摘要：車架支撐著變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向器、離合器貨箱等各類部件，是重型車輛核心組成部件，承受來自于部件的力矩和各種力?；诖?，系統(tǒng)性探究重型卡車車架結(jié)構(gòu)存在的問題和車架優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，并利用有限元分析法綜合網(wǎng)格劃分和車架模型、荷載和邊界條件、有限元分析計(jì)算及結(jié)果探究車架斷裂形成的原因，深度分析基于有限元分析法的整體車架輕量化設(shè)計(jì)方案并提出優(yōu)化措施。通過研究，旨在為實(shí)現(xiàn)重型卡車車架輕量化設(shè)計(jì)提供支持，并獲取良好經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：輕量化；重型卡車；車架結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U469 收稿日期：2024-03-01

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.009

1 前言

在部分產(chǎn)業(yè)建設(shè)和行業(yè)發(fā)展中，重型卡車作為重要運(yùn)輸工具，可為提高生產(chǎn)效力和生產(chǎn)進(jìn)度發(fā)揮積極作用。高效設(shè)計(jì)與使用重型卡車，可在一定程度上保障生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，維護(hù)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展能力。調(diào)查與分析國內(nèi)重型卡車數(shù)據(jù)得知，在其生產(chǎn)期間多犧牲車輛穩(wěn)定的性能和成本，通過加厚其車輛整體，以保證車輛運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)一步加強(qiáng)車輛使用耐久性。但是，這種處理方式的弊端是較為顯著的，重型卡車在行駛期間，其成本增加、油耗偏高，增加駕駛員負(fù)擔(dān)[1]。所以，基于重型卡車整體車架結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化措施，使其輕量化，可在一定程度上降低能源資源消耗，緩解輪胎磨損。

2 重型卡車車架存在的問題

綜合式車架、中梁式車架、邊梁式車架是重型卡車三種常見的結(jié)構(gòu)類型，一般情況下，車輛多使用邊梁式結(jié)構(gòu)，旨在保證橫梁和縱梁良好地承擔(dān)起縱向荷載、扭轉(zhuǎn)剛度和承載能力。重型卡車車架作為車輛的核心承載部件，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性對于車輛的整體性能和使用壽命具有決定性的影響。

在我國，雙層大梁車架結(jié)構(gòu)在重型卡車中得到了廣泛的應(yīng)用，但實(shí)際應(yīng)用中，這種結(jié)構(gòu)也暴露出了一些問題。由于建筑行業(yè)的施工環(huán)境多變和路況的復(fù)雜性，重型卡車經(jīng)常面臨各種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。在這樣的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)的雙層大梁車架往往在使用四個(gè)月左右就開始出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生斷裂，威脅司機(jī)和周邊工作人員的人身安全構(gòu)，增加企業(yè)的維修和更換成本，影響了經(jīng)濟(jì)效益。

導(dǎo)致這一問題的主要原因之一是熱軋鋼板成型的雙層大梁表面不夠光滑，而且鉚接內(nèi)外層大梁折邊圓角處存在縫隙。在載荷作用下，如果內(nèi)外大梁的貼合不夠緊密，很容易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。這樣一來，鉚接孔位置將承受超出其設(shè)計(jì)承受能力的應(yīng)力，長期下來必然引發(fā)安全隱患。

3 重型卡車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

在啟動(dòng)重型卡車的輕量化設(shè)計(jì)項(xiàng)目之前，首先清晰設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)，聚焦于降低車架重量、提升燃油經(jīng)濟(jì)性，以保障車架強(qiáng)度不受損害。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，必須全面而深入地收集技術(shù)資料，包括對車架現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的詳細(xì)了解、掌握可用的先進(jìn)材料及其性能特點(diǎn)，以及熟悉當(dāng)前和潛在的制造工藝。僅僅有了明確的目標(biāo)和充分的數(shù)據(jù)支持還不夠，還必須組建跨專業(yè)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，匯集結(jié)構(gòu)工程師、材料工程師和制造工藝師等多領(lǐng)域的專家，有效推進(jìn)輕量化設(shè)計(jì)工作在各個(gè)層面展開。團(tuán)隊(duì)整合各方的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，共同探索創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案，從而在保持車架強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)重量的降低和燃油經(jīng)濟(jì)性的提升[3]。

在重型卡車輕量化車架的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，綜合運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，初步優(yōu)車架結(jié)構(gòu)化，明確車架的基本形狀和主要承載路徑，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供重要的基礎(chǔ)。同時(shí)，材料的選擇也是輕量化設(shè)計(jì)中不可忽視的一環(huán)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇高強(qiáng)度鋼和鋁合金等高強(qiáng)度、輕量化的材料，基于其優(yōu)異的力學(xué)性能，滿足車架的承載要求，降低車架的重量。在選擇材料時(shí)，還需綜合考慮材料的可加工性和成本因素，通過規(guī)劃合適的制造工藝，如激光切割、焊接、熱處理等，提升車架的制造精度和質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)生產(chǎn)效率和降低成本。因此，在重型卡車輕量化車架的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、材料選擇和制造工藝規(guī)劃是相互關(guān)聯(lián)、不可或缺的關(guān)鍵步驟[4]。

4 基于有限元分析法探索車架斷裂原因

4.1 網(wǎng)格劃分與車架模型構(gòu)建

嚴(yán)格按照計(jì)算工況結(jié)果，在構(gòu)建完成的模型上增加荷載和約束，為保證有限元模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果，可使用ANSYS軟件展開靜態(tài)分析，模擬出車架的基本情況。比如，在設(shè)計(jì)承載能力為30 t的車架期間，模擬的彎曲工況和彎扭組合工況如圖1和圖2所示。

