李 偉,張曉宇,王 磊,宋建新,康 功,張 彤

(1.陸軍裝備部駐包頭地區(qū)第一軍事代表室, 內(nèi)蒙古 包頭 014030;2.北奔重型汽車集團(tuán)有限公司, 內(nèi)蒙古 包頭 014030;3.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引言

輪式軍用車輛作為裝備和物資的運(yùn)載平臺(tái),要伴隨部隊(duì)保障完成各種戰(zhàn)術(shù)任務(wù),包括用于運(yùn)送兵員、彈藥、油料和物資,以及遂行指揮、通訊、火炮牽引、導(dǎo)彈運(yùn)輸?shù)热蝿?wù),在特殊環(huán)境 (如山地、林地、草原、丘陵、沼澤等特殊地形) 中執(zhí)行任務(wù)時(shí),機(jī)動(dòng)性、操縱性、通過性、維修性及其他方面都要高于其他車輛[1]。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)不斷變化,局部戰(zhàn)爭(zhēng)、不對(duì)稱作戰(zhàn)、信息化戰(zhàn)爭(zhēng)等成為未來戰(zhàn)爭(zhēng)的主要特征,戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜,戰(zhàn)線模糊不清。在此情況下,高機(jī)動(dòng)車輛的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性和越野通過性,成為越來越受歡迎的部隊(duì)運(yùn)載平臺(tái)。

對(duì)于重型高機(jī)動(dòng)性通用戰(zhàn)術(shù)車輛,車架在滿足大承載要求的情況下,還要能夠承受來自復(fù)雜越野路面通過底盤懸架傳遞的沖擊,來自動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng),以及來自車載質(zhì)量的各種載荷,尤其是能夠在各種惡劣路況、極端自然環(huán)境以及來自敵方的爆炸威脅或破壞的情況下仍然能夠工作,實(shí)現(xiàn)支承的功能。

車架是整個(gè)汽車的承載基體,其功能是支承并連接汽車各個(gè)部件與系統(tǒng),并承受來自汽車內(nèi)外的各種載荷,系統(tǒng)的重要性顯而易見[2]。

對(duì)于高機(jī)動(dòng)底盤車架系統(tǒng)的研制,首先需要攻關(guān)的技術(shù)是:

1) 在滿足底盤布置條件下的承載能力。

2) 與高機(jī)動(dòng)性相匹配的剛度特性。

3) 車架可靠性驗(yàn)證。

本文重點(diǎn)描述重型高機(jī)動(dòng)6×6底盤車架系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)過程,在滿足底盤布置條件的前提下,對(duì)承載能力進(jìn)行了分析、計(jì)算,設(shè)計(jì)開發(fā)滿足車輛要求的車架結(jié)構(gòu)。

1 車架系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及思路

1.1 車架系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

車架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下:

1) 兼顧技術(shù)成熟度和先進(jìn)性的原則。方案設(shè)計(jì)在保證系統(tǒng)基本功能、性能的基礎(chǔ)上,盡量采用成熟技術(shù),通過定型產(chǎn)品技術(shù)、預(yù)研技術(shù)、型號(hào)應(yīng)用技術(shù)和演示驗(yàn)證考核、有效可行性高且系統(tǒng)高度集成和新技術(shù)的充分利用,確保新型號(hào)項(xiàng)目具有技術(shù)先進(jìn)性和高可靠性。

2) 貫徹裝備研制“三化”要求的原則。貫徹執(zhí)行通用底盤型號(hào)研制標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的設(shè)計(jì)要求,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高車架的標(biāo)準(zhǔn)化程度。同時(shí)考慮系統(tǒng)功能的拓展性,通用性。

3) 工藝合理性原則。在全新結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí),堅(jiān)持低成本設(shè)計(jì)理念。以最佳工藝性、最低精度要求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品使用功能。

