自卸汽車車廂縱梁強(qiáng)度校核分析

鄭莉， 周瓊

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系， 江西 南昌 330013)

自卸汽車車廂縱梁不僅承載著車廂自重和載質(zhì)量，在車廂傾卸時，還受到來自舉升機(jī)構(gòu)的舉升力作用，此時車廂縱梁的負(fù)荷較大。因此,在車廂設(shè)計前，需根據(jù)整車布置對車廂縱梁強(qiáng)度進(jìn)行校核計算，據(jù)此選擇合適的車廂縱梁截面和材料。

1 自卸汽車車廂縱梁的結(jié)構(gòu)和材料

自卸汽車車廂縱梁多為平直且截面形狀不變，截面形狀一般有匚形(見圖1)和口形(見圖2)兩種。匚形截面可由普通鋼板機(jī)械加工而成，也可以是槽鋼；口形截面為矩形鋼管或方形鋼管，也可由槽鋼對接焊接而成?？v梁截面的形狀和尺寸決定其截面系數(shù)，而縱梁材料決定其許用應(yīng)力?？箯澖孛嫦禂?shù)越大，縱梁的抗彎性能越好；許用應(yīng)力越大，則縱梁的安全性越高。因此，縱梁的結(jié)構(gòu)和材料極為重要。

h為高度；b為腿寬度；t為腰厚度。

2 自卸汽車車廂縱梁強(qiáng)度的校核計算

以某公司自卸汽車為例，對車廂強(qiáng)度進(jìn)行校核計算。

2.1 自卸車概況

該車型設(shè)計載質(zhì)量為855 kg，考慮到實際使用中存在的超載現(xiàn)象，以2 000 kg的載質(zhì)量進(jìn)行校核。車廂未進(jìn)行舉升時，等同于非自卸車廂，車廂不受垂直方向的彎曲應(yīng)力，車廂縱梁強(qiáng)度能滿足使用要求。車廂舉升過程中，車廂受到載荷G、舉升機(jī)構(gòu)舉升力F和后翻轉(zhuǎn)處的力N的作用。隨著舉升角度的增大，載荷G相對于后翻轉(zhuǎn)點的力臂逐漸減小，而舉升力F相對于后翻轉(zhuǎn)點的力臂逐漸增大。根據(jù)力矩平衡原理，舉升力F將隨著舉升角度的增大而減小。因此,車廂剛舉升時，舉升力F最大，車廂縱梁負(fù)荷最大，故只需對這種情況下的車廂進(jìn)行強(qiáng)度校核計算。下面根據(jù)整車總體布置確定的舉升機(jī)構(gòu)方式及安裝點，在載重2 000 kg(不含車廂自重200 kg)舉升時對車廂縱梁強(qiáng)度進(jìn)行分析。

圖2 自卸汽車車廂縱梁的截面形狀(口形截面)

車廂縱梁受力見圖3。假設(shè)車廂受貨物及自身重力G作用,且均勻分布，O點為載荷質(zhì)心；車廂縱梁長度L=2 510 mm，點A、B為縱梁兩端點；點C為舉升桿與車廂鉸接點，點D為車廂后翻轉(zhuǎn)點；舉升桿產(chǎn)生舉升力F，D點處對車廂形成壓力N；點E為重力G與舉升力F的延長線交點，ED為力N的作用方向；車廂為均勻舉升。

以D點為旋轉(zhuǎn)點，根據(jù)力矩平衡，有：

G×1 134.669=F×740.216

圖3 車廂縱梁受力示意圖(單位：mm)

F=G×1 134.669/740.216≈1.533G

以C點為旋轉(zhuǎn)點，根據(jù)力矩平衡，有：

G×332.972=N×534.254

N=G×332.972/534.254≈0.623G

力F在Y方向的分力為：

FY=Fsin75°≈1.481G

力N在Y方向的分力為：

NY=FY-G=0.481G

2.2 車廂縱梁所受內(nèi)力及彎矩

按G=(2 000 kg+200 kg)×9.8 N/kg=21 560 N計算。AC段長度a=1 629.661 mm，CD段長度b=801.697 mm?，F(xiàn)以截面法求距離A點x距離的縱梁截面的內(nèi)力Q和彎矩M,并分為AC、CD和DB段來計算。車廂縱梁數(shù)量為2。

