某高端輕型卡車車架前段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

湯建新

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

某高端輕型卡車車架前段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

湯建新

（安徽江淮汽車股份有限公司 商用車研究院，安徽 合肥 230601）

文章為了解決新車型的開發(fā)過(guò)程中遇到的車架與駕駛室以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的布置空間干涉問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種車架前段結(jié)構(gòu)，并通過(guò)有限元分析以及加工工藝探討，對(duì)設(shè)計(jì)的前段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以使車架與駕駛室以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的布置相互間不存在干涉，最終選定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為同類車架匹配設(shè)計(jì)開發(fā)提供借鑒。

車架；輕型卡車；縱梁前段；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元

1 問(wèn)題描述

在某高端輕型卡車開發(fā)中，駕駛室總成需要總體升級(jí)換代，這使得駕駛室前翻轉(zhuǎn)支撐固定點(diǎn)在x方向相對(duì)原款駕駛室翻轉(zhuǎn)支撐位置前移35mm，在y方向外移17.5mm。由于駕駛室安裝位置前移，超過(guò)原車車架前懸部分，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)支撐無(wú)法固定，如圖1a所示；同時(shí)，因駕駛室翻轉(zhuǎn)支撐外移而導(dǎo)致與轉(zhuǎn)向器布置出現(xiàn)干涉，如圖1b所示。

2 車架前段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 匹配設(shè)計(jì)方案

圖1 改進(jìn)前部件圖

為同時(shí)滿足新駕駛室總成前翻轉(zhuǎn)支撐前移35mm、側(cè)移17.5mm及轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向直拉桿布置需要，提出一種車架前段外包梁結(jié)構(gòu)，并調(diào)整一橫梁布置位置，結(jié)構(gòu)如圖2a所示。

縱梁前段 外包梁材 料為 510L－4.5（GB／T 3273），通過(guò)外包邊將車架前寬單側(cè)外延20.5mm，同時(shí)將前端前伸，并加長(zhǎng)車架前懸至1 035mm，使車架總成與該系列其他車型前懸尺寸保持一致。

駕駛室翻轉(zhuǎn)支撐與轉(zhuǎn)向器布置校核如圖2b所示，經(jīng)校核此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能保證轉(zhuǎn)向器與前翻轉(zhuǎn)支撐布置空間不干涉。

縱梁為滿足駕駛室前翻轉(zhuǎn)支撐的固定，采用加長(zhǎng)縱梁前懸35mm設(shè)計(jì)方案，使之與縱梁前段外包梁前端距保持為85mm，如圖2c所示。第1橫梁總成在原基礎(chǔ)上前移35mm，并在橫梁內(nèi)側(cè)新增駕駛室翻轉(zhuǎn)支撐管柱，如圖2d所示，以保證駕駛室前翻轉(zhuǎn)支撐處連接強(qiáng)度。

圖2 改進(jìn)后部件圖

2.2 有限元分析

2.2.1 有限元模型建立

將上述匹配方案中，車架總成各零部件UG數(shù)模保存為IGES格式，利用有限元前處理軟件Hypermesh中BatchMesher，對(duì)IGES文件進(jìn)行抽中面和網(wǎng)格劃分，對(duì)導(dǎo)入的車架模型進(jìn)行幾何質(zhì)量分析與修正［1－2］。

車架縱梁和橫梁與連接板之間的鉚釘選用Cbeam連接，其他焊接連接部位采用Rbe2連接，前后懸架部位采用Cbush連接。

2.2.2 邊界條件

車架總成受力包括駕駛室總成5 500N、動(dòng)力總成5 000N、油箱1 200N、蓄電池200N、貨箱及載重均布載荷20 000N、拖鉤牽引力20 000N、轉(zhuǎn)向器處直拉桿推力8 150N。

計(jì)算時(shí)，通過(guò)剛性單元將載荷加到相應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)上。在正常行駛狀態(tài)下，由于車架總成處于扭轉(zhuǎn)工況時(shí)整體受力大于純彎曲工況時(shí)的受力，故對(duì)扭轉(zhuǎn)工況下車架總成進(jìn)行受力分析［3］。