4) 采用新材料。通過采用新材料,在保證強(qiáng)度和剛度的前提下,盡量減小車架自重[3]。

1.2 車架系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)思路

車架是承載了車輛其他系統(tǒng)的最重要部件[2],底盤的駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、分動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在車架上的。發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)產(chǎn)生的沖擊會(huì)使機(jī)體以及活塞-連桿-曲軸系統(tǒng)產(chǎn)生周期性的振動(dòng);變速箱與分動(dòng)器自身也因?yàn)閭鬟f來自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力而產(chǎn)生振動(dòng)。因此發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱與分動(dòng)器是不能夠用剛性直接連接到車架上的,因?yàn)檫@些剛性連接會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱與分動(dòng)器的振動(dòng)傳到車架,這些振動(dòng)的相互作用可能引起車架與發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞,因此必須使用具有一定柔度的懸置。

經(jīng)過收集用戶需求,分解系統(tǒng)指標(biāo),提取車架設(shè)計(jì)邊界,如圖1所示,按照正向設(shè)計(jì)流程,對(duì)比國外同類型車型先進(jìn)、成熟結(jié)構(gòu),采用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段配合仿真分析,完成重型高機(jī)動(dòng)性卡車車架系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì),并能滿足整車指標(biāo)要求。

圖1 高機(jī)動(dòng)重卡車架正向設(shè)計(jì)流程圖

車架既要承載車輛的所有系統(tǒng),同時(shí)也要承載車輛的載荷。因此車架必須要有足夠的抗彎剛度來抵抗來自所有系統(tǒng)與載荷在垂直方向的作用力。同時(shí)因?yàn)檐囕v具有越野性能,車輛在不平路面上行駛,各個(gè)輪子的垂直行程各異,車架在不同的位置會(huì)產(chǎn)生不同的垂直位移而產(chǎn)生車架的扭矩,因此車架還需要有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度抵御這些扭矩。車架在運(yùn)行期間,承受著非常復(fù)雜的隨機(jī)受力狀態(tài),這些作用力會(huì)在車架的截面上產(chǎn)生交變的應(yīng)力,車架的截面必須要有足夠的應(yīng)力強(qiáng)度,使得車架截面應(yīng)力始終保持在極限應(yīng)力之下,同時(shí)也必須保持足夠的強(qiáng)度抵抗交變力的疲勞破壞與斷裂裂紋的產(chǎn)生。車架的載荷大部分都是具有一定頻率的交變載荷,例如:以車輪轉(zhuǎn)速為激勵(lì)頻率的車輪不平衡而產(chǎn)生的激勵(lì),來自發(fā)動(dòng)機(jī),變速箱,分動(dòng)器旋轉(zhuǎn)部件的簡(jiǎn)諧波激勵(lì),都對(duì)車架的模態(tài)提出了避免共振的要求,因此,車架的彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率與振型的設(shè)計(jì)也是車架的重要設(shè)計(jì)方面。

2 車架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車架系統(tǒng)功能定義

載貨汽車車架一般采用梯形結(jié)構(gòu)[3],由左/右縱梁和滿足要求的橫梁構(gòu)成,主要功能為整車各個(gè)系統(tǒng)的承載連接與固定。是整個(gè)汽車的基體,其功能是支承并連接汽車各個(gè)零部件與系統(tǒng),并承受來自汽車內(nèi)外的各種載荷,是一個(gè)非常重要的部件。

2.2 確定縱梁截面

對(duì)標(biāo)歐美同類車型縱梁截面結(jié)構(gòu)形式,可選截面包括箱形截面和槽型截面(見圖2)[4],箱形截面優(yōu)點(diǎn)是扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度較大,但工藝復(fù)雜,加工成本高;槽形截面抗彎強(qiáng)度好,成形工藝性好,適用于批量生產(chǎn)[3]。歐美同類主流車型均采用槽型截面縱梁,如MAN車的HX系列、美軍的M978。故本車采用槽型截面縱梁,選用標(biāo)準(zhǔn)孔,方便上裝的安裝固定,增強(qiáng)了車輛的改裝適應(yīng)性,兼顧加工經(jīng)濟(jì)性。

圖2 縱梁截面形狀

同時(shí)采用車架懸架一體化設(shè)計(jì)技術(shù),懸架支架與車架構(gòu)成穩(wěn)定的矩形結(jié)構(gòu),增強(qiáng)車架的局部扭轉(zhuǎn)剛度(見圖3)。

圖3 懸架支架與車架構(gòu)成穩(wěn)定的矩形結(jié)構(gòu)

