重型自卸汽車車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

韓勇

陜西重型汽車有限公司 陜西省寶雞市 722400

1 引言

重型自卸汽車的車架一般都是作為承載的主要基體，所以車架的承載力和抗疲勞性能都會(huì)影響到使用效果。傳統(tǒng)的重型自卸汽車車架在設(shè)計(jì)時(shí)主縱梁并未與內(nèi)加強(qiáng)梁貼合在一起，這種結(jié)構(gòu)與長軸距重型自卸汽車的要求完全不符，很容易造成事故。因此，為了提高重型自卸汽車的使用效率，必須要對(duì)重型自卸汽車車架的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，這樣就能滿足更多類型重型自卸汽車的要求。

2 重型自卸汽車車架的受力和結(jié)構(gòu)形式

重型自卸汽車車架的設(shè)計(jì)方案要與整車的設(shè)計(jì)方案相結(jié)合，車架在設(shè)計(jì)過程中必須要從兩個(gè)方面入手，一是選擇適合的設(shè)計(jì)方案，二就是對(duì)設(shè)計(jì)方案做出精準(zhǔn)的計(jì)算。因此，重型自卸車在設(shè)計(jì)之前要提前確定車架的設(shè)計(jì)形式，同時(shí)還要對(duì)車架的載重情況進(jìn)行全面分析。重型自卸汽車車架的主要作用就是承受載重，對(duì)整車的零部件起到支撐作用。車架在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)符合過程中常常會(huì)出現(xiàn)各種變形，所以本文對(duì)車架變形情況和影響因素進(jìn)行了分析，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

首先，車架最容易出現(xiàn)的變形就是垂直彎曲變形，這是因?yàn)檐嚰芸v梁承受不了外界的壓力而產(chǎn)生變形，同時(shí)也是縱梁受到載荷作用之后的結(jié)果。重型載重汽車在行駛的過程中，如果經(jīng)常出現(xiàn)緊急制動(dòng)，也會(huì)造成縱梁出現(xiàn)變形的情況。因此，重型自卸汽車車架在設(shè)計(jì)的過程中，必須要著重考慮縱梁對(duì)彎曲度和剛度的基本要求，這樣才能確定縱梁最終的設(shè)計(jì)形狀和尺寸。

其次，重型自卸汽車車架在扭轉(zhuǎn)的過程中也容易出現(xiàn)變形，造成變形的主要原因就是因?yàn)橹匦妥孕镀囋谵D(zhuǎn)向行駛和翻越障礙物時(shí)，車架就會(huì)隨著軸線的轉(zhuǎn)向而發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，在這種情況下車架橫梁對(duì)這種扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生抗力，最終就會(huì)出現(xiàn)變形。車架橫梁的截面與尺寸設(shè)計(jì)以及與車架的連接方式都會(huì)影響到扭轉(zhuǎn)剛度，所以在設(shè)計(jì)過程中必須要對(duì)這些方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，才能減少車架的扭轉(zhuǎn)變形。

再次，重型自卸汽車車架在轉(zhuǎn)向過程中也容易出現(xiàn)側(cè)向彎曲變形，在這個(gè)過程中車架所承受的力主要是橫向力，車輛在行駛過程中轉(zhuǎn)向會(huì)出離心力，車架兩側(cè)所分配的力就會(huì)失去平衡。但是這種情況下所產(chǎn)生的變形相對(duì)較小，如果車架大梁的彎曲和剛度能滿足橫向力的基本要求，在設(shè)計(jì)過程中就可以忽略車架的側(cè)向彎曲變形。

最后，重型自卸汽車車架大梁的局部也會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。之所以出現(xiàn)這種變形主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)過程中車架因?yàn)閭?cè)面安裝了重量較大的零部件之后，受力就會(huì)不均勻，如：有些重型自卸汽車的油箱會(huì)安裝在大梁的側(cè)面，為了避免這種扭轉(zhuǎn)變形情況的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中就要加強(qiáng)局部的剛度和抗變形能力，或者通過安裝橫梁的形式減小大梁局部的應(yīng)力，從而提高大梁局部的抗變形能力。

