基于结构强度分析的工程车车架性能影响因素研究

2023-01-02刘兴国黄才贵蒋正忠

中国设备工程 2022年14期

刘兴国，黄才贵，蒋正忠

（南宁学院，广西南宁 530200）

随着我国基础设施建设的不断加快，对建设材料运输的需求不断增加。在运输行业之中，工程车以其载重大、快速、便捷等优点，被广泛的应用在各类基础设施建设的材料运输当中。可见，工程车在交通运输行业中扮演着十分重要的角色，对整个社会经济的发展起到了至关重要的作用。然而，由于工程车来说需要长期在高负载状态下工作，而且相较于其他车辆工程车所行使的路况相对较差，车辆结构极易因疲劳损伤而发生故障，特别是受力最为复杂的车架结构，其自身性能直接关乎着整个车身机构的安全性。为确保工程车能够安全稳定的形式，有必要研究工程车车架性能及其影响因素。

车架结构作为整个工程车的基础和载体，车辆的发动机、悬架系统、转向系统、传动系统、驾驶室及其运货箱等几乎全部构件和总成都是安置在车架之上并通过车架固定其所处的位置，其主要作用为支撑并连接整个工程车的各个零部件，并承受来自工程车内部和外部的各种荷载。可见作为工程车核心受力构件，车架必须有足够的刚度、强度和性能。因此，以工程车作为研究对象，基于结构强度角度分析工程车车架性能及其影响因素，以期提高国内工程车的设计、制造水平，消除其存在的安全隐患，减少交通事故的发生。

1 影响因素分析

工程车车架在结构形式上一般以边梁式车架为主，这种结构形式以两根平行排列的纵梁和若干个横梁为主要框架，以支撑板和连接板为辅，由螺栓、铆接等方法刚性连接而成。可见，工程车车架性能受各个零配件的质量及其装配工艺的影响。一旦零配件的质量达不到要求，车架就会产生较大的弯曲影响车架的整体性能。此外，车架的装配精度直接影响到其他外围零件的安装难度、整车的整体外观和总装性能。框架所用钢板厚度主要为3～8英寸。与车身部件相比，它具有质量大、刚度大的特点。根据以往的装配经验，在整个车辆制作和装配过程中，很大一部分安装困难是由车架的精度造成的。在车架的装配中，能否在合理的范围内检验精度，是一个非常重要的目标。而且各个零配件的装配必须控制在一定的误差范围内，保证装配精度。因此，本文主要分析车架的零部件强度和装配精度这两个因素对工程车车架性能的影响。

1．1 车架强度对车架性能的影响

（1）纵梁强度。以往的研究成果显示，纵梁构件在冲压成型之后，难免会发生内凹回弹或外凸回弹的情况。所谓内凹回弹主要是指纵梁在加工完成之后呈中间向内凹陷的状态，由其上腹面和下腹面应力状态不相同，会发生回弹现象，反之则为外凸回弹。考虑到纵梁做成整个车架中的核心部件，其强度直接影响车架的整体性能。通过结构强度分析可以发现纵梁强度对车架性能的影响规律，一方面纵梁的弯曲程度大于车架的弯曲度，主要是纵梁在通过与横梁和连接板刚性连接之后达到了力的平衡状态，横梁和连接板分担了纵梁的部分回弹力，从而强化了车架的抗弯刚度。另一方面，车架的内凹回弹现象对车架的总体性能影响较小，而外凸回弹则严重影响车架的总体性能。研究结果表明，车架的弯曲趋势绝大部分与总量的外凸回弹趋势一致，并且具有相同的弯曲挠度。而且若车架两根纵梁的外凸回弹值较大，车架处于不稳定状态，达不到整体的强度要求。一根纵梁外凸回弹值较大，另一根较小，车架同样达不到强度要求。只有两根纵梁的回弹值都很小时，方可达到强度要求。因此，必须改善纵梁的弯曲状态，保证车架的整体性能。要达到这一目的，最简单直接的方法对纵梁进行校直处理，减小其弯曲程度。根据相关试验研究结果，若将纵梁的弯曲程度控制在5mm以下，就可以保证车架的整体弯曲刚度，如将纵梁的弯曲程度控制在3mm以下，则可以大幅提高车架的整体性能。