2.3 縱梁承載性計(jì)算

縱梁作為車架的主要部件,決定了車架的彎曲剛度,而且為各個(gè)主要部件提供了連接載體,因此,縱梁設(shè)計(jì)在滿足連接的情況下,要求達(dá)到一定的抗彎能力來滿足車架的承載能力,針對(duì)高機(jī)動(dòng)車型,還需要有一定的抗沖擊能力和變形?？v梁設(shè)計(jì)包括長(zhǎng)度、截面形狀與尺寸設(shè)計(jì)和材料選擇。

2.3.1縱梁截面尺寸確定

根據(jù)整車布置和質(zhì)量參數(shù)要求,對(duì)縱梁截面尺寸初步選取和計(jì)算,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和加工工藝性,優(yōu)先選用輥壓C型截面縱梁結(jié)構(gòu),計(jì)算邊界見表1。

表1 車架設(shè)計(jì)載荷邊界

車架在加載過程中,將駕駛室、駕駛員、動(dòng)力總成質(zhì)量以及油箱、蓄電池、 備胎的質(zhì)量以等效靜力的原則加載,將這些車架主要構(gòu)件質(zhì)量在其實(shí)際位置等效成質(zhì)量點(diǎn),以集中載荷形式施加,質(zhì)量點(diǎn)通過RBE3剛性單元分布在模型節(jié)點(diǎn)上。貨箱及貨物質(zhì)量通過均布載荷形式加載,施加在車架主縱梁節(jié)點(diǎn)之上,車架的重力加速度為1g。這種加載分配方式與車架實(shí)際受力最為貼近[5]。

為計(jì)算方便,進(jìn)行載貨汽車梯形車架設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合車架實(shí)際受力情況,做如下簡(jiǎn)化[6]:

1) 將縱梁簡(jiǎn)化為支承在前后軸上的簡(jiǎn)支梁。

2) 空載時(shí)的簧載重量均勻分布在左、右縱梁的全長(zhǎng)上,滿載時(shí)的有效載荷均勻分布在車廂全長(zhǎng)上。

3) 假設(shè)作用力都通過截面彎曲中心。

6×6車型 3個(gè)橋的軸核分別為8 951 、6 996、6 963 kg。單側(cè)縱梁承載軸核減半,依據(jù)此繪制不同縱梁的受力圖如圖4所示。

圖4 6×6車型縱梁受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)剪力方程與彎矩方程計(jì)算[7]。

分AB、BC、CD、DE四段列Q、M方程,即

AB段:Q(χ1)=(1 400+χ1)×q

M(χ1)=(1 400+χ1)2×q÷2 (-1 400≤χ1≤0)

BC段:Q(χ2)=(1 925-χ2)×q

CD段:Q(χ3)=(4 600-χ3)×q

DE段:Q(χ4)=(5 350+χ4)×q

M(χ4)=(5 350+χ4)2×q÷2(5 350≤χ4≤6 510)

(1)

式(1)中,q為均布載荷,經(jīng)計(jì)算為14.2 N/mm。

計(jì)算結(jié)果曲線如圖5和圖6所示,由6×6車型載荷下,腹高300 mm的縱梁截面和腹高320 mm的縱梁截面所受剪力與彎矩一致。

圖5 腹高300 mm縱梁受力計(jì)算結(jié)果

圖6 腹高320 mm縱梁受力計(jì)算結(jié)果

對(duì)于Z軸的慣性矩計(jì)算公式為[8]

(2)

式(2)中:D為縱梁材料厚度(mm);H為縱梁截面腹高(mm);B為縱梁翼面寬度(mm)。

計(jì)算結(jié)果曲線如圖5和圖6所示,由6×6車型載荷下,腹高300 mm的縱梁截面和腹高320 mm的縱梁截面所受最大彎曲應(yīng)力分別為104.0 N/mm2和94.3 N/mm2。

下面繼續(xù)彎曲變形靜撓度計(jì)算,對(duì)于Z軸的最大撓度計(jì)算公式為[8]:

(3)