在AC段，以截面左端計算，合力為零，力矩平衡，則內(nèi)力為：

Q=xG/L/2=4.294 8x(0

彎矩為：

M=xG/L/2×x/2=2.147 4x2(0

在CD段，以截面左端計算，合力為零，力矩平衡，則內(nèi)力為：

Q=-(FY-Gx/L)/2=4.294 8x-15 961.484

(a

彎矩為：

M=-[FY(x-a)-Gxx/2L]/2=2.147 4x2-

15 961.484x+26 011 807.976 9

(a

在DB段，以截面右端計算，合力為零，力矩平衡，則內(nèi)力為：

Q=-0.5G(L-x)/L=4.298 4x-10 780

(a+b

彎矩為：

M=-0.5G(L-x)(L-x)/2L=-2.147 4x2+

10 780x-13 528 900 (a+b

根據(jù)以上計算結(jié)果，車廂縱梁所受內(nèi)力及彎矩分別見圖4、圖5。

圖4 車廂縱梁所受內(nèi)力

圖5 車廂縱梁所受彎矩

由圖4、圖5可知：在C點處，車廂縱梁所受內(nèi)力及彎矩均最大。

2.3 車廂縱梁強(qiáng)度校核

縱梁所受最大彎曲應(yīng)力δmax=Mmax/WZ(WZ為車廂縱梁的抗彎截面系數(shù))。對于由普通鋼板機(jī)械加工而成的匚形截面，WZ為：

WZ=(h+6b)th/6

以2 400 mm軸距平板車廂縱梁尺寸計算：

WZ=(h+6b)th/6=(50+6×55)×2×

50/6=38 000/6 mm3

Mmax=5 703 081.639 35 N·mm，則：

δmax=Mmax/WZ=900.486 6 N/mm2

該縱梁材料為Q235薄鋼板，屈服強(qiáng)度δs=235 MPa<δmax，該縱梁用于自卸汽車車廂，在舉升時會斷裂。若仍使用該結(jié)構(gòu)，在h和b不變的情況下，厚度t至少需增至t=2δmax/δs=900.486 6×2/235≈7.7 mm,從成本上考慮該結(jié)構(gòu)不適用。

如果縱梁材料換為Q235的8#槽鋼，根據(jù)GB/T 707-1988《熱軋槽鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》，其截面模量Wx=25 300 mm3,則:

δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/25 300=

225.418 N/mm2<δs=235 MPa

8#槽鋼能滿足使用要求。但考慮到δmax較接近δs，且實際舉升過程并非均勻舉升，δmax的實際值比計算值大，出于安全考慮，不宜采用8#槽鋼制作該自卸汽車車廂縱梁。

如果縱梁材料換為Q235的10#槽鋼，根據(jù)GB/T 707-1988，Wx=39 700 mm3，則：

δmax=Mmax/Wx=5 703 081.639 35/39 700=

143.654 4 N/mm2<δs=235 MPa

10#槽鋼能滿足使用要求，可用作該自卸汽車車廂縱梁。

若縱梁材料換為Q235的(80×60×4) mm矩形鋼管，根據(jù)GB/T 3094-2000《冷拔異型鋼管》，其截面模量Wy=23 190 mm3，則：

δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/23 190=

245.928 5 N/mm2>δs=235 MPa

(80×60×4) mm矩形鋼管不能滿足使用要求，在車廂舉升時縱梁會斷裂。

若縱梁材料換為Q235的(80×60×5) mm矩形鋼管，查GB/T 3094-2000，Wy=27 680 mm3，則：

δmax=Mmax/Wy=5 703 081.639 35/27 680=

206.036 N/mm2<δs=235 MPa

(80×60×4) mm矩形鋼管能滿足使用要求，可用作該自卸汽車車廂縱梁。

根據(jù)以上計算分析結(jié)果，10#槽鋼和(80×60×5) mm矩形鋼管都能滿足使用要求。在實際生產(chǎn)制造過程中，從材料成本及備料方面考慮，該車型車廂縱梁最終采用10#槽鋼來制作。

3 結(jié)語

上述車廂縱梁校核計算方法是最基本的一種，其他不同結(jié)構(gòu)、材料的自卸汽車車廂縱梁可參照該方法進(jìn)行校核計算。該車型已通過兩輪試裝驗證及可靠性試驗，結(jié)果表明，車廂的強(qiáng)度能滿足整車承載要求，與校核計算結(jié)論吻合。