嚴(yán)國(guó)祥，薛士博，王雪飛，蔣 巖

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng) 111003）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電商、快遞業(yè)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，貨物運(yùn)輸量劇增，導(dǎo)致商用物流車(chē)需求加大，物流運(yùn)輸行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇。為控制成本，增加貨運(yùn)量，各物流企業(yè)對(duì)車(chē)輛的性能、油耗、載質(zhì)量利用率要求越來(lái)越高，而解決上述問(wèn)題的最佳方案莫過(guò)于減重。輕量化設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)而言可顯著降低油耗；對(duì)新能源汽車(chē)則可增加續(xù)航能力；對(duì)于商用物流車(chē)最明顯的優(yōu)勢(shì)是多拉貨物，空載時(shí)降低油耗，從而在相同運(yùn)費(fèi)情況下增加收益，顯著提升競(jìng)爭(zhēng)力。

車(chē)架材料主要是500L大梁鋼及6×××系鋁合金擠壓型材，是負(fù)責(zé)承載整車(chē)上部載荷的核心部件[1-2]。因此，在車(chē)架輕量化設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮其強(qiáng)度。目前鋼制車(chē)架的縱梁、橫梁普遍采用高強(qiáng)鋼板折彎成型，再鉚接而成。相對(duì)于普通鋼制車(chē)架，高強(qiáng)鋼車(chē)架在鋼板壁厚上做了一定程度的減薄，因其材料屈服和抗拉強(qiáng)度高，既能滿足使用要求，輕量化效果也不錯(cuò)。但因鋼板壁厚薄，若工作環(huán)境惡劣就很容易被銹蝕，影響車(chē)架強(qiáng)度，使用壽命很短。鋁合金密度僅為鋼的三分之一，其表面有一層致密的氧化膜，可以隔絕空氣與鋁的接觸，作為車(chē)架材料永不會(huì)生銹，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，可以實(shí)現(xiàn)又輕、又強(qiáng)、又耐用效果，對(duì)于車(chē)架的輕量化很有意義[3]。

汽車(chē)在行駛時(shí)，車(chē)架在承載貨物的同時(shí)還承受來(lái)自裝配在其上的各部件傳來(lái)的力及其相應(yīng)的力矩的作用。當(dāng)汽車(chē)行駛在崎嶇不平的道路上時(shí)，車(chē)架在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使安裝在其上的各部件相互位置發(fā)生變化。當(dāng)車(chē)輪受到?jīng)_擊時(shí)，車(chē)架也會(huì)相應(yīng)受到?jīng)_擊載荷。因而要求車(chē)架具有足夠的強(qiáng)度、合適的剛度，同時(shí)盡量減輕重量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，對(duì)車(chē)架靜應(yīng)力、剛度、振動(dòng)模態(tài)以至動(dòng)應(yīng)力和碰撞安全等均可以進(jìn)行有限元分析，對(duì)其輕量化、使用壽命，以及噪聲和振動(dòng)特性也可以做出初步判斷，大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。本文利用有限元分析工具模擬了滿載狀態(tài)下側(cè)向、對(duì)扭等工況，重點(diǎn)分析了各個(gè)橫梁連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為重卡車(chē)架輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論分析和數(shù)據(jù)支持。

1 車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)形式通常采用邊梁式、中梁式和綜合式三種車(chē)架結(jié)構(gòu)，載貨汽車(chē)車(chē)架多采用邊梁式結(jié)構(gòu)。邊梁式結(jié)構(gòu)車(chē)架的承載能力不僅與縱梁有關(guān)，還與橫梁有關(guān)，橫梁用來(lái)保證車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，載貨汽車(chē)車(chē)架總成由兩邊的縱梁和5～6根橫梁組成[3-4]。鋼鋁混合車(chē)架設(shè)計(jì)參考普通鋼制車(chē)架結(jié)構(gòu)，按等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)，以最大程度減重。通常，縱梁的上翼板沿全長(zhǎng)不變或局部降低，前后兩端根據(jù)車(chē)軸及懸架系統(tǒng)高度，將下翼板抬高，并在變截面處做均應(yīng)力過(guò)渡，車(chē)架寬度尺寸根據(jù)懸架形式確定。若前部選用空氣懸架，后部為板簧懸架，則縱梁為前寬后窄；若前后均為板簧或空氣懸架，則縱梁等寬。

