一種重卡車架輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

嚴國祥，薛士博，王雪飛，蔣 巖

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電商、快遞業(yè)呈爆發(fā)式增長，貨物運輸量劇增，導致商用物流車需求加大，物流運輸行業(yè)競爭加劇。為控制成本，增加貨運量，各物流企業(yè)對車輛的性能、油耗、載質(zhì)量利用率要求越來越高，而解決上述問題的最佳方案莫過于減重。輕量化設(shè)計對傳統(tǒng)燃油汽車而言可顯著降低油耗；對新能源汽車則可增加續(xù)航能力；對于商用物流車最明顯的優(yōu)勢是多拉貨物，空載時降低油耗，從而在相同運費情況下增加收益，顯著提升競爭力。

車架材料主要是500L大梁鋼及6×××系鋁合金擠壓型材，是負責承載整車上部載荷的核心部件[1-2]。因此，在車架輕量化設(shè)計時就要充分考慮其強度。目前鋼制車架的縱梁、橫梁普遍采用高強鋼板折彎成型，再鉚接而成。相對于普通鋼制車架，高強鋼車架在鋼板壁厚上做了一定程度的減薄，因其材料屈服和抗拉強度高，既能滿足使用要求，輕量化效果也不錯。但因鋼板壁厚薄，若工作環(huán)境惡劣就很容易被銹蝕，影響車架強度，使用壽命很短。鋁合金密度僅為鋼的三分之一，其表面有一層致密的氧化膜，可以隔絕空氣與鋁的接觸，作為車架材料永不會生銹，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，可以實現(xiàn)又輕、又強、又耐用效果，對于車架的輕量化很有意義[3]。

汽車在行駛時，車架在承載貨物的同時還承受來自裝配在其上的各部件傳來的力及其相應的力矩的作用。當汽車行駛在崎嶇不平的道路上時，車架在載荷作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，使安裝在其上的各部件相互位置發(fā)生變化。當車輪受到?jīng)_擊時，車架也會相應受到?jīng)_擊載荷。因而要求車架具有足夠的強度、合適的剛度，同時盡量減輕重量。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在產(chǎn)品開發(fā)階段，對車架靜應力、剛度、振動模態(tài)以至動應力和碰撞安全等均可以進行有限元分析，對其輕量化、使用壽命，以及噪聲和振動特性也可以做出初步判斷，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。本文利用有限元分析工具模擬了滿載狀態(tài)下側(cè)向、對扭等工況，重點分析了各個橫梁連接結(jié)構(gòu)強度，為重卡車架輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論分析和數(shù)據(jù)支持。

1 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車車架結(jié)構(gòu)形式通常采用邊梁式、中梁式和綜合式三種車架結(jié)構(gòu)，載貨汽車車架多采用邊梁式結(jié)構(gòu)。邊梁式結(jié)構(gòu)車架的承載能力不僅與縱梁有關(guān)，還與橫梁有關(guān)，橫梁用來保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，載貨汽車車架總成由兩邊的縱梁和5～6根橫梁組成[3-4]。鋼鋁混合車架設(shè)計參考普通鋼制車架結(jié)構(gòu)，按等強度原則設(shè)計，以最大程度減重。通常，縱梁的上翼板沿全長不變或局部降低，前后兩端根據(jù)車軸及懸架系統(tǒng)高度，將下翼板抬高，并在變截面處做均應力過渡，車架寬度尺寸根據(jù)懸架形式確定。若前部選用空氣懸架，后部為板簧懸架，則縱梁為前寬后窄；若前后均為板簧或空氣懸架，則縱梁等寬。

1.1 車架主體

車架主體采用傳統(tǒng)非全承載梯形結(jié)構(gòu)，由兩根相互平行但開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型鋼制縱梁及橫梁組件通過鉚接或螺接而成。橫梁組件除后橋平衡懸架橫梁外，均采用6×××系鋁合金型材制成，橫梁的布置和間距根據(jù)底盤其它功能件的安裝空間合理設(shè)計，如圖1所示。

圖1 車架主體

1.2 車架縱梁

車架縱梁采用前后等寬通直梁形式，縱梁為傳統(tǒng)槽型斷面結(jié)構(gòu)，材料采用500L鋼。

1.3 車架橫梁

第一橫梁組件因連接件為鑄鋼，橫梁為圓管，若改為鋁合金，無法與鑄鋼件連接，因此仍沿用鋼制結(jié)構(gòu)。

第二橫梁組件由T型材與折彎后的帶槽T型材插接后角焊焊接，形成上平下拱的橫梁焊合，然后再通過鉚釘或法蘭螺栓與L型過渡板連接而成，如圖2（a）所示。

第三、第四及第五橫梁組件共同承擔車架中部抗扭轉(zhuǎn)的作用。第三、四橫梁組件結(jié)構(gòu)相同，中間橫梁為C型鋁型材，與縱梁通過L型過渡型材連接，型材內(nèi)圓角與鋼制結(jié)構(gòu)相比做了加大處理，以避免應力集中，如圖2（b）所示。第五橫梁組件因下翼板為拱形，橫梁拆分成兩個零件，經(jīng)機加、焊接而成。

圖2 車架橫梁

第六橫梁組件位于后橋平衡懸架部位，承受來自地面的動載荷較大，因此該處有鋼鋁兩種方案，第一種方案采用鋁合金工字型材與L型型材鉚接制成，考慮到此結(jié)構(gòu)為應力集中區(qū)域，著重加厚加高，如圖3（a）所示。第二種方案采用原鋼制結(jié)構(gòu)，橫梁由雙槽型折彎鋼板背靠背焊接而成，與縱梁通過4個L型過渡板連接，如圖3（b）所示。第七橫梁及管梁位于車架中后部非應力集中處，起到輔助抗扭作用。第八橫梁即尾梁，使車架后部形成一個封閉型的框架，承擔著車架后部的抗扭轉(zhuǎn)作用。

