车架有限元强度分析及轻量化设计

2021-03-05龙俊华吴林波安瑞兵

汽车零部件 2021年2期

龙俊华,吴林波,安瑞兵

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 510000)

0 引言

车架是重卡牵引车的最重要且最核心的零部件，是一个承载体，驾驶室通过悬置连接在车架上，发动机通过支撑连接在车架，同时车桥和悬架通过支座连接在车架上，以及油箱、尿素罐、储气筒等其他各个系统零部件都是安装在车架上，因此车架承受着各个系统的载荷，车架设计的好坏直接影响着底盘其他系统[1-2]。

牵引车经常跑长途运输，路途遥远，各种工况复杂，要承受弯曲工况、转向工况、制动工况、扭转工况等产生的应力，设计牵引车车架时就要保证足够的强度来适应各种复杂的工况。

本文作者以某6×4牵引车车架为研究对象，在车架设计的开始阶段，考虑到可能性和必要性，只需对车架纵梁进行简化的弯曲强度计算，以此来初步确定纵梁的截面尺寸。根据截面尺寸将车架主体结构设计完毕后，采用有限元分析软件进行各种工况下的强度计算，得出各个工况下的最大应力，与材料的屈服强度进行对比，研究内容对新车架设计具有一定的参考意义。

1 车架纵梁截面尺寸确定

1.1 车架纵梁截面特性

牵引车车架截面为槽型，其截面参数如图1所示。

图1 车架截面参数

车架X处抗弯截面系数为

(1)

1.2 纵梁强度校核

车架受上装垂直向下的力，以及底盘簧上质量在车架垂直向下的力，这两种力假设均匀分布在车架纵梁上，如图2所示。

图2 车架受力简化示意

T2处力矩平衡原理，计算出支反力T1

T1=[F1k(k/2-n)+F2w(m-w/2-v)]/m

(2)

式中：T1为前桥中心处对车架的支反力，N；

T2为中后桥中心处对车架的支反力，N；

F1为底盘簧上质量在车架上的均布载荷，N/m；

F2为装在车架上的分布载荷，N/m；

y为上装质心位置，m。

根据平衡方程，得出L处的截面弯矩和剪力分别为：

M=F1(L+s)2/2+F2(L-v)2/2-F1L

(3)

Q=F1(L+s)+F2(L-v)-T1

(4)

当剪力Q=0时，M出现极值M0；当支反力R1、R2处M亦出现拐点M1,M2。最大弯矩Mmax取三者之间的最大值，考虑实际使用条件和安全系数，最大弯矩Mmax取2倍静载荷条件。故单根纵梁断面的最大弯曲应力为：

(5)

式中：σS为材料的屈服强度。

根据式(1)和式(5)来初步确定车架的截面尺寸。

2 车架有限元模型的建立

根据上述确定的车架截面利用Catia软件进行车架总体设计，完成设计后通过有限元仿真软件Hyperworks 进行车架总体强度分析。

2.1 网格划分

牵引车车架总成由纵梁、横梁、前后悬架支座、鞍座等组成，且进行强度分析时需要加上油箱支架、尿素罐及储气筒支架、消声器支架、驾驶室龙门梁、前后桥等一起分析，算出来的应力值才更加准确。

横梁、纵梁、油箱支架、尿素罐及储气筒支架、消声器支架、驾驶室龙门梁、发动机支架由薄板组成，所采用的单元类型为四边形以及少量三角形进行网格划分；而前后悬架支座、鞍座、前后桥等为铸件或锻造件所采用的单元类型四面体实体[3]。

2.2 连接处理

车架孔位直径φ9 mm及以下清除，会对有限元分析结果造成影响，φ9 mm以上螺栓和铆钉连接处，用刚性单元和单元组合模拟，板簧用弹簧单元，连杆用梁单元模拟，焊接单元用网格单元节点重合处理，发动机、驾驶室、油箱、尿素罐、消声器用质心代替，用集中质量单元模拟质量载荷。由于轮胎刚度比悬架刚度大得多，因此忽略轮胎的变形，轮胎由质心点代替[4]。

车架总成网格划分及连接有限元模型如图3所示。

图3 车架有限元模型

3 车架强度分析结果

3.1 载荷与边界

重卡牵引车车架在行驶过程中主要承受4种工况，分别是弯曲工况、转向工况、制动工况、扭转工况，这4种工况施加载荷见表1，边界条件见表2。

表1 4种工况下载荷情况

表2 4种工况下边界条件

表2中A表示前桥左轮，B表示前桥右轮，C表示中桥左轮，D表示中桥右轮，E表示后桥左轮，F表示后桥右轮。数字代表要约束的自由度，1表示x轴平移方向，2表示y轴平移方向，3表示z轴平移方向，4表示绕x轴旋转方向，5表示绕y轴旋转方向，6表示绕z轴旋转方向，3=200表示在z轴方向施加强制位移200 mm。