1.1 車(chē)架主體

車(chē)架主體采用傳統(tǒng)非全承載梯形結(jié)構(gòu)，由兩根相互平行但開(kāi)口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型鋼制縱梁及橫梁組件通過(guò)鉚接或螺接而成。橫梁組件除后橋平衡懸架橫梁外，均采用6×××系鋁合金型材制成，橫梁的布置和間距根據(jù)底盤(pán)其它功能件的安裝空間合理設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 車(chē)架主體

1.2 車(chē)架縱梁

車(chē)架縱梁采用前后等寬通直梁形式，縱梁為傳統(tǒng)槽型斷面結(jié)構(gòu)，材料采用500L鋼。

1.3 車(chē)架橫梁

第一橫梁組件因連接件為鑄鋼，橫梁為圓管，若改為鋁合金，無(wú)法與鑄鋼件連接，因此仍沿用鋼制結(jié)構(gòu)。

第二橫梁組件由T型材與折彎后的帶槽T型材插接后角焊焊接，形成上平下拱的橫梁焊合，然后再通過(guò)鉚釘或法蘭螺栓與L型過(guò)渡板連接而成，如圖2（a）所示。

第三、第四及第五橫梁組件共同承擔(dān)車(chē)架中部抗扭轉(zhuǎn)的作用。第三、四橫梁組件結(jié)構(gòu)相同，中間橫梁為C型鋁型材，與縱梁通過(guò)L型過(guò)渡型材連接，型材內(nèi)圓角與鋼制結(jié)構(gòu)相比做了加大處理，以避免應(yīng)力集中，如圖2（b）所示。第五橫梁組件因下翼板為拱形，橫梁拆分成兩個(gè)零件，經(jīng)機(jī)加、焊接而成。

圖2 車(chē)架橫梁

第六橫梁組件位于后橋平衡懸架部位，承受來(lái)自地面的動(dòng)載荷較大，因此該處有鋼鋁兩種方案，第一種方案采用鋁合金工字型材與L型型材鉚接制成，考慮到此結(jié)構(gòu)為應(yīng)力集中區(qū)域，著重加厚加高，如圖3（a）所示。第二種方案采用原鋼制結(jié)構(gòu)，橫梁由雙槽型折彎鋼板背靠背焊接而成，與縱梁通過(guò)4個(gè)L型過(guò)渡板連接，如圖3（b）所示。第七橫梁及管梁位于車(chē)架中后部非應(yīng)力集中處，起到輔助抗扭作用。第八橫梁即尾梁，使車(chē)架后部形成一個(gè)封閉型的框架，承擔(dān)著車(chē)架后部的抗扭轉(zhuǎn)作用。

圖3 第六橫梁組件的兩種構(gòu)成方案

2 有限元分析

采用有限元法對(duì)鋼鋁混合結(jié)構(gòu)的兩種方案以及原鋼制結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，了解并掌握其在運(yùn)輸過(guò)程中的受力狀態(tài)，對(duì)車(chē)架的使用、更換和故障預(yù)測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及優(yōu)化提供可靠的理論基礎(chǔ)。

2.1 有限元模型

兩種方案均使用鋼制車(chē)架縱梁，第二、第三、第四、第五、第七、第八橫梁組件等均為鋁合金結(jié)構(gòu)。區(qū)別在于，方案1中所有鋁合金橫梁組件均使用Al6082-T6材質(zhì)，方案2中第六橫梁組件為原鋼制結(jié)構(gòu)，其余鋁合金橫梁組件均使用Al6061-T6材質(zhì)。忽略非主要承載件以及懸架系統(tǒng)，對(duì)模型進(jìn)行抽中面處理，采用殼單元模擬型材及板材件，螺栓以及焊接方式用剛性單元模擬。

材料屬性均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 6892-2006和GB/T 3273-2005執(zhí)行[1-2]，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 車(chē)架材料屬性

2.2 分析及討論

2.2.1 強(qiáng)度分析

為了更真實(shí)地模擬車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中的受力狀態(tài)，本文研究該車(chē)架在承受滿載條件下的側(cè)向及對(duì)扭兩種工況的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，滿載按31 t計(jì)。詳細(xì)強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)表2。

（1）側(cè)向工況：車(chē)輛滿載靜止或勻速行駛，垂向載荷動(dòng)載系數(shù)取K=1.5，側(cè)向載荷動(dòng)載系數(shù)取K=0.4。

