越野車用分段式縱梁車架結(jié)構(gòu)研究

陳玉寶 安立新 趙寰

關(guān)鍵詞：車架;分段式縱梁;載荷譜測(cè)試

0引言

某型號(hào)越野車裝配了大行程獨(dú)立懸架、門式橋、自動(dòng)充放氣等總成系統(tǒng)，車輛具有較高的機(jī)動(dòng)性能及越野性能;車架作為整車的基體，連接各大總成，承載著全部的簧上質(zhì)量，并承受著路面?zhèn)鬟f的沖擊載荷，車架受力狀況極其復(fù)雜，為此不僅需要車架具有高強(qiáng)度同時(shí)也需具有高剛度。

本文依據(jù)設(shè)計(jì)原則及布置需求，進(jìn)行了分段式越野車車架的研究與應(yīng)用，利用有限元計(jì)算等輔助設(shè)計(jì)解決分段式車架設(shè)計(jì)難題，并通過道路載荷譜測(cè)試、整車可靠性試驗(yàn)等驗(yàn)證了方案的可行性。

1分段式車架結(jié)構(gòu)方案探究

1.1方案構(gòu)想

越野車由于懸架上下跳動(dòng)行程、整車高度及人員布置等因素限制，車架常設(shè)計(jì)為前后翹曲結(jié)構(gòu)。該種車架結(jié)構(gòu)對(duì)于中型及以上越野車的縱梁成型困難，且不利于系列化開發(fā)。

本文基于此，進(jìn)行了分段式縱梁車架結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)，將車架縱梁設(shè)計(jì)為三段式結(jié)構(gòu)，如圖2（4x4車架）、圖3（6x6車架）所示，前段縱梁截面在高度、寬度方向均變化，局部結(jié)構(gòu)為盒型斷面，以滿足懸架系統(tǒng)跳動(dòng)行程要求及車架本身扭轉(zhuǎn)剛度需求;中段縱梁設(shè)計(jì)為直槽形結(jié)構(gòu)，便于變換軸距的變型車開發(fā);后段縱梁同步考慮4x4、6x6兩種車型的縱梁開發(fā)，橋位置縱梁外形結(jié)構(gòu)相同。車架前后共布置5根（6x6車6根）橫梁：車架前部及后部布置2根橫梁，保證車架總成的扭轉(zhuǎn)剛度及方便前、后拖鉤的安裝，各段縱梁搭接處布置1根橫梁，以保證各段縱梁連接強(qiáng)度，中段縱梁中間位置布置一根橫梁總成，以提高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及剛度，6x6車架在二、三橋之間布置中橋橫梁，以保證車架寬度，便于橋總成的安裝。

1.2開發(fā)目標(biāo)值

1.2.1動(dòng)剛度目標(biāo)值

為避免共振，車架動(dòng)態(tài)剛度開發(fā)目標(biāo)值應(yīng)大于車輛行駛時(shí)路面激振頻率（約5～7Hz）并避開發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速振動(dòng)頻率（約37Hz），結(jié)合現(xiàn)有車架參數(shù)，設(shè)定動(dòng)剛度開發(fā)目標(biāo)如表1所示。

1.2.2靜剛度目標(biāo)值

為保證越野性能，車架應(yīng)有較高的靜剛度值，因此設(shè)定軸間彎曲剛度最小目標(biāo)值為9x10N/㎡，扭轉(zhuǎn)剛度最小目標(biāo)值為9x10N·㎡/rad。

1.2.3靜強(qiáng)度目標(biāo)值

靜強(qiáng)度開發(fā)目標(biāo)值設(shè)定為安全系數(shù)大于1。

1.3可行性分析

1.3.1工藝性分析

縱梁分段后成形性更好。

1.3.2計(jì)算分析

（1）動(dòng)剛度分析

利用HyperMesh軟件對(duì)車架總成進(jìn)行自由狀態(tài)下模態(tài)分析，分析結(jié)果如表2所示。

從計(jì)算結(jié)果看，車架模態(tài)值滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值。但從車架整體振形圖可以看出兩段縱梁搭接處尤其中、后段縱梁搭接處振形不平緩，此種振形會(huì)在不平緩處存在局部應(yīng)力集中及剛度突變。更改后對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果模態(tài)值變化不大，但振型變得平緩，動(dòng)態(tài)剛度符合目標(biāo)值。

（2）靜剛度分析

軸間彎曲剛度公式為

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為

GI=TI/e

（2）

式中T為扭矩，I為軸距，e為轉(zhuǎn)角。

根據(jù)公式（1）與（2）進(jìn)行車架靜態(tài)剛度計(jì)算，結(jié)果如表3所示，滿足目標(biāo)開發(fā)值。

（3）靜強(qiáng)度分析

對(duì)車架進(jìn)行垂直彎曲及扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算：

從計(jì)算結(jié)果可以看出4x4車車架第三車身懸置孔邊處（圖3標(biāo)注位置）前后段縱梁圓角處為應(yīng)力較大，為此在第三懸置位置增加墊板，并加大前、后縱梁變截面處的圓角半徑，以消除應(yīng)力集中，改進(jìn)后計(jì)算結(jié)果如表4所示。

垂直工況車身懸置位置連接螺栓邊緣（圖4標(biāo)注位置）應(yīng)力較大（694MPa），扭轉(zhuǎn)工況后段縱梁變寬度圓角處（圖5標(biāo)注位置）應(yīng)力較高（657MPa），為此在車身懸置孔處增加墊板，同時(shí)優(yōu)化車架后段縱梁變截面結(jié)構(gòu)，改后計(jì)算結(jié)果如表5所示。從計(jì)算結(jié)果看，車架強(qiáng)度滿足使用要求。

2驗(yàn)證

2.1道路載荷譜測(cè)試

在定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)6x6整車進(jìn)行道路載荷譜測(cè)試工作，測(cè)試路況分為強(qiáng)化壞路及越野路。在6x6車架選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，使用三向應(yīng)變片進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試。在強(qiáng)化路及越野路多次測(cè)量，消除奇異值后，大應(yīng)力測(cè)點(diǎn)時(shí)間歷程信號(hào)如圖。6、7所示。

從圖中看出扭轉(zhuǎn)工況測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值最大，越野路工況測(cè)點(diǎn)總體應(yīng)力值高于強(qiáng)化路工況應(yīng)力值，顯示扭轉(zhuǎn)工況是引起高應(yīng)力的主要原因。

測(cè)量值結(jié)果如圖8所示。可以看出，測(cè)量點(diǎn)S7（懸置孔邊緣位置）應(yīng)力值最大，為297MPa，小于材料屈服極限。測(cè)量結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果在趨勢(shì)上基本吻合。車架強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

2.2可靠性試驗(yàn)

對(duì)3輛4x4車型和3輛6x6車型進(jìn)行了30000km可靠性試驗(yàn)，路試項(xiàng)目包括12000km強(qiáng)化路、6000km越野路段、6000km高速環(huán)路，以及6000km山區(qū)道路，6輛樣車的車架均通過可靠性試驗(yàn)，無故障發(fā)生。

3結(jié)束語

本文針對(duì)越野車分段式縱梁車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析并進(jìn)行了驗(yàn)證，解決了設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)難點(diǎn)，該種分段式縱梁車架結(jié)構(gòu)車型滿足越野車使用要求。該種車架縱梁結(jié)構(gòu)便于系列化車型開發(fā)，較大的減少了研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，可為越野車車架設(shè)計(jì)提供參考。