建立車架總成有限元模型如圖3所示，通過(guò)改變右后板簧剛度，將其減少至原剛度的1／3來(lái)模擬扭轉(zhuǎn)工況［4－5］。

圖3 車架有限元模型

本文主要基于強(qiáng)度有限元分析，反映極限工況下整車受力分布情況。

2.2.3 結(jié)果分析

由 Nastran處理器進(jìn)行計(jì)算［6－8］，左、右縱梁前段，左、右縱梁與第1橫梁總成應(yīng)力分布，如圖4所示。扭轉(zhuǎn)工況下，左縱梁前段、右縱梁前段、第1橫梁總成、左縱梁、右縱梁的最大應(yīng)力值分別為139.9、212.9、110.2、241.3、248.8MPa。可以看出，各部件最大應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力355MPa，左縱梁前段安全系數(shù)為2.54，右縱梁前段安全系數(shù)為1.67，第1橫梁總成安全系數(shù)為3.22，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1.1 縱梁

在上述匹配設(shè)計(jì)方案中，縱梁采用加長(zhǎng)前懸35mm的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，但受現(xiàn)有模具限制，若需加長(zhǎng)需重新開發(fā)縱梁落料沖孔模與成型模，同時(shí)在生產(chǎn)中，需要對(duì)原有套模進(jìn)行更換，造成較長(zhǎng)的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。基于縮減開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期與生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，縱梁不采用加長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。

圖5 縱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.2 縱梁前段

由原方案有限元分析結(jié)果可知，縱梁前段外包梁結(jié)構(gòu)在前部邊緣處應(yīng)力分布較小，存在優(yōu)化空間，可以將原有應(yīng)力較小處多余材料切除，并在應(yīng)力分布較大處布置加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

由于縱梁設(shè)計(jì)方案優(yōu)化之后不采用加長(zhǎng)前懸設(shè)計(jì)，第1橫梁總成布置位置隨之后移，而駕駛室前翻轉(zhuǎn)支撐位置保持不變，故將原第1橫梁內(nèi)部的支撐管柱調(diào)整至縱梁前段內(nèi)側(cè)焊接。

圖6 縱梁前段優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.3 第1橫梁總成

原方案中第1橫梁總成下翼面處設(shè)計(jì)有連接板結(jié)構(gòu)，該連接板的作用是加強(qiáng)橫梁下部受力，但考慮到通過(guò)外包梁結(jié)構(gòu)形式，已對(duì)其加強(qiáng)，故取消此結(jié)構(gòu)。

第1橫梁總成優(yōu)化設(shè)計(jì)后的形狀如圖7所示。在橫梁腹面采取輕量化設(shè)計(jì)原則，增加減重孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取消橫梁內(nèi)側(cè)前翻轉(zhuǎn)前支撐管柱結(jié)構(gòu)，增加前翻轉(zhuǎn)后支撐管柱結(jié)構(gòu)。

圖7 第1橫梁總成優(yōu)化設(shè)計(jì)

因受限于駕駛室前翻轉(zhuǎn)后支撐位置，支撐管柱與橫梁采用U型槽內(nèi)焊接聯(lián)結(jié)形式，以保證橫梁加工工藝。

按上述方案優(yōu)化設(shè)計(jì)組合后，建立有限元模型，如圖8所示。

圖8 車架有限元模型（前部分示意圖）

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 有限元分析結(jié)果

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，對(duì)車架總成進(jìn)行計(jì)算，左、右縱梁前段，左、右縱梁與第1橫梁總成應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案應(yīng)力云圖

優(yōu)化方案后，左縱梁前段、右縱梁前段、第1橫梁總成、左縱梁、右縱梁的最大應(yīng)力值分別為165.9、241.2、49.81、277.4、249.7MPa，可看出經(jīng)優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)工況各部件最大應(yīng)力值均小于材料許用應(yīng)力355MPa。左縱梁前段安全系數(shù)為2.14，右縱梁前段安全系數(shù)為1.47，第1橫梁總成安全系數(shù)為7.13，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 對(duì)比分析

優(yōu)化后的方案與最初方案計(jì)算的最大應(yīng)力值見表1所列。

通過(guò)表1數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后左、右縱梁以及左、右縱梁前端的應(yīng)力比初始方案均有一定提升，說(shuō)明縱梁縮減加長(zhǎng)前懸的設(shè)計(jì)方案對(duì)車架結(jié)構(gòu)的受力帶來(lái)一定的影響，證明前懸加長(zhǎng)部分能起到減小縱梁局部應(yīng)力的作用。

比較第1橫梁總成應(yīng)力情況，優(yōu)化后的橫梁應(yīng)力有較大的降幅，說(shuō)明該橫梁設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在原有基礎(chǔ)上得到優(yōu)化，滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

