應(yīng)用于重型貨車的輕量化單層梁車架設(shè)計(jì)

朱維娜，田志強(qiáng)，趙洋康

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

近年來，為了保證整車物流行業(yè)的快速健康發(fā)展，國家開展了嚴(yán)厲的治超工作。交通運(yùn)輸部頒布的《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》更是明確了對(duì)于車輛超載的嚴(yán)格管控。在行業(yè)背景下，重型貨車市場(chǎng)對(duì)車輛輕量化提出新的需求。在標(biāo)準(zhǔn)承載時(shí)，車輛在保證可靠性的前提下做得越輕，用戶就可能裝載更多的貨物，從而實(shí)現(xiàn)收益增值。因此各個(gè)廠家都在不斷推出輕量化車型產(chǎn)品打動(dòng)購車用戶。

車架作為整車的一個(gè)基本載體，承載了駕駛室、動(dòng)力總成、上裝大箱等幾乎車輛上所有的總成件，并且需承受來自車輛在運(yùn)行階段的不同工況下沖擊載荷及變形。故其可靠性一直以來都是設(shè)計(jì)的首要指標(biāo)，無論是通過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)還是材料本身的性能提升，設(shè)計(jì)過程中的安全系數(shù)均預(yù)留較大余量以滿足整車運(yùn)行過程中車架的可靠性。

由此帶來問題就是車架總成過強(qiáng)及重量過大。而這與目前市場(chǎng)對(duì)于車輛的輕量化性能的突出需求相矛盾，故而車架的設(shè)計(jì)就需要考慮除可靠性之外的輕量化設(shè)計(jì)原則[1]。

1 輕量化單層梁車架設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，主要有兩個(gè)思路：一個(gè)是通過使用新型材料如鋁合金等低密度材料實(shí)現(xiàn)降重，另一個(gè)就是根據(jù)部件功能需求，在滿足功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)降重，例如增加減重孔、采用集成設(shè)計(jì)方法等。

本文采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行車架輕量化，在現(xiàn)有車架基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化縱梁內(nèi)部加強(qiáng)板、橫梁、橫梁連接板、鞍座安裝板及車架總成的橫梁布置位置對(duì)車架進(jìn)行了輕量化的設(shè)計(jì)，如圖1所示：

圖1 輕量化單層梁車架總成

該車架輕量化的總體原則為：（1）不影響車架整體承載及抗扭性；（2）對(duì)于應(yīng)力相對(duì)集中的區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)；（3）精簡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降重。該方案優(yōu)化了車架縱梁的加強(qiáng)方式，對(duì)橫梁連接板適當(dāng)延長，同時(shí)精簡縱梁內(nèi)部加強(qiáng)板。優(yōu)化橫梁中間支撐部分的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)飛機(jī)梁的上下連接板，延長至第二橫梁中部，同時(shí)延長了鞍座安裝板。通過CATIA軟件對(duì)車架數(shù)模增加材料屬性，該車架實(shí)現(xiàn)降重80 kg。

2 仿真分析

2.1 建立有限元模型

為保證純單層梁車架的可靠性及輕量化效果，應(yīng)用計(jì)算分析軟件HyperWorks對(duì)優(yōu)化前后的車架進(jìn)行了有限元強(qiáng)度對(duì)比分析。

首先對(duì)于車架及其承載的大總成支架進(jìn)行了前處理，即三維數(shù)模的網(wǎng)格化，如圖2所示。針對(duì)均為沖壓件的車架零部件采用抽取中間面用二維殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于鑄造件的大總成支架采用三維四面體及少量二維三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同采用不用的網(wǎng)格模型，可提升網(wǎng)格劃分的精度及準(zhǔn)確性[2]。

圖2 有限元模型

對(duì)于安裝與車架上的大總成如駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架、供給系統(tǒng)、蓄電池等結(jié)構(gòu)簡化為質(zhì)量點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)質(zhì)心位置與車架進(jìn)行連接。車架總成上的螺栓及鉚釘均采用RB2剛性單元進(jìn)行連接。對(duì)裝在車架上的大總成質(zhì)量點(diǎn)使用Rigids通過限定自由度與車架連接。而懸架系統(tǒng)則采用spring單元進(jìn)行等效模擬[3]。

2.2 設(shè)定工況

按照車架實(shí)際工況，抽取典型的四個(gè)工況進(jìn)行分析，分別為垂向加速度、轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)及制動(dòng)工況[4]，針對(duì)每個(gè)工況施加不同方向及大小的加速度進(jìn)行模擬，如圖3所示：

圖3 分析車架強(qiáng)度的四個(gè)工況

2.3 計(jì)算并分析結(jié)果

因優(yōu)化車架涉及縱梁加強(qiáng)板、橫梁及鞍座安裝板，故計(jì)算結(jié)果將分別對(duì)比改進(jìn)前后的縱梁、橫梁及安裝板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及安全因子。分析結(jié)果顯示優(yōu)化后方案車架縱梁及橫梁連接板在四種不同工況下安全因子均滿足設(shè)計(jì)要求。圖4到圖7為左右縱梁在垂向及扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布及安全因子。

圖4 垂向沖擊工況下原方案仿真結(jié)果

圖5 垂向沖擊工況下輕量化方案仿真結(jié)果

圖7 扭轉(zhuǎn)工況下輕量化方案仿真結(jié)果

圖6 扭轉(zhuǎn)工況下原方案仿真結(jié)果

優(yōu)化后車架總成各部件的安全因子在四個(gè)工況下的分析結(jié)果見表1，可以看出，優(yōu)化后車架方案安全因子均大于1，滿足設(shè)計(jì)需求。

表1 優(yōu)化后車架各結(jié)構(gòu)安全因子

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于車架的可靠性驗(yàn)證在計(jì)算仿真分析滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后，還進(jìn)行了該車架的實(shí)車裝配及整車可靠性驗(yàn)證，還原車輛在全生命周期過程中車架所承受的沖擊載荷、變形及疲勞的過程。整車按照6×4車型標(biāo)準(zhǔn)滿載載荷49 t進(jìn)行了8000 km綜合路可靠性試驗(yàn)。可靠性試驗(yàn)報(bào)告顯示，車架滿足實(shí)際工況的可靠性要求，未出現(xiàn)故障反饋。

4 結(jié)論

車架是重型貨車的重要承載部件，其可靠性仍是首要性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的輕量化設(shè)計(jì)，既滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求，又能提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。本文基于對(duì)原始車架的CAE分析結(jié)果及實(shí)際運(yùn)行過程中的市場(chǎng)反饋及對(duì)標(biāo)，對(duì)車架進(jìn)行了合理的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化及局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，確保車架在車輛的各類工況下的重點(diǎn)受力區(qū)域均能滿足需求，同時(shí)又 避免了車架受力小的區(qū)域的過強(qiáng)設(shè)計(jì)。

針對(duì)優(yōu)化后的輕量化車架，首先經(jīng)過仿真分析軟件進(jìn)行了模擬工況下的強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示不同工況下各處受力均滿足安全因子設(shè)定值。隨后又進(jìn)行了實(shí)車裝配及可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了該車架符合車輛對(duì)車架的可靠性指標(biāo)需求。同時(shí)，經(jīng)過稱重對(duì)比，該方案且可降低80 kg車架總成重量。