梁海波 葉吉麗 吳莎 陳林 劉堯

摘要：本文介紹了城市渣土自卸車車架輕量化設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)背景，闡述了車架輕量化設(shè)計(jì)方案，新車架在原車架基礎(chǔ)上降重5%。通過(guò)Altair HyperWorks軟件對(duì)車架輕量化方案進(jìn)行有限元分析，結(jié)合基礎(chǔ)車市場(chǎng)表現(xiàn)情況，理論上初步論讓了車架輕量化設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求;然后開(kāi)展車架臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了輕量化車架方案的可行性。

關(guān)鍵詞：車架;有限元分析;臺(tái)架試驗(yàn);疲勞

中圖分類號(hào)：U463.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）02-0081-05

梁海波

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，本科，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，主要研究方向：商用車車型和商用車車架開(kāi)發(fā)等。

1引言

車架作為汽車各總成的安裝基體，不僅承載著各總成和貨物的重量，而且承受著汽車行駛過(guò)程中來(lái)自各方面力和力矩的疊加作用，尤其是渣土車。渣土車多用于超載及惡劣工況，車架長(zhǎng)期承受較大的扭矩和彎矩。車架的強(qiáng)度和剛度性能不僅影響整車的使用性能、行駛性能，還直接影響用戶的安全性能。車架設(shè)計(jì)在保證足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性條件下，質(zhì)量應(yīng)盡可能的輕。對(duì)于載貨汽車來(lái)說(shuō)，輕量化不僅減輕了自身質(zhì)量，而且還提高了載質(zhì)量利用系數(shù)（汽車最大承載質(zhì)量與汽車整備質(zhì)量之比）。載質(zhì)量利用系數(shù)較高的車型能夠擁有更高的運(yùn)輸效率，從而有利于降低運(yùn)輸成本，為用戶創(chuàng)造更多的價(jià)值。車架作為整車重要總成之一，其輕量化設(shè)計(jì)已成為目前商用車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

渣土車一般分為礦用渣土車和城市渣土車，礦用渣土車多用于惡劣工況，90%的基坑路面，10%的良好路面，且用戶普遍超載15t-20t;城市渣土車適用于標(biāo)載載荷，路況以城市道路為主，90%的良好路面，10%的裝卸堆場(chǎng)涵蓋少量粗糙及惡劣路面。下文中的基礎(chǔ)車車架為礦用渣土車用車架，輕量化車架為城市渣土車車架，城市渣土車車架是在礦用渣土車車架基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

由于車架設(shè)計(jì)、制造、裝配等各種各樣的影響因素較多，使新設(shè)計(jì)車型的車架需要通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，保證最終的產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于渣土車而言，常規(guī)的試驗(yàn)場(chǎng)地?zé)o法模擬用戶實(shí)際使用工況，且超載嚴(yán)重，整車可靠性道路試驗(yàn)危險(xiǎn)性極高。與之相比，充分利用車架有限元分析及車架臺(tái)架試驗(yàn)方法驗(yàn)證渣土車輕量化車架結(jié)構(gòu)，不僅可以縮短開(kāi)發(fā)的驗(yàn)證周期，而且可以節(jié)約資源，安全性較高，為渣土車輕量化車架的開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)地有效檢驗(yàn)途徑。

2車架輕量化方案

礦用渣土車車架包括左右縱梁、左右內(nèi)加強(qiáng)板、左右局部外貼加強(qiáng)板，左縱梁和右縱梁之間從前到后依次設(shè)有前橫梁、發(fā)動(dòng)機(jī)兜梁、幾字型橫梁、簡(jiǎn)易背靠背橫梁、背靠背橫梁、平衡懸架橫梁和尾橫梁及角撐，如圖1所示：