式(3)中:ymax為縱梁最大撓度;F為作用于跨距中點(diǎn)的集中載荷;l為汽車軸距;E為彈性模量;Jz為截面對(duì)于z軸的慣性矩。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制梁的剪力、彎矩、撓度、應(yīng)力圖[9],由圖5和圖6可知,腹高300 mm的縱梁截面和腹高320 mm的縱梁截面撓度分別為14.7 mm和12.5 mm。計(jì)算結(jié)果歸納如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果歸納

以上計(jì)算均是在靜載條件下縱梁的受力與變形。選取安全系數(shù)5～6,如果靜載情況下最大應(yīng)力大于100 N/mm2,沖擊載荷下要求縱梁材料的許用應(yīng)力大于700 MPa,材料生產(chǎn)工藝性差,因此要求靜載情況下最大應(yīng)力小于100 N/mm2。從計(jì)算結(jié)果可以看到,對(duì)于6×6車型300 mm腹高的縱梁截面的應(yīng)力為104 N/mm2,安全裕度不夠;320 mm腹高的應(yīng)力為94 N/mm2,安全度符合要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,選取縱梁截面腹高為320 mm。

縱梁槽型截面腹高選為320 mm時(shí),靜載撓度最大值為12.5 mm,能夠滿足車輛對(duì)車架彎曲剛度的要求和實(shí)現(xiàn)大承載的要求。通過以上2種不同設(shè)計(jì)方案的比較,我們選擇了縱梁幅高為320 mm的橫截面結(jié)構(gòu),這個(gè)結(jié)構(gòu)可以滿足6×6車型承載的強(qiáng)度要求。

2.3.2縱梁材料選取

縱梁材料選取國內(nèi)可以批量采購的成熟材料,目前國內(nèi)用于縱梁生產(chǎn)且工藝成熟材料包括B510L、QStE380TM和QStE500TM,3種材料的力學(xué)性能見表3。

表3 3種材料力學(xué)性能對(duì)比

目前公路車型大量使用QStE380TM,隨著輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展,QStE500TM應(yīng)用到縱梁生產(chǎn)是縱梁設(shè)計(jì)的趨勢(shì),而且QStE500TM的批量?jī)r(jià)格與QStE380TM接近。針對(duì)越野車,為滿足大承載、輕量化和高沖擊載荷設(shè)計(jì)要求,初步選定QStE500TM作為縱梁材料,可以提高車架的可靠性,更加適應(yīng)車輛在越野工況下使用。

2.4 車架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括車架的外形尺寸設(shè)計(jì)、橫梁設(shè)計(jì)、橫梁布置設(shè)計(jì)和車架附件設(shè)計(jì),橫梁材料一般選取與縱梁一致。

2.4.1車架長(zhǎng)度、寬度設(shè)計(jì)

1) 車架長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。

車架長(zhǎng)度由總體根據(jù)軸距、前懸和后懸決定,6×6車型軸距確定為3 850+1 500,機(jī)動(dòng)性要求接近角≥43°,離去角≥42°,確定前后懸所需參數(shù)見表4,確定過程見圖7。

表4 確定車架長(zhǎng)度所需參數(shù)

圖7 繪圖法確定車架長(zhǎng)度(單位:mm)

車輛前端需要保留縱梁高度尺寸及前端保險(xiǎn)杠安裝空間,因此前懸確定為1 400 mm,車輛尾部需要預(yù)留尾牽引鉤的安裝空間,因此后懸確定為1 160 mm,最終確定車架長(zhǎng)度為7 910 mm。

2) 車架寬度設(shè)計(jì)。

車架寬度是總體在各個(gè)系統(tǒng)硬點(diǎn)確定后,在滿足硬點(diǎn)固定原則下選取車架寬度,特別是懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)限制了車架的寬度。

雙橫臂獨(dú)立懸架前懸架螺簧上支架硬點(diǎn)間距為1 152 mm,留出螺旋彈簧和固定支架所需空間后,結(jié)合CAE仿真優(yōu)化車架剛度,最終確定車架寬度為820 mm,具體見圖8。

圖8 繪圖法確定車架寬度(單位:mm)

2.4.2橫梁設(shè)計(jì)

高機(jī)動(dòng)越野車要求車架具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度來保證輪胎的定位參數(shù),這就要求選取合適的橫梁截面來提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度,橫梁設(shè)計(jì)包括橫梁位置確定和橫梁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。

