“C”型截面縱梁在重卡車架中的應用分析

李剛

“C”型截面縱梁在重卡車架中的應用分析

李剛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型車分公司，安徽 合肥 230601）

運用有限元分析法，在重卡車架3D模型基礎上采用合理的模型簡化方法建立車架CAE模型，運用有限元軟件HyperWorks，對重卡車架采用“C”型截面縱梁及槽型截面縱梁進行對比分析，研究“C”型截面縱梁在重卡車架上使用的可行性。

車架；縱梁截面；剛度；強度；有限元法

引言

車架是重型卡車的承載部件，在整車的受力中，車架的受力比較復雜，車架除受靜載荷外，還要承受汽車行駛時產(chǎn)生的動載荷，致車架易產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形和疲勞斷裂。為使汽車各機件能正常工作，車架應具有足夠的剛度與強度，且為實現(xiàn)整車輕量化設計的要求，車架本身質(zhì)量要小，為保證車架的剛度和強度要求，縱梁截面結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要。

目前重卡車架縱梁通常采用槽型截面（截面結(jié)構(gòu)如圖1所示），本文采用有限元分析軟件HyperWorks，針對某8×4重卡車型車架采用“C”型截面（截面結(jié)構(gòu)如圖2所示）縱梁及槽型截面縱梁進行對比分析，研究“C”型截面縱梁在重卡車架上使用的可行性。

1 截面結(jié)構(gòu)

本文所分析的縱梁截面的高度H，寬度B保持一致，以確保不同截面的對比性，截面結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。截面參數(shù)見表1。

圖2 “C”型截面結(jié)構(gòu)圖

2 車架有限元分析

在HyperMesh中建立車架有限元模型時，縱梁、橫梁、連接板等鈑金件用板殼單元離散，附屬在車架上的鑄造件等形狀復雜件，采用四面體實體單元離散。用剛性單元（RBE2）螺栓連接孔中心點與孔邊節(jié)點連接，然后用梁單元（CBEA M）連接上下鉚釘孔的中心點。最終得到的車架有限元模型如圖3所示。

表1 分析縱梁截面參數(shù)表

2.1 自由模態(tài)分析

分別對兩種截面縱梁的車架總成進行自由模態(tài)分析，得到低階模態(tài)如圖4。

圖4 車架低階自由振動模態(tài)

車架低階自由振動模態(tài)值見表2。

表2 車架低階自由振動模態(tài)值(Hz)

從以上車架低階自由振動模態(tài)值可以看出，采用“C”型截面縱梁的車架總成的各低階自由振動模態(tài)值均比采用槽型截面縱梁的車架總成的低階自由振動模態(tài)值高，特別是一階橫向彎曲和一階垂向彎曲模態(tài)值有大幅提高。

對于重型卡車車架，具有較高的低階模態(tài)值，體現(xiàn)了車架良好的動態(tài)特性。

2.2 彎曲剛度分析

計算彎曲剛度時，約束一橋板簧固定處及后平衡懸架固定處的三個方向平動自由度，中間位置兩側(cè)縱梁上各施加5000N的載荷，讓車架產(chǎn)生純彎曲變形，如圖5所示。

圖5 彎曲剛度計算模型

車架彎曲剛度的計算公式為：

式中EI—彎曲剛度(N·m2)；F—集中載荷(N)；L—約束間距(mm)；f—載荷作用點處撓度(mm)。

通過計算，測量左右縱梁下翼面各點（如圖6所示）處的位移，繪制出各測量點的位移曲線圖如圖7、圖8所示。

圖6 縱梁測量點

圖7 左縱梁測量點位移曲線

圖8 右縱梁測量點位移曲線

通過測量計算得縱梁在純彎曲情況下的參數(shù)見表3。

表3 彎曲剛度計算參數(shù)

通過以上計算測量可以看出，采用“C”型截面縱梁后，車架的抗彎能力得到了顯著的提高，彎曲剛度提高了7%。

2.3 扭轉(zhuǎn)剛度分析

計算扭轉(zhuǎn)剛度時，約束后平衡懸架固定處的三個方向的平動自由度，在一橋左側(cè)板簧固定處施加豎直向上的載荷10000N在右側(cè)板簧固定處施加豎直向下的載荷10000N，讓車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，如圖9所示。

圖9 扭轉(zhuǎn)剛度計算模型

車架扭轉(zhuǎn)剛度的計算公式為：

式中Et—彎曲剛度(N·m2/rad)；F—集中載荷(N)；L—載荷加載點到約束點距離(mm)；

b—左右縱梁載荷加載點間距(mm)；—載荷加載點相對轉(zhuǎn)角（°）。

通過計算，測量左右縱梁下翼面各對稱點（如圖6所示）的相對扭轉(zhuǎn)角度，繪制出各對稱測量點的扭轉(zhuǎn)角曲線圖如圖10所示。

圖10 左右縱梁各對稱測量點相對扭轉(zhuǎn)角曲線圖

通過測量計算得縱梁在扭轉(zhuǎn)情況下的參數(shù)見表4。

表4 扭轉(zhuǎn)剛度計算參數(shù)

通過以上計算測量可以看出，采用“C”型截面縱梁后，車架的抗扭能力得到了顯著的提高，扭轉(zhuǎn)剛度提高了7.6%。

2.4 強度分析

圖11 強度分析模型

強度計算時，將鋼板彈簧采用CBUSH單元模擬，將駕駛室、動力總成、蓄電池、燃油箱、備胎等部件及貨物已質(zhì)量點的形式通過RBE3單元加載到車架上，分靜載彎曲、垂向沖擊、制動、轉(zhuǎn)向、扭轉(zhuǎn)五種工況進行分析。強度分析模型如圖11所示，載荷參數(shù)如表5所示，邊界條件如表6。

表5 強度分析計算載荷參數(shù)

表6 強度分析邊界條件

經(jīng)過分析計算，得出五種工況下，兩種縱梁截面形式車架縱梁應力情況見表7。

表7 強度分析結(jié)果

通過以上分析計算可以看出，采用“C”型截面縱梁后，車架縱梁的應力值得到了顯著改善，特別是車架在產(chǎn)生彎曲的情況下，縱梁應力值大幅降低。

3 結(jié)論

采用“C”型截面縱梁，使車架剛度得到顯著提升，與采用槽型截面縱梁的車架相比，彎曲剛度可提高7%，扭轉(zhuǎn)剛度可提高7.6%/。

采用“C”型截面縱梁，使車架使用時應力值顯著降低，特別是在車架在承受彎曲載荷時，縱梁應力值得到大幅降低，從而提高車架強度。

[1] 林秉華.最新汽車設計實用手冊[M].黑龍江人民出版社,2005.

[2] 譚繼錦,張代勝.汽車結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:清華大學出版社, 2009.

Application Analysis of "C" Section Longitudinal Beam in heavy truck frame

Li Gang

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. Heavy vehicle Branch, Anhui Hefei 230601 )

In this paper, a finite element model is established based on the heavy truck frame 3D model by using the software HyperWorks. For heavy truck frame longitudinal beam with "C" section and channel section were compared and analyzed.Research the feasibility of "C" section longitudinal beam used in heavy truck.

Frame; Beam section; Rigidity; Strength; FEA

U463

B

1671-7988(2019)13-51-03

U463

B

1671-7988(2019)13-51-03

李剛，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司重型車分公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.019