鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

嚴國祥，王雪飛，朱玉乾

（忠旺鋁業(yè)有限公司，北京100020）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電商、快遞業(yè)爆發(fā)式增長，貨物運輸量劇增，導(dǎo)致商用物流車需求加大，物流運輸行業(yè)競爭加劇。為控制成本，增加貨運量，各物流企業(yè)對車輛的性能、油耗、載質(zhì)量利用率要求越來越高，而解決上述問題的最佳方案莫過于減重。輕量化對傳統(tǒng)燃油汽車可顯著降低油耗，對新能源汽車可增加續(xù)航能力，對于商用物流車最明顯的優(yōu)勢是多拉貨物，空載降低油耗，從而在相同運費情況下降本增效。車架是半掛車最關(guān)鍵的部件，承載著整車載荷。因此，車架輕量化要充分考慮其強度和剛度，目前鋼制半掛車車架縱梁、橫梁普遍采用高強鋼板沖壓、折彎成型，再焊接而成。相對于低碳鋼車架，高強鋼車架在鋼板壁厚上做了一定程度的減薄，因其材料屈服和抗拉強度高，也能滿足使用要求，輕量化效果也不錯。但因鋼板壁厚薄，工作環(huán)境惡劣，容易銹蝕，影響車架強度，使用壽命很短。鋁合金密度僅為鋼的三分之一，其表面有一層致密的氧化膜，可隔絕空氣與鋁的接觸，作為車架材料永不生銹。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將鋁合金應(yīng)用于該領(lǐng)域，實現(xiàn)輕、強、耐用的效果，對半掛車的輕量化很有意義。

1 設(shè)計依據(jù)

車架受力極為復(fù)雜。車輛靜止時，它在支承裝置和行走系統(tǒng)支撐下，承受上裝及載荷的重力，引起縱梁的彎曲和局部扭轉(zhuǎn)，如路面不平，車架還將呈現(xiàn)整體扭轉(zhuǎn)。車輛行駛時，載荷和上裝自重及來自牽引車的牽引力、轉(zhuǎn)向力、制動力等使車架各部件承受著不同方向、不同程度和隨機變化的動載荷，車架的彎曲、局部和整體扭轉(zhuǎn)將會更加嚴重，同時還會出現(xiàn)側(cè)彎、菱形傾向，以及各種彎曲和扭轉(zhuǎn)振動[1]。牽引座板與支架是主要受力部位，車輛行駛過程中鞍座與牽引座板為面接觸，路面?zhèn)鱽淼慕蛔冚d荷通過鞍座傳遞給牽引座板和支架，造成沖擊.因此，牽引座板和支架設(shè)計時需重點關(guān)注[2]。

本文將利用有限元分析工具模擬滿載狀態(tài)下彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎、制動各種工況，并重點分析鞍座連接處結(jié)構(gòu)強度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋁合金車架設(shè)計應(yīng)參考鋼制車架結(jié)構(gòu)，按等強度原則設(shè)計，最大程度減重。

本半掛車選用空氣彈簧懸架系統(tǒng)，縱梁上翼面為平直結(jié)構(gòu)。車架總成由縱梁、牽引板、各橫梁、空氣彈簧安裝架組成，如圖1所示。考慮到鋁合金材料焊接接頭弱化，熱影響區(qū)強度低，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致焊縫開裂。因此，作為主要承力的車架，其各部件之間連接方式以拉鉚為主，螺接為輔。

圖1 車架總成

2.1 車架主體

車架主體采用傳統(tǒng)的梯形非全承載結(jié)構(gòu)，由左右兩支縱梁焊合和若干橫梁通過鉚接和螺接的方式連接，橫梁分貫穿橫梁和主橫梁，分別布置于縱梁的上下部位[5，6]。