3 重型自卸汽車車架的整體設(shè)計(jì)方案

重型自卸汽車在使用的過程中一般所面對(duì)的環(huán)境都比較復(fù)雜，并且常常在惡劣的條件下工作，受力情況也不夠穩(wěn)定，重型自卸汽車所承受的荷載也存在多種形式。因此，重型自卸汽車的車架在設(shè)計(jì)過程中必須要對(duì)剛度和強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并且還要最大限度減少重型自卸汽車的自重。重型自卸汽車車架在設(shè)計(jì)的過程中一般會(huì)考慮到適用范圍、制造過程中所采用的工藝以及生產(chǎn)過程中所使用的材料等等。

目前最常見的重型自卸汽車車架類型一般分為大梁式和承載式，除此之外還有鋼管式和一體式等，重型自卸汽車最常用的車架主要是承載式。承載式車架的材料主要是將鋼板不斷進(jìn)行沖壓或者焊接，最終形成質(zhì)地堅(jiān)固的架體，然后在將發(fā)動(dòng)機(jī)和其他構(gòu)件全部安裝在車架架體上。車架的主縱梁和主橫梁以及其他主要零部件的材料一般是由經(jīng)過沖壓的鋼板支撐，有些廠家在生產(chǎn)時(shí)也會(huì)選擇其他鋼制材料。重型自卸汽車車架的各個(gè)零部件在組裝過程中主要采用冷鉚進(jìn)行鏈接，特殊部位可以通過螺栓進(jìn)行連接。

車架在生產(chǎn)過程中所采用的原材料除了要具備較強(qiáng)的抗屈服能力和抗疲勞能力之外，還要避免應(yīng)力集中在一起，同時(shí)也要具備較強(qiáng)的沖壓能力和焊接能力，所以常見的材料一般為低碳合金鋼，重型自卸汽車車架主縱橫梁的沖壓鋼板厚度一般控制在七到九毫米之間。8*4 的重型自卸汽車軸距較長，并且車架受力情況也不夠穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)過程中就要對(duì)主縱橫梁的和內(nèi)加強(qiáng)梁的鋼板材質(zhì)的屈服強(qiáng)度嚴(yán)格控制，這樣才能保證車架的承載力。

4 重型自卸汽車車架的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

4.1 重型自卸汽車車架寬度的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

重型自卸汽車最常見的型號(hào)為總重超過二十五噸的6*4 和總重超過三十一噸的8*4重型自卸汽車，這種重型自卸汽車的后橋承載力一般為十三噸，所用的輪胎也必須是重型自卸汽車的專用輪胎。但是國家相關(guān)規(guī)定中明確指出重型自卸汽車的車輛總寬度不得超過2.5 米，所以在設(shè)計(jì)的過程中為了滿足國家相關(guān)要求就必須要對(duì)輪胎位置和鋼板彈簧進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，重型自卸汽車車架后端的寬度較窄，必須控制在八十公分左右，重型自卸汽車車架后端的寬度一般都會(huì)將以下參數(shù)作為參考依據(jù)。（如：圖1）重型自卸汽車車架中端的設(shè)計(jì)寬度必須要與后端的寬度保持合理的差距，還有結(jié)合前端、中端和后端的生產(chǎn)工藝，盡可能降低不同部位之間的寬度差。在設(shè)計(jì)重型自卸汽車車架前端的寬度時(shí)，除了要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸職位，還要將重型自卸汽車駕駛室發(fā)動(dòng)機(jī)外殼的尺寸作為參考依據(jù)。如果是柴油型發(fā)動(dòng)機(jī)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)和外罩的尺寸較大，車架前端的設(shè)計(jì)尺寸也會(huì)隨之增加，一般會(huì)將寬度控制在九十五公分左右。如果重型自卸汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸較小，發(fā)動(dòng)機(jī)罩的尺寸也小，車架在設(shè)計(jì)過程中前端和中端的寬度一般為相同尺寸。

