基于鋁合金材料應(yīng)用的重卡車架設(shè)計及輕量化

周友明，程一明，李駿，姚明波

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545000；2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州545000）

0 引言

根據(jù)歐洲鋁協(xié)的數(shù)據(jù)表明，汽車質(zhì)量每減重100 kg，每百公里可節(jié)約0.6 L燃油。若整車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。并且整車質(zhì)量的降低，對于車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、操控穩(wěn)定性、碰撞安全性等均大有益處。尤其重型卡車的輕量化，其意義更加直觀地體現(xiàn)在提高運輸效率、減少資源消耗的戰(zhàn)略意義。對于客戶而言，目前按照質(zhì)量繳費的情況，直接節(jié)約了燃油成本，提高裝載能力，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

鋁合金材料密度約為鋼材的1/3，輕量化效果明顯。目前國內(nèi)重卡的鋁合金應(yīng)用主要在油箱、輪轂、變速器殼體及相關(guān)非主要承載支架等，但對于車架主體結(jié)構(gòu)的鋁合金研究較少，本文通過對6×4牽引車車架鋁合金車架方案的探索及優(yōu)化，在滿足強(qiáng)度、剛度性能的前提下，方案可直接指導(dǎo)后續(xù)的工程設(shè)計及試制。

牽引車車架為主要的安裝基體和最關(guān)鍵的承載部件，其整體強(qiáng)度、剛度為最重要的性能要求。基于目前某量產(chǎn)車型車架，對車架主體縱梁、橫梁、鞍座安裝板（波紋板）進(jìn)行鋁合金方案的設(shè)計及優(yōu)化，在一定設(shè)計邊界的約束下，主要是車架縱梁的內(nèi)寬要求，從而可以滿足發(fā)動機(jī)、變速器的安裝尺寸要求。最大程度地借用原有車型的其他相關(guān)系統(tǒng)零件，降低后續(xù)的試制成本，又可以達(dá)到后續(xù)整車耐久試驗的目標(biāo)。

1 初版鋁合金車架方案及剛度分析

如圖1所示，原鋼制車架質(zhì)量為690 kg，此次鋁合金的輕量化方案針對車架的主體縱梁、連接板、鞍座波紋板、橫梁，不考慮車架相關(guān)鑄件及附件安裝支架。

相比鋼材，雖然鋁合金材料的密度較小，輕量化效果顯著，但其彈性模量也約為鋼材的1/3，這樣也就導(dǎo)致其整體剛度性能目標(biāo)的達(dá)成存在較大挑戰(zhàn)。初版鋁合金設(shè)計思路：利用有限元仿真分析手段，在原鋼制車架的基礎(chǔ)上，將縱梁及橫梁直接替換為鋁合金材料，厚度為原鋼材的2倍，以其整體剛度性能為導(dǎo)向，對比分析初步評估鋁合金車架的剛度性能水平，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐及參考。

車架有限元模型建模及分析標(biāo)準(zhǔn)按照企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，包含對于分析軟件、邊界加載、網(wǎng)格尺寸、后處理方法、連接等要求，在本文中不展開說明。基本剛度分析流程如圖2所示。

圖1 原鋼制車架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 車架剛度仿真分析流程圖

對車架整體剛度進(jìn)行有限元分析，主要評估其整體彎曲剛度、前部彎曲及后部彎曲剛度性能，按照如下公式進(jìn)行剛度的計算：

1）車架整體彎曲剛度計算公式。

式中：Kbend為車架整體彎曲剛度，N/mm；F為左右縱梁載荷之和，N；Dmaxl、Dmaxr分別為左、右側(cè)縱梁的側(cè)面Z向最大位移，mm。

2）車架前扭剛度計算公式。

式中：Kftor為車架的前扭剛度，（N·m）/（°）；Mtf為前扭工況的力矩，N·m；Ftf為前扭工況單邊載荷，N；YfLspring為前板簧（中線）距離，m；θtf為前端扭轉(zhuǎn)角，（°）。

3）車架后扭剛度計算公式。

式中：Krtor為車架的后扭剛度，（N·m）/（°）；Mtr為后扭工況的力矩，N·m；Ftr為后扭工況單邊載荷，N；YrLspring為后板簧（中線）距離，m；θtr為后端扭轉(zhuǎn)角，（°）。

初版剛度分析結(jié)果如表1所示。

表1 初步剛度分析結(jié)果

以鋼制車架剛度性能作為鋁合金輕量化車架的性能目標(biāo)。根據(jù)分析結(jié)果，與原鋼制車架相比，初版鋁合金方案彎曲剛度下降42%，前部扭轉(zhuǎn)剛度下降14%，后部扭轉(zhuǎn)剛度性能水平與鋼制車架基本持平。因此，后續(xù)主要針對車架整體彎曲剛度進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2 車架剛度性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

縱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于彎曲剛度性能的達(dá)成最為關(guān)鍵，橫梁貢獻(xiàn)量相對有限。因此選取的優(yōu)化方向為提升縱梁的Z向截面尺寸，從而提高抗彎性能。在綜合考慮工藝、裝配、布置的要求，最終確認(rèn)可行的針對彎曲剛度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：

1）方案1。縱梁Z向截面尺寸增加，厚度優(yōu)化、截面由U形改為C形，縱梁截面優(yōu)化方案1如圖2所示。

圖2 鋁合金車架縱梁截面優(yōu)化方案1

2）方案2。在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，在縱梁上翼面增加2 塊U 形 加 強(qiáng) 蓋板，從而達(dá)到增加Z向截面尺寸、提升整體彎曲剛度性能的目標(biāo)。縱梁截面優(yōu)化方案2如圖3所示。

