某重型牽引車車架橫梁斷裂的原因分析和改進設計

白亞鵬，童世偉，張永生，許威

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究所，安徽 江淮 230601）

設計研究

某重型牽引車車架橫梁斷裂的原因分析和改進設計

白亞鵬，童世偉，張永生，許威

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究所，安徽 江淮 230601）

針對重型牽引汽車在使用過程中出現的車架橫梁異常斷裂問題，文章采用有限元分析的方法對其進行結構及強度分析校核。根據有限元分析結果，車架橫梁異常斷裂現象是梁連接部位應力值大于材料的屈服強度引起的，這與實車車架斷裂結果吻合，再對其結構進行改進設計，并通過對比分析驗證了改進設計的合理性。

牽引汽車；車架；異常斷裂；有限元分析

引言

車架是汽車各總成零部件的安裝基體，它將發動機和車身等總成連成一個有機的整體，組成一輛完整的汽車。要求有足夠的強度：保證在各種復雜的受力狀況下，車架及底盤上的各總成不致因變形或疲勞而早期損壞或失去正常的工作能力。有適當的扭轉剛度：當汽車行駛在不平路面時，為了保證汽車對路面不平度的適應性，提高汽車的平順性和通過能力。車架橫梁作為車架的關鍵零部件，橫梁的主要作用是連接縱梁，構成一完整的框架，保證車架承載性能，具有足夠的強度和抗扭轉剛度。

針對某重型牽引車車架第二橫梁在使用過程中出現斷裂的情況如圖1所示，分析橫梁的故障模式和故障原因，對橫梁結構進行改進設計，通過有限元分析的方法對兩種結構最大等效應力進行分析比較[1]，并通過分析驗證改進的合理性。

圖1 橫梁的故障模式

1 兩種結構的有限元模型的建立

1.1 兩種結構介紹

根據橫梁的開裂模式對橫梁進行優化設計，老結構如圖2（a）所示，新結構如圖2（b）所示。

圖2 第二橫梁結構優化前后的對比

1.2 有限元模型的建立

某重型牽引汽車車架為U型斷面梯形邊梁式結構，主要由2根主縱梁、2根副縱梁和6根橫梁組成，其中橫梁與縱梁通過鉚釘和螺栓連接。將兩種結構整體橫梁放在整個車架里計算。車架幾何模型較為復雜，采用NX軟件建立車架三維模型，通過BatchMesher和HyperMesh軟件進行網格劃分，將劃分好的網格文件導入HyperMesh軟件，利用Nastran定義的有限元模型的材料屬性及邊界條件，提交到 OptiStruct進行計算。各橫梁、縱梁和側翼板的劃分采用邊長為 10mm的四邊形板殼單元(Shel1)；圓管梁劃分采用邊長為5mm的四面體單元(Solid)。車架各構件通過鉚釘或螺栓連接，構建裝配關系時，先采用剛性單元在裝配孔邊緣與裝配孔中心間建立約束關系，再對裝配孔中心點進行剛性連接。

在鉚接以及螺栓連接位置進行模擬時，用剛性體單元Rbe2以及Cbeam單元聯合模擬，在約束以及駕駛室和發動機重力施加位置采用RB2單元進行連接，在結點施加力和約束，可得有限元計算模型如下圖3所示：

圖3 有限元模型（線框內為目標橫梁）

1.3 計算的載荷工況邊界條件

在有限元分析計算中用到的材料參數見附表1。

表1 材料參數

1.3.1 彎曲工況

車輛滿載時，作用于車架的載荷包括動力總成的重量 、駕駛室總成的重量、及牽引器所承受的拉力等。在施加載荷時，動力總成的重量按照 800kg，在動力總成重心位置施加力均布于動力總成在車架上安裝的懸置點 ，駕駛室總成的重量按照 900kg，在駕駛室重心位置施加力均布于駕駛室總成在車架上的安裝點，牽引器施加向后的牽引力和豎直方向的壓力。

1.3.2 扭轉工況

扭轉工況的邊界條件及承載情況計算時，約束前懸彈簧接地處的所有自由度，承載情況和彎曲工況一樣，將左側縱梁的后懸彈簧的剛度降低至原來的1／3，使兩邊縱梁受力不同，形成扭轉。

2 有限元計算結果及討論

2.1 彎曲工況

2.1.1 整車受力情況

彎曲工況下車架總成的受力趨勢如圖4所示，更換橫梁前后對車架總成的總體受力趨勢影響不大。老結構橫梁狀態下車架最大應力值 355.9Mp更換新結構狀態橫梁后車架最大應力值為354.6Mp。橫梁更換前后車架總成最大應力值下降1%。

