自卸車底盤車架的改裝設計及有限元探析

摘 要：本文將自卸車邊梁式底盤車架作為研究對象，將中部斷開后采取可靠的加長措施，進行適當的改裝設計之后應用ANSYSWorkbench有限元分析軟件開展受力分析，研究結果表明改裝設計后的自卸車在承載能力方面表現出較大的提升，并且與車架材料的允許應力相比，實際承受的最大應力較小，該研究可以為自卸車底盤車架的優化設計提供有利的研究依據。

關鍵詞：自卸車 底盤車架 有限元分析 改裝設計

隨著科學技術的進步，裝卸機械化程度逐漸提高，貨物運輸更加合理，為了滿足更多用戶的需求，自卸車改裝工作的意義突顯出來。針對自卸車底盤改裝工程而言，必須在加長車架的基礎上，滿足材料的強度和剛度要求，并能夠承受更大的外界載荷。底盤改裝過程中重點關注車架，同時在系統中加裝千斤頂，通過油箱移位、橫梁移位、氣液管移位等方法提高系統的綜合性能。

一、自卸車底盤車架改裝設計方案

1.確定車架總體結構形式。

圖1是邊梁式底盤車架的典型結構。

傳統邊梁式車架前后寬度大致相同，在充分考慮縱梁中部所受彎矩情況后將中部斷開，同時將其設計成和兩端斷面高度相等的形式，保證構成整體等強度梁。應用這種設計方法便于提高應力分布的均勻性，減輕結構自重，改裝過程中在不同的縱梁上安裝有多個便于連接其它機件的孔位。

2.選擇縱梁材料。縱梁結構是底盤車架重要的承載部件，自卸車行駛過程中必然會受到較大的彎曲應力，本改裝項目中采用平直槽型結構縱梁，材料經過專用熱軋鋼板沖壓制成，構成主副梁形式，便于提高整體結構的剛性，材料為510L-GB/T 3273，應用過程中以國內外總質量相近的自卸車車架縱梁斷面尺寸為依據，最終將縱梁斷面尺寸設計為300mm×80mm×8mm。

3.加長主車架。改裝過程中將駕駛室后端位置、后橋中心軸線位置對車架進行截割，以設計尺寸為標準增加底盤車架大梁的長度，并且所應用的材料必須與原來的車架材料相同，同時保證車架加長的部分和原車架可靠焊接。為了保證車架危險斷面等高應力位置能夠滿足剛度和強度的要求，避免車架在同一個區間內截面尺寸變化過大，必須在車架縱梁焊接之后再應用加強板加強。加長改裝過程中，保證加接的部分與車架結合位置連續焊接。

4.校核車架縱梁強度。

圖2是自卸車受力分析情況。

圖中G0表示設備自身的重力，Ge表示裝載重力，在自卸車靜止狀態下，底盤車架需要承受自身重力、駕駛室重力和裝載重力。

在分析底盤車架受力情況的基礎上，可以將其簡化成簡支梁模型，如圖3所示。

其中q表示均布載荷，M表示彎矩，Rf和Rf1表示支反力。

結合力矩的平衡條件可以計算出前支撐的反力作用，計算公式如下：

假設x表示計算截面和前支撐點之間的間距，此時x截面的彎矩可以采用下式計算：

M（x）=Rfx—（x+a）2—[c2—（Z—x）]2

對M（x）求導后可以求出最大彎矩點，即：

x=[Rf—+]/（+）

此時可以求出最大彎矩Mmax，以《機械設計手冊》（GB5021-2010）為依據，將載荷系數k取為4.0，安全系數n取為1.4，因此可以知道在動載荷工況下的最大彎矩為：Mdmax=knMmax

針對槽形斷面而言，斷面系數計算為W=th（h+6b）/6，縱梁危險截面的最大應力計算為σ=Mdmax/W，如果危險斷面的最大應力計算結果σ≤[σ]，此時可以判斷底盤車架總量的改裝設計滿足使用要求。

二、計算實例

以型號為ZB3090側翻自卸車底盤車架改裝工程為例，表1列出改裝前后的參數。

結合表1的數據可以知道，改裝過程中將軸距加長500mm，裝載質量增加1500kg，此時應用已有的校核公式對該車架進行校核，計算出最大彎矩點x=2088 mm，縱梁危險斷面的最大應力為20. 947 MPa，與臨界值360MPa相比較小，符合改裝設計需求。

三、車架有限元分析

1.有限元模型。實際分析過程中需要重點考慮縱梁和橫梁部分，這兩部分是車架的重要受力結構，在忽略焊縫影響的條件下，對車架的主體結構進行建模分析。應用UG NX7.5建立模型將參數導入到ANSYS Workbench有限元分析軟件中，應用六面體形式單元劃分網格，將材料的彈性模量設置為E=2. 06 X 105MPa，泊松比設置為μ=0.3。構建出的車架有限元模型如圖4所示。

2.載荷與約束。結合前文分析可知，車架上受到的作用力主要為設備的自身重量、駕駛室重量和裝載重量。假設不同的載荷在作用區域內都均勻分布，結合車架不同部分所受的載荷和橫截面積參數，計算出在駕駛室位置施加大小為0.049 MPa的均勻載荷，剩余部分施加大小為0. 155 MPa的均勻載荷。應用鋼板彈簧連接車輪為車體提供良好的支撐作用，在靜力分析過程中可以對彈簧的連接部分進行可靠的約束。實際計算結果表明，車箱后端出現較大的變形，最大變形量為1.5 mm，車架的中間段出現最大應力，最大應力值為139.44 MPa，遠小于允許值360 MPa，說明車架的強度滿足使用要求。值得注意的是，車架應力強度的計算都是建立在縱梁模型的簡化圖基礎上的，無法深入研究橫量部分，計算出的結果可能與實際結果存在偏差，但都會在允許的偏差范圍內，在設計過程中必須重點考慮縱梁和橫梁連接位置的應力集中。

四、結語

自卸車在工業化生產中發揮著重要的作用，本文以自卸車底盤車架改裝設計為例，加長了主車架，借助ANSYS有限元分析軟件對改裝后的結構進行了探究。研究過程中發現，舉升缸支架的位置將會出現較大的應力分布，應力值遠小于固有材料的屈服極限，滿足使用要求，實際應用中車架后部出現最大變形，變形量為1.5 mm，在允許的范圍內。總之，本文的研究結果可以為車架的優化設計提供理論研究依據。

參考文獻：

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[2]張斌鋒.自卸車標準化設計與研究[J].機械設計與應用導刊（2011上旬版），2011，41（z8）：136.

作者簡介：張新春（1978—），男，山東省淄博市，助理工程師，現主要從事商用車、專用汽車設計。