载货车车架轻量化设计及分析 -行业资讯

　　近年来，交通运输、公路管理等国家部门在全国范围内对超载车辆的查处日益严格，《道路机动车辆生产企业及产品公告》管理制度日益规范和完善，政府出台了一系列政策、法规，大力倡导节能减排。这些因素促使道路运输车辆，特别是重型汽车，出现了轻量化的趋势。同时，迫于激烈的市场竞争、原材料价格上涨的压力，为降低整车成本、降低整车质量以提高载质量利用系数进，而降低车辆使用油耗，产品轻量化也是汽车企业自身发展的需要和应尽的社会责任。对重型汽车而言，车架自重是整车整备质量的重要贡献源。因此，车架的轻量化对重型汽车整车的轻量化具有重要意义。
　　
　　减轻车架质量的方法不外乎两种：一是采用高强度材料替代强度相对较低的材料；二是对车架总成结构进行优化设计，提高材料利用率。本文采用改进结构的方法来实现轻量化的目的。
　　
　　2 车架结构有cae限元分析
　　
　　某载货车车架纵梁是由双层板所组成的，车架内外板之间通过铆钉铆接在一起，同时板簧支架采用铆接和螺栓连接相结合的方式固定在车架上。
　　
　　使用Altair-Hyperworks软件建立车架强度分析的有限元模型，车架受力变形的过程中内板与外板之间存在相互接触的作用，为了准确的描述内、外板的相互作用，在车架内、外板之间建立间隙单元（Gap单元），通过控制间隙单元的参数如初始开口、预载荷、张开刚度、闭合刚度、滑移刚度，静摩擦系数，动摩擦系数来模拟它们之间的接触关系。螺栓孔处采用刚性多点约束rigid来将被连接件受力区域与螺栓单元端部节点相连接，以达到传递位移和载荷的目的，螺栓主体被简化成梁单元，再将其材料属性如弹性模量、泊松比、密度、截面形状等赋予梁单元。钢板弹簧支架与车架的连接区域也同样建立接触间隙单元来准确模拟二者之间的相互作用。在螺栓与铆钉上施加预紧力来描述螺栓和铆钉对车架面与面结合部位之间的压紧作用。
　　
　　建立悬架区域的有限元模型，车桥采用与其实际几何尺寸相同的梁单元模拟，钢板弹簧采用刚性单元与弹簧单元相结合的方式模拟，对于辅助钢板弹簧与辅助钢板弹簧支架之间的间隙使用间隙单元的初始开口来模拟，这样在主簧被压缩一定形变后，辅簧开始起支撑作用，与实际情况一致。对于车厢、货物、驾驶室、乘员、动力总成（发动机和变速箱）等大质量的部件建立质量单元，并通过柔性多点约束耦合到承载面上。双层车架结构有限元模型如图1所示。
　　
　　　　
　　图1 双层车架有限元模型
　　
　　使用RADIOSS求解器计算如下四种工况下车架的强度，超载弯曲工况：超载条件下于两个后轮（驱动轮）中心点约束三个平移自由度，前轮中心点约束，两个平动自由度，x（水平向前）方向不约束，动载载荷系数取 2.5；超载侧扭工况：超载条件下约束一侧车轮X、Y、Z三向平动自由度，在另一侧车轮加强制位移100mm，动载载荷系数取 1.5；超载前扭工况：超载条件下动荷系数取K＝1.5，左右前轮中心分别施加上下强制位移100mm，后轮约束X、Y、Z三向平动自由度，超载后扭工况：超载条件下载荷动荷系数取K＝1.5，左右后轮中心分别施加上下强制位移100mm，前轮约束X、Y、Z三向平动自由度。
　　
　　使用HyperMesh做前处理并提交到RADIOSS求解，计算完成后使用HyperView查看结果，双层车架结构在超载各工况下**应力都小于车架材料500L的屈服极限，均满足强度要求，如图2所示双层车架结构超载弯曲工况应力云图，**应力443.31MPa，产生在辅簧支架与车架相连接的部位，分析其原因主要是由于车辆在过载的情况下主簧被压缩到极限位置而导致辅簧承受过大的载荷。如图2所示双层车架结构超载弯曲工况应力云图。
　　
　　　　
　　图2 双层车架结构超载弯曲工况应力云图
　　
　　3 车架结构轻量化设计及分析
　　
　　双层纵梁车架结构由于整个车架上都安装有车架内板，质量大、成本高，考虑采用单层车架结构，即不使用车架内加强板的结构，并校核是否满足极限工况下的强度要求。建立单层车架结构的有限元模型并进行分析，发现在超载弯曲工况下单层车架结构辅簧与车架连接处**应力539.92MPa，超过材料的屈服极限（500MPa），不能满足强度要求，其它工况**应力在屈服极限以下。如图3所示单层车架超载弯曲工况应力云图。
　　
　　　　
　　图3 单层车架超载弯曲工况应力云图
　　
　　单层车架结构超载弯曲工况下不能满足cae仿真要求，分析其原因主要是后悬架钢板弹簧支架与车架连接的区域在减少了一层车架后的强度减小了，而在实际工况中，钢板弹簧支架与车架连接的区域是主要承载区，很容易破坏，车架的其它部位在各种工况下的应力水平不高，故需要加强钢板弹簧支架与车架连接区域的车架结构，经过与设计人员讨论研究，采用延长车架横梁与纵梁连接板的长度至钢板弹簧支架支撑区域，使连接板起到双层纵梁内板的效果，增强车架局部区域的强度。建立改进单层车架结构有限元模型并提交计算，如图4所示改进单层车架结构超载弯曲工况应力云图，可以看出改进单层车架超载弯曲工况**应力373.43MPa，满足强度要求且小于双层纵梁车架在该工况下的**应力（443.31MPa）。
　　
　　　　
　　图4 所示改进单层车架结构超载弯曲工况应力云图
　　
　　双层车架、单层车架、改进双层车架三种结构极限工况计算结果见表1。
　　
　　表1 三种结构极限工况下强度对比
　　
　　　　
　　根据表1分析可见改进单层车架结构满足极限工况下的强度要求，相对于原双层车架结构超载弯曲工况和超载侧扭工况下**应力有所降低，超载前扭和超载后扭工况**应力虽略有升高，但是都在安全范围内，而且质量比双层车架结构减轻了143Kg，达到了强量化的目标，同时可以**提高燃油经济性。
　　
　　4 总结与展望
　　
　　本文应用Altair-HyperWorks软件对某载货车双层纵梁车架和单层纵梁车架进行了分析并提出结构改进建议，加强悬架与单层纵梁车架联接区域的局部强度，通过延长横梁与纵梁连接板的方案，对比分析验证局部加强方案的可行性，减轻了车架质量，达到轻量化目的。
　　
　　对于车架结构设计要做到合理的分配材料，与悬架连接区域应该适当加强，将来可以尝试采用副车架结构，车架其它区域适当减少材料。以达到轻量化目的。

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