（2）连接强度。由于工程车车架主要有纵梁、横梁、支撑板以及连接板等构件通过螺栓、铆接等工艺连接成为一个整体，因此，各零部件之间的连接强度直接影响了整个工程车车架的性能。若各零部件之间的连接强度未达到标准要求，就会造成车架的不稳定并发生弯曲变形。这就需要在转配过程中，采用无损检测等方式对连接强度进行检测，加强配件的成型和导向，提高连接强度，避免车架因连接刚度不足而发生局部变形影响车架的整体性能。此外，车架在铆接时，若定位不准确同样可能导致车架的弯曲刚度不足，这就需要在铆接过程中，采用定位胎具等装置对其进行定位，使其强制校直后再进行铆接工作，保证铆接的质量，从而确保成家的整体性能。

（3）板料质量。在影响车架强度的各个因素之中，纵梁强度、连接强度等因素都能够通过相关的测试手段、校直手段等进行检测和维护，保证其达到强度要求。相比之下，只有各个零部件的板料质量这一因素控制起来较为困难。以纵梁的板料质量为例，相关研究表明若工程车车架的纵梁在制作过程中使用了未经校平的板料，就会严重影响纵梁的弯曲刚度。这主要是由于在未经校平的板料内存在着内凹、外凸现象，其中外凸一般为正值，内凹一般为负值，这就造成纵梁的弯曲状态存在着较大的差异，产生分散的弯曲状态，从而导致弯曲挠度相差过大。而采用校平的板料压型制作而成的纵梁，其弯曲状态得到了极大地改善。纵梁每个部位的弯曲全部表现为内凹状态，不存在外凸现象。纵梁的弯曲挠度可以保持在一个稳定的区间内，不存在应力集中现象，表明纵梁板料的质量直接影响其自身的弯曲状态和弯曲刚度。进一步分析板料对车架性能的影响，采用X-ray应力检测仪对板料校平前后的应力状态进行检测，可以看出板料校平之后的应力分布状态较为均匀，各部位间的应力方向一致，大小相差较小，有利于保持压型后应力状态的一致性。而未经校平的板料存在应力方向不一致，即部分位置以压应力为主，部分位置则以拉应力为主，且应力间的偏值较大，不利于保持压型和应力状态的一致性。因此，在压成前对板料的校平可以有效的降低板料的应力集中，改善其应力状态，使其内应力更加均匀的分布，提高回弹一致性。

1．2 装配精度对车架性能的影响

（1）结构设计。根据实际需要，车加纵梁可设计为不同的截面形式，如直梁、可变截面梁等。直梁结构简单，制造容易，对制作设备要求低，但其强度略弱于变截面梁。为了减轻工程车重量，使其向轻量化发展，许多设计师将车架中的纵梁设计为可变截面梁。然而，在可变截面梁的生产过程中，变截面附近的材料存在塑性变形，容易产生粗糙、孔偏差和孔变形等等问题，这些问题在制作过程中加以控制，这也对设备和工艺水平提出了更高的要求。在车架模型的初步阶段，产品设计师应与工厂加工进行更多的讨论，以根据工程车自身特点、产品要求、设备状态和公司工艺水平共同确定梁的形状和结构。