對(duì)礦用渣土車車架進(jìn)行降重提案挖掘，形成以下車架輕量化提案，如表1所示，輕量化設(shè)計(jì)后形成的城市渣土車車架方案如圖2所示。

3有限元仿真分析

為理論驗(yàn)證輕量化車架設(shè)計(jì)方案可行性，通過(guò)HyperWorks軟件對(duì)基礎(chǔ)車車架及輕量化車架進(jìn)行有限元對(duì)比分析，部分CAE分析參數(shù)如表2所示，基礎(chǔ)車車架及輕量化車架用材料參數(shù)詳見(jiàn)表3。

3.1建模要求

需要建模的總成和部件包括：車架總成、副車架總成、鋼板彈簧及吊耳支架、平衡懸架大支架、平衡懸架軸承轂及貫通軸、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、駕駛室懸詈支架及相關(guān)底盤附件等。其中車架縱梁、橫梁等鈑金件采用四邊形及少量三角形殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格;懸置支架、鋼板彈簧安裝支架、平衡懸架大支架及軸承轂等鑄件采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如圖3所示：

3.2分析工況

本次CAE分析的扭轉(zhuǎn)工況是在前夾具處施加約5。轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的位移;強(qiáng)度分析主要有以下5種工況，車架仿真體系中分常規(guī)工況和極端工況，常規(guī)工況按材料屈服強(qiáng)度考核，極端工況按材料強(qiáng)度極限考核，其中工況①-④屬于常規(guī)工況，工況⑤為極端工況。

①?gòu)澢r（Bend）

②制動(dòng)工況（Brake）

③轉(zhuǎn)彎工況（Turn-Left）

④扭轉(zhuǎn)工況（Tor-i1）

⑤前軸扭轉(zhuǎn)+側(cè)向工況（Tor-i1-ee）

3.3 CAE分析結(jié)果評(píng)價(jià)

基礎(chǔ)車及輕量化車架CAE分析結(jié)果詳見(jiàn)表4、表5。CAE分析數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：輕量化車架與基礎(chǔ)車車架整體應(yīng)力水平相當(dāng)，車架安全系數(shù)推薦取值≥1.38，安全系數(shù)計(jì)算，均選用材料屈服強(qiáng)度下限值。

3.3.1第四橫梁上連接板CAE分析結(jié)果判斷

前軸扭轉(zhuǎn)+側(cè)向工況極端工況下，基礎(chǔ)車及輕量化車架第四橫梁上連接板應(yīng)力分別為569.52MPa、597.87 MPa，均超出材料屈服極限。經(jīng)分析第四上連接板最大應(yīng)力處位于螺栓孔邊緣（如圖4所示）。為了提升計(jì)算效率，車架強(qiáng)度分析中通常不考慮幾何非線性、材料非線性、接觸非線性，連接螺栓采用簡(jiǎn)化處理，這樣會(huì)使得分析結(jié)果應(yīng)力偏大，螺栓孔孔邊應(yīng)力在理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上下調(diào)20%按材料強(qiáng)度極限進(jìn)行考核，下調(diào)20%的應(yīng)力值如表6所示。

第四橫梁上連接板在工況③、⑤下的安全系數(shù)如表7所示，均超出車架安全系數(shù)，理論上不滿足設(shè)計(jì)要求。但查詢基礎(chǔ)車車架歷年賠償數(shù)據(jù)，該車型投入市場(chǎng)5年來(lái)，第四橫梁總成無(wú)賠償。對(duì)于輕量化車架而言，第四橫梁上連接板應(yīng)力與基礎(chǔ)車相當(dāng)，強(qiáng)度視同基礎(chǔ)車車架，后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行重點(diǎn)考核。

3.3.2縱梁CAE分析結(jié)果判斷

基礎(chǔ)車及輕量化車架縱梁最大應(yīng)力分別為388.04 MPa、390.2 MPa，最大應(yīng)力部位位于車架前端吊耳端處，如圖5所示。兩車架縱梁在工況④、⑤下縱梁安全系數(shù)如表8所示，均超出車架安全系數(shù)，理論上不滿足設(shè)計(jì)要求。但查詢基礎(chǔ)車車架歷年賠償數(shù)據(jù)，該車型投入市場(chǎng)5年來(lái)，縱梁無(wú)賠償。對(duì)于輕量化車架而言，縱梁此處應(yīng)力與基礎(chǔ)車相當(dāng)，強(qiáng)度視同基礎(chǔ)車車架，后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行重點(diǎn)考核。