1) 橫梁位置確定。

針對(duì)高機(jī)動(dòng)越野車匹配獨(dú)立懸架,車架一般為每個(gè)橋裝配位置匹配一個(gè)橫梁,用于抵抗懸架傳遞到車架的力。車架前端由于布置動(dòng)力系統(tǒng),受空間限制前橋處沒有空間布置橫梁,橫梁位置見圖9。

圖9 橫梁位置(單位:mm)

2) 橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為增加車架扭轉(zhuǎn)剛度,在滿足布置要求的情況下,盡量多地選用管狀截面橫梁原則設(shè)計(jì)橫梁。

① 首橫梁設(shè)計(jì)。

首橫梁如果選用管型橫梁,影響車輛前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置,因此,首橫梁選用折彎件。

前懸確定為1 400 mm,縱梁腹高為320 mm,為滿足接近角的指標(biāo)要求,首橫梁外形需要做出斜面。根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置,首橫梁內(nèi)側(cè)布置轉(zhuǎn)向機(jī),因此,初步確定首橫梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 首橫梁結(jié)構(gòu)圖

橫梁與縱梁材料一致原則,橫梁與筋板均選用QStE500TM,由于需要固定轉(zhuǎn)向機(jī),為增加首橫梁剛度,料厚選用12 mm,筋板選用10 mm。

② 管型橫梁設(shè)計(jì)。

為方便管型橫梁與縱梁連接固定,采用管型橫梁通過焊接法蘭與縱梁固定,為增加焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,在焊接法蘭中心開孔,管型橫梁插入到中心孔,單個(gè)焊接法蘭與橫梁有兩條焊縫,具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 管型橫梁結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于管型橫梁由固定法蘭和成型鋼管組成,法蘭與成型鋼管可以通過兩條焊縫連接,增加了連接強(qiáng)度,而且可以通過螺栓與縱梁連接,改善裝配工藝性。

由于管型QStE500TM國內(nèi)沒有批量生產(chǎn)廠家,故管型材料選用Q390,鋼管外徑133 mm,壁厚8 mm。

③ 尾橫梁的設(shè)計(jì)。

尾橫梁不僅起到連接左右縱梁的作用,還要求滿足安裝牽引鉤并滿足牽引工況的能力,因此,尾橫梁不能使用管型橫梁。

尾橫梁設(shè)計(jì)過程中,借鑒安裝尾牽引鉤軍車的尾橫梁,滿足縱梁的裝配要求,確定尾橫梁結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 尾橫梁結(jié)構(gòu)圖

橫梁與筋板均選用QStE500TM,由于需要固定牽引機(jī)構(gòu),尾橫梁、加強(qiáng)筋板及固定筋板料厚都選用8 mm。

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)計(jì)算,初步確定車架結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 6×6車型車架系統(tǒng)總布置圖

2.4.3仿真分析

目前,一般采用有限元法來對(duì)車架強(qiáng)度和剛度進(jìn)行比較分析[10]。針對(duì)車架進(jìn)行仿真分析,具體分析包括車架彎曲工況、轉(zhuǎn)彎工況和扭轉(zhuǎn)工況等3種[11]。

由于越野汽車使用工況復(fù)雜,使得車架承受很復(fù)雜的載荷。正向設(shè)計(jì)中,為更加準(zhǔn)確提取車架受力邊界,根據(jù)整車設(shè)計(jì)載荷及各零部件質(zhì)量分配和減震元器件參數(shù),利用ADAMS Car軟件搭建多種工況的多體動(dòng)力學(xué)模型,提取車架受力并加載到車架有限元模型中進(jìn)行分析。

搭建整車垂彎靜態(tài)和耐久工況、側(cè)彎靜態(tài)和耐久工況、扭轉(zhuǎn)靜態(tài)和耐久工況和制動(dòng)工況的多體動(dòng)力學(xué)模型[12],動(dòng)、靜態(tài)誤差均設(shè)置為0.01。

垂直彎曲工況:模擬由道路和駕駛條件引起的整車垂直方向運(yùn)動(dòng),垂直彎曲工況多體模型如圖14所示。

圖14 垂直彎曲工況多體模型

極限載荷工況(MLCF 1):靜態(tài)載荷包括1g垂直加速度(靜質(zhì)量)和2.5g垂向峰值載荷(根據(jù)車型開發(fā)經(jīng)驗(yàn)確定),共計(jì)垂直3.5g加速度,整體施加到整車上。

