商用車車架橫梁的應(yīng)力分析

劉 剛，趙 強(qiáng)，毛洪海，劉小麗

(濰柴動力股份有限公司上海分公司，上海 201114)

摘要：針對商用車車架常用的管狀橫梁、槽型橫梁及鴨嘴橫梁，利用有限元分析軟件分別建立以3種不同橫梁為主的車架模型并進(jìn)行應(yīng)力對比分析，從模態(tài)、剛度和強(qiáng)度等3個方面分析不同橫梁的車架之間的差別，為不同用途及類型的車架設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：商用車；車架；中間橫梁；應(yīng)力分析

橫梁是商用車車架的重要組成部分，它將左右縱梁連在一起，構(gòu)成一個完整的車架，并保證車架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，以限制縱梁變形和降低某些部位的應(yīng)力，此外橫梁還起著支撐某些總成的作用[1]。商用車車架橫梁一般有管狀橫梁、槽型橫梁、鴨嘴橫梁、方形橫梁等多種形式。在車架上布置位置不同，對橫梁的選擇也會多種多樣。一般情況下，同一車型的中間橫梁采用的結(jié)構(gòu)是相同的。

本文在某底盤其他參數(shù)相同情況下，通過對車架中間橫梁的更改，得出使用管狀橫梁、槽型橫梁和鴨嘴橫梁等3種不同橫梁時車架應(yīng)力的差別，為車架設(shè)計提供參考。

1 車架模型描述

車架主要參數(shù)：整車軸距4 800mm，車架縱梁斷面為230mm×70mm×7mm，縱梁材料屈服強(qiáng)度為600MPa。橫梁主要參數(shù)：管狀橫梁的圓管壁厚為5mm；槽型橫梁的厚度為5mm；鴨嘴橫梁的上下板厚為5mm。圖1(a)為不同中間橫梁的車架結(jié)構(gòu)圖，其中①為管狀橫梁車架，②為槽型橫梁車架，③為鴨嘴橫梁車架；圖1(b)為3種車架中間橫梁的局部圖。

2 車架模態(tài)分析

車架模態(tài)分析只關(guān)注車架自身的振動情況，僅包含縱梁、橫梁及其連接板等構(gòu)件組成的車架總成，懸架系統(tǒng)、車橋、輪胎、上裝及各種支架均不作為考察對象。車架模態(tài)分析為自由模態(tài)分析，不要求邊界約束和載荷施加。車架模態(tài)分析一般要求輸出1～50Hz以內(nèi)的振型，為此共進(jìn)行了10階模態(tài)分析，因3～10階模態(tài)中3種車架頻率變化很小，故只對比1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和1階彎曲模態(tài)。

圖1 3種橫梁結(jié)構(gòu)車架布置圖

從圖2可知，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)中管狀橫梁車架應(yīng)變能集中在鋼管上，槽型橫梁車架和鴨嘴橫梁車架應(yīng)變能在橫梁上分布比較均勻。從圖3可知，1階彎曲模態(tài)中3種橫梁車架應(yīng)變能分布都比較均勻。3種車架1階模態(tài)的頻率見表1。

圖2 1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)應(yīng)變能分布云圖

圖3 1階彎曲模態(tài)應(yīng)變能分布云圖

表1 3種車架模態(tài)頻率表 Hz

1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)1階彎曲模態(tài)管狀橫梁車架6．889．65槽型橫梁車架4．8410．95鴨嘴橫梁車架3．6110．08

由表1可知,鴨嘴橫梁車架1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率明顯較低，管狀橫梁車架1階扭矩模態(tài)頻率相對較高，但其能量相對集中在圓管上，3種橫梁結(jié)構(gòu)車架其他各階模態(tài)頻率相差不大。

3 車架剛度分析

從模態(tài)分析看，橫梁的結(jié)構(gòu)形式對車架彎曲剛度影響很小，但對車架的扭轉(zhuǎn)剛度影響較大，因此在車架剛度分析時只考慮扭轉(zhuǎn)工況，即前軸扭轉(zhuǎn)和后軸扭轉(zhuǎn)2種工況。在扭轉(zhuǎn)中，位移量越大，說明車架整體剛度越低，反之，位移越小，說明車架整體剛度越高。

3.1 前軸扭轉(zhuǎn)工況

前軸扭轉(zhuǎn)工況的定義：在前軸左側(cè)添加10 000N向上的力，在前軸右側(cè)添加10 000N向下的力，約束后橋中心XYZ平動自由度與YZ轉(zhuǎn)動自由度，具體加載約束如圖4所示。3種結(jié)構(gòu)車架的前軸扭轉(zhuǎn)位移云圖如圖5所示，前軸扭轉(zhuǎn)位移量見表2。

