重型自卸汽车车架的改进设计分析

2022-09-06韩勇

时代汽车 2022年18期

韩勇

陕西重型汽车有限公司陕西省宝鸡市 722400

1 引言

重型自卸汽车的车架一般都是作为承载的主要基体，所以车架的承载力和抗疲劳性能都会影响到使用效果。传统的重型自卸汽车车架在设计时主纵梁并未与内加强梁贴合在一起，这种结构与长轴距重型自卸汽车的要求完全不符，很容易造成事故。因此，为了提高重型自卸汽车的使用效率，必须要对重型自卸汽车车架的设计方法进行改进，这样就能满足更多类型重型自卸汽车的要求。

2 重型自卸汽车车架的受力和结构形式

重型自卸汽车车架的设计方案要与整车的设计方案相结合，车架在设计过程中必须要从两个方面入手，一是选择适合的设计方案，二就是对设计方案做出精准的计算。因此，重型自卸车在设计之前要提前确定车架的设计形式，同时还要对车架的载重情况进行全面分析。重型自卸汽车车架的主要作用就是承受载重，对整车的零部件起到支撑作用。车架在动态和静态符合过程中常常会出现各种变形，所以本文对车架变形情况和影响因素进行了分析，主要表现在以下几个方面：

首先，车架最容易出现的变形就是垂直弯曲变形，这是因为车架纵梁承受不了外界的压力而产生变形，同时也是纵梁受到载荷作用之后的结果。重型载重汽车在行驶的过程中，如果经常出现紧急制动，也会造成纵梁出现变形的情况。因此，重型自卸汽车车架在设计的过程中，必须要着重考虑纵梁对弯曲度和刚度的基本要求，这样才能确定纵梁最终的设计形状和尺寸。

其次，重型自卸汽车车架在扭转的过程中也容易出现变形，造成变形的主要原因就是因为重型自卸汽车在转向行驶和翻越障碍物时，车架就会随着轴线的转向而发生扭转变形，在这种情况下车架横梁对这种扭转变形产生抗力，最终就会出现变形。车架横梁的截面与尺寸设计以及与车架的连接方式都会影响到扭转刚度，所以在设计过程中必须要对这些方面进行严格控制，才能减少车架的扭转变形。

再次，重型自卸汽车车架在转向过程中也容易出现侧向弯曲变形，在这个过程中车架所承受的力主要是横向力，车辆在行驶过程中转向会出离心力，车架两侧所分配的力就会失去平衡。但是这种情况下所产生的变形相对较小，如果车架大梁的弯曲和刚度能满足横向力的基本要求，在设计过程中就可以忽略车架的侧向弯曲变形。

最后，重型自卸汽车车架大梁的局部也会出现扭转变形。之所以出现这种变形主要是因为设计过程中车架因为侧面安装了重量较大的零部件之后，受力就会不均匀，如：有些重型自卸汽车的油箱会安装在大梁的侧面，为了避免这种扭转变形情况的出现，在设计过程中就要加强局部的刚度和抗变形能力，或者通过安装横梁的形式减小大梁局部的应力，从而提高大梁局部的抗变形能力。

3 重型自卸汽车车架的整体设计方案

重型自卸汽车在使用的过程中一般所面对的环境都比较复杂，并且常常在恶劣的条件下工作，受力情况也不够稳定，重型自卸汽车所承受的荷载也存在多种形式。因此，重型自卸汽车的车架在设计过程中必须要对刚度和强度进行严格控制，并且还要最大限度减少重型自卸汽车的自重。重型自卸汽车车架在设计的过程中一般会考虑到适用范围、制造过程中所采用的工艺以及生产过程中所使用的材料等等。

目前最常见的重型自卸汽车车架类型一般分为大梁式和承载式，除此之外还有钢管式和一体式等，重型自卸汽车最常用的车架主要是承载式。承载式车架的材料主要是将钢板不断进行冲压或者焊接，最终形成质地坚固的架体，然后在将发动机和其他构件全部安装在车架架体上。车架的主纵梁和主横梁以及其他主要零部件的材料一般是由经过冲压的钢板支撑，有些厂家在生产时也会选择其他钢制材料。重型自卸汽车车架的各个零部件在组装过程中主要采用冷铆进行链接，特殊部位可以通过螺栓进行连接。

