某重卡車架尾橫梁輕量化結構設計與分析

段智芳

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心,北京 100000)

某重卡車架尾橫梁輕量化結構設計與分析

段智芳

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心,北京 100000)

因“排放法規”、燃料消耗量限值等法規的出臺以及“燃油稅”實施等的影響,我國公路物流卡車市場發生了巨大的變化,加之排放要求日益嚴格,節油、輕量化要求已迫在眉睫。針對目前現狀,分析我們的產品結構和以往使用經驗,對車架尾橫梁進行輕量化設計,并通過有限元手段進行分析,以保證其使用性能。

輕量化;結構;尾橫梁;有限元

隨著“排放法規”、T719一2008《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》等法規的出臺以及“燃油稅”的實施,重卡市場的需求發生了巨大變化,對車輛節油、自重輕的要求越來越高。為順應市場需求的變化,使我們的車輛在市場上更有競爭力,必須對車輛進行輕量化結構優化設計。

通過以往車輛的使用經驗,車架尾橫梁在二十多年的市場考驗中未發生過一次強度問題,而對以往一些車架(牽引車、自卸車、貨箱車)結構剛強度有限元分析的結果也表明,車架尾橫梁在彎、扭工況的應力值均很低,故在保證尾橫梁主要使用性能—拖掛能力的前提下,對尾橫梁進行輕量化結構設計。

1 尾橫梁原結構和輕量化結構、重量對比

重卡車共分牽引、自卸、貨箱等幾大類車。本文首先對牽引車、自卸車尾橫梁,在保證零件裝配尺寸不變的情況下,通過有限元分析,消除結構冗余,進行了輕量化結構設計,具體說明如下。

1.1 牽引車尾橫梁原結構

牽引車尾橫梁原結構如圖1所示,其中二橋牽引車尾橫梁材料為QstE380TM,厚度8mm,三橋牽引車尾橫梁材料為St44一2,厚度10mm。

圖1 牽引車尾橫梁原結構

1.2 牽引車尾橫梁輕量化結構

牽引車尾橫梁輕量化結構如圖2所示,在保證裝配尺寸的前提下,將零件厚度減薄,立面寬度減小,材料QstE500TM,厚度7mm。

圖2 牽引車尾橫梁輕量化結構

1.3 自卸車尾橫梁原結構

自卸車尾橫梁原結構如圖3所示,材料SAPH400,厚度12mm。

圖3 自卸車尾橫梁原結構

1.4 自卸車尾橫梁輕量化結構

自卸車尾橫梁輕量化結構如圖4所示,材料QstE500TM,厚度8mm。

圖4 自卸車尾橫梁輕量化結構

1.5 原結構尾橫梁(簡稱原尾橫梁)與輕量化結構尾橫梁(簡稱新尾橫梁)重量對比

原尾橫梁與新尾橫梁重量對比見表1。

表1 原、新結構尾橫梁重量對比表

2 原新尾橫梁有限元對比分析計算

2.1 采用的計算方法和說明

建立尾橫梁的有限元模型,利用有限元方法對尾橫梁的主要承載能力—拖掛能力進行CAE模擬。

2.2 計算過程及結果

2.2.1 建立尾橫梁有限元模型

采用殼單元建立自卸車、牽引車尾橫梁有限元分析模型如圖5、6所示。

圖5 自卸車尾橫梁有限元分析模型(厚度12mm)

圖6 牽引車尾橫梁有限元分析模型(厚度7mm)

2.2.2 載荷和邊界條件施加情況

約束尾橫梁上與縱梁連接處的X,Y,Z方向的平移自由度,在尾橫梁與拖鉤連接處的中心施加10 000N的作用力,見圖5、圖6。

2.2.3 有限元分析計算結果

施加邊界條件后求解,經過后處理得到尾橫梁受力和變形結果。自卸車尾橫梁的應力分布情況見圖7。自卸車尾橫梁應力較高處位于尾橫梁與拖鉤螺栓連接附近的區域,最大應力為60MPa,其余部分的應力較小。

圖7 自卸車尾橫梁應力云圖

牽引車尾橫梁應力分布情況見圖8。牽引車尾橫梁應力較高處位于尾橫梁與拖鉤螺栓連接附近的區域,最大應力為43MPa,其余部分的應力較小。

圖8 牽引車尾橫梁應力云圖

2.2.4 原、新尾橫梁材料的屈服極限

原、新尾橫梁所用材料在前邊已進行表述,現將各種材料的屈服極限列于下表2。

表2 尾橫梁所用材料屈服強度―覽表

2.2.5 計算結果分析

以上有限元分析施加的載荷都是1t的作用力,按照尾橫梁的材料屈服極限計算[1」,自卸車原尾橫梁可承受的拖鉤作用力為,牽引車尾橫梁可承受的拖鉤作用力為。按照表3所列的摩擦系數,取充氣輪胎在泥土路上的最大摩擦系數0.15計算[2」,則自卸車和牽引車尾橫梁可承受的拖動后面車輛的最大質量分別為26t、77.3t。

表3 常見情況下的摩擦系數

由于該模型是按照線彈性計算的,因此相應其他厚度的尾橫梁可承受拖鉤的作用力和可拖動后面車輛的最大質量見表4。

表4 尾橫梁可承受拖鉤的作用力和可拖動后面車輛的最大質量

通過上述計算,可以看出,在尾橫梁輕量化后,由于將尾橫梁的材料更換為具有較高屈服強度的QstE500TM,輕量化后的尾橫梁拖掛能力較原尾橫梁有所提高。

3 結論

從以上分析計算可以看出,通過材料減薄和去除部分結構冗余,輕量化尾橫梁重量最少可減輕22%,而在更換零件材料后,成本并未增加,零件材料種類減少,尾橫梁拖掛能力也有所增加。

［1］劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社,2012.

［2］機械工程師手冊［M］.成都:機械工業出版社,2007.

Design and Analysis of a Heavy Truck Frame Tail Beam Lightweight Structure

Duan Zhifang
(Beijing Fukuda Daimler Auto Co.,Ltd.,Beijing 100000)

Due to the effects of“emission regulations”,fuel consumption limits and other promulgated regulations and the implementation of＂fuel tax＂,our country highway logistics truck market occurred with great changes,coupled with the increasingly stringent emission requirements,fuel一saving and lightweight requirements become imminent.In view of the present situation,this paper analyzed the structure of our products and the experience of the past, the frame tail beam is designed with light weight,and the finite element method is used for analysis to ensure the performance of the frame.

lightweight;structure;tail beam;finite element

U463

A

1003一5168(2015)07一0056一3

2015一6一28

段智芳(1969.10一)女,本科,高級工程師,研究方向:商用車車架平臺開發,結構件設計與開發、整車匹配設計等。