基于HyperWorks有限元分析的某卡車車架橫梁形式與性能研究

晏強(qiáng)，苗永，劉永博，董昭，劉申杰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于HyperWorks有限元分析的某卡車車架橫梁形式與性能研究

晏強(qiáng)，苗永，劉永博，董昭，劉申杰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

一輛卡車車架的結(jié)構(gòu)形式，與其裝載的貨物類型和重量密切相關(guān)，車架橫梁的結(jié)構(gòu)形式對(duì)車架的抗彎、抗扭性能起著重要作用。文章通過對(duì)不同車架橫梁形式的仿真分析，研究確定了裝載不同貨物類型和重量的車輛對(duì)車架強(qiáng)度、剛度的需求。

卡車；車架；橫梁；強(qiáng)度；剛度

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.054

CLC NO.: U469.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-171-02

引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，物質(zhì)水平提高，卡車用戶對(duì)車輛性能的要求越來越高，不僅要求承載性能好、質(zhì)量可靠，更要求能夠以經(jīng)濟(jì)、舒適的方式完成貨物的運(yùn)輸?？ㄜ嚿a(chǎn)廠家則希望在滿足性能的條件下，盡量控制成本。車架作為汽車的承載基體，其選型和設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)整車性能和成本中至關(guān)重要的因素之一。本文針對(duì)某卡車車架的垂向受力、車輛轉(zhuǎn)彎、車架扭轉(zhuǎn)、車輛制動(dòng)等工況進(jìn)行強(qiáng)度分析，研究車架位于后懸架處的不同橫梁形式對(duì)車架總成的性能影響。

1、橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)布置及制造形式，車架可以簡單分類為邊梁式、中梁式、綜合式、承載式這四種?？ㄜ嚧蠖鄶?shù)使用的是承載能力強(qiáng)、制造較簡單的邊梁式。邊梁式車架由位于左右兩側(cè)的兩根縱梁和若干橫梁構(gòu)成，縱梁多采用抗彎能力較強(qiáng)的槽型截面設(shè)計(jì)。

橫梁形式則種類較多，按結(jié)構(gòu)形式，常用的大致可分為管狀橫梁、兀型橫梁和槽型橫梁，如圖1所示。管狀橫梁在三者之中，對(duì)車架扭轉(zhuǎn)撓度貢獻(xiàn)較大，常應(yīng)用于車架中段，相比于兀型橫梁和槽型橫梁，管梁的制造工藝更加簡單，成本更低。同時(shí)，通過合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)減輕橫梁重量的目標(biāo)，有助于提高車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

兀型橫梁與槽型橫梁均為沖壓成型件，相比管狀橫梁，制造工藝較復(fù)雜，但承載能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于商用汽車車架上。沖壓橫梁在結(jié)構(gòu)形勢上易于實(shí)現(xiàn)多樣化設(shè)計(jì)，滿足不同用途的商用汽車車架需求。

作為對(duì)比分析，本文選擇的管狀橫梁總成由中間管橫梁及兩邊的沖壓法蘭板組成，選擇的槽型橫梁總成由中間的C型橫梁及兩邊的沖壓連接板組成。本文主要分析論證位于后懸架處的車架橫梁結(jié)構(gòu)形式，因此，對(duì)比分析模型中的其它橫梁完全一樣。

2、車架有限元分析

2.1 模型的建立

將車架CATIA三維模型轉(zhuǎn)換為STP格式，導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行前處理工作。建立車架有限元分析模型時(shí)，鈑金件用殼單元模擬，單元平均尺寸10mm，以四邊形為主，含少數(shù)三角形單元；鑄造件用四面體單元模擬，單元平均尺寸5mm。對(duì)于螺栓連接和鉚釘連接，采用剛 性單元RBE2與梁單元cbar相結(jié)合的形式，避免出現(xiàn)局部剛度突變，提供較好的局部剛度效果。前軸、后橋則簡化beam梁單元。后懸架處的車架管梁方案及槽型梁方案有限元分析模型如圖2所示。

2.2 邊界條件及載荷

根據(jù)某卡車車架的實(shí)際受力情況，將貨物質(zhì)量以均布載荷的形式加載到副車架上；隨車附件質(zhì)量按實(shí)際安裝和固定位置，在幾何重心位置模擬質(zhì)心單元；其它結(jié)構(gòu)的自重通過軟件定義密度即可。

2.3 分析結(jié)果

通過有限元分析得出兩種方案的安全因子云圖，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

3、結(jié)論

通過仿真分析，得出兩種方案的最小安全因子如表1。

表1 兩種方案的安全因子

從分析結(jié)果可以看出，垂向受力、車輛轉(zhuǎn)彎、車架扭轉(zhuǎn)三個(gè)工況，管橫梁方案的安全因子不滿足要求，而槽型梁四種工況下的安全因子全部達(dá)到要求。

管狀橫梁扭轉(zhuǎn)剛度大，來自后懸架的扭轉(zhuǎn)載荷直接傳遞到橫梁上，導(dǎo)致管梁總成的沖壓法蘭板應(yīng)力較大。管橫梁的彎曲剛度不如槽型橫梁，其連接寬度較小，不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)副簧支架的支撐。

槽型橫梁的連接板尺寸大，可以更加接近副簧支架，使其得到一定的支撐。來自后懸架的載荷可以通過連接板傳遞到橫梁上，連接板對(duì)縱梁腹板有較大的加強(qiáng)作用。

槽型橫梁的彎曲剛度較大，可使縱梁扭角較小，安全因子1.94，而管橫梁車架只有0.83。槽型橫梁連接板加強(qiáng)，橫梁可適當(dāng)減薄。

[1] 楊希志,葛全.基于某卡車系列車型邊梁式車架橫梁與性能關(guān)系的研究[M].

The Structure And Performance analysis For Truck Frame based on HyperWorks

Yan Qiang, Miao Yong, Liu Yongbo, Dong Zhao, Liu Shenjie
( Shaanxi Heavy-duty truck Co., Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

The structure of a truck frame, which is closely related to the type and weight of the cargo. The frame beam plays an important role in resisting bending and torsion. In this paper, through the analysis of different forms of beams, the demand for the strength and rigidity of the vehicle with different loads is studied.

Truck; Frame; Beam; Strength; Rigidity

U469.1

A

1671-7988(2016)10-171-02

晏強(qiáng)（1986-），男，中級(jí)工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，從事總布置設(shè)計(jì)工作。