工程車輛車架的減重設計研究

胥清靜

(哈爾濱工程機械制造有限責任公司，哈爾濱150066)

一、工程車輛車架減重的必要性

隨著經濟的發展，我國能源消耗量不斷增大，環境污染也越來越嚴重。各種車輛的耗能量和廢棄的排放量是其中一項重要的影響因素。而減輕車輛車架的重量能夠降低工程車輛整體的重量，在同樣的行程中，就可以減少車輛的單位耗油量，也就是減少能源的消耗和廢氣的排放。同時，也能提高燃油經濟性。因此，進行工程車輛車架減重設計研究是減少能源消耗和環境污染的重要措施之一，符合建設節約型社會的要求。

車架是車輛的一個重要組成部分，其重量在車身中占據較大的比例。但是車輛減重是一個連鎖反應，車架重量減輕了，那么懸架承載的重量減少，相應的底盤也可以減得更輕，發動機要拉動的重量就會減少，又可以搭配排氣量較小、較輕的引擎。因此，減輕工程車輛車架的重量，能夠使整個車輛的重量得到減輕，從而提高車輛的靈活性和機動性，以滿足工程的需要。

二、工程車輛車架減重設計引入新的理念——優化設計

1.優化設計的含義

優化設計是指在各種規定的限制條件下，把實際需要的設計問題轉化為最優問題，結合相應的理論和方法，通過計算機進行自動尋優計算，從滿足各種設計要求及限制條件的所有可行方案中挑選出最優的設計方案。然而，許多性能指標之間存在相互制約甚至是矛盾的現象，所以，在設計中一般是將工程車輛車架的拓撲優化與減重設計確定為主要優化目標，而其他參數相應地就成為了一種約束。

這種方法改變了傳統使用的試湊法或是制定多個可行方案并逐一否定的設計方式，拓寬了設計空間，減少了對工程人員經驗的依賴和工作量。因此，優化設計這一技術是提高工作效率的重要手段。

2.優化設計理念在工程車輛減重中的應用

傳統的車架結構設計采用類比思想設計，主要是根據設計人員以往的工作經驗，在車架設計階段制定出多個可行的方案，用簡化計算方法或者有限元法對車架進行分析，在多個設計方案中選出較好的一個，然后對車架進行試驗，最終得出車架結構。這一設計思想得到的車架結構存在只是個別部位的應力水平較高，而大部分部位的應力水平低，強度富余量大的可能性。而優化設計理念在工程車輛減重中的應用就是在保證車輛整體性能不降低的前提下，選擇最有效率的結構形式，設計出合理的結構尺寸，也就是在滿足一定的約束條件下，追求經濟性最好、安全度最高、重量最輕、體積最小或使用壽命最長等目標。

3.運用CAE技術對已選定的方案進行輕量化設計

CAE(Computer Aided Engineering)技術是利用計算機，輔助求解復雜工程和結構力學性能以及優化結構性能的一項技術。在優化設計的理念下，我們找到設計車架的最優方案，然后利用CAE技術對車架進行輕量化的設計。其主要步驟為:首先，在合理簡化原則的指導下，利用CAE軟件建立車架模型。其次，采用合理的材料屬性、分析單元以及單元數量。最后，進行有限元計算分析和結構優化。

三、找到更輕的替代材料

目前，工程車輛車架制造采用的材質一般為鋼材，因此，減輕車架的重量還需要減少鋼材的運用，采用較高強度的鋼材料也就意味著減少鋼材的運用。高強度鋼材料因為其強度較高，使用較少的鋼材料也可以達到與原先相同的結構強度，從而減輕了構件的重量，提高使用的可靠性并節約鋼材。

同時，鋁合金、鎂合金、塑料及復合材料的使用也有利于車架重量的減輕。鑒于車架減輕重量的前提是保證車輛整體性能的不下降，所以，這些材料的應用技術還有待于提高。

經過上述分析可知，隨著節約型社會建設步伐的加快和工程對車輛靈活性和機動性能要求的不斷提高，對工程車輛車架進行減重設計研究有著廣泛的關注度和必要性。以上這兩種方法雖然都在運用，但還有很大的提升空間，值得我們進一步做深入的研究。