工程車(chē)輛車(chē)架的減重設(shè)計(jì)研究

胥清靜

(哈爾濱工程機(jī)械制造有限責(zé)任公司，哈爾濱150066)

一、工程車(chē)輛車(chē)架減重的必要性

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)能源消耗量不斷增大，環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重。各種車(chē)輛的耗能量和廢棄的排放量是其中一項(xiàng)重要的影響因素。而減輕車(chē)輛車(chē)架的重量能夠降低工程車(chē)輛整體的重量，在同樣的行程中，就可以減少車(chē)輛的單位耗油量，也就是減少能源的消耗和廢氣的排放。同時(shí)，也能提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，進(jìn)行工程車(chē)輛車(chē)架減重設(shè)計(jì)研究是減少能源消耗和環(huán)境污染的重要措施之一，符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求。

車(chē)架是車(chē)輛的一個(gè)重要組成部分，其重量在車(chē)身中占據(jù)較大的比例。但是車(chē)輛減重是一個(gè)連鎖反應(yīng)，車(chē)架重量減輕了，那么懸架承載的重量減少，相應(yīng)的底盤(pán)也可以減得更輕，發(fā)動(dòng)機(jī)要拉動(dòng)的重量就會(huì)減少，又可以搭配排氣量較小、較輕的引擎。因此，減輕工程車(chē)輛車(chē)架的重量，能夠使整個(gè)車(chē)輛的重量得到減輕，從而提高車(chē)輛的靈活性和機(jī)動(dòng)性，以滿足工程的需要。

二、工程車(chē)輛車(chē)架減重設(shè)計(jì)引入新的理念——優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)的含義

優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在各種規(guī)定的限制條件下，把實(shí)際需要的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)問(wèn)題，結(jié)合相應(yīng)的理論和方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)計(jì)算，從滿足各種設(shè)計(jì)要求及限制條件的所有可行方案中挑選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。然而，許多性能指標(biāo)之間存在相互制約甚至是矛盾的現(xiàn)象，所以，在設(shè)計(jì)中一般是將工程車(chē)輛車(chē)架的拓?fù)鋬?yōu)化與減重設(shè)計(jì)確定為主要優(yōu)化目標(biāo)，而其他參數(shù)相應(yīng)地就成為了一種約束。

這種方法改變了傳統(tǒng)使用的試湊法或是制定多個(gè)可行方案并逐一否定的設(shè)計(jì)方式，拓寬了設(shè)計(jì)空間，減少了對(duì)工程人員經(jīng)驗(yàn)的依賴和工作量。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)這一技術(shù)是提高工作效率的重要手段。

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)理念在工程車(chē)輛減重中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用類(lèi)比思想設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)人員以往的工作經(jīng)驗(yàn)，在車(chē)架設(shè)計(jì)階段制定出多個(gè)可行的方案，用簡(jiǎn)化計(jì)算方法或者有限元法對(duì)車(chē)架進(jìn)行分析，在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選出較好的一個(gè)，然后對(duì)車(chē)架進(jìn)行試驗(yàn)，最終得出車(chē)架結(jié)構(gòu)。這一設(shè)計(jì)思想得到的車(chē)架結(jié)構(gòu)存在只是個(gè)別部位的應(yīng)力水平較高，而大部分部位的應(yīng)力水平低，強(qiáng)度富余量大的可能性。而優(yōu)化設(shè)計(jì)理念在工程車(chē)輛減重中的應(yīng)用就是在保證車(chē)輛整體性能不降低的前提下，選擇最有效率的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)尺寸，也就是在滿足一定的約束條件下，追求經(jīng)濟(jì)性最好、安全度最高、重量最輕、體積最小或使用壽命最長(zhǎng)等目標(biāo)。

3.運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)已選定的方案進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)

CAE(Computer Aided Engineering)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)，輔助求解復(fù)雜工程和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的一項(xiàng)技術(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念下，我們找到設(shè)計(jì)車(chē)架的最優(yōu)方案，然后利用CAE技術(shù)對(duì)車(chē)架進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)。其主要步驟為:首先，在合理簡(jiǎn)化原則的指導(dǎo)下，利用CAE軟件建立車(chē)架模型。其次，采用合理的材料屬性、分析單元以及單元數(shù)量。最后，進(jìn)行有限元計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

三、找到更輕的替代材料

目前，工程車(chē)輛車(chē)架制造采用的材質(zhì)一般為鋼材，因此，減輕車(chē)架的重量還需要減少鋼材的運(yùn)用，采用較高強(qiáng)度的鋼材料也就意味著減少鋼材的運(yùn)用。高強(qiáng)度鋼材料因?yàn)槠鋸?qiáng)度較高，使用較少的鋼材料也可以達(dá)到與原先相同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而減輕了構(gòu)件的重量，提高使用的可靠性并節(jié)約鋼材。

同時(shí)，鋁合金、鎂合金、塑料及復(fù)合材料的使用也有利于車(chē)架重量的減輕。鑒于車(chē)架減輕重量的前提是保證車(chē)輛整體性能的不下降，所以，這些材料的應(yīng)用技術(shù)還有待于提高。

經(jīng)過(guò)上述分析可知，隨著節(jié)約型社會(huì)建設(shè)步伐的加快和工程對(duì)車(chē)輛靈活性和機(jī)動(dòng)性能要求的不斷提高，對(duì)工程車(chē)輛車(chē)架進(jìn)行減重設(shè)計(jì)研究有著廣泛的關(guān)注度和必要性。以上這兩種方法雖然都在運(yùn)用，但還有很大的提升空間，值得我們進(jìn)一步做深入的研究。