（2）對(duì)扭工況：輛滿載靜止或勻速行駛，垂向載荷動(dòng)載系數(shù)取K=1.5，一軸左前輪、三軸四軸右后輪分別施加強(qiáng)制向上位移300 mm，二軸釋放。

方案1的對(duì)扭工況強(qiáng)度分析結(jié)果如圖4所示。第六橫梁及連接板的最大等效應(yīng)力為315.51 MPa，大于Al6082-T6的屈服強(qiáng)度260 MPa。第六橫梁應(yīng)力云圖中的深色區(qū)域內(nèi)表明已經(jīng)發(fā)生塑性變形。管梁與連接板的焊縫區(qū)域應(yīng)力小于焊縫屈服強(qiáng)度：即80.26 MPa＜156 MPa，符合強(qiáng)度指標(biāo)。總體來(lái)看，方案1的第六橫梁組件強(qiáng)度不足，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)優(yōu)化。

圖4 方案1的對(duì)扭工況應(yīng)力云圖

表2 強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)比表（強(qiáng)度/MPa）

2.2.2 剛度分析

車(chē)架的彎扭剛度對(duì)整車(chē)剛度的影響相當(dāng)大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要校核車(chē)架剛度在各種工況條件下的變化，并判斷其是否滿足使用要求。整車(chē)剛度主要包括車(chē)身剛度和車(chē)架彎扭剛度，但車(chē)身覆蓋件由模具成形，要進(jìn)一步輕量化困難很大。因此，車(chē)架結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提高整車(chē)剛度、増加承載能力是非常重要的[5]。詳細(xì)剛度分析結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果，方案1不滿足強(qiáng)度要求，故選用方案2與原鋼制結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行剛度分析對(duì)比，情況如下：

（1）原鋼制結(jié)構(gòu)方案

兩加載點(diǎn)平均撓度f(wàn)=0.12226 mm

彎曲剛度CB=F/f[1]=16358.58 N/mm

扭轉(zhuǎn)角α=（f1+f2）/L=0.00391°

扭轉(zhuǎn)剛度Kt=πFL/180α=4822.68 N·m/（°）

（2）方案2

兩加載點(diǎn)平均撓度f(wàn)=0.121673 mm

彎曲剛度CB=F/f=16437.50 N/mm

扭轉(zhuǎn)角α=（f1+f2）/L=0.004°

扭轉(zhuǎn)剛度Kt=πFL/180α=4714.17 N·m/（°）

表3 剛度分析結(jié)果對(duì)比表

2.2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要進(jìn)行一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、一階側(cè)向彎曲模態(tài)及一階垂向彎曲模態(tài)，詳細(xì)模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比表

因此，從上述有限元對(duì)比分析結(jié)果可知，全鋁橫梁結(jié)構(gòu)的方案1不滿足強(qiáng)度要求，而鋼鋁混合橫梁結(jié)構(gòu)的方案2在強(qiáng)度、剛度及模態(tài)等三方面基本符合理論要求，是合理可行的。另外方案2還對(duì)車(chē)架強(qiáng)度薄弱部位進(jìn)行了適當(dāng)加強(qiáng)，提升了車(chē)架的實(shí)用性和可靠性。

3 結(jié)論

通過(guò)合理設(shè)計(jì)型材斷面和車(chē)架結(jié)構(gòu)，選用可靠的連接方式，結(jié)合有限元仿真分析，優(yōu)化后的鋼鋁混合車(chē)架比傳統(tǒng)鋼制車(chē)架不僅減重效果明顯（減重約40%），而且強(qiáng)度和剛度也可滿足載荷要求。此次設(shè)計(jì)為重卡輕量化探明了一個(gè)方向，有助于鋁合金材料在卡車(chē)行業(yè)的推廣及應(yīng)用。

結(jié)合現(xiàn)代工藝上的不足，我國(guó)對(duì)汽車(chē)輕量化的新工藝方法研究將不斷持續(xù)，使輕量化的設(shè)計(jì)更好地應(yīng)用在重型商業(yè)汽車(chē)運(yùn)輸上，同時(shí)將“低碳經(jīng)濟(jì)效應(yīng)”應(yīng)用在物流業(yè)及汽車(chē)運(yùn)輸中，降低經(jīng)濟(jì)成本，提高運(yùn)輸質(zhì)量與安全系數(shù)，為我國(guó)的企業(yè)、社會(huì)公眾及環(huán)境保護(hù)做出一份貢獻(xiàn)。