车架在生产过程中所采用的原材料除了要具备较强的抗屈服能力和抗疲劳能力之外，还要避免应力集中在一起，同时也要具备较强的冲压能力和焊接能力，所以常见的材料一般为低碳合金钢，重型自卸汽车车架主纵横梁的冲压钢板厚度一般控制在七到九毫米之间。8*4 的重型自卸汽车轴距较长，并且车架受力情况也不够稳定，在设计过程中就要对主纵横梁的和内加强梁的钢板材质的屈服强度严格控制，这样才能保证车架的承载力。

4 重型自卸汽车车架的设计改进方案

4.1 重型自卸汽车车架宽度的设计改进方案

重型自卸汽车最常见的型号为总重超过二十五吨的6*4 和总重超过三十一吨的8*4重型自卸汽车，这种重型自卸汽车的后桥承载力一般为十三吨，所用的轮胎也必须是重型自卸汽车的专用轮胎。但是国家相关规定中明确指出重型自卸汽车的车辆总宽度不得超过2.5 米，所以在设计的过程中为了满足国家相关要求就必须要对轮胎位置和钢板弹簧进行合理设计，重型自卸汽车车架后端的宽度较窄，必须控制在八十公分左右，重型自卸汽车车架后端的宽度一般都会将以下参数作为参考依据。（如：图1）重型自卸汽车车架中端的设计宽度必须要与后端的宽度保持合理的差距，还有结合前端、中端和后端的生产工艺，尽可能降低不同部位之间的宽度差。在设计重型自卸汽车车架前端的宽度时，除了要结合发动机的尺寸职位，还要将重型自卸汽车驾驶室发动机外壳的尺寸作为参考依据。如果是柴油型发动机，并且发动机和外罩的尺寸较大，车架前端的设计尺寸也会随之增加，一般会将宽度控制在九十五公分左右。如果重型自卸汽车的发动机尺寸较小，发动机罩的尺寸也小，车架在设计过程中前端和中端的宽度一般为相同尺寸。

图1 重型自卸汽车参数示意图

B、L、K、G、F、d、S 分别为轮胎外宽、双胎中心距、胎宽、板簧与轮胎间隙、板簧宽度、U 型螺栓厚度（直径）及U 型螺栓与车架间隙，单位均为mm

4.2 重型自卸汽车车架纵梁与加强梁的设计改进方案

重型自卸汽车车架在设计过程中，纵梁是承担荷载的主要基体，重型自卸汽车在行驶的过程中主要是由纵梁承担弯曲应力。纵梁的外形一般以槽型为主，并且需要具备较强的抗弯强度，纵梁的材质也是以经过冲压支撑的热轧钢板为主。大部分8*4 重型自卸汽车的加强梁结构也是槽型结构，在设计的过程中车架的主纵梁并未与内加强梁贴合在一起，之所以这样设计就是因为槽型刚在冲压的过程中有很大的难度，但是这样就会使重型自卸汽车车架的抗变形能力受到限制。很多用户购买使用这种重型自卸汽车后提出的反馈意见都是车架的刚度较差，所以在设计改进的过程中就将车架的断面结构设计为纵梁翼面贴合，从而提高重型自卸汽车车架的刚度。在生产过程中所采用的工艺为模具生产，这样就能使主副纵梁的贴合度得到保障，同时还能生产出不同长度和规格的主副纵梁，从而满足不同轴距车架的实际需求。虽然利用模具生产前期会投入较大的成本，但是只要生产数量和规模能够持续上涨，成本也会越来越低。

重型自卸汽车车内加强梁在设计时一般会将内加强梁的位置控制在车架前轴的后面，主要是因为前轴和驾驶室等部件要放在前面，再加上还要给风扇或者散热装置等零部件留出空位，会将车架前面的部位进行切割，最终导致用户在使用的过程中车架前部出现弯曲，或者发动机等部位损坏的情况。因此，在改进设计的过程中必须要将内加强梁的长度进行延伸，要保证超过车架前轴的中心线位置，并且还要将前梁进行改进，使重型自卸汽车车架的抗变形能力得到提升，这样才能提高车架的受力情况，车架加强梁断面结构图见图2。

