輕型商用車車架縱梁及總成性能研究

吳成平，鄧正維，徐彩明，蔣云鵬，楊希志

（浙江吉利新能源商用車發展有限公司，浙江 杭州 311200）

1 前言

在商用載貨車輛上，車架總成是最為關鍵重要件之一，其一方面支撐承載了動力總成、底盤、車身、電器及其余總成與相關專用設備，另一方面需要承受來自車輛內外的各種載荷、振動及沖擊。因此車架總成直接影響整車舒適性、平順性、可靠新及安全性。

車架縱梁作為商用載貨車輛車架總成的主要功能件，其斷面尺寸一經確認開模投產，后期就很難更改（需要耗費大量人力物力財力）。因此，全新產品在開發過程中，縱梁斷面尺寸確定過程中，需要對國內外已有成熟車型斷面尺寸進行對比研究，并綜合分析當前市場及未來趨勢來確定縱梁斷面尺寸，其中既要考慮輕量化，又要保證其具有足夠的可靠性。

2 槽形斷面梁性能研究

綜合考慮車輛主要承受的是彎曲載荷及零部件安裝方便性等，國內外輕型商用車車架多采用槽形斷面縱梁。某輕型新能源商用車車架縱梁斷面設計對主流車型典型斷面的抗彎及抗扭性能進行了對比分析[1][2][3]。

圖1 槽形斷面示意

2.1 槽形斷面梁抗彎性能分析

圖1 中，槽形斷面展開寬度S 的近似計算公式[3]：

式中：S 為槽形翼面梁展開寬度；h 為腹板內高；b 為翼面內寬；W、h 及b 單位為mm。

槽形斷面彎曲中心e 可表示為：

式中：b'為中性層翼面寬度；h'為中性層腹板高度；b'、h'單位均為mm。通過彎曲中心e 作用于槽形斷面梁的垂直作用力對斷面只產生彎曲，不產生扭轉。

槽形斷面抗彎斷面系數W 一般可按下面兩種方法計算：

式（3）、式（4）中：t 為板料厚度（mm）；B 為翼面外寬（mm）；b 為翼面內寬（mm）；H 為翼面外高（mm）；h為翼面內高（mm）；由式（3）可知，抗彎斷面系數W 與翼面中性層腹板高度h'2、板料厚度t 及中性層翼面寬度b'成正比，因此，h'數值變化對抗彎斷面系數W 影響相對更大。

槽形斷面梁第i 點處的彎曲應力σi（單位M Pa）為：

式中：Mi為第i 點處的彎矩（N.mm）；Wi為第i 點處的抗彎斷面系數（mm3）。

當槽形斷面梁第i 點處的彎矩Mi及此斷面的材料使用為定值時，如何優選槽形斷面梁的高寬比獲得最大抗彎斷面系數Wi以降低彎曲應力σi，是設計人員應當主要考慮的問題。

式（7）、式（8）中：f(m)最終決定了Wy的大小，可稱其為抗彎系數決定因子；f '(m)最終決定了Wy變化速度的快慢，則稱其為抗彎系數決定因子趨勢項。

由圖2、圖3 及式（6）可知：

（1）m＜0.75 時，抗彎斷面系數Wy隨m 值大小的增加而增加，增加速度逐漸放緩。

（2）m=0.75 時，抗彎斷面系數Wy達最大值。

（3）m＞0.75 時，抗彎斷面系數Wy隨m 值大小的增加而減小，減小速度逐漸增大。

（4）設計中，建議m 值選取范圍為[0.61，0.69]，當然也應結合布置、成本、重量及標桿產品結構等諸多因素綜合考慮。

圖2 抗彎斷面系數決定因子f(m)

圖3 抗彎斷面系數決定因子趨勢項f'(m)

表1 典型斷面抗彎性能

由表1 典型斷面抗彎性能中抗彎有效系數Ev的數值結果可知，槽形斷面翼面外高H 變化對其影響最為明顯。理想槽形斷面抗彎性能應是用最小斷面面積A，獲得最大的抗彎斷面系數Wv；可以用斷面有效利用系數Wv=Wv/A 來衡量不同斷面綜合抗彎性能優劣，Ev（單位為mm）越大，表明所設計的斷面綜合抗彎性能越好。由表1 典型斷面抗彎性能可知，綜合抗彎性能由好至壞依次為：IS ＞f ≈ FM＞g ≈ J＞j ≈ F＞G；其中典型斷面IS（尺寸H ×B ×t：214×70×5，單位mm）綜合抗彎性能最好，G（尺寸H ×B ×t：165×60×(4+4)，單位mm）最差。