耐久載荷工況(ELCF 1):耐久載荷包括1g垂直加速度(靜質(zhì)量)和±0.6g垂直變化加速度施加到整車上,加載時(shí)長(zhǎng)1 s,變化步長(zhǎng)0.01 s。

轉(zhuǎn)彎工況:模擬極限轉(zhuǎn)彎駕駛,轉(zhuǎn)彎工況多體模型如圖15所示。

圖15 轉(zhuǎn)彎工況多體模型

極限載荷工況(MLCF 2):靜態(tài)載荷包括1g垂直加速度(靜質(zhì)量)和0.64g橫向加速度。

耐久載荷工況(ELCF 2):耐久載荷包括1g垂直加速度(靜質(zhì)量)和±0.5g橫向變化加速度施加到整車上,加載時(shí)長(zhǎng)1 s,變化步長(zhǎng)0.01 s。

扭轉(zhuǎn)工況:模擬極限越野路面,底盤扭轉(zhuǎn)工況多體分析模型如圖16所示。

圖16 底盤扭轉(zhuǎn)工況多體分析模型

極限載荷工況(MLCF 3):施加1g垂直加速度載荷下,一橋左側(cè)輪胎和二橋右側(cè)輪胎輸入階躍函數(shù),4 s時(shí)間內(nèi)輪胎中心垂直位移300 mm。

耐久載荷工況(ELCF 3):一橋左側(cè)輪胎和二橋右側(cè)輪胎輸入階躍函數(shù),輪胎中心垂直位移150 mm,加載時(shí)長(zhǎng)1 s,變化步長(zhǎng)0.01 s。

將車架有限元模型各個(gè)零部件賦予材料許用應(yīng)力特性,經(jīng)仿真分析,通過判斷應(yīng)力的安全系數(shù)判斷是否滿足要求,最終方案的仿真分析結(jié)果為:

1) 縱梁在MLCF 1和MLCF3工況下局部安全系數(shù)均大于1,MLCF 2工況下,局部孔周圍應(yīng)力的安全系數(shù)小于1,根據(jù)有限元分析經(jīng)驗(yàn),孔周圍分析應(yīng)力容易失真,可忽略,如圖17所示。

圖17 CAE分析縱梁應(yīng)力

2) 縱梁和管型橫梁在ELCF1-3工況下局部安全系數(shù)大于1.5,如圖18所示。

圖18 CAE分析管型橫梁應(yīng)力

其他工況的分析結(jié)果均遠(yuǎn)大于1,通過搭建整車多體動(dòng)力學(xué)模型,模擬整車使用工況,完成多工況分析,車架仿真分析結(jié)果在各種工況下均滿足整車使用要求。

2.4.4車架整體剛度的匹配分析

車架剛度沿著車輛的縱向分布是不一樣。車架前端有駕駛室、前懸架與動(dòng)力總成,后端有后懸架與上裝,因此車架中部剛度相對(duì)兩端小一些。因?yàn)檐嚰艿拈L(zhǎng)度為7.91 m,如果整體剛度都很高的話,不利于吸收來自路面及上裝對(duì)車架的激勵(lì)能量。車架結(jié)構(gòu)確定后,通過整車多體動(dòng)力學(xué)模型分析[12],在整車多體動(dòng)力學(xué)模型中檢測(cè)了車架的扭轉(zhuǎn)在ELCF 2工況下各個(gè)輪胎的接地壓力,分析結(jié)果見表5。

表5 車架扭轉(zhuǎn)工況多體分析結(jié)果

懸架設(shè)計(jì)輪胎上跳行程為150 mm,車架中部扭轉(zhuǎn)變形可以補(bǔ)償輪胎動(dòng)行程50 mm。

綜上分析,車架配合懸架支架,形成兩端大中間小的剛度分布。懸架處大剛度保證懸架輪胎定位參數(shù)的同時(shí),能夠承受來自懸架的沖擊,車架中段剛度相對(duì)較小,起到緩沖作用的同時(shí),車架變形可以增大輪胎動(dòng)行程,有利于越野工況下的接地性,提高車輛的越野機(jī)動(dòng)能力。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)問題

