邵宇，吳航，孫智成

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，汽車運(yùn)輸效率越來(lái)越受到關(guān)注。高效的汽車運(yùn)輸可以帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車逐漸趨于專業(yè)化[1-2]。半掛車作為我國(guó)重要的運(yùn)輸工具，一直是陸路運(yùn)輸不可或缺的一環(huán)，并且半掛車有逐漸成為主流貨物運(yùn)輸方式的趨勢(shì)。車架是汽車上重要的承載部件，承載著半掛車運(yùn)載過(guò)程中的絕大多數(shù)載荷，車架結(jié)構(gòu)性能直接關(guān)系到運(yùn)載過(guò)程中的安全性，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)合理可靠的半掛車車架非常具有挑戰(zhàn)性。隨著我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展，可靠性良好、結(jié)構(gòu)優(yōu)越的車架需求日益突出，對(duì)汽車的性能要求越來(lái)越高。為了滿足日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸業(yè)需求及尋求更加經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)，不斷改進(jìn)半掛車結(jié)構(gòu)是保證行駛安全的主要措施。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)車架的研究主要是從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)2 個(gè)角度出發(fā)的。Caban 等[3]對(duì)集裝箱半掛車車架強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析了自卸半掛車車架在吊運(yùn)位置發(fā)生斷裂的原因，提出了誤差產(chǎn)生的原因假設(shè)，并計(jì)算了半掛車側(cè)托的受力和應(yīng)力值；Zhang 等[4]對(duì)半掛車車架進(jìn)行了有限模態(tài)分析，得到了同一車架下不同的頻率特征，并將其與激勵(lì)頻率效應(yīng)進(jìn)行了比較，所得結(jié)論為改進(jìn)車架設(shè)計(jì)提供了參考；Slivinsky 等[5]從材料發(fā)展角度出發(fā)，針對(duì)作用于重載道路列車允許增加噸位的需求，對(duì)半掛車發(fā)展現(xiàn)狀展開(kāi)總結(jié)，開(kāi)發(fā)出了一系列復(fù)雜的技術(shù)解決方案；Han 等[6]使用Pro/E 軟件設(shè)計(jì)半掛車車架的三維實(shí)體模型，并統(tǒng)計(jì)了儲(chǔ)存在網(wǎng)格中的參數(shù)信息，在此基礎(chǔ)上，介紹了仿生結(jié)構(gòu)為半掛車車架的設(shè)計(jì)，并在重量相同條件下，仿生與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比；肖開(kāi)政等[7]針對(duì)鋁合金材質(zhì)的運(yùn)輸半掛車車架進(jìn)行了有限元分析，模擬了滿載狀態(tài)下彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎、加速、制動(dòng)等工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加了鋁合金車架結(jié)構(gòu)的可靠性；彭永香等[8]利用有限元軟件ANSYS 對(duì)半掛車車架進(jìn)行計(jì)算形變量，分析了縱梁的剛度,加深了車架縱梁結(jié)構(gòu)的理論研究，并分析對(duì)應(yīng)載重下半掛車車架縱梁的強(qiáng)度要求；丁群燕[9]為了防止共振的產(chǎn)生，運(yùn)用有限元法對(duì)半掛車車架進(jìn)行了多模態(tài)分析，得出各階模態(tài)的特有頻率，分析了車架結(jié)構(gòu)的多模態(tài)特性；鄒東文等[10]針對(duì)傳統(tǒng)方法裝配的零件模型修改后裝配位置不能隨之發(fā)生相應(yīng)變化的問(wèn)題，提出基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法，并根據(jù)該方法開(kāi)發(fā)出車架快速裝配系統(tǒng)，提高了裝配的準(zhǔn)確性和靈活性。

本文針對(duì)半掛車車架在運(yùn)輸過(guò)程中容易開(kāi)裂的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一款可靠的安全的半掛車車架。通過(guò)Pro/E 軟件對(duì)40 t 載重的半掛車車架的縱梁、橫梁及副支撐梁進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成三維建模，并將三者裝配，完成車架設(shè)計(jì)。除此之外，運(yùn)用MATLAB 軟件對(duì)簡(jiǎn)化的半掛車車架縱梁進(jìn)行車架危險(xiǎn)截面確定以及強(qiáng)度校核。

1 半掛車架建模分析

1.1 車架縱梁和橫梁設(shè)計(jì)

半掛車對(duì)于縱梁強(qiáng)度剛度要求很高。半掛車的縱梁材料一般選用16MnL，以保證縱梁具有很強(qiáng)的抗彎曲性能[11]。本文構(gòu)建的平板式車架的縱梁長(zhǎng)度為10 500 mm，縱梁主截面高為450 mm，上下翼板的尺寸為144 mm×20 mm，腹板厚度為20 mm。車架的前懸長(zhǎng)1 000 mm，后懸長(zhǎng)750 mm。車架縱梁主截面是工字型，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車架縱梁三維圖Fig.1 Three-dimensional diagram of frame rail

橫梁的主要作用是連接左右縱梁，橫梁位置的合理布置可以大大改善車架所受內(nèi)應(yīng)力，提高車架工作的可靠性。為了防止整個(gè)車架的抗扭轉(zhuǎn)剛度減弱，設(shè)計(jì)了3 種不同結(jié)構(gòu)的橫梁，即前橫梁、內(nèi)置橫梁以及副支撐梁。半掛車車架橫梁均采用沖壓的方法加工完成，3 種橫梁的材料均選用P510L。圖2、圖3、圖4 分別是3 種橫梁的建模三維圖。