圖4 前軸扭轉(zhuǎn)工況示意圖

圖5 前軸扭轉(zhuǎn)位移云圖

表2 扭轉(zhuǎn)工況下Z向最大位移mm

前軸扭轉(zhuǎn)最大位移后軸扭轉(zhuǎn)最大位移管狀橫梁車架53．5540．07槽型橫梁車架58．7366．03鴨嘴橫梁車架64．6766．43

3.2 后軸扭轉(zhuǎn)工況

后軸扭轉(zhuǎn)工況的定義：在后軸左側(cè)添加10 000N向上的力，在后軸右側(cè)添加10 000N向下的力，約束前橋中心XYZ平動自由度與YZ轉(zhuǎn)動自由度，具體加載約束如圖6所示。3種結(jié)構(gòu)車架的后軸扭轉(zhuǎn)工況下位移云圖如圖7所示，后軸扭轉(zhuǎn)位移量見表2。

圖6 后軸扭轉(zhuǎn)工況示意圖

圖7 后軸扭轉(zhuǎn)位移云圖

由表2可知管狀橫梁車架前軸和后軸扭轉(zhuǎn)時位移量都是最小，說明管狀橫梁車架整體剛度優(yōu)于槽型橫梁車架和鴨嘴橫梁車架。

4 車架強(qiáng)度分析

車架強(qiáng)度分析分為靜強(qiáng)度分析和疲勞分析。靜強(qiáng)度分析又分為垂向加速度靜載工況、橫向轉(zhuǎn)彎工況和對角扭轉(zhuǎn)工況，因?qū)桥まD(zhuǎn)工況對車架考察最為嚴(yán)格，本次分析只進(jìn)行對角扭轉(zhuǎn)工況下的靜強(qiáng)度分析。對角扭轉(zhuǎn)工況定義：通過對角輪中心同時抬高一定高度值來實現(xiàn)車架扭轉(zhuǎn)。前輪一側(cè)約束XYZ平動自由度123，另一側(cè)約束XY自由度13，其中自由度3參照車架分析載荷定義值給定。其他輪約束自由度3，其中一側(cè)自由度3參照車架分析載荷定義值給定，保證車架扭轉(zhuǎn)的實現(xiàn)。具體加載約束如圖8所示。

圖8 對角扭轉(zhuǎn)工況約束情況

圖9為對角扭轉(zhuǎn)工況位移云圖，管狀橫梁車架管橫梁兩端連接板應(yīng)力較小，鋼管部分應(yīng)力偏大；槽型橫梁車架槽橫梁連接板局部應(yīng)力較大；鴨嘴橫梁車架與車架連接部分局部應(yīng)力偏大，但整體應(yīng)力最小。

綜上所述,管狀橫梁車架最大應(yīng)力點值相對較小，槽型橫梁車架最大應(yīng)力點值最大，鴨嘴橫梁車架最大應(yīng)力點值居于兩者之間。

圖9 對角扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

5 結(jié)論

1)管狀橫梁結(jié)構(gòu)簡單，材料利用率高，其總成剛度較好，對地面輸入工況敏感度一般，應(yīng)變能一般產(chǎn)生在圓管處，此車架結(jié)構(gòu)對焊接工序和焊接性能要求較為嚴(yán)格，適用于路況較好的中型商用車。

2)槽型橫梁采用沖壓成型，零件結(jié)構(gòu)簡單，易加工，對地面輸入工況較為敏感，車架扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力容易集中到連接板的折彎處，但其剛度高、無焊接等不可控缺陷，應(yīng)用最為廣泛。

3)鴨嘴橫梁采用沖壓成型，成型模具相對復(fù)雜，對材料可塑性要求較高，其剛度相對較低，對地面位移輸入工況不敏感，適用于載質(zhì)量小的輕型商用車。

本文應(yīng)力分析采用的是相同工況下不同橫梁結(jié)構(gòu)的仿真分析比較，對整車運行過程中實際工況和應(yīng)力分布的研究還需進(jìn)一步做實車測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉惟信．汽車設(shè)計[M]．1版．北京：清華大學(xué)出版社，2001.

The stress analysis of commercial vehicle frame beams

LIU Gang, ZHAO Qiang, MAO Honghai, LIU Xiaoli

(Shanghai Branch of Weichai Power Co.,Ltd., Shanghai, 201114, China)

Abstract：Aiming at the different commonly beams used in the commercial vehicles, it applies the finite element analysis software Hypermesh to build the frame model with three different beams, analyzes their stress contrast, compares their modal, stiffness and strength. The results provide the reference for frames design.

Key words：commercial vehicle; frame; middle beam; stress analysis

收稿日期：2017-01-19

作者簡介：劉剛(1982—)，男，陜西丹鳳人，濰柴動力股份有限公司工程師，主要從事商用車整車及車架的開發(fā)工作。

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.04.028

中圖分類號：U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-509X(2017)04-0117-03