2.2 槽形斷面梁抗扭性能分析

由于輕型商用車車架通常采用的槽鋼為薄壁結構，其壁厚t 遠小于斷面尺寸H 和B，稱其為薄壁桿件；薄壁桿件的抗扭剛度為GIt，其中：

本文式（9）中η 取值1.0，δi為薄壁桿件在第i 個狹長矩形面的短邊尺寸，hi為薄壁桿件在第i 個狹長矩形面的長邊尺寸（i=1,2，……）。由式（9）可知，薄壁桿件抗扭慣性矩It與hi、δi3成正比，因此，短邊尺寸δi對槽形斷面影響更大。

表2 典型斷面抗扭性能

理想槽形斷面抗扭性能應是能用最小的斷面面積A，獲得最大抗扭慣性矩It；所以可以用斷面有效利用系數Et=Tt/A來衡量不同斷面綜合抗扭性能優劣，Et（單位為mm2）越大，表明所設計的斷面綜合抗扭性能越好。由表2 典型斷面抗扭性能可知，綜合抗扭性能由好至壞依次為：G＞IS≈ j ≈J ≈g＞F ≈f＞FM；其中典型斷面G（尺寸H ×B ×t：165×60×(4+4)，單位mm）綜合抗扭性能最好，FM（尺寸H ×B ×t：180×65×4，單位mm）最差。

綜上所述，槽形斷面高寬比m 在推薦的取值范圍內，車架縱梁槽形斷面翼面中性層腹板高度h'對斷面綜合抗彎性能影響最大，薄壁桿件短邊尺寸δi（相當板料厚度t）對斷面抗扭性能影響最大，因此，在槽形斷面尺寸設計時要根據車型工況綜合考慮抗彎扭需求。

3 不同縱梁斷面尺寸車架總成性能對比分析

表3 典型縱梁斷面車架總成性能對比

以某新能源商用載貨車車架總成為基礎，通過對其縱梁與橫梁在相應尺寸上進行縮放、變換（不改變各橫梁位置），得到目前主流輕型載貨車輛典型縱梁斷面的車架總成模型。為了評判不同縱梁斷面車架總成性能，本文定義比彎曲剛度（KB/m）及比扭轉模量（I/m），比彎曲剛度值越大表明相同質量下彎曲剛度越大，比扭轉模量的值越大表明相同質量下扭轉模量越大，同時也可初步從剛度角度判斷車架總成的輕量化效果越好[5]。

圖4 比剛度KB/m

圖5 比扭轉模量I/m

由表3、圖4 及圖5 的結果可以得出：

（1）典型斷面縱梁車架總成抗彎性能（比剛度KB/m）輕量化效果由好至壞排列順序為IS＞Gd＞Gs＞is＞G＞g ≈f＞FM≈J＞j＞F，其中翼面高度起主導作用。

（2）典型斷面縱梁車架總成抗扭性能（比扭轉模量I/m）輕量化效果由好至壞排列順序為Gs＞IS＞G＞Gd＞J＞j＞is＞f＞F ≈g＞FM，其中板材料厚起主導作用。

（3）對相同翼面高度及上下翼面寬度的斷面如g-180×60×5（單層）、Gd-180×60×(5+4)（局部加強）及Gs-180×60×(5+4)（雙層梁）而言：局部加強Gd 相比單層g 彎曲剛度值KB值提升了60.8%，扭轉模量I 值提升了41.2%，比彎曲剛度KB/m 值提升了26.3%，比扭轉模量I/m 提升了11.8%；雙層梁Gs 相比單層g 彎曲剛度值KB值提升了76%，扭轉模量I 值提升了77.8%，比彎曲剛度KB/m 值提升了20.1%，比扭轉模量I/m 提升了21.3%。

綜上，在高寬比m 取值推薦范圍內，增加翼面高度能顯著提升車架總成抗彎性能，增加板材料厚能顯著提高車架總成抗扭性能；雙層梁與局部加強梁相比，對彎曲性能提升不大，輕量化效果明顯較差。

4 結論

本文分析了目前主流輕型載貨車輛典型車架縱梁斷面及車架總成性能，有如下結論：

（1）縱梁斷面高寬比m 建議取范圍為[0.61，0.69]，其取值對抗彎性能及輕量化效果較關鍵。

（2）槽形縱梁翼面高度對抗彎性能其主導作用，板材料厚對抗扭性能其主導作用。

（3）縱梁局部加強對車架抗彎性能提升較為顯著，雙層縱梁相比局部加強縱梁對抗彎性能提升非常有限，輕量化效果變差；局部加強及雙層梁對車架抗扭性能提升比較明顯；因此，推薦在縱梁關鍵受力部位通過局部加強方式，既可顯著提升車架總成的抗彎及抗扭性能，又能同時達到理想輕量化效果。