淺談輕型載貨汽車車架開發(fā)的幾個問題

余紀(jì)邦，方 亮，徐論意

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 231200）

引言

載貨汽車采用邊梁式車架，這種車架結(jié)構(gòu)簡單，一般由兩根相互平行且開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及若干根沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。其優(yōu)點是便于安裝車身和布置其他各種總成、零部件，易于實現(xiàn)汽車快速變型和市場改裝[1]，因此，被廣泛應(yīng)用于載貨車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車和房車上。

車架是載貨汽車的骨架，是汽車的承載基體，支撐著發(fā)動機(jī)、變速器、轉(zhuǎn)向器、貨箱等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)部件[2]，承受著傳給它的各種力和力矩。為保證車架設(shè)計可靠，需要對車架強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等性能進(jìn)行校核。

本文對車架開發(fā)過程中遇到的問題進(jìn)行總結(jié)，對載貨汽車車架開發(fā)和改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 R角對縱梁截面慣性矩的影響

傳統(tǒng)的縱梁截面慣性矩和截面系數(shù)計算均將縱梁截面簡化為簡單的槽型截面，不考慮圓角的影響。本文通過理論推導(dǎo)，精確計算出考慮圓角的縱梁截面慣性矩和截面系數(shù)，進(jìn)一步提高理論計算精度，減少理論模型誤差。

1.1 縱梁簡化截面計算

常用縱梁截面有圓形、工字形、□形梁、槽形等，由于槽形梁具有抗彎強(qiáng)度大，工藝簡單，零件安裝、緊固方便等特點，應(yīng)用廣泛，因此載貨車車架縱梁常采用槽形結(jié)構(gòu)。

圖1 槽型縱梁簡化截面

根據(jù)材料力學(xué)[3]，很容易得到槽型縱梁簡化截面的慣性矩計算公式I簡：

式中：B為縱梁翼面寬度，mm；H為縱梁腹面高度，mm；T為縱梁料厚，mm。

1.2 槽型縱梁帶R角截面計算

考慮制造工藝性，實際生產(chǎn)槽型縱梁均帶有R角，如圖2。為計算帶R角槽型縱梁截面慣性矩IR，可將截面分成三個部分來計算：翼面慣性矩I1、腹面慣性矩I2、圓角慣性矩I3，即：

圖2 槽型縱梁帶R角截面

根據(jù)材料力學(xué)，很容易得到I1和I2的計算公式：

式中：

R為縱梁外圓角，mm。

從現(xiàn)有的力學(xué)手冊上查不到圓角慣性矩I3的計算公式，需要按下文進(jìn)行理論推導(dǎo)。

1.3 槽型縱梁圓角慣性矩計算

通過R角形心建立xoy坐標(biāo)系，并將其順時針旋轉(zhuǎn)γ°得到x1oy1坐標(biāo)系，使y1軸與Y軸平行，如圖3所示。

圖3 R角慣性矩計算示意圖

根據(jù)工程力學(xué)手冊[4]，很容易得到R角面積A、R角圓心到x軸距離yg、R角對x軸的慣性矩Ix，R角對y軸的慣性矩Iy的計算公式：

根據(jù)材料力學(xué)轉(zhuǎn)軸公式，可以得到R角對x1軸和y1軸的慣性矩Ix1和Iy1：

根據(jù)材料力學(xué)平行移軸公式，可以得到R角對Y軸的慣性矩計算公式IY：

將式（3）、式（4）和式（13）代入式（2）即可得到帶R角槽型縱梁截面慣性矩IR的計算公式。

1.4 舉例

槽型縱梁截面H=180 mm，B=65 mm，t=4.5 mm，R=11.5 mm，r=7 mm，計算結(jié)果I簡=6.381e6mm4，IR=6.095e6mm4，二者相差4.5%，小于工程誤差5%，采用簡化算法可滿足設(shè)計校核使用要求。

2 貨箱對車架剛度的影響

為簡化計算，在車架應(yīng)力有限元計算中，常常忽略貨箱的影響，而直接將貨箱上的載荷以集中力或均布力的形式直接加載到車架上。但是貨箱的結(jié)構(gòu)形式是否會影響到車架受力，這是多數(shù)車架設(shè)計工程師們都關(guān)心的問題。