圖1 重型自卸汽車參數(shù)示意圖

B、L、K、G、F、d、S 分別為輪胎外寬、雙胎中心距、胎寬、板簧與輪胎間隙、板簧寬度、U 型螺栓厚度（直徑）及U 型螺栓與車架間隙，單位均為mm

4.2 重型自卸汽車車架縱梁與加強(qiáng)梁的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

重型自卸汽車車架在設(shè)計(jì)過程中，縱梁是承擔(dān)荷載的主要基體，重型自卸汽車在行駛的過程中主要是由縱梁承擔(dān)彎曲應(yīng)力。縱梁的外形一般以槽型為主，并且需要具備較強(qiáng)的抗彎強(qiáng)度，縱梁的材質(zhì)也是以經(jīng)過沖壓支撐的熱軋鋼板為主。大部分8*4 重型自卸汽車的加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)也是槽型結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)的過程中車架的主縱梁并未與內(nèi)加強(qiáng)梁貼合在一起，之所以這樣設(shè)計(jì)就是因?yàn)椴坌蛣傇跊_壓的過程中有很大的難度，但是這樣就會(huì)使重型自卸汽車車架的抗變形能力受到限制。很多用戶購買使用這種重型自卸汽車后提出的反饋意見都是車架的剛度較差，所以在設(shè)計(jì)改進(jìn)的過程中就將車架的斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為縱梁翼面貼合，從而提高重型自卸汽車車架的剛度。在生產(chǎn)過程中所采用的工藝為模具生產(chǎn)，這樣就能使主副縱梁的貼合度得到保障，同時(shí)還能生產(chǎn)出不同長度和規(guī)格的主副縱梁，從而滿足不同軸距車架的實(shí)際需求。雖然利用模具生產(chǎn)前期會(huì)投入較大的成本，但是只要生產(chǎn)數(shù)量和規(guī)模能夠持續(xù)上漲，成本也會(huì)越來越低。

重型自卸汽車車內(nèi)加強(qiáng)梁在設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)將內(nèi)加強(qiáng)梁的位置控制在車架前軸的后面，主要是因?yàn)榍拜S和駕駛室等部件要放在前面，再加上還要給風(fēng)扇或者散熱裝置等零部件留出空位，會(huì)將車架前面的部位進(jìn)行切割，最終導(dǎo)致用戶在使用的過程中車架前部出現(xiàn)彎曲，或者發(fā)動(dòng)機(jī)等部位損壞的情況。因此，在改進(jìn)設(shè)計(jì)的過程中必須要將內(nèi)加強(qiáng)梁的長度進(jìn)行延伸，要保證超過車架前軸的中心線位置，并且還要將前梁進(jìn)行改進(jìn)，使重型自卸汽車車架的抗變形能力得到提升，這樣才能提高車架的受力情況，車架加強(qiáng)梁斷面結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 車架內(nèi)加強(qiáng)梁斷面結(jié)構(gòu)圖

4.3 重型自卸汽車車架橫梁的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

常見的重型自卸汽車車架橫梁也分多個(gè)形狀，主要有槽型、帽型以及圓管型等。重型自卸汽車車架橫梁的主要作用是將車架兩邊的縱梁連接在一起，確保車架框架的完整性，這樣才能使重型自卸汽車車架在扭轉(zhuǎn)的過程中剛度得到保證，還能保證各個(gè)零部件的安裝要求得到滿足，從而降低車架縱梁的受力情況。因此，車架橫梁在設(shè)計(jì)的過程中必須要充分考慮自身的受力情況，并且還有保證各個(gè)區(qū)域的受力情況和扭轉(zhuǎn)剛度能夠滿足重型自卸汽車的承載要求。如果重型自卸汽車車架的縱梁的個(gè)別部位承受的載力較大，就要加設(shè)橫梁。如：重型自卸汽車車架的前懸架和后懸架位置、車廂轉(zhuǎn)軸支架位置就需要較大的承載力，這些部位都要增加橫梁。另外，重型自卸汽車車架如果前端一直到駕駛室后圍安裝了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，重型自卸汽車在行駛過程中如果遇到溝坎，就會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，最終影響到車輛的正常轉(zhuǎn)向，甚至還會(huì)影響到車輛的正常行駛。這個(gè)部位對(duì)車架剛度的要求較高，否則就會(huì)影響到車輛行駛的安全性。因此，重型自卸汽車車架前端駕駛室后圍必須要增加兩至三根橫梁，車架后端的剛性也要得到保障，這樣才能確保轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。另外，重型自卸汽車車架最容易出現(xiàn)變形的部位是車架中端，所以車架中端也要具備較強(qiáng)的撓性，在轉(zhuǎn)向和形式過程中可以進(jìn)行緩沖，從而避免將所有的應(yīng)力全部集中在中端從而造成車架局部損壞。