基于圖1和圖2的顯示結(jié)果得知，處于彎曲工況狀態(tài)的車架，其大應(yīng)力區(qū)基本為下聯(lián)接板和車架聯(lián)接處以及車架與平衡軸聯(lián)接過渡位置。在彎扭組合工況下，重型車的車架應(yīng)力在分布的時(shí)候呈現(xiàn)出不均勻狀態(tài)，測量得到其多分布在下聯(lián)接板與車架聯(lián)接位置、車架和平衡軸聯(lián)接的過渡位置、橫梁下片和下翼面聯(lián)接位置。上述幾處大應(yīng)力區(qū)位置，基本與重型車運(yùn)行環(huán)節(jié)中的車架破壞位置相符合[5]。

在重型車輛行駛過程中，彎扭組合工況是危險(xiǎn)性相對較高的工況，在表1中，簡單羅列出此工況下四個(gè)大應(yīng)力區(qū)域范圍內(nèi)的最大等效應(yīng)力值。

基于表1數(shù)據(jù)分析結(jié)果，部分位置的應(yīng)力已經(jīng)比材料屈服極限值超出很多，車架的強(qiáng)度不足。

4.2 荷載和邊界條件

載荷施加是模擬車架實(shí)際受力情況的關(guān)鍵步驟，基于合理的載荷施加，較為準(zhǔn)確地預(yù)測車架在不同工況下的應(yīng)力分布和變形情況，進(jìn)而評(píng)估其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也是優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)和提高材料利用率的重要依據(jù)。

為了提高重型卡車車架設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和安全性，必須深入分析其在實(shí)際工作中的受力情況，并在模型中精確施加相應(yīng)的載荷和約束。首先，自重載荷的施加是不可或缺的，通過相關(guān)軟件，根據(jù)車架的實(shí)際自重定義材料的密度，從而自動(dòng)計(jì)算并施加自重載荷，模擬了車架在靜止?fàn)顟B(tài)下的受力情況，為后續(xù)分析提供了基礎(chǔ)。除了自重載荷，重型卡車出廠時(shí)附帶油箱、備胎等各種附件，也會(huì)對車架產(chǎn)生額外載荷，附件的重量和固定位置需要被準(zhǔn)確測量，并在車架模型上相應(yīng)位置施加等效載荷，真實(shí)反映實(shí)際工況下車架的受力情況。

在實(shí)際運(yùn)輸過程中，貨物的分布對車架受力也有顯著影響，根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸需求，按照均勻分布的原則，將貨物重量合理分布在車架縱梁，考慮車廂在車架上的具體位置和貨物的實(shí)際分布情況，保證模型能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際運(yùn)輸過程中的受力情況。參照板簧固定的實(shí)際位置，對車架模型的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，并且在不同實(shí)驗(yàn)條件下，節(jié)點(diǎn)釋放的自由程度會(huì)有所區(qū)別，按照具體情況作出靈活調(diào)整。

4.3 有限元分析計(jì)算及結(jié)果

重型車輛的車架幾何結(jié)構(gòu)總體上較為復(fù)雜，在分析構(gòu)建的模型環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員可適當(dāng)性地忽略過渡圓角和裝配用孔，減少設(shè)計(jì)與分析難度，且不會(huì)對結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。在模擬分析期間，為保證效果，設(shè)計(jì)人員可選擇使用殼單元SHELL 63，定義單元的尺寸值為25 mm。功能劃分期間，需使用ANSYS自適應(yīng)網(wǎng)路完成，并對劃分最終結(jié)果的穩(wěn)定性予以判斷，局部細(xì)化處理潛在的畸形單元。使用Merge功能將重合位置的節(jié)點(diǎn)消除干凈，在完成處理后得到的車架有限元模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為45 832個(gè)，單元總數(shù)是44 632個(gè)。

懸架位置的有限元模擬綜合MPC184和COMBIN 14實(shí)現(xiàn)，使用耦合自由度辦法對后懸架平衡軸結(jié)構(gòu)予以模擬連接，得到的有限元模型如圖3所示。

5 基于有限元分析的整體車架輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化

5.1 橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

重型卡車車型的四至八橫梁在設(shè)計(jì)與制作期間，均采用對接箱型橫梁完成，具有相同的結(jié)構(gòu)，所以在優(yōu)化橫梁期間，可將其自身的重量適當(dāng)性的降低，進(jìn)而降低整個(gè)車輛的重量。按照有限元模型篩選出7個(gè)變量值，構(gòu)建第四橫梁優(yōu)化模型。通過迭代處理得到設(shè)計(jì)變量的結(jié)果并圓整處理，重新分析。

5.2 改進(jìn)后的車架有限元分析

設(shè)計(jì)變量的選擇和制定是以模型為依據(jù)而展開的，不同方案的質(zhì)量降低的百分比獲得相對較好的方案并圓整處理，如表3所示。

6 結(jié)語

基于輕量化角度對重型卡車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是汽車工業(yè)持續(xù)追求的目標(biāo)。通過先進(jìn)的材料選擇，如高強(qiáng)度鋼和鋁合金，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，可在確保車架剛度和強(qiáng)度的同時(shí)，顯著降低其重量，提升卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放，改善車輛的操控性和動(dòng)力性能。在實(shí)現(xiàn)輕量化的過程中，利用先進(jìn)的仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段有利于設(shè)計(jì)的可靠性和安全性，隨著新材料、新工藝和智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，重型卡車車架的輕量化設(shè)計(jì)將迎來更多創(chuàng)新突破，為推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

韋黎剛，男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)樯逃密囌囋O(shè)計(jì)、商用車動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)、整車輕量化應(yīng)用等。