圖2 前橫梁三維圖Fig.2 Three-dimensional diagram of front beam

圖3 內(nèi)置橫梁三維圖Fig.3 Three-dimensional diagram of built-in beam

圖4 副支撐梁三維圖Fig.4 Three-dimensional diagram of auxiliary supporting beam

1.2 縱橫梁的連接

選擇合理的縱橫梁連接方式對(duì)車架本身剛度至關(guān)重要。本文選取的車架由2 根工字形截面的縱梁為基體，縱梁間的約束距離為800 mm。并以截面形狀為槽型的前置梁為基礎(chǔ)，每隔1 200 mm 布置剩余橫梁，最后裝配副支承梁以及后保險(xiǎn)杠。橫梁與縱梁的連接方式為貫穿連接，橫梁貫穿縱梁腹板。此種連接方式可以在縱梁發(fā)生縱向方向的變形時(shí)，縱梁和橫梁之間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以有效消除應(yīng)力集中。并且其減少了焊縫，使焊接變形減少。車架經(jīng)過(guò)Pro/E 三維模型的創(chuàng)建，半掛車架三維圖如圖5 所示。

圖5 車架裝配圖Fig.5 Frame assembly drawing

2 縱梁強(qiáng)度計(jì)算

由于縱梁承載了車輛載貨過(guò)程中絕大多數(shù)載荷，本文基于MATLAB 軟件將半掛車車架縱梁簡(jiǎn)化為支承在牽引銷和后軸上的簡(jiǎn)支梁計(jì)算，并完成強(qiáng)度分析計(jì)算。簡(jiǎn)支梁的受力分析如圖6 所示。

圖6 簡(jiǎn)支梁的受力分析Fig.6 Stress analysis of simply supported beams

車架總質(zhì)量為6 400 kg，經(jīng)計(jì)算得車輛滿載時(shí)整個(gè)車架承受的縱向單位長(zhǎng)度均勻載荷qa=3.584×104N/m，F(xiàn)A=1.383×105N/m，F(xiàn)B=2.380×105N/m。

2.1 強(qiáng)度計(jì)算

滿載時(shí)進(jìn)行縱梁強(qiáng)度檢核：設(shè)前懸長(zhǎng)l1=1 m，La=10.5 m，L=6.72 m，Lk=2.78 m。由平衡力矩∑MA=0 可得：

得到FB=152 320 N。

2.2 剪力和彎矩計(jì)算

根據(jù)車架均布載荷圖，將車架分為CA、AB、BD 三個(gè)部分。3 個(gè)部分求解剪力、彎矩的方程和計(jì)算域如表1 所示。

表1 縱梁剪力、彎矩計(jì)算方程及計(jì)算域Tab.1 Longitudinal shear and bending moment calculation equation and calculation domain

由MATLAB 可得3 個(gè)階段的剪力圖和彎矩圖分別如圖7、圖8 所示。

圖7 縱梁剪力圖Fig.7 Longitudinal shear diagram

圖8 縱梁彎矩圖Fig.8 Longitudinal bending moment diagram

通過(guò)MATLAB 計(jì)算出：在CA 段內(nèi)的最大彎矩為1.792 0×104N/m，在AB 段內(nèi)的最大彎矩為4.76×105N/m，BD 段內(nèi)最大彎矩為1.98×106N/m，由圖8 可知，最大彎矩出現(xiàn)在BD 段。

2.3 確定危險(xiǎn)截面及強(qiáng)度校核

由于變截面、最大彎矩處容易出現(xiàn)危險(xiǎn)截面，分別取距車架前端的距離為1.75，3.00，10.50 m的3 個(gè)截面作為危險(xiǎn)截面分析。參見(jiàn)圖9 和表2。

圖9 縱梁截面示意圖Fig.9 Section diagram of longitudinal beam

表2 危險(xiǎn)截面參數(shù)Tab.2 Dangerous section parameters

由抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式ω=（BH3-bh3）/6H得3 個(gè)截面抗彎截面系數(shù)分別為ω1=7.45×10-3m3，ω2=4.27×10-3m3，ω3=4.27×10-3m3。各截面彎矩分別為M（1）=113 120 N/m，M（2）=286 720 N/m，M（3）=152 320 N/m。彎曲應(yīng)力等于彎矩與截面系數(shù)的比值，則3 個(gè)截面的彎曲應(yīng)力分別為σ1=151.84 MPa，σ2=67.12 MPa，σ3=35.66 MPa。

對(duì)于工字梁截面，其腹板上的剪切應(yīng)力可以看成是均布的，所以各截面的剪切應(yīng)力可由公式τ=Fs/σ2gh 得出為：τ1=44.8 MPa，τ2=13.54 MPa，τ3=0 MPa。分析可知，許用應(yīng)力為

其中：σs——材料屈服應(yīng)力。n1——疲勞系數(shù)（1.2～1.4）。n2——?jiǎng)虞d系數(shù)（1.8～2.2）。本車縱梁的材料選取P510L，其屈服極限為σs=395 MPa，所以許用應(yīng)力為[σ]=187.87 kPa。

通過(guò)上述計(jì)算，半掛車車架縱梁的強(qiáng)度符合材料要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款裝載質(zhì)量為40 t 的半掛車車架，該車架適用于平板式車型，主要用于鋼材、大型工程設(shè)備的運(yùn)輸。經(jīng)過(guò)計(jì)算校核，證明車架符合強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)的車架縱梁很好地符合了材料的強(qiáng)度要求。