行了合理的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化及局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，確保車(chē)架在車(chē)輛的各類(lèi)工況下的重點(diǎn)受力區(qū)域均能滿足需求，同時(shí)又 避免了車(chē)架受力小的區(qū)域的過(guò)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

針對(duì)優(yōu)化后的輕量化車(chē)架，首先經(jīng)過(guò)仿真分析軟件進(jìn)行了模擬工況下的強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示不同工況下各處受力均滿足安全因子設(shè)定值。隨后又進(jìn)行了實(shí)車(chē)裝配及可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了該車(chē)架符合車(chē)輛對(duì)車(chē)架的可靠性指標(biāo)需求。同時(shí)，經(jīng)過(guò)稱(chēng)重對(duì)比，該方案且可降低80 kg車(chē)架總成重量。