完成設(shè)計(jì)后,試裝2臺(tái)樣車開展試驗(yàn)驗(yàn)證[13],2臺(tái)車編號(hào)分別為K61和K62,其中K62車在強(qiáng)化路(大卵石路)行使約1 300 km時(shí),出現(xiàn)左側(cè)縱梁2橋懸架支架前部下翼面發(fā)生斷裂,如圖19所示。

圖19 縱梁斷口

3.2 試驗(yàn)問題原因分析

故障發(fā)生后,對(duì)斷口和材料進(jìn)行了理化分析,經(jīng)過斷口宏觀分析、材料化學(xué)成分檢測(cè)、材料力學(xué)性能檢測(cè)、金相分析得出分析結(jié)論:左縱梁在使用時(shí)受到瞬間較大應(yīng)力,是導(dǎo)致其在支點(diǎn)處最大應(yīng)力部位發(fā)生開裂失效的主要原因。

針對(duì)上述結(jié)論,核查車輛試驗(yàn)過程中的出現(xiàn)的故障是否增加縱梁的瞬間沖擊載荷,核查發(fā)現(xiàn),K62在縱梁斷裂前的跑車試驗(yàn)過程中,發(fā)生2橋右側(cè)輪邊輪架斷裂,如圖20所示,K61在輪邊輪架出現(xiàn)裂紋前暫停試驗(yàn)。

圖20 K62車輛試驗(yàn)過程中2橋輪架斷裂

據(jù)此分析,試驗(yàn)過程中2橋輪架斷裂造成縱梁受額外沖擊力。對(duì)2橋輪架斷裂展開仿真分析,首先在多體模型中將2橋右側(cè)輪邊支撐力改為0 N,提取垂彎工況和垂彎+扭轉(zhuǎn)工況的輪胎支撐力[14],加載到網(wǎng)格模型中進(jìn)行仿真分析,與正常使用工況仿真分析結(jié)果對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖21所示。

圖21 2橋輪架斷裂對(duì)車架受力變化分析

在3.5g加速度工況下,正常車輛 k62車架斷裂部位應(yīng)力為43.5 MPa; 2橋右輪架斷裂工況下,車架斷裂部位應(yīng)力為328.1 MPa和346.2 MPa,應(yīng)力增長(zhǎng)7.5倍。

由以上分析結(jié)果可見,輪架斷裂對(duì)縱梁受力影響非常大,局部應(yīng)力呈現(xiàn)指數(shù)倍增長(zhǎng),是造成縱梁下翼面開裂的主要原因。

3.3 整改與驗(yàn)證

由于2臺(tái)試驗(yàn)樣車輪架都發(fā)生故障,經(jīng)過輪架優(yōu)化設(shè)計(jì),確保輪架強(qiáng)度滿足要求后,使車架受力處于正常使用范圍內(nèi)。經(jīng)過整改,車輛重新開展相關(guān)可靠性試驗(yàn),并通過軍方組織的鑒定試驗(yàn),形成試驗(yàn)報(bào)告,試驗(yàn)結(jié)果證明故障定位準(zhǔn)確、方案有效,車架設(shè)計(jì)滿足整車正常使用要求。

4 結(jié)論

1) 通過某高機(jī)動(dòng)重卡車架系統(tǒng)全流程正向設(shè)計(jì),驗(yàn)證該設(shè)計(jì)流程理論依據(jù)充分、設(shè)計(jì)結(jié)果可靠,為實(shí)現(xiàn)車架的正向開發(fā)提供系統(tǒng)方法,驗(yàn)證了高機(jī)動(dòng)重卡車架正向設(shè)計(jì)流程的可行性。

2) 在車輛試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的試驗(yàn)故障,通過利用仿真分析手段,可以輔助故障分析,故障定位準(zhǔn)確,提高解決試驗(yàn)問題的效率。

本文通過探索與驗(yàn)證車架正向設(shè)計(jì)流程,確立正向設(shè)計(jì)標(biāo)桿,提升國內(nèi)高機(jī)動(dòng)重型卡車正向設(shè)計(jì)水平。