基于HyperWorks有限元分析的某卡车车架横梁形式与性能研究

晏强，苗永，刘永博，董昭，刘申杰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

基于HyperWorks有限元分析的某卡车车架横梁形式与性能研究

晏强，苗永，刘永博，董昭，刘申杰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

一辆卡车车架的结构形式，与其装载的货物类型和重量密切相关，车架横梁的结构形式对车架的抗弯、抗扭性能起着重要作用。文章通过对不同车架横梁形式的仿真分析，研究确定了装载不同货物类型和重量的车辆对车架强度、刚度的需求。

卡车；车架；横梁；强度；刚度

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.054

CLC NO.: U469.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-171-02

引言

随着经济发展，物质水平提高，卡车用户对车辆性能的要求越来越高，不仅要求承载性能好、质量可靠，更要求能够以经济、舒适的方式完成货物的运输。卡车生产厂家则希望在满足性能的条件下，尽量控制成本。车架作为汽车的承载基体，其选型和设计是实现整车性能和成本中至关重要的因素之一。本文针对某卡车车架的垂向受力、车辆转弯、车架扭转、车辆制动等工况进行强度分析，研究车架位于后悬架处的不同横梁形式对车架总成的性能影响。

1、横梁结构设计

按照结构布置及制造形式，车架可以简单分类为边梁式、中梁式、综合式、承载式这四种。卡车大多数使用的是承载能力强、制造较简单的边梁式。边梁式车架由位于左右两侧的两根纵梁和若干横梁构成，纵梁多采用抗弯能力较强的槽型截面设计。

横梁形式则种类较多，按结构形式，常用的大致可分为管状横梁、兀型横梁和槽型横梁，如图1所示。管状横梁在三者之中，对车架扭转挠度贡献较大，常应用于车架中段，相比于兀型横梁和槽型横梁，管梁的制造工艺更加简单，成本更低。同时，通过合理的结构优化设计可以实现减轻横梁重量的目标，有助于提高车辆的动力性和燃油经济性。

兀型横梁与槽型横梁均为冲压成型件，相比管状横梁，制造工艺较复杂，但承载能力强，被广泛应用于商用汽车车架上。冲压横梁在结构形势上易于实现多样化设计，满足不同用途的商用汽车车架需求。

作为对比分析，本文选择的管状横梁总成由中间管横梁及两边的冲压法兰板组成，选择的槽型横梁总成由中间的C型横梁及两边的冲压连接板组成。本文主要分析论证位于后悬架处的车架横梁结构形式，因此，对比分析模型中的其它横梁完全一样。

2、车架有限元分析

2.1 模型的建立

将车架CATIA三维模型转换为STP格式，导入HyperMesh进行前处理工作。建立车架有限元分析模型时，钣金件用壳单元模拟，单元平均尺寸10mm，以四边形为主，含少数三角形单元；铸造件用四面体单元模拟，单元平均尺寸5mm。对于螺栓连接和铆钉连接，采用刚 性单元RBE2与梁单元cbar相结合的形式，避免出现局部刚度突变，提供较好的局部刚度效果。前轴、后桥则简化beam梁单元。后悬架处的车架管梁方案及槽型梁方案有限元分析模型如图2所示。

2.2 边界条件及载荷

根据某卡车车架的实际受力情况，将货物质量以均布载荷的形式加载到副车架上；随车附件质量按实际安装和固定位置，在几何重心位置模拟质心单元；其它结构的自重通过软件定义密度即可。

2.3 分析结果

通过有限元分析得出两种方案的安全因子云图，如图3、图4、图5、图6所示。

3、结论

通过仿真分析，得出两种方案的最小安全因子如表1。

表1 两种方案的安全因子

从分析结果可以看出，垂向受力、车辆转弯、车架扭转三个工况，管横梁方案的安全因子不满足要求，而槽型梁四种工况下的安全因子全部达到要求。

管状横梁扭转刚度大，来自后悬架的扭转载荷直接传递到横梁上，导致管梁总成的冲压法兰板应力较大。管横梁的弯曲刚度不如槽型横梁，其连接宽度较小，不利于实现对副簧支架的支撑。

槽型横梁的连接板尺寸大，可以更加接近副簧支架，使其得到一定的支撑。来自后悬架的载荷可以通过连接板传递到横梁上，连接板对纵梁腹板有较大的加强作用。

槽型横梁的弯曲刚度较大，可使纵梁扭角较小，安全因子1.94，而管横梁车架只有0.83。槽型横梁连接板加强，横梁可适当减薄。

[1] 杨希志,葛全.基于某卡车系列车型边梁式车架横梁与性能关系的研究[M].

The Structure And Performance analysis For Truck Frame based on HyperWorks

Yan Qiang, Miao Yong, Liu Yongbo, Dong Zhao, Liu Shenjie
( Shaanxi Heavy-duty truck Co., Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

The structure of a truck frame, which is closely related to the type and weight of the cargo. The frame beam plays an important role in resisting bending and torsion. In this paper, through the analysis of different forms of beams, the demand for the strength and rigidity of the vehicle with different loads is studied.

Truck; Frame; Beam; Strength; Rigidity

U469.1

A

1671-7988(2016)10-171-02

晏强（1986-），男，中级工程师，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，从事总布置设计工作。