表1 優(yōu)化后最大應(yīng)力對(duì)比 MPa

3.3 優(yōu)化方案的改進(jìn)

3.3.1 改進(jìn)方案與分析

針對(duì)車架縱梁前懸縮短給車架總成帶來(lái)應(yīng)力增幅現(xiàn)象，考慮通過(guò)加強(qiáng)縱梁前段外包梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低車架前部應(yīng)力水平消除該現(xiàn)象。將原縱梁前段的厚度由4.5mm調(diào)整到5mm，通過(guò)改變料厚加強(qiáng)縱梁前段的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，以使車架總成整體受力狀態(tài)得到改善。

按新方案對(duì)車架進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)力云圖

優(yōu)化改進(jìn)后，左縱梁前段、右縱梁前段、第1橫梁總成、左縱梁、右縱梁的扭轉(zhuǎn)最大應(yīng)力值分別為135.4、198.6、47.28、275.8、247.5MPa。

可看出經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，在扭轉(zhuǎn)工況下，各部件最大應(yīng)力值均小于材料許用應(yīng)力355MPa。左縱梁前端安全系數(shù)為2.62，右縱梁前端安全系數(shù)為1.79，第1橫梁總成安全系數(shù)為7.51，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 對(duì)比分析

改進(jìn)之后方案的分析結(jié)果與改進(jìn)前以及初始方案最大應(yīng)力值見表2所列。

表2 優(yōu)化方案改進(jìn)后最大應(yīng)力對(duì)比 MPa

由表2數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)之后的方案與改進(jìn)之前的優(yōu)化方案相比，車架左、右縱梁以及左、右縱梁前段所受最大應(yīng)力值均有所下降，其中縱梁前段的應(yīng)力降幅較大，說(shuō)明增加縱梁前段材料厚度對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升有促進(jìn)作用。

比較改進(jìn)之后方案與初始方案的分析結(jié)果，可以看到改進(jìn)之后，左、右縱梁前段、右縱梁以及第1橫梁總成比初始設(shè)計(jì)方案有不同程度的降低，僅左縱梁的受力有所增加。第1橫梁總成的應(yīng)力在扭轉(zhuǎn)工況下降低了57.10%，在翻轉(zhuǎn)工況下降低了18.85%，證明第1橫梁的設(shè)計(jì)方案遠(yuǎn)優(yōu)于初始方案的結(jié)構(gòu)。在改進(jìn)設(shè)計(jì)方案中，通過(guò)對(duì)左、右縱梁前段的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，抵消了由于縱梁前端縮短前懸加長(zhǎng)部分的應(yīng)力影響，而對(duì)車架整體受力起到加強(qiáng)作用。通過(guò)比較，證明了改進(jìn)后方案的整體受力狀況優(yōu)于初始方案。

故采用優(yōu)化改進(jìn)后的方案作為該車型車架匹配設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

（1）將上述最優(yōu)方案進(jìn)行實(shí)車道路可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)整車3×104km強(qiáng)化路試驗(yàn)，該車架總成無(wú)開裂、裂紋等現(xiàn)象產(chǎn)生，車架強(qiáng)度可靠，滿足使用要求。

（2）通過(guò)對(duì)該車型車架的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，尋求了一種最優(yōu)化、最合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組合，在充分利用現(xiàn)有資源的前提下，完成了設(shè)計(jì)開發(fā)任務(wù)，節(jié)約了模具開發(fā)成本與生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

（3）在該車架的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分發(fā)揮了CAE分析作用，基于對(duì)極限工況下的強(qiáng)度有限元分析，對(duì)比了不同方案中部件的應(yīng)力分布狀況，并通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)加工工藝的分析，選取了最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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Structure optimization design for front section of the frame of an advanced light truck

TANG Jian－xin
（Commercial Vehicle Research Institute，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230601，China）

New problems about the arrangement of frame，cab assembly and steering device appear in the process of developing new truck model.In order to solve these problems，a kind of front section of the longitudinal beam is designed.And then the optimization design for the frame is done through the finite element method and process analysis to ensure there is no interference between the arrangement of frame，cab assembly and steering device.The final design proposal is confirmed，which provides a reference to the similar frame matching design and development.

truck frame；light truck；front section of longitudinal beam；optimization design；finite element

U463.32

A

1003－5060（2012）11－1469－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.008

2012－03－23

湯建新（1985－），男，江蘇南通人，安徽江淮汽車股份有限公司助理工程師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）