中型自卸車主車架的力學分析

魏文濤 周盼

摘 要：文章以中型自卸車的主車架為研究對象，對其進行靜、動力學分析。首先對其進行了彎曲工況、扭轉工況下的靜強度校核。然后，對主車架進行了自由模態分析，研究路面輸入、發動機激勵下主車架的動態特性。分析結果顯示該車架的結構強度和動態性能均滿足使用要求。

關鍵詞：主車架;靜強度分析;模態分析

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-139-04

Abstract： The main frame of a medium dumper is employed in this paper for static and dynamic analysis. Static strength of main frame is checked under bending and torsion condition. Then free modal analysis is carried out to study the dynamic characteristics of main frame under road input and engine excitation. The results show that structural strength and dynamic performance of the frame meet the operating requirements.

Keywords： Main frame; Static strength analysis; Modal analysis

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-139-04

前言

公路運輸自卸車有著非常多的應用場合，在建筑業和運輸業中擔任著著不可或缺的重要角色。主車架作為整車的框架結構，連接起自卸車的各部件，承擔著全部的載荷，故其力學性能對整車的承載能力與安全性有重要影響。

本文首先對主車架進行了彎曲工況、扭轉工況下的靜強度校核。隨后，對主車架進行了自由模態分析，研究路面輸入、發動機激勵下主車架的動態特性。

1 主車架結構

主車架為邊梁式車架，該車架結構由兩根縱梁與連接兩根縱梁的若干橫梁組成，其上安裝各種附件十分簡便，車輛的改裝變形也很容易。

主車架總長6690mm，縱梁高300mm，寬866mm，主車架結構如圖1。

2 主車架的有限元模型

有限元網格的劃分是建立有限元模型最重要的步驟。為保證單元質量并盡量采用較少的單元，對主車架手動劃分六面體網格，共劃分763246個單元，見圖2和3。

3 主車架的靜力分析

主車架使用B610L鋼，其楊氏模量為2.1×105Mpa，泊松比0.3，密度7890kg/m3。材料屈服極限為500MPa。

為防止車架在使用過程中遇到特殊情況導致應力過大導致結構破壞，在設計時應使其最大應力不超過許用應力，許用應力[σ]由屈服極限σs得到：

式中n 為安全系數，取1.5。計算可知許用應力為333 MPa，所有該車架最大應力應不超過333MPa。

3.1 彎曲工況分析

主車架是整車最主要的承載構件，下方由車橋和鋼板彈簧支撐，上方承載車頭、動力與傳動總成、副車架及其上的貨物以及其他零件。忽略一些影響較小的部件以及自重，剩余的載荷以節點力的形式加載在主車架對應位置上。發動機、離合器和變速器按照總質量1000kg估算，在主車架四個支撐點加載各2450N的力，平均分布在每個節點上;車頭按照1000kg估算，由主車架上的兩個支撐點和前部兩個鉸支座支撐，各加載各2450N的力，平均分布在每個節點上，其中鉸支座的力只分布在內孔下半圓內表面上。副車架總長4160mm，對主車架以均布載荷的方式加載在主車架后半部分上面每個節點上，總載荷105889N。中間四個車橋支撐點下地面全約束，前后四個車橋支撐點約束五個自由度，沿縱梁方向的移動不約束。主車架的自重以重力卡片形式添加。主車架載荷與約束見圖4。

求解完成后，使用Hyperview查看主車架的位移云圖和應力云圖，分別如圖5和圖6。

分析可知，彎曲工況時主車架最大位移為2.27mm，最大應力為235.5MPa，小于許用應力333Mpa，因此彎曲工況下主車架強度滿足要求。

3.2 扭轉工況分析

自卸車行駛時，可能會遇到凹凸不平的路面，導致一個車輪懸空，此時主車架會受到扭轉。由于后軸的軸荷分配大于前軸，滿載時貨物質量很大且主要由后軸承受，故應當研究某一側后輪懸空時的扭轉工況[1]。

主車架受扭時，載荷均不發生改變，但由于一側后輪懸空，故該車輪對應懸架支撐座處的約束會發生改變。本文選取左后輪懸空，左后輪對應的懸架支撐座處約束改變為不約束，即該處釋放全部自由度，其他約束與所受載荷和彎曲工況相同。

扭轉工況下主車架的應變與應力云圖分別如圖7和圖8所示。

可以看出，主車架扭轉工況時最大應力為281.0MPa，最大位移為3.10mm。最大應力值均小于333MPa，故扭轉工況下主車架結構強度滿足要求。

4 主車架的模態分析

通過研究結構的模態參數，可以對結構的振動特性加以分析和改進，能夠有效避免共振對結構引起的嚴重損害[2]。本文研究了結果更具有一般性的自由模態。

4.1 外部激勵分析

車輛在行駛時主要受到路面不平和發動機振動傳來的激勵[3]。路面激勵一般在20Hz以下。發動機的激勵頻率按式（2）計算。