圖4 車架總成受力趨勢

2.1.2 橫梁受力情況

在彎曲工況下老結構橫梁受力趨勢如圖5（a）所示，橫梁的最大應力值為341.8Mp，在彎曲工況下新結構橫梁受力趨勢如圖5（b）所示，橫梁最大應力值為334.6Mp。新結構橫梁相對老結構橫梁最大應力值下降3%。

圖5 橫梁受力趨勢

2.2 扭轉工況

2.2.1 整車受力情況

在扭轉工況下車架總成的受力趨勢如圖6所示，更換橫梁前后對車架總成的總體受力趨勢影響不大。老結構橫梁狀態下車架最大應力值369.3Mp，更換新結構狀態橫梁后車架最大應力值為340.3Mp。橫梁更換前后車架總成最大應力值下降8%。

圖6 車架總成受力趨勢

10.16638梁受力情況

在扭轉工況下老結構橫梁受力趨勢如圖7（a）所示，橫梁的最大應力值為361.8Mp，在扭轉工況下新結構橫梁受力趨勢如圖7（b）所示，橫梁最大應力值為320.3Mp。新結構橫梁相對老結構橫梁最大應力值下降12%。

圖7 橫梁受力趨勢

2.3 分析結果討論

把不同工況下整車和單個橫梁的受力趨勢詳見表 2，可以更加直觀對整車和單個橫梁的受力趨勢做詳細的比較和分析。

表2 受力情況

通過表格數據發現，新結構橫梁對整車的彎曲工況受力影響較小，最大應力點在大梁上，大梁材料為 550L屈服強度為 400MPa，整個車架受力在合理的范圍內。第二橫梁材料為的屈服強度為 355MPa，新老結構橫梁均滿整車的使用工況。

扭轉工況下整個車架受力在合理的范圍內，滿足使用要求，老結構橫梁應力值超過橫梁材料的屈服極限，在使用過程中因多次扭轉達到疲勞極限產生開裂。而新結構橫梁抗扭性能好，能很好的適應扭轉工況。

從表格中可以看出老結構橫梁的抗彎性能較好，新結構的抗扭性能較好。重型牽引車由于裝載原因無法上高速公路行駛，只能跑省道路況相對較差，第二橫梁的位置位于中橋前，主要承受扭轉應力。新結構橫梁更適合重型牽引車的使用工況。

橫梁結構改進后，應力的在整車和第二橫梁的應力分布較合理，同時新結構橫梁目前在市場驗證已經有1年多的時間，表現良好，很好的解決了市場上重型牽引車第二橫梁的開裂問題。市場驗證結果也證明了該結構改進的可行性 。

3 結論

在本次優化設計時借助了應用軟件 NX、HyperMesh、HyperView等軟件。對車架的結構強度分析結果表明，車架第二橫梁斷裂現象是由于橫梁在折彎位置因拉伸產生變薄，且所在使用工況的應力值超過橫梁材料的屈服強度引起的。有限元計算結果與實車車架橫梁斷裂結果和位置相吻合，表明本論文研究采取的建模方法和分析方法可行，可為車架結構及橫梁改進設計提供依據。

新結構橫梁在各種工況下的等效應力均小于老結構，整體車架結構在受力方面有較大的改善，新結構橫梁代替舊結構在強度上有很大的改善，解決市場問題切實有效。

[1] 黎西亞,李成剛,胡于進.車架有限元分析技術發展綜述[J].專用汽車.2001（1）：13-15.

[2] 張勝蘭,鄭東黎等.基于 HyperWorks的結構優化設計技術[M].機械工業出版社,2007.

[3] 趙永輝,馬力,王元良等.自卸車舉升機構三角臂拓撲優化設計[J].專用汽車,2007(9)：

[4] 王鈺棟等 HyperMesh&HyperView 應用技巧與高級實例[J].機械工業出版社.

[5] 理出琳.HyperWorks分析應用實例[M].北京：機械工業出版社,2008.

Cause analysis and structure improvement design for the beam breaking of a heavy tractor frame

Bai Yapeng, Tong Shiwei, Zhang Yongsheng, Xu Wei
( Research Institute Of Heavy Commercial Vehicle, Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Jianghuai 230601 )

This article is Aiming at the abnormal fracture problem of the heavy truck frame beam, the structure and intensity of the frame and strength analysis are checked by the finite element method.According to the results, the frame beam abnormal fractures because of that the stress value of the beam joints is greater than the material yield strength, which is fit with the real vehicle frame fracture. then the results of the structure to have been improved designed, and the rationality of the improved design is verified by comparison and analysis.

tractor truck; frame; abnormal rupture; finite element analysis

CLC NO.: U462 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-01-03

U462 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-01-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.001

白亞鵬，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究所。