2.1.1 縱梁焊合

縱梁焊合[5]由縱梁和前下翼加強板焊接而成，材料均選用抗拉強度高于310MPa的6082-T6鋁合金，縱梁用400mm高的工字梁擠壓型材加工而成，前下部經(jīng)過三段過渡坡面設(shè)計，保證受力過程中應(yīng)力均勻分布，避免應(yīng)力集中[3]。前下翼加強板通過計算并結(jié)合經(jīng)驗值確定合適的厚度和寬度，既可滿足變徑處抗彎和抗扭剛度，又能將重量做到最低。

2.1.2 貫穿橫梁

貫穿橫梁組件由工字型貫穿橫梁和兩端T型板螺接，縱梁腹板上用數(shù)控機床加工出工字孔，貫穿橫梁穿過工字孔，用螺栓和角鋁與左右縱梁連接。這種結(jié)構(gòu)可顯著降低地板離地高度，增加縱向抗剪切強度，使車架結(jié)構(gòu)更加緊湊。

2.1.3 主橫梁

主橫梁組件由工字型主橫梁和兩端C型連接板焊接而成，通過鍍鋅短尾拉鉚釘與縱梁腹板連接。此連接方式操作簡單，鉚接后永不松動，可靠性好，跟焊接相比具有一定柔性，抗震性能強，疲勞特性優(yōu)異[1]。

主橫梁對于車架抗彎和抗扭能力有非常重要的作用，應(yīng)在前端、中段、后端合理安置。依據(jù)橫梁位置不同，有支腿橫梁、懸架橫梁、后端橫梁（見圖1）。

2.2 牽引板組件

牽引板組件與牽引車鞍座通過50#牽引銷連接，由牽引板和支架組成，牽引板選用t8/Q345B鋼板制作，與縱梁和支架螺接[4]。為了減重，支架第一版方案設(shè)計選用鋁合金擠壓C型縱梁和橫梁焊接而成，與縱梁腹板焊接。經(jīng)有限元分析，支架與縱梁焊接處應(yīng)力值超過評價值，存在安全隱患。后將支架改用Q345B鋼板折彎、拼焊成型，與縱梁通過過渡板螺接。CAE分析該方案滿足強度要求，分析報告詳見下文。圖2和圖3分別為方案1和方案2。

圖2 牽引板組件方案1（鋁支架）

圖3 牽引板組件方案2（鋼支架）

2.3 懸架加強組件

懸架加強組件作用是增強車架抗擊動載荷的能力，由6系鋁型材和5系鋁板加工后焊接而成。此處創(chuàng)新點是采用坡面過渡設(shè)計，并且加強組件在上下翼板之間不貫通，可使該部位應(yīng)力更均勻。經(jīng)有限元分析，強度滿足使用需求，并在后期的路試中得到驗證。

3 有限元分析

采用有限元方法對牽引板鋼鋁支架兩種鋁合金車架方案進行對比分析，為設(shè)計開發(fā)及優(yōu)化提供可靠的理論基礎(chǔ)。

3.1 網(wǎng)格劃分

忽略非主要承載件以及懸架系統(tǒng)，對模型進行抽中面處理，采用殼單元模擬型材及板材件，鉚接、螺接及焊接用剛性單元模擬。

3.2 材料屬性

材料屬性均按照國家標準GBT 6892-2006和GBT 1591-2008執(zhí)行，具體材料參數(shù)如表1所示[3，4]。

表1 車架材料屬性

3.3 強度分析

（1）邊界條件車架前部通過牽引板支撐在牽引車鞍座上，后部通過三根車橋支撐。規(guī)定全局坐標系的y向沿車架縱向并指向車頭，x向垂直y向指向左側(cè)，z向垂直并指向地面。為了能夠真實地模擬車輛在作業(yè)過程中的受力狀態(tài)，將牽引板簡化成剛性支撐并約束x、y、z方向的平動自由度；忽略后部空氣彈簧的剛度，將連接鋼板同樣簡化成剛性支撐，約束一側(cè)鋼板的x、z向平動自由度，約束另一側(cè)鋼板的z向平動自由度。具體約束如圖4所示。

