板簧及偏載對車架應力影響的研究與分析

白建坤

（廣州民航職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510403）

車架是車輛的基體，主要用于固定發(fā)動機、傳動系、行駛系和車身等各大總成，使它們保持在正確的安裝位置上，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。因此，車架設計的優(yōu)劣不僅反映了整車的技術水平，同時也將直接影響車輛的行駛性和安全性等性能。

由于車架的結構復雜，受力也復雜，很難用簡單的力學方法進行強度、剛度的計算和應力分析。隨著計算力學的不斷發(fā)展及高性能計算機的應用，有限元分析作為車架設計的一個重要依據(jù)，其分析結果的準確性變得尤為重要。

本文首先將未考慮板簧扭轉剛度及上裝重心偏載的車架模型應力分析結果與試驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差較大。在此基礎上，將模型偏載300mm，并考慮板簧扭轉剛度，將扭曲路上整車的載荷、車架扭轉角及車架應力的仿真結果與試驗結果進行比對，驗證了仿真模型的準確性。

1 模型的建立

1.1 整車模型簡介

將攪拌車整車模型人為地分成3大部分：主副車架及前后臺、簧下結構、攪拌桶拖輪及減速機。其中整車有限元模型如圖1所示：

圖1 整車FEM模型

1.2 三大部分建模

（1）主副車架及前后臺建模

整個主副車架主要由鈑金件組成，故采用二維殼單元來模擬（2a），網(wǎng)格基準大小15～20mm。鑄件采用實體四面體單元模擬（2b），車架上的鉚釘及螺栓連接采用剛性單元模擬（2c），焊接采用母體延伸后共節(jié)點的方式進行模擬，主副車架連接螺栓中的螺母采用剛性單元、螺桿采用bar單元的形式進行模擬（2d）。

圖2 主副車架及連接模擬

（2）簧下部分建模

前懸系統(tǒng)主要由前橋、鋼板彈簧、吊耳組成。鋼板彈簧橫向采用剛性單元與彈簧單元進行模擬，鑄件吊耳采用實體網(wǎng)格建模，前橋采用bar單元模擬，其中bar單元的尺寸按質量等效的原則進行設置。

后懸系統(tǒng)由后懸推力桿總成、鋼板彈簧、平衡軸支撐座組成。其中平衡懸架支座采用實體單元建模，推力桿采用bar單元模擬，bar單元釋放繞單元局部坐標系的3個轉動自由度。平衡貫通軸采用剛性單元代替，鋼板彈簧采用1D彈簧單元進行模擬。各類型單元的自由度設置應與實車相一致，以保證模型的準確性。

（3）攪拌桶拖輪及減速機部分建模

攪拌桶采用殼單元模擬，減速機及水箱采用質點進行簡化。筒壁應采用40～50mm網(wǎng)格尺寸，滾道部分應采用10～15mm的網(wǎng)格尺寸進行細化。

2 模型約束及求解設置

2.1 邊界條件及其加載

模型的約束是針對各個輪胎的6個自由度進行設置，具體設置如表1所示，而載荷的模擬方式則為在相應部件的質心處加載相應質量。

表1 扭轉工況下約束的設定

關于主副車架連接及攪拌桶與拖輪連接的處理，此模型采用線性GAP單元進行模擬。

2.2 求解設置

扭曲路對抬工況是對主副車架疲勞影響最大的工況，此工況最受關注，故只對此工況進行求解，具體設置如表1所示。即對角輪胎沿垂向抬高200mm。

3 仿真模型改進前結果分析

車架應力測試過程中測點的布置如圖3所示，括號外測點表示車架右邊的測點，括號內(nèi)測點表示相應位置左邊的測點。將有限元仿真結果與實驗結果對比如表2所示。

圖3 試驗測點貼片示意圖

表2 試驗值與仿真值對比 應力單位：MPa

由表2可知，車架上應力仿真值較試驗值均小得多，特別是平衡懸架后端的車架應力，最大誤差達97.4%。

4 板簧扭轉及重心偏載對結果的影響

4.1 板簧扭轉剛度的影響

考慮到1D彈簧單元模擬的板簧，沒有考慮板簧實際存在的扭轉剛度，故此處將用2D殼單元板簧替代1D板簧，同時匹配2D殼單元板簧垂向高度。通過對比改進前后圖4所示測點的應力情況，確認板簧扭轉剛度對車架應力的影響。

統(tǒng)計圖4所示測點的應力值，獲得如表3所示應力，分析可以得出：2D殼單元板簧模型較1D彈簧單元模型（即增加板簧扭轉剛度）整體應力均增加，絕大部點在30%以上。其中前臺附近應力增幅最大，達到55%～80%（2#點達到379%）。后臺的應力增幅相對較小，為30%～40%。故考慮板簧的扭轉剛度對車架前段應力（前臺附近）影響較大，后端影響較小。

表3 有無扭轉剛度對結果影響 應力單位：MPa

9# 51 70 37%10# 26 41 58%11# 14 18 29%12# 32 45 41%

4.2 重心偏載的影響

將上裝混凝土重心偏載300mm后，保持模型其余部分不變，統(tǒng)計圖4所示測點的應力值，獲得如表4所示應力，分析可以得出：重心偏載后，車架由前往后應力增幅逐漸變大，特別是對靠背梁以后部分的影響最大，為94%～1286%。其中后臺11#與12#測點增加幅度達12倍。

圖4 測點布置圖

表4 偏載前后對結果影響 應力單位：MPa

5 模型改進后結果分析

同時考慮板簧的扭轉剛度（板簧由1D彈簧單元改為2D殼單元）及重心偏載的影響，將有限元模型改進后，計算結果與試驗結果如下。

5.1 輪荷對比

扭曲路上輪荷測試如圖5所示，模型重心偏載后，試驗與仿真的輪荷的最大誤差減小為15%，特別是中后橋部分的載荷，試驗與仿真吻合較好，最大誤差為7.1%，如表5所示。

表5 扭曲路上輪荷測量 單位：kg

5.2 車架扭轉角對比

測試方法：將車停在扭曲路上，利用傾角儀測量車架上各衡量相對水平面的傾角。測試與仿真的結果對比如表6所示。

表6 濰柴滿載測點傾角 單位：度

（1）考慮板簧扭轉剛度與重心偏移后，總的扭轉角為4.8°，與試驗所測值4.7°相吻合。

（2）車架各段變形仿真與試驗基本吻合。整體各測點的試驗仿真誤差不超過0.2°。

圖5 輪荷測試圖

5.3 車架應力對比

模型改進后，獲取圖3所示位置的應力，將仿真結果與試驗結果對比如表7所示。

表7 試驗值與仿真值對比 應力單位：MPa

從表7可以看出，考慮板簧扭轉及重心偏載后，試驗與仿真的結果吻合較好，除去10#應力數(shù)值較小，誤差較大外（35.5%）,其余各處誤差均在30%以內(nèi)，相對改進前而言，精度取得很大幅度提升。

6 結語

本文建立了考慮板簧扭轉剛度及重心偏載情況下的有限元模型，并將仿真結果與試驗結果從三方面進行了對比，得到以下結論：

（1）板簧扭轉剛度對車架前端應力（前臺附近）的影響較大，對后端（靠背梁以后）影響較小。

（2）重心偏載使車架由前往后應力增幅逐漸變大，其中對靠背梁以后部分（包括后臺）的影響最大，尤其后臺部分測點增加幅度高達12倍。

（3）考慮板簧扭轉剛度（2D殼單元板簧）及重心偏載下的有限元模型準確可靠。