輕型商用車車架縱梁及總成性能研究

吳成平，鄧正維，徐彩明，蔣云鵬，楊希志

（浙江吉利新能源商用車發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311200）

1 前言

在商用載貨車輛上，車架總成是最為關(guān)鍵重要件之一，其一方面支撐承載了動(dòng)力總成、底盤、車身、電器及其余總成與相關(guān)專用設(shè)備，另一方面需要承受來自車輛內(nèi)外的各種載荷、振動(dòng)及沖擊。因此車架總成直接影響整車舒適性、平順性、可靠新及安全性。

車架縱梁作為商用載貨車輛車架總成的主要功能件，其斷面尺寸一經(jīng)確認(rèn)開模投產(chǎn)，后期就很難更改（需要耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力）。因此，全新產(chǎn)品在開發(fā)過程中，縱梁斷面尺寸確定過程中，需要對(duì)國內(nèi)外已有成熟車型斷面尺寸進(jìn)行對(duì)比研究，并綜合分析當(dāng)前市場及未來趨勢來確定縱梁斷面尺寸，其中既要考慮輕量化，又要保證其具有足夠的可靠性。

2 槽形斷面梁性能研究

綜合考慮車輛主要承受的是彎曲載荷及零部件安裝方便性等，國內(nèi)外輕型商用車車架多采用槽形斷面縱梁。某輕型新能源商用車車架縱梁斷面設(shè)計(jì)對(duì)主流車型典型斷面的抗彎及抗扭性能進(jìn)行了對(duì)比分析[1][2][3]。

圖1 槽形斷面示意

2.1 槽形斷面梁抗彎性能分析

圖1 中，槽形斷面展開寬度S 的近似計(jì)算公式[3]：

式中：S 為槽形翼面梁展開寬度；h 為腹板內(nèi)高；b 為翼面內(nèi)寬；W、h 及b 單位為mm。

槽形斷面彎曲中心e 可表示為：

式中：b'為中性層翼面寬度；h'為中性層腹板高度；b'、h'單位均為mm。通過彎曲中心e 作用于槽形斷面梁的垂直作用力對(duì)斷面只產(chǎn)生彎曲，不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

槽形斷面抗彎斷面系數(shù)W 一般可按下面兩種方法計(jì)算：

式（3）、式（4）中：t 為板料厚度（mm）；B 為翼面外寬（mm）；b 為翼面內(nèi)寬（mm）；H 為翼面外高（mm）；h為翼面內(nèi)高（mm）；由式（3）可知，抗彎斷面系數(shù)W 與翼面中性層腹板高度h'2、板料厚度t 及中性層翼面寬度b'成正比，因此，h'數(shù)值變化對(duì)抗彎斷面系數(shù)W 影響相對(duì)更大。

槽形斷面梁第i 點(diǎn)處的彎曲應(yīng)力σi（單位M Pa）為：

式中：Mi為第i 點(diǎn)處的彎矩（N.mm）；Wi為第i 點(diǎn)處的抗彎斷面系數(shù)（mm3）。

當(dāng)槽形斷面梁第i 點(diǎn)處的彎矩Mi及此斷面的材料使用為定值時(shí)，如何優(yōu)選槽形斷面梁的高寬比獲得最大抗彎斷面系數(shù)Wi以降低彎曲應(yīng)力σi，是設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)主要考慮的問題。

式（7）、式（8）中：f(m)最終決定了Wy的大小，可稱其為抗彎系數(shù)決定因子；f '(m)最終決定了Wy變化速度的快慢，則稱其為抗彎系數(shù)決定因子趨勢項(xiàng)。

由圖2、圖3 及式（6）可知：

（1）m＜0.75 時(shí)，抗彎斷面系數(shù)Wy隨m 值大小的增加而增加，增加速度逐漸放緩。

（2）m=0.75 時(shí)，抗彎斷面系數(shù)Wy達(dá)最大值。

（3）m＞0.75 時(shí)，抗彎斷面系數(shù)Wy隨m 值大小的增加而減小，減小速度逐漸增大。

（4）設(shè)計(jì)中，建議m 值選取范圍為[0.61，0.69]，當(dāng)然也應(yīng)結(jié)合布置、成本、重量及標(biāo)桿產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等諸多因素綜合考慮。

圖2 抗彎斷面系數(shù)決定因子f(m)

圖3 抗彎斷面系數(shù)決定因子趨勢項(xiàng)f'(m)

表1 典型斷面抗彎性能

由表1 典型斷面抗彎性能中抗彎有效系數(shù)Ev的數(shù)值結(jié)果可知，槽形斷面翼面外高H 變化對(duì)其影響最為明顯。理想槽形斷面抗彎性能應(yīng)是用最小斷面面積A，獲得最大的抗彎斷面系數(shù)Wv；可以用斷面有效利用系數(shù)Wv=Wv/A 來衡量不同斷面綜合抗彎性能優(yōu)劣，Ev（單位為mm）越大，表明所設(shè)計(jì)的斷面綜合抗彎性能越好。由表1 典型斷面抗彎性能可知，綜合抗彎性能由好至壞依次為：IS ＞f ≈ FM＞g ≈ J＞j ≈ F＞G；其中典型斷面IS（尺寸H ×B ×t：214×70×5，單位mm）綜合抗彎性能最好，G（尺寸H ×B ×t：165×60×(4+4)，單位mm）最差。

