重型牵引车低货台车架结构及其受力分析

干奇银

（北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，北京 101400）

0 引言

低货台半挂牵引车，顾名思义其牵引鞍座承载面低，可用来匹配低承载面半挂车，主要运输挖掘机、推土机等工程设备。近年来，随着道路条件变好以及快递物流业的迅猛发展，低货台牵引车被用于运输体积大，质量轻的货物，且路况多为高速和一级公路。因此低货台牵引车在运输业的比重逐年增加。

1 车架设计方案

低货台牵引车，其外观如图1所示。

图1 低货台半挂牵引车

目前我国的低货台牵引车多为4×2型重型卡车，而国内主流的重卡车架，车架截面高度均在270～320mm之间，如果将其在此基础上设计为低货台运输车，根据对货台高度的需求反推车架纵梁高度需求为200～250mm，因此必须将车架截面变窄至200～250mm之间。这势必影响所有与车架相关联的系统，车架纵梁高度整体变窄后将影响车架总成的刚度，同时需要重新规划设计平台，设计工作量及成本投入极大。

本文通过更改普通牵引车的车架结构，使其应用于低货台牵引车。并通过有限元分析，对车架的薄弱区域进行加强，优化设计[1-2]。

如果在原车架基础上，对后桥处的车架纵梁，做局部弧面压型处理，如图2所示.纵梁的主体截面高度不变，仅对车架后部的模具作调整即可，投入小，设计和生产周期短。为普通的重卡车架转为低货台车架提供技术支持。

图2 车架弧面压型

2 车架变更结构校核

做弧面压型的目的是为后桥提供跳动空间。弧面压型结构在设计时要避让开前后空气悬架，并保证后桥跳动至极限位置时，不会与弧面变形处产生干涉。

以某截面为285mm的车架为设计原型，在其后悬架处做弧面压型设计。压型深度为45mm，总行程h=90mm（气囊悬架的跳动行程要求h≥65mm，h值较大可获得较大的舒适性），完全可满足后桥的跳动量，并为空气悬架的设计提供了足够的空间，此方案在结构上完全可行。此时，需要对车架的强度做有限元分析，并对其受力较强的区域做加强方案，以满足整车工况的需求[3-5]。

3 车架受力有限元分析条件设定

采用Hypemesh软件对车架做有限元前处理，划分网格，采用软件对车架做有限元分析。

3.1 CAE分析参数设定

将该结构经过CAE分析，并和原成熟结构相比较。材质及其参数设定如表1：

表1 车架材质及参数设定

3.2 CAE分析工况设定

根据笛卡尔坐标系，设定分析坐标：

车辆行进方向为X向，向后为正；

车辆左右侧方向为Y向，右侧为正；

高度方向为Z向，向上为正。

工况加载，对改进后的结构进行冲击、极限转向、扭转、制动、疲劳等几方面的分析。

其中设定参数为：

（1）冲击及弯曲工况：Z=[-0.4g,-1.6g]；

（2）转弯工况：Z=-1g，Y=[0.4g,0.4g]；

（3）扭转工况：Z=[-150,150]，即车架左右侧在-150mm至150mm，上下来回扭转；

（4）其余同静态工况。

4 CAE仿真结果分析

4.1 扭转工况应力云图

通过CAE分析，扭转工况为其危险工况，其仿真分析为判定优化结果的关键依据。经过分析，应力最大出现在第三横梁和弧面压型后端处，仿真云图如图3所示：

图3 车架及其应力较大处的仿真云图

4.2 扭转工况疲劳仿真云图

经过计算，扭转工况为其危险工况，根据设计原则，在该极端工况下，能承受30万次以上的反复测试，可认定为符合设计要求。即车架能够经受住，左右侧在Z=-150mm至150mm来回扭转的工况，30万次以上。车架的最弱点亦出现在第三横梁和弧面压型后端处，如图4所示：

图4 车架扭转工况下疲劳寿命云图（图中数值单位均为：百万次）

针对以上分析结果，对应力较大处做加强处理。在车架薄弱点增加一层5mm厚的加强板。如图5所示：

图5 车架加强方案

4.3 仿真对比分析

经过加强之后，车架应力及寿命的仿真结果提升明显。除此之外，该分析结果还和其基础车架结构（未做弧面压型）的受力相比较。仿真分析值应优于或不能明显劣于原结构[5]。对比结构见表2和表3所示：

表2 扭转工况，应力仿真分析对比结果

表3 扭转工况，耐久仿真分析对比结果

5 结论

针对以上分析得到以下结论：

（1）该车架能够在保留原车型平台的基础上，通过对车架的局部更改，就能将其改为低货台用车架。设计工作及整体投入成本大大降低。

（2）做弧面压型之后的车架，弧面压型的前后变为了薄弱区域，需要对此处做加强处理。理论上加强后的结构能满足车架的强度要求。

至截稿日起，该车架结构在试验场通过了整车耐久试验，未出现结构性损坏。因此，经过仿真及试验验证，该型式的低货台车架有效可靠。