其次，还必须考虑孔位的定位这一因素。孔在车架上有着极为重要的作用。按照使用功能的不同，车架上的孔大致可以分为铆接孔、装配孔、螺纹孔、工艺孔和减重孔这五种主要类型。而且孔的布置需要进行充分考虑，不仅应满足装配要求，而且不能过度削弱车架的整体强度，并确保后续更换的方便性。为了防止孔因纵梁的形成而变形，孔必须与纵梁的角度保持一定距离。同时，该距离应确保易于接近相关安装设备。为避免在后续工艺中因局部偏差而影响车架精度，导向孔和螺栓连接工艺孔应同时设计。为了避免底盘上孔杂乱无章，应尽可能调整高的位置，标准化设置所有孔，并且所有可能的孔应提前定位在纵向带上，以避免频繁的模制变化影响纵向带的精度，并改善底盘的美观性。此外，梁构件的结构设计也是一个重要因素。标准孔结构宽度方向上的尺寸主要由横梁结构和横梁与纵梁之间的连接方式决定。当零件精度得到保证时，框架宽度方向上的尺寸更容易控制。

此外，车架还看可以可考虑使用全梁。这种整体式梁结构相对简单，但加工设备、设备及工艺要求相对较高。目前，它已广泛应用于国内外的车架制作之中。设计方案的选择和框架结构的详细设计仍然对后续精度保证有很大影响。工程师应在设计中进行更多沟通，并尝试选择最合理的系统。

（2）生产工艺。在车架制作过程中，冲压机和冲压模具的选择也是非常重要的。为获得合格零件，必须选择状态稳定的设备。在车架冲压期间，必须保证设备有足够的压力。如果压力不足，零件可能会因制作不当而起皱和反弹。冲压模具的结构和状态也有很大的影响。首先，在制作过程中，冲头的磨损会导致产品黄油过多、异形孔的产生以及废料和产品之间的粘附。因此，必须定期检查产品和模具的状况，并及时修复损坏。

其次，就结构而言，应考虑采取措施避免纵向胶带形成过程中由于弹跳而导致过度开口。冲头倾斜角增大，开槽增加到冲头底部，更容易保证机架精度，减少表面工作空间，降低成本。同时，再生产过程要注重合理组织定位和转向。定位销通常位于圆周侧的中心，并均匀分布到一定的空间内。

此外，发动机悬置点对角线差、全长对角线差、板簧孔同轴度、左右纵带平面是车架总成的几个重要的检验指标，这些指标的准确性主要通过将夹具固定在框架上来保证。为便于组装，固定装置应配备合格的定位和锁定装置。可以在附件上设计一些定位销，以确保一些尺寸通过这些销和纵向或横向梁上的孔保持固定，或者利用一些成型表面支撑在固定表面上，并由液压或气动机构夹紧。待装配完成后，松开锁紧装置，车架尺寸基本保持不变。

（3）检测手段。与设计和生产一样，检测也是确保车架精度的不可或缺的手段。相关检测仪器主要包括三坐标测量机、环形卡尺、钢尺、卷尺等等。普通的检验工具难以直接用于车架的检测当中因此需要根据产品结构专门设计专用的检测仪器，用于识别零件的某些两只。测量仪器应保证其测量精度。如果测量系统出现错误，合格零件可能被视为不合格零件，或者不合格值可能增加。因此，应定期检测测量仪器的精度。

其次，还需要保证测量系统的稳定性。测量系统是指用于表示产品或过程特征值的仪器、测量仪器、标准、装置、软件、程序、操作员和检测环境的组合。这些因素对测量结果的重复性、再现性、稳定性、偏移量和线性度有重要影响。测量系统可通过统计评估方法进行分析，通过规定完善的测试标准，确保实施的准确性。为了确保车架在所有生产环节都能满足图纸要求的精度，技术和管理服务部门必须制定详细的工艺和测试标准。标准应规定检验要素、技术要求、检验工具、检验频率和检验记录。

检查员应验证是否有必要定期或不定期验证检查员检查的能力和结果，以确保及时发现、纠正或处理问题。检验员应及时处理有缺陷的零件或组件，并与其他主管部门合作分析原因，制定优化的整改措施，以形成闭合回路，并有效控制机架的质量。