圖3 第六橫梁組件的兩種構(gòu)成方案

2 有限元分析

采用有限元法對鋼鋁混合結(jié)構(gòu)的兩種方案以及原鋼制結(jié)構(gòu)進行對比分析，了解并掌握其在運輸過程中的受力狀態(tài)，對車架的使用、更換和故障預測具有重要的指導意義，同時也為結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)及優(yōu)化提供可靠的理論基礎(chǔ)。

2.1 有限元模型

兩種方案均使用鋼制車架縱梁，第二、第三、第四、第五、第七、第八橫梁組件等均為鋁合金結(jié)構(gòu)。區(qū)別在于，方案1中所有鋁合金橫梁組件均使用Al6082-T6材質(zhì)，方案2中第六橫梁組件為原鋼制結(jié)構(gòu)，其余鋁合金橫梁組件均使用Al6061-T6材質(zhì)。忽略非主要承載件以及懸架系統(tǒng)，對模型進行抽中面處理，采用殼單元模擬型材及板材件，螺栓以及焊接方式用剛性單元模擬。

材料屬性均按照國家標準GBT 6892-2006和GB/T 3273-2005執(zhí)行[1-2]，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 車架材料屬性

2.2 分析及討論

2.2.1 強度分析

為了更真實地模擬車輛在實際運輸過程中的受力狀態(tài)，本文研究該車架在承受滿載條件下的側(cè)向及對扭兩種工況的應力應變狀態(tài)，滿載按31 t計。詳細強度分析結(jié)果見表2。

（1）側(cè)向工況：車輛滿載靜止或勻速行駛，垂向載荷動載系數(shù)取K=1.5，側(cè)向載荷動載系數(shù)取K=0.4。

（2）對扭工況：輛滿載靜止或勻速行駛，垂向載荷動載系數(shù)取K=1.5，一軸左前輪、三軸四軸右后輪分別施加強制向上位移300 mm，二軸釋放。

方案1的對扭工況強度分析結(jié)果如圖4所示。第六橫梁及連接板的最大等效應力為315.51 MPa，大于Al6082-T6的屈服強度260 MPa。第六橫梁應力云圖中的深色區(qū)域內(nèi)表明已經(jīng)發(fā)生塑性變形。管梁與連接板的焊縫區(qū)域應力小于焊縫屈服強度：即80.26 MPa＜156 MPa，符合強度指標?？傮w來看，方案1的第六橫梁組件強度不足，應對其進行加強優(yōu)化。

圖4 方案1的對扭工況應力云圖

表2 強度分析結(jié)果對比表（強度/MPa）

2.2.2 剛度分析

車架的彎扭剛度對整車剛度的影響相當大，在設(shè)計過程中，需要校核車架剛度在各種工況條件下的變化，并判斷其是否滿足使用要求。整車剛度主要包括車身剛度和車架彎扭剛度，但車身覆蓋件由模具成形，要進一步輕量化困難很大。因此，車架結(jié)構(gòu)輕量化的優(yōu)化設(shè)計對于提高整車剛度、増加承載能力是非常重要的[5]。詳細剛度分析結(jié)果見表3。

根據(jù)強度分析結(jié)果，方案1不滿足強度要求，故選用方案2與原鋼制結(jié)構(gòu)方案進行剛度分析對比，情況如下：

（1）原鋼制結(jié)構(gòu)方案

兩加載點平均撓度f=0.12226 mm

彎曲剛度CB=F/f[1]=16358.58 N/mm

扭轉(zhuǎn)角α=（f1+f2）/L=0.00391°

扭轉(zhuǎn)剛度Kt=πFL/180α=4822.68 N·m/（°）

（2）方案2

兩加載點平均撓度f=0.121673 mm

彎曲剛度CB=F/f=16437.50 N/mm

扭轉(zhuǎn)角α=（f1+f2）/L=0.004°

扭轉(zhuǎn)剛度Kt=πFL/180α=4714.17 N·m/（°）

表3 剛度分析結(jié)果對比表

2.2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要進行一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、一階側(cè)向彎曲模態(tài)及一階垂向彎曲模態(tài)，詳細模態(tài)分析結(jié)果見表4。

表4 模態(tài)分析結(jié)果對比表

因此，從上述有限元對比分析結(jié)果可知，全鋁橫梁結(jié)構(gòu)的方案1不滿足強度要求，而鋼鋁混合橫梁結(jié)構(gòu)的方案2在強度、剛度及模態(tài)等三方面基本符合理論要求，是合理可行的。另外方案2還對車架強度薄弱部位進行了適當加強，提升了車架的實用性和可靠性。

3 結(jié)論

通過合理設(shè)計型材斷面和車架結(jié)構(gòu)，選用可靠的連接方式，結(jié)合有限元仿真分析，優(yōu)化后的鋼鋁混合車架比傳統(tǒng)鋼制車架不僅減重效果明顯（減重約40%），而且強度和剛度也可滿足載荷要求。此次設(shè)計為重卡輕量化探明了一個方向，有助于鋁合金材料在卡車行業(yè)的推廣及應用。

結(jié)合現(xiàn)代工藝上的不足，我國對汽車輕量化的新工藝方法研究將不斷持續(xù)，使輕量化的設(shè)計更好地應用在重型商業(yè)汽車運輸上，同時將“低碳經(jīng)濟效應”應用在物流業(yè)及汽車運輸中，降低經(jīng)濟成本，提高運輸質(zhì)量與安全系數(shù)，為我國的企業(yè)、社會公眾及環(huán)境保護做出一份貢獻。