經(jīng)過仿真分析驗證，綜合方案1、方案2，鋁合金車架剛度性能可以達(dá)到鋼制車架水平，認(rèn)為剛度能夠滿足性能要求。

圖3 鋁合金車架縱梁截面優(yōu)化方案2

3 車架強(qiáng)度性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

車架作為牽引車的重要結(jié)構(gòu)部件，其強(qiáng)度性能直接關(guān)系到工作工況下的可靠性。車架的主要功能就是作為安裝承載平臺將其他各部件連接起來，起著車輛骨架的作用[1-3]。

對于本文的車架整體強(qiáng)度性能，主要通過重載彎曲、重載起步、普通制動、緊急制動、普通制動、緊急轉(zhuǎn)向、左前輪扭轉(zhuǎn)、左后輪扭轉(zhuǎn)等8個工況進(jìn)行仿真分析來評估。

車架強(qiáng)度分析模型如圖4所示，模型對懸架、相關(guān)子系統(tǒng)附件進(jìn)行了適當(dāng)簡化。

圖4 車架強(qiáng)度仿真分析模型

在剛度方案的基礎(chǔ)上經(jīng)過多輪強(qiáng)度分析及優(yōu)化，車架強(qiáng)度安全系數(shù)能夠達(dá)到性能要求，在此主要舉例介紹基于強(qiáng)度性能的波紋板結(jié)構(gòu)的最終鋁合金輕量化方案，如圖5所示。

圖5 波紋板最終狀態(tài)鋁合金輕量化方案

波紋板作為牽引車與掛車的連接安裝位置，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能尤其關(guān)鍵。在原鋼制波紋板的基礎(chǔ)上，在保證裝配要求的前提下，最終的鋁合金方案考慮了零件的輕量化、工藝的可行性和強(qiáng)度性能要求。零件采用擠壓工藝成型，多種厚度組合的方式，單個零件由原來的鋼制36 kg降低到20 kg，減重44%。

車架橫梁采用鋁合金擠壓工藝，由原 來 的2 個U 形 零件，合并成為1個圓管梁。該橫梁的連接板改為鑄鋁結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量，并且綜合考慮了布置要求及性能要求。

圖6 車架橫梁、連接板鋁合金方案

4 車架剛度/強(qiáng)度性能分析結(jié)果

原鋼制車架總質(zhì)量為690 kg，輕量化鋁合金方案對車架縱梁、橫梁、連接板、波紋板零件材料進(jìn)行替換及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，質(zhì)量降低到468 kg。其未對相關(guān)鑄件進(jìn)行鋁合金方案的替換，減重效果顯著。具體性能分析結(jié)果如表2所示。

表2 最終剛度分析結(jié)果

相比原鋼制車架，整體彎曲剛度提升4.2%，前部扭轉(zhuǎn)剛度提升16.2%，后部扭轉(zhuǎn)剛度提升15.3%，車架剛度性能滿足性能要求。

對于車架縱梁、橫梁、連接板，為了保證輕量化鋁合金車架的強(qiáng)度性能，參考原鋼制車架安全系數(shù)情況（最小安全系數(shù)為1.75），選取1.9的安全系數(shù)作為目標(biāo)值，鋁合金方案滿足強(qiáng)度目標(biāo)要求。鋁合金材料牌號選擇6082-T6。

波紋板強(qiáng)度分析以橫向?qū)Ρ葹橹鳎踩禂?shù)不低于鋼制車架為性能目標(biāo)，方案滿足性能要求。

表3 縱梁強(qiáng)度安全系數(shù)分析結(jié)果

5 車架縱梁前部折彎工藝分析

表4 橫梁強(qiáng)度安全系數(shù)分析結(jié)果

表5 連接板強(qiáng)度安全系數(shù)分析結(jié)果

研究車型縱梁前部內(nèi)寬需要經(jīng)過彎折工藝，從而達(dá)到滿足發(fā)動機(jī)布置的要求。因此縱梁的鋁合金彎折工藝的可行性也是我們需要面對的關(guān)鍵問題點。縱梁前部設(shè)計如圖7所示。

由于考慮縱梁前部的彎折工藝，在C形截面的基礎(chǔ)上，縱梁前部刪除部分翻邊，改為U 形截面。

表6 鞍座波紋板強(qiáng)度安全系數(shù)分析結(jié)果

圖7 縱梁前部結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖8 縱梁前部折彎工藝CAE仿真分析

通過CAE 仿真的成型性分析，采用6082 -T6材料進(jìn)行折彎，零件未出現(xiàn)開裂，滿足工藝設(shè)計要求，仿真分析結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)分析結(jié)果，最大應(yīng)力出現(xiàn)在拐角位置，應(yīng)力值為291.1 MPa(Von mises)，結(jié)合Von mises準(zhǔn)則，縱梁折彎過程中的最大Von mises應(yīng)力值未超過材料抗拉強(qiáng)度328 MPa ，理論上材料不會發(fā)生開裂或失效。

6 結(jié)論

經(jīng)過對重卡牽引車車架縱梁、橫梁、連接板、鞍座波紋板的輕量化鋁合金方案的探索，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝可行性、性能達(dá)標(biāo)等多個方面的綜合考慮，車架質(zhì)量由原來的690 kg減低到468 kg，減重222 kg，減重32%，輕量化效果顯著。

后續(xù)將通過試制對鋁合金方案進(jìn)行可靠性路試驗證，從而最終達(dá)到量產(chǎn)的目標(biāo)。