4.4 重型自卸汽車車架縱橫梁固定的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

重型自卸汽車車架的縱梁和橫梁在連接的過程中最常見的方法就是鉚接法和焊接法，同時(shí)也可以利用螺栓進(jìn)行連接。這些方法中成本最低的就是鉚接法，這種連接方法更適合大批量，并且車架也不會(huì)產(chǎn)生太大的變形。我國重型自卸汽車車架在生產(chǎn)過程中焊接法也是一種常用的連接方法，焊接能夠?qū)偠容^強(qiáng)的部件牢固的連接在一起，但是這些部件在焊接的過程中可能會(huì)出現(xiàn)變形或則產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，所以小批量生產(chǎn)時(shí)或者修理車架零部件時(shí)才會(huì)選擇焊接法。還有一種連接方法就是連接，這種方法一般應(yīng)用在重型自卸汽車車架零部件的互換或者拆卸上，雖然這種方法使用簡單，但是如果長時(shí)間使用會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)的情況，為了增加螺栓連接的牢固性，可以在螺栓連接部位涂刷緊固膠，或者通過自鎖螺母增加螺栓的緊錮性。

4.5 重型自卸汽車車架與副車架連接的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

重型自卸汽車的車架與副車架在連接的過程中所采用的連接方式一般會(huì)利用U 型螺栓進(jìn)行固定，再加上重型自卸汽車主要是將多級(jí)油缸車箱前板直推式當(dāng)做主要的舉升方式，所以車架與副車架之間必須要牢固的連接在一起，各個(gè)部位的尺寸也要滿足油缸的安裝要求，防止對(duì)油缸造成破壞。重型自卸汽車車架與副車架是直接安裝在一起，并沒有利用緩沖墊，這種連接方式最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠確保副車架安裝的穩(wěn)定性，還能確保油缸的尺寸符合基本要求，在安裝過程中節(jié)省了很多零部件，從而縮減了安裝成本。但這種安裝形式最大的缺點(diǎn)就是容易將車架前段的應(yīng)力集中在一起，并且車架在設(shè)計(jì)安裝過程中不能出現(xiàn)鉚釘。另一種連接方式就是在車架與副車架連接的過程中增加緩沖墊，雖然這種方法能夠有效緩解車架應(yīng)力集中的情況，但是在安裝的過程中會(huì)加設(shè)零件，增加生產(chǎn)的成本，并且為了避免對(duì)油缸的安裝尺寸造成影響，還要經(jīng)常更換緩沖墊，增加了維護(hù)的難度，同時(shí)也增加維護(hù)的成本。本文通過分析總結(jié)了兩種連接方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，重型自卸汽車車架與副車架在連接的過程中就可以結(jié)合自身的實(shí)際情況選擇更加適合的連接方式，這樣才能提高連接工作的有效性。

總之，經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)方案能夠發(fā)現(xiàn)，重型自卸汽車車架在設(shè)計(jì)過程中，車架縱梁是最主要的受力結(jié)構(gòu)，如果所承受的力相同，縱梁的形狀尺寸以及厚度都會(huì)對(duì)車架的剛度造成影響。車架橫梁的數(shù)量、位置以及厚度也會(huì)影響到車架扭轉(zhuǎn)剛性，在設(shè)計(jì)的過程中必須要仔細(xì)核對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，這樣才能確保扭轉(zhuǎn)剛度符合要求。如果重型自卸汽車車架的橫梁為焊接結(jié)構(gòu)，局部的剛度發(fā)生突變之后，雖然能夠利用提高剛度應(yīng)對(duì)，但是容易將應(yīng)力集中在一起，最終因?yàn)槠诙霈F(xiàn)裂紋，所以可以通過局部漸進(jìn)的方式逐漸加強(qiáng)，從而緩解應(yīng)力的集中性。

5 總結(jié)

總而言之，重型自卸汽車車架在設(shè)計(jì)過程中，如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，很容易出現(xiàn)變形，這就要求必須要通過科學(xué)的計(jì)算方法對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分驗(yàn)算，以確保車架的強(qiáng)度和剛度能夠滿足需求，提高重型自卸汽車車架的適用性。