4車架臺(tái)架試驗(yàn)

4.1車架彎曲試驗(yàn)

為進(jìn)一步快速驗(yàn)證輕量化車架方案可行性，開(kāi)展輕量化車架臺(tái)架試驗(yàn)。

4.1.1車架彎曲疲勞

將車架試驗(yàn)樣件安裝在彎曲試驗(yàn)臺(tái)上，彎曲試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩作動(dòng)器分別通過(guò)一個(gè)2200mm×1000mm×50mm、一個(gè)2000mm×1000mm×50mm的鋼板（如圖7所示）在加載點(diǎn)1、加載點(diǎn)2處同時(shí)施加彎曲載荷進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。加載方式為等幅正弦波，試驗(yàn)載荷為55.9KN-189.2 KN，頻率為1 Hz～1.4 Hz，循環(huán)次數(shù)為50萬(wàn)次。每4個(gè)小時(shí)進(jìn)行車架狀態(tài)檢查，50萬(wàn)次車架彎曲疲勞試驗(yàn)，車架縱梁、橫梁等均無(wú)問(wèn)題。

4.1.2車架彎曲試驗(yàn)結(jié)論

車架彎曲疲勞50萬(wàn)次試驗(yàn)后，車架縱梁、橫梁經(jīng)檢查均無(wú)故障，按車架彎曲試驗(yàn)規(guī)范要求，輕量化車架結(jié)構(gòu)滿足彎曲使用工況要求。

4.2車架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

4.2.1車架扭轉(zhuǎn)疲勞

將車架試驗(yàn)樣件安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8所示。加載器在車架前軸處（如圖9所示）施加扭矩使車架前軸相對(duì)后軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，加載方式為等幅正弦波，頻率為0.6 Hz～1.2Hz，使前軸相對(duì)后軸產(chǎn)生±1°、±2°、±3°、±4°、±5°的扭轉(zhuǎn)角度，每個(gè)角度依次各進(jìn)行往復(fù)試驗(yàn)10萬(wàn)次，每4個(gè)小時(shí)進(jìn)行車架狀態(tài)檢查。4.2.2車架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)論

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，±1°、±2°、±3°、±4°共循環(huán)40萬(wàn)次，車架未出現(xiàn)異常;±5°循環(huán)37772次時(shí)，車架右側(cè)兜梁支架出現(xiàn)開(kāi)裂（如圖10所示）。查詢基礎(chǔ)車車架賠償情況，因路況惡劣、嚴(yán)重超載導(dǎo)致的兜梁支架開(kāi)裂故障共3起，且與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中兜梁支架開(kāi)裂部位相吻合（如圖11所示）;按設(shè)計(jì)輸入標(biāo)載工況使用的基礎(chǔ)車，車架無(wú)開(kāi)裂故障反饋。車架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證了輕量化車架結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)車車架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命相當(dāng)，即輕量化車架結(jié)構(gòu)滿足扭轉(zhuǎn)使用工況要求。

5結(jié)論

本文通過(guò)車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材料替換等措施進(jìn)行車架輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)原車架與輕量化車架CAE分析對(duì)比，結(jié)合基礎(chǔ)車市場(chǎng)賠償情況，初步判斷輕量化車架方案的可行性，利用車架臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)最終驗(yàn)證了輕量化車架滿足設(shè)計(jì)要求。該城市渣土車投入市場(chǎng)一年來(lái)，市場(chǎng)表現(xiàn)良好，車架無(wú)故障問(wèn)題反饋。上述思路進(jìn)行車架輕量化工作，能夠快速驗(yàn)證輕量化車架的薄弱點(diǎn)，快速整改快速驗(yàn)證，從而降低研發(fā)成本和開(kāi)發(fā)周期，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)車架開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及車架可靠性檢驗(yàn)具有重要指導(dǎo)意義。