筆者認(rèn)為貨箱對車架受力的影響，取決于貨箱剛度對車架剛度的影響，可以通過分析光車架與帶貨箱車架的剛度來判斷。

2.1 車架彎曲剛度的計算

計算車架的彎曲剛度是約束前軸和后軸中心上方，并在軸距中心點施加垂直載荷產(chǎn)生變形的簡支梁[5]，如圖4所示。

圖4 車架彎曲剛度計算示意圖

計算車架彎曲剛度，通常考慮軸距的影響。當(dāng)x處在軸距中心點時，即將x=a/2帶車架總成彎曲剛度的表達(dá)式為：

其中：Cw為單位長度上的彎曲剛度，單位為N·m2；

F為集中力載荷，單位為N；a為軸距，單位為m；f為撓度，單位為m。

2.2 車架寬度對扭轉(zhuǎn)剛度的影響

計算車架的扭轉(zhuǎn)剛度是約束后軸中心上方的垂直位移，在前軸中心左縱梁和右縱梁施加一對大小相等方向相反的垂直載荷，讓車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，如圖5所示。

圖5 車架扭轉(zhuǎn)剛度計算示意圖

計算扭轉(zhuǎn)剛度通常也考慮軸距的影響，扭轉(zhuǎn)剛度可由如下數(shù)學(xué)公式表達(dá)：

式中：GJ為扭轉(zhuǎn)剛度，N·m2/rad；G為材料的剪切模量；F為加載載荷，N；θ為扭轉(zhuǎn)角度，rad；L為加載力臂，m；a為車架軸距，m。

2.3 舉例

貨箱通過U形螺栓連接在車架上，如圖6所示。由于車架和貨箱結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，影響剛度的因素也很多，采用傳統(tǒng)的計算很難驗證，目前主要采用有限元軟件進(jìn)行計算。

圖6 貨箱和車架連接形式簡圖

本文借助Hypermesh軟件[6]，分別計算出給定載荷下光車架和帶貨箱車架的彎曲位移和扭轉(zhuǎn)位移，代入式（15）和式（16），從而得出二者剛度，計算結(jié)果見表1。

表1 光車架與帶貨箱車架剛度對比

結(jié)果顯示，帶貨箱車架彎曲剛度增加了80%，扭轉(zhuǎn)剛度增加了427%，表明貨箱剛度對車架剛度影響顯著，在架應(yīng)力有限元分析中不應(yīng)被忽略。另外，扭裝剛度提升四倍多，提醒我們在處理貨箱歪斜問題時，貨箱自身的質(zhì)量特性不應(yīng)被忽視。

3 駕駛室翻轉(zhuǎn)扭桿對車架變形的影響

輕型載貨汽車駕駛室分為可翻和不可翻兩種，因可翻駕駛室維修保養(yǎng)便利，所以主流輕卡均采用可翻駕駛室。為降低翻轉(zhuǎn)力，可翻駕駛一般采用扭桿結(jié)構(gòu)，借助扭桿的扭力，用戶可輕松翻起駕駛室。

當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)角為0°（即駕駛室鎖緊狀態(tài)）時，扭桿的力矩最大（見圖7）。由于扭桿臂端固定（見圖8），扭桿力矩通過扭桿臂傳遞到翻轉(zhuǎn)支架上，再作用在車架上。因此，在車架前端扭桿臂側(cè)會有一個附加力矩，該力矩會使車架前端在該側(cè)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移，該位移量過大會導(dǎo)致駕駛室歪斜，應(yīng)進(jìn)行校核。

圖7 駕駛室翻轉(zhuǎn)扭桿力矩－角度圖

圖8 駕駛室翻轉(zhuǎn)扭桿簡圖

本文借助Hypermesh軟件，在整車彎曲工況下，通過加載翻轉(zhuǎn)扭矩計算改扭矩對車架變形的影響，CAE模型見圖9，分析結(jié)果見表2。

表2 有無翻轉(zhuǎn)扭矩車架前端變形量對比

圖9 彎曲工況帶翻轉(zhuǎn)扭矩CAE模型

結(jié)果顯示，有翻轉(zhuǎn)扭矩車架變形量左右差值為1.4 mm。因駕駛寬度約為車架寬度的2.5～3倍，此變形在駕駛外寬方向會被比例放大。

4 結(jié)論

綜上所述，可得到如下幾點結(jié)論：

（1）采用簡化截面計算縱梁的截面慣性矩誤差在5%以內(nèi)，能夠滿足工程計算要求；采用帶R角截面計算截面慣性矩可進(jìn)一步提升計算精度。

（2）貨箱對車架寬度對車架彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度有顯著影響，在車架應(yīng)力分析和貨箱歪斜問題處理時，應(yīng)予以考慮。

（3）駕駛室翻轉(zhuǎn)扭矩對車架變形有影響，影響大小與車架扭轉(zhuǎn)剛度和翻轉(zhuǎn)扭矩有關(guān)，在車架分析時應(yīng)充分評估，必要時應(yīng)采取變形補(bǔ)償措施。值得一提的是，本文僅分析扭矩對車架變形的影響，該扭矩對駕駛室懸置膠墊的影響應(yīng)一并考慮。