圖4 方案1邊界約束

（2）工況介紹為了真實模擬車輛在實際運輸過程中的受力狀態(tài)，本文研究車架在滿載條件下的彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向、制動四種工況的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，滿載質(zhì)量為40t。（a）彎曲工況：車輛滿載靜止或勻速行駛，考慮垂向1.5倍的動載系數(shù)；（b）扭轉(zhuǎn)工況：車輛滿載條件下，考慮垂向1.5倍動載系數(shù)，同時后部右前輪胎懸空；（c）轉(zhuǎn)向工況：車輛滿載條件下以橫向0.4g加速度右轉(zhuǎn)；（d）制動工況：車輛滿載條件下以縱向-0.6g加速度減速制動。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 彎曲工況

該工況模擬車輛在平整路面上的靜止或勻速行駛狀態(tài)，主要考察車架在負載和自重情況下的應(yīng)力分布。圖5為牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力及位移云圖。最大等效應(yīng)力為160MPa，位于后部右前輪處懸架前鋼板位置與縱梁搭接的部位，整體應(yīng)力較低，最大形變?yōu)?3.5mm。牽引板鋁支架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為258.6MPa，位于牽引板組件中的鋁型材處。總體來看，牽引板支架選用鋼制優(yōu)于鋁制。

圖5 牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力及位移云圖

3.4.2 扭轉(zhuǎn)工況

該工況模擬車輛在崎嶇路面上行駛過坑，輪胎懸空時的受力狀態(tài)。根據(jù)車架結(jié)構(gòu)，考慮后部右前輪懸空工況。圖6為牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力及位移云圖，最大應(yīng)力為261.4MPa，位于后部右前輪處懸架后鋼板位置與縱梁搭接的部位，最大形變?yōu)?6mm。牽引板鋁支架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為277.6MPa，位于牽引板組件中鋁材的減重孔附近。

圖6 牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力及位移云圖

3.4.3 轉(zhuǎn)向工況

該工況模擬車輛轉(zhuǎn)向時車架的受力狀態(tài)，由于車架結(jié)構(gòu)左右對稱，僅考慮右轉(zhuǎn)向工況結(jié)構(gòu)的性能。圖7為牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力及位移云圖，最大等效應(yīng)力為267MPa，位于圖中所示懸架橫梁與縱梁螺栓連接部位，由于螺栓采用剛性單元模擬，導(dǎo)致剛性單元周圍應(yīng)力發(fā)生突變，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大形變量為38.8mm。牽引板鋁支架同樣出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均超過材料的屈服強度。

圖7 牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力及位移云圖

3.4.4 制動工況

該工況模擬車輛剎車時的受力狀態(tài)，圖8為牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力及位移云圖。最大等效應(yīng)力為108MPa，位于牽引板與鋁縱梁的螺栓連接部位，遠小于材料屈服強度260MPa，結(jié)構(gòu)性能滿足要求，最大形變?yōu)?.49mm。而牽引板鋁支架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力236MPa，位于前部牽引板鋁型材減重孔處，已接近材料的屈服強度。

圖8 牽引板鋼支架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力及位移云圖

車輛行駛過程中，路面激勵載荷通過鞍座傳遞給牽引板組件，再由牽引板組件傳給整個車架，因此，牽引板組件的剛強度對鋁合金車架至關(guān)重要，對比兩種結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果，支架選用鋼制的，其剛度較鋁制要好，可有效彌補鵝頸結(jié)構(gòu)帶來的強度不足。

4 結(jié)論

通過合理設(shè)計型材斷面和車架結(jié)構(gòu)，選用可靠的連接方式，結(jié)合有限元分析，優(yōu)化后的鋁合金半掛車車架比傳統(tǒng)鋼制車架不僅減重效果明顯，剛強度也可滿足載荷要求。實際運營一年后，車架未出現(xiàn)問題，為專用車領(lǐng)域輕量化探明了一個方向，有助于鋁合金材料在專用車行業(yè)的推廣及應(yīng)用。