中型自卸車主車架的力學(xué)分析

魏文濤 周盼

摘 要：文章以中型自卸車的主車架為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析。首先對(duì)其進(jìn)行了彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況下的靜強(qiáng)度校核。然后，對(duì)主車架進(jìn)行了自由模態(tài)分析，研究路面輸入、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下主車架的動(dòng)態(tài)特性。分析結(jié)果顯示該車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)性能均滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：主車架;靜強(qiáng)度分析;模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-139-04

Abstract： The main frame of a medium dumper is employed in this paper for static and dynamic analysis. Static strength of main frame is checked under bending and torsion condition. Then free modal analysis is carried out to study the dynamic characteristics of main frame under road input and engine excitation. The results show that structural strength and dynamic performance of the frame meet the operating requirements.

Keywords： Main frame; Static strength analysis; Modal analysis

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-139-04

前言

公路運(yùn)輸自卸車有著非常多的應(yīng)用場(chǎng)合，在建筑業(yè)和運(yùn)輸業(yè)中擔(dān)任著著不可或缺的重要角色。主車架作為整車的框架結(jié)構(gòu)，連接起自卸車的各部件，承擔(dān)著全部的載荷，故其力學(xué)性能對(duì)整車的承載能力與安全性有重要影響。

本文首先對(duì)主車架進(jìn)行了彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況下的靜強(qiáng)度校核。隨后，對(duì)主車架進(jìn)行了自由模態(tài)分析，研究路面輸入、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下主車架的動(dòng)態(tài)特性。

1 主車架結(jié)構(gòu)

主車架為邊梁式車架，該車架結(jié)構(gòu)由兩根縱梁與連接兩根縱梁的若干橫梁組成，其上安裝各種附件十分簡(jiǎn)便，車輛的改裝變形也很容易。

主車架總長(zhǎng)6690mm，縱梁高300mm，寬866mm，主車架結(jié)構(gòu)如圖1。

2 主車架的有限元模型

有限元網(wǎng)格的劃分是建立有限元模型最重要的步驟。為保證單元質(zhì)量并盡量采用較少的單元，對(duì)主車架手動(dòng)劃分六面體網(wǎng)格，共劃分763246個(gè)單元，見(jiàn)圖2和3。

3 主車架的靜力分析

主車架使用B610L鋼，其楊氏模量為2.1×105Mpa，泊松比0.3，密度7890kg/m3。材料屈服極限為500MPa。

為防止車架在使用過(guò)程中遇到特殊情況導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使其最大應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力，許用應(yīng)力[σ]由屈服極限σs得到：

式中n 為安全系數(shù)，取1.5。計(jì)算可知許用應(yīng)力為333 MPa，所有該車架最大應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)333MPa。

3.1 彎曲工況分析

主車架是整車最主要的承載構(gòu)件，下方由車橋和鋼板彈簧支撐，上方承載車頭、動(dòng)力與傳動(dòng)總成、副車架及其上的貨物以及其他零件。忽略一些影響較小的部件以及自重，剩余的載荷以節(jié)點(diǎn)力的形式加載在主車架對(duì)應(yīng)位置上。發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和變速器按照總質(zhì)量1000kg估算，在主車架四個(gè)支撐點(diǎn)加載各2450N的力，平均分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上;車頭按照1000kg估算，由主車架上的兩個(gè)支撐點(diǎn)和前部?jī)蓚€(gè)鉸支座支撐，各加載各2450N的力，平均分布在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，其中鉸支座的力只分布在內(nèi)孔下半圓內(nèi)表面上。副車架總長(zhǎng)4160mm，對(duì)主車架以均布載荷的方式加載在主車架后半部分上面每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，總載荷105889N。中間四個(gè)車橋支撐點(diǎn)下地面全約束，前后四個(gè)車橋支撐點(diǎn)約束五個(gè)自由度，沿縱梁方向的移動(dòng)不約束。主車架的自重以重力卡片形式添加。主車架載荷與約束見(jiàn)圖4。

求解完成后，使用Hyperview查看主車架的位移云圖和應(yīng)力云圖，分別如圖5和圖6。

分析可知，彎曲工況時(shí)主車架最大位移為2.27mm，最大應(yīng)力為235.5MPa，小于許用應(yīng)力333Mpa，因此彎曲工況下主車架強(qiáng)度滿足要求。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況分析

自卸車行駛時(shí)，可能會(huì)遇到凹凸不平的路面，導(dǎo)致一個(gè)車輪懸空，此時(shí)主車架會(huì)受到扭轉(zhuǎn)。由于后軸的軸荷分配大于前軸，滿載時(shí)貨物質(zhì)量很大且主要由后軸承受，故應(yīng)當(dāng)研究某一側(cè)后輪懸空時(shí)的扭轉(zhuǎn)工況[1]。

主車架受扭時(shí)，載荷均不發(fā)生改變，但由于一側(cè)后輪懸空，故該車輪對(duì)應(yīng)懸架支撐座處的約束會(huì)發(fā)生改變。本文選取左后輪懸空，左后輪對(duì)應(yīng)的懸架支撐座處約束改變?yōu)椴患s束，即該處釋放全部自由度，其他約束與所受載荷和彎曲工況相同。

扭轉(zhuǎn)工況下主車架的應(yīng)變與應(yīng)力云圖分別如圖7和圖8所示。

可以看出，主車架扭轉(zhuǎn)工況時(shí)最大應(yīng)力為281.0MPa，最大位移為3.10mm。最大應(yīng)力值均小于333MPa，故扭轉(zhuǎn)工況下主車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4 主車架的模態(tài)分析

通過(guò)研究結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性加以分析和改進(jìn)，能夠有效避免共振對(duì)結(jié)構(gòu)引起的嚴(yán)重?fù)p害[2]。本文研究了結(jié)果更具有一般性的自由模態(tài)。

4.1 外部激勵(lì)分析

車輛在行駛時(shí)主要受到路面不平和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳來(lái)的激勵(lì)[3]。路面激勵(lì)一般在20Hz以下。發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率按式（2）計(jì)算。