图2 车架内加强梁断面结构图

4.3 重型自卸汽车车架横梁的设计改进方案

常见的重型自卸汽车车架横梁也分多个形状，主要有槽型、帽型以及圆管型等。重型自卸汽车车架横梁的主要作用是将车架两边的纵梁连接在一起，确保车架框架的完整性，这样才能使重型自卸汽车车架在扭转的过程中刚度得到保证，还能保证各个零部件的安装要求得到满足，从而降低车架纵梁的受力情况。因此，车架横梁在设计的过程中必须要充分考虑自身的受力情况，并且还有保证各个区域的受力情况和扭转刚度能够满足重型自卸汽车的承载要求。如果重型自卸汽车车架的纵梁的个别部位承受的载力较大，就要加设横梁。如：重型自卸汽车车架的前悬架和后悬架位置、车厢转轴支架位置就需要较大的承载力，这些部位都要增加横梁。另外，重型自卸汽车车架如果前端一直到驾驶室后围安装了转向系统，重型自卸汽车在行驶过程中如果遇到沟坎，就会产生挠曲变形，最终影响到车辆的正常转向，甚至还会影响到车辆的正常行驶。这个部位对车架刚度的要求较高，否则就会影响到车辆行驶的安全性。因此，重型自卸汽车车架前端驾驶室后围必须要增加两至三根横梁，车架后端的刚性也要得到保障，这样才能确保转向的稳定性。另外，重型自卸汽车车架最容易出现变形的部位是车架中端，所以车架中端也要具备较强的挠性，在转向和形式过程中可以进行缓冲，从而避免将所有的应力全部集中在中端从而造成车架局部损坏。

4.4 重型自卸汽车车架纵横梁固定的设计改进方案

重型自卸汽车车架的纵梁和横梁在连接的过程中最常见的方法就是铆接法和焊接法，同时也可以利用螺栓进行连接。这些方法中成本最低的就是铆接法，这种连接方法更适合大批量，并且车架也不会产生太大的变形。我国重型自卸汽车车架在生产过程中焊接法也是一种常用的连接方法，焊接能够将刚度较强的部件牢固的连接在一起，但是这些部件在焊接的过程中可能会出现变形或则产生内应力，所以小批量生产时或者修理车架零部件时才会选择焊接法。还有一种连接方法就是连接，这种方法一般应用在重型自卸汽车车架零部件的互换或者拆卸上，虽然这种方法使用简单，但是如果长时间使用会出现松动的情况，为了增加螺栓连接的牢固性，可以在螺栓连接部位涂刷紧固胶，或者通过自锁螺母增加螺栓的紧锢性。

4.5 重型自卸汽车车架与副车架连接的设计改进方案

重型自卸汽车的车架与副车架在连接的过程中所采用的连接方式一般会利用U 型螺栓进行固定，再加上重型自卸汽车主要是将多级油缸车箱前板直推式当做主要的举升方式，所以车架与副车架之间必须要牢固的连接在一起，各个部位的尺寸也要满足油缸的安装要求，防止对油缸造成破坏。重型自卸汽车车架与副车架是直接安装在一起，并没有利用缓冲垫，这种连接方式最大的优势就是能够确保副车架安装的稳定性，还能确保油缸的尺寸符合基本要求，在安装过程中节省了很多零部件，从而缩减了安装成本。但这种安装形式最大的缺点就是容易将车架前段的应力集中在一起，并且车架在设计安装过程中不能出现铆钉。另一种连接方式就是在车架与副车架连接的过程中增加缓冲垫，虽然这种方法能够有效缓解车架应力集中的情况，但是在安装的过程中会加设零件，增加生产的成本，并且为了避免对油缸的安装尺寸造成影响，还要经常更换缓冲垫，增加了维护的难度，同时也增加维护的成本。本文通过分析总结了两种连接方式的优点和缺点，重型自卸汽车车架与副车架在连接的过程中就可以结合自身的实际情况选择更加适合的连接方式，这样才能提高连接工作的有效性。

总之，经过设计改进方案能够发现，重型自卸汽车车架在设计过程中，车架纵梁是最主要的受力结构，如果所承受的力相同，纵梁的形状尺寸以及厚度都会对车架的刚度造成影响。车架横梁的数量、位置以及厚度也会影响到车架扭转刚性，在设计的过程中必须要仔细核对各项数据，这样才能确保扭转刚度符合要求。如果重型自卸汽车车架的横梁为焊接结构，局部的刚度发生突变之后，虽然能够利用提高刚度应对，但是容易将应力集中在一起，最终因为疲劳而出现裂纹，所以可以通过局部渐进的方式逐渐加强，从而缓解应力的集中性。