重卡车横梁布置对车架强度的影响

2014-04-07王婉莹

河南科技 2014年20期

王婉莹

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京 100000）

当汽车行驶在凹凸不平的路面上时，会带来超过车架的许用应力的车架垂直冲击载荷。另外，车架设计或附属装置造成的局部转矩力，可能导致车架断裂。例如车架纵梁前部横截面较小，发动机和变速器的位置影响横梁分布，这种布置使得车架的刚度降低，从而可能导致纵梁前部断裂。另一种情况是，汽车在上下坡、转弯或者装载不均的时候，会出现车架局部过载的现象，也会导致车架断裂的情况出现。此外，车架还会因为垂直于纵梁的悬臂载荷而产生局部扭曲，这也是导致车架变形和造成车架断裂的因素。而车架横梁的布置，对车架强度的影响是非常明显的，如何改进并合理布局横梁具有关键作用，因此，对重卡横梁的最优布置的研究显得十分有必要。

1 横梁的分类及优缺点

车架是汽车的核心骨架，功能是支撑、连接汽车各总成，承受来自车内外的各种载荷。由于梯形车架具有良好的缓冲作用、隔振作用，且能有效地降低噪声以及延长车身使用寿命等，加之生产上的继承性和工艺性等原因，在大型挂车上的使用依然很广泛。

车架应具有足够的刚度和足够的强度，而且车身的质量要尽可能小。为了降低整车重心，提高汽车行驶的稳定性，车架应布置得离地面近一些。横梁的类型以及各自的优缺点如下：（1）槽型横梁，具有较好的抗弯能力和抗扭能力，得到了较为普遍的应用，一般用于连接板与纵梁上下翼面的连接。（2）帽型横梁，有一定的抗弯能力和抗扭能力，可以获得较大的腹部空间，常用于纵梁上翼面连接。（3）鳄鱼式横梁，抗弯能力较差，可以获得较大的腹部空间，与上下翼板连接。（4）圆管横梁，具有较高的强度，但抗弯能力较差，可以有效降低车架扭力集中，直接焊接在纵梁腹板或用于与上下翼板连接。（5）“Z”型横梁，抗弯能力强，抗扭能力差，可以有效降低车架的扭力集中，与纵梁上下翼面连接。

2 车架结构及横梁布置

2.1 车架结构

车架主要由纵梁、横梁、发动机支架、离合器支架及其他附件组合而成。车架按照工艺的不同又分为焊接车架、铆接车架、铆/焊接的车架。中重型卡车主要采用铆接车架。车架的主要承载部件是纵梁，在汽车行驶中，纵梁受较大的弯曲应力。纵梁根据截面形状可分为工字梁和槽形梁。其中槽形梁具有强度高、工艺简单等优点，所以在载货汽车设计中常选用槽形梁。同时为了使低速载货汽车达到比较理想的使用性能，纵梁都采用直线形结构。这样不仅可以降低纵梁的高度，降低汽车重心，减轻整车自身重量，也可在保证强度的前提下降低成本。

加大横梁的扭转刚度可以较大幅度地提高整个车架的扭转刚度，但是带来的弊端是，与该横梁连接处的纵梁的扭转应力会加大。所以在不加大横梁的前提下，在两根横梁间再增加横梁，则可以增加车架的扭转刚度，而且还可以降低与横梁连接处的纵梁扭转应力。

横梁的抗弯性能、抗扭性能的好坏以及横梁的布置，直接影响着纵梁的内应力大小。同时，合理地分布设计横梁，能增强车架的扭转刚度，更有效地抗弯抗扭。应用最广泛的边梁式车架由纵梁和横梁及车架附件组成，纵梁承担了车架受力的大部分，而车架横梁将左、右纵梁连接起来，构成一个框架，不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还用以支撑汽车上的主要部件。

2.2 横梁布置

车架的横梁上要安装汽车的一些主要部件和总成，横梁的形状以及横梁的布置应满足汽车安装上的需要。横梁的数量，横、纵梁的断面形状以及两者之间的连接方式的不同，会对车架的扭转刚度有很大影响。常用的车架结构形式有以下三种：（1）箱型纵梁、管型横梁，横、纵梁间采用焊接的连接方式，优点是扭转刚度最大。（2）槽型纵梁、槽型横梁，横、纵梁间采用铆接的连接方式，扭转刚度适中。（3）槽型纵梁、工字型横梁，横、纵梁间采用铆接的连接方式，缺点是扭转刚度最小。

以上三种车架中，轿车车架的纵梁与横梁的连接方式多采用焊接的连接方式，而货车则多采用铆钉连接。低速载货汽车常选用槽型纵梁、槽型横梁，采用铆接的连接方式。因为铆钉连接具有一定弹性，非常有利于消除峰值应力，从而改善应力状况，非常适用于要求有一定扭转弹性的货车车架。

1214 型重型卡车的第三梁和第五梁存在较大应力，扭转状态下应力值也较大。焊接连接可以大幅度降低水平工况下连接部位应力，大幅度降低左扭工况最大应力和连接部位应力，增加侧向铆接，可以改善车架的应力分布，降低最大应力。增加车架横梁的截面高度，对降低车架应力较有利。

某重型卡车，最大应力区为车架前部变截面上、下弯边内缘与外缘，主纵梁位于第三横梁前部上弯边外缘，第六横梁和第七横梁附近上、下弯边处。最佳改进方案为增加翼缘宽度，这种方法不仅能有效地增大槽型界面的抗弯截面系数，而且增强处的材料分布位置恰好是应力值较大部位，且车架质量增加较少。