2.2 槽形斷面梁抗扭性能分析

由于輕型商用車車架通常采用的槽鋼為薄壁結(jié)構(gòu)，其壁厚t 遠(yuǎn)小于斷面尺寸H 和B，稱其為薄壁桿件；薄壁桿件的抗扭剛度為GIt，其中：

本文式（9）中η 取值1.0，δi為薄壁桿件在第i 個(gè)狹長矩形面的短邊尺寸，hi為薄壁桿件在第i 個(gè)狹長矩形面的長邊尺寸（i=1,2，……）。由式（9）可知，薄壁桿件抗扭慣性矩It與hi、δi3成正比，因此，短邊尺寸δi對(duì)槽形斷面影響更大。

表2 典型斷面抗扭性能

理想槽形斷面抗扭性能應(yīng)是能用最小的斷面面積A，獲得最大抗扭慣性矩It；所以可以用斷面有效利用系數(shù)Et=Tt/A來衡量不同斷面綜合抗扭性能優(yōu)劣，Et（單位為mm2）越大，表明所設(shè)計(jì)的斷面綜合抗扭性能越好。由表2 典型斷面抗扭性能可知，綜合抗扭性能由好至壞依次為：G＞IS≈ j ≈J ≈g＞F ≈f＞FM；其中典型斷面G（尺寸H ×B ×t：165×60×(4+4)，單位mm）綜合抗扭性能最好，F(xiàn)M（尺寸H ×B ×t：180×65×4，單位mm）最差。

綜上所述，槽形斷面高寬比m 在推薦的取值范圍內(nèi)，車架縱梁槽形斷面翼面中性層腹板高度h'對(duì)斷面綜合抗彎性能影響最大，薄壁桿件短邊尺寸δi（相當(dāng)板料厚度t）對(duì)斷面抗扭性能影響最大，因此，在槽形斷面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)車型工況綜合考慮抗彎扭需求。

3 不同縱梁斷面尺寸車架總成性能對(duì)比分析

表3 典型縱梁斷面車架總成性能對(duì)比

以某新能源商用載貨車車架總成為基礎(chǔ)，通過對(duì)其縱梁與橫梁在相應(yīng)尺寸上進(jìn)行縮放、變換（不改變各橫梁位置），得到目前主流輕型載貨車輛典型縱梁斷面的車架總成模型。為了評(píng)判不同縱梁斷面車架總成性能，本文定義比彎曲剛度（KB/m）及比扭轉(zhuǎn)模量（I/m），比彎曲剛度值越大表明相同質(zhì)量下彎曲剛度越大，比扭轉(zhuǎn)模量的值越大表明相同質(zhì)量下扭轉(zhuǎn)模量越大，同時(shí)也可初步從剛度角度判斷車架總成的輕量化效果越好[5]。

圖4 比剛度KB/m

圖5 比扭轉(zhuǎn)模量I/m

由表3、圖4 及圖5 的結(jié)果可以得出：

（1）典型斷面縱梁車架總成抗彎性能（比剛度KB/m）輕量化效果由好至壞排列順序?yàn)镮S＞Gd＞Gs＞is＞G＞g ≈f＞FM≈J＞j＞F，其中翼面高度起主導(dǎo)作用。

（2）典型斷面縱梁車架總成抗扭性能（比扭轉(zhuǎn)模量I/m）輕量化效果由好至壞排列順序?yàn)镚s＞IS＞G＞Gd＞J＞j＞is＞f＞F ≈g＞FM，其中板材料厚起主導(dǎo)作用。

（3）對(duì)相同翼面高度及上下翼面寬度的斷面如g-180×60×5（單層）、Gd-180×60×(5+4)（局部加強(qiáng)）及Gs-180×60×(5+4)（雙層梁）而言：局部加強(qiáng)Gd 相比單層g 彎曲剛度值KB值提升了60.8%，扭轉(zhuǎn)模量I 值提升了41.2%，比彎曲剛度KB/m 值提升了26.3%，比扭轉(zhuǎn)模量I/m 提升了11.8%；雙層梁Gs 相比單層g 彎曲剛度值KB值提升了76%，扭轉(zhuǎn)模量I 值提升了77.8%，比彎曲剛度KB/m 值提升了20.1%，比扭轉(zhuǎn)模量I/m 提升了21.3%。

綜上，在高寬比m 取值推薦范圍內(nèi)，增加翼面高度能顯著提升車架總成抗彎性能，增加板材料厚能顯著提高車架總成抗扭性能；雙層梁與局部加強(qiáng)梁相比，對(duì)彎曲性能提升不大，輕量化效果明顯較差。

4 結(jié)論

本文分析了目前主流輕型載貨車輛典型車架縱梁斷面及車架總成性能，有如下結(jié)論：

（1）縱梁斷面高寬比m 建議取范圍為[0.61，0.69]，其取值對(duì)抗彎性能及輕量化效果較關(guān)鍵。

（2）槽形縱梁翼面高度對(duì)抗彎性能其主導(dǎo)作用，板材料厚對(duì)抗扭性能其主導(dǎo)作用。

（3）縱梁局部加強(qiáng)對(duì)車架抗彎性能提升較為顯著，雙層縱梁相比局部加強(qiáng)縱梁對(duì)抗彎性能提升非常有限，輕量化效果變差；局部加強(qiáng)及雙層梁對(duì)車架抗扭性能提升比較明顯；因此，推薦在縱梁關(guān)鍵受力部位通過局部加強(qiáng)方式，既可顯著提升車架總成的抗彎及抗扭性能，又能同時(shí)達(dá)到理想輕量化效果。