商用車車架彎曲剛度研究

郝麗麗 張作功 崔震 王乾勛 劉威峰 秦國亮

摘 要：商用車由于使用用途、承載等設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，再考慮到成本、重量等因素，車架的彎曲剛度要與設(shè)計(jì)目的匹配在一定的合理范圍內(nèi)，文章針對這一“合理范圍”進(jìn)行研究討論。從梁的彎曲理論，到實(shí)際車架的彎曲剛度理論推導(dǎo)及有限元方法邊界條件的驗(yàn)證，最后討論了“軸距-彎曲剛度”及“整備質(zhì)量-彎曲剛度”統(tǒng)計(jì)圖的應(yīng)用。結(jié)果表明，目前應(yīng)用的車架有限元彎曲剛度計(jì)算的邊界條件是合理的，通過對不同車型的車架彎曲剛度進(jìn)行有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)形成“軸距-彎曲剛度”及“整備質(zhì)量-彎曲剛度”圖，能夠形成整車設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，為車架前期設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：商用車;車架;彎曲剛度;軸距;整備質(zhì)量

中圖分類號：U463.32 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-68-04

Abstract： Because of the difference of commercial vehicles design parameters such as uses and load capacity etc.， also considering other factors such as the cost and weight etc.， the bending stiffness of frame should match the design purpose within a certain reasonable range. This paper is focused on “the reasonable range”. Based on the beam bending stiffness theory， research work has been done on the bending stiffness theoretical derivation of actual frame and verification of boundary conditions of finite element analysis method. At last the application of statistical chart about “wheelbase - bending stiffness” and “curb weight - bending stiffness” are discussed. The result shows that current boundary conditions of bending stiffness calculation using finite element method are reasonable. Statistical data about frame bending stiffness is very important. The charts discussed before can guide the vehicle design performance data， also can provide support on frame innovation design.

Keywords： Commercial vehicle; Frame; Bending stiffness; Wheelbase; Curb weight

CLC NO.： U463.32 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-68-04

前言

商用車車架連接著駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成，并承受著所載貨箱的全部載荷質(zhì)量[1-2]，同時(shí)傳遞來自復(fù)雜路面和發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)，所以商用車的車架是商用車的“脊梁”[3-4]。因此，車架設(shè)計(jì)在商用車總體設(shè)計(jì)中非常重要。車架要有足夠的強(qiáng)度和剛度滿足使用要求[5-6]，其中車架要有足夠的彎曲剛度以保證商用車在各個(gè)復(fù)雜的工況下的整車工作。因此很多學(xué)者對商用車車架進(jìn)行了一系列的研究。Kim. H. S 等人[7]對車架在極限靜態(tài)載荷下的失效表現(xiàn)形式進(jìn)行了詳細(xì)的討論。Ao K，Niiyama J等人[8]對利用有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果指導(dǎo)車架設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。萬國睿等人[9]對多功能電動(dòng)車車底架進(jìn)行工況下靜力和模態(tài)分析。包中良[10]對商用車車架結(jié)構(gòu)彎曲、扭轉(zhuǎn)兩種典型工況的車架靜態(tài)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行了計(jì)算和分析。以上學(xué)者對車架進(jìn)行了大量的研究，但是缺乏對車架彎曲剛度邊界條件驗(yàn)證和車架軸距與彎曲剛度匹配關(guān)系的研究。

本文首先討論了梁的彎曲理論，利用有限元分析驗(yàn)證了邊界條件簡化的合理性，并將邊界條件簡化的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到實(shí)際商用車車架的有限元分析中，最后討論了“軸距-彎曲剛度”統(tǒng)計(jì)圖的應(yīng)用。結(jié)果表明，目前應(yīng)用的車架有限元彎曲剛度計(jì)算的邊界條件是合理的，通過對不同車型的車架彎曲剛度進(jìn)行有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)形成“軸距-彎曲剛度”圖，能夠形成整車設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，為車架前期設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1 梁的彎曲剛度理論

車架是左右對稱結(jié)構(gòu)，從縱向看，可以將車架簡化為一個(gè)等截面的梁，由于梁是簡單結(jié)構(gòu)，其剛度很容易得到[11-12]。圖1所示為均布自重下的梁一階彎曲模型。其一階彎曲頻率和它的長度、抗彎剛度、整備質(zhì)量有關(guān)。

3 商用車車架彎曲剛度建模

將商用車車架三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，對商用車車架進(jìn)行有限元建模，網(wǎng)格尺寸為10mm×10mm。

車架的主體材料為510L，且為線性分析，因此材料的屬性定義為鋼材，材料的彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.9×10-9t/mm3，泊松比為0.3。

邊界條件：在縱梁腹面的前軸處左側(cè)約束側(cè)向、垂向平動(dòng)自由度DOF（2，3），右側(cè)約束垂向的平動(dòng)自由度DOF（3）?？v梁腹面的后軸處左側(cè)約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度DOF（1，2，3），右側(cè)約束垂向平動(dòng)自由度DOF（3）。

車架縱梁左側(cè)的邊界條件與簡支梁的邊界條件一致，前邊約束了側(cè)向、垂向平動(dòng)自由度DOF（2，3），后邊約束了三個(gè)方向的平動(dòng)自由度DOF（1，2，3），車架右縱梁前后均約束了垂向平動(dòng)自由度。因此車架的邊界條件符合理論驗(yàn)證的邊界條件。

載荷根據(jù)實(shí)際情況，車架所承受的載荷主要來自載重和貨廂的自重，并且是均布在車架的中后部，所以以墊木長度為載荷施加的區(qū)域，將載重和貨廂自重均布在車架上。如圖8所示。

從左前方投影得到整備質(zhì)量與彎曲剛度的散點(diǎn)圖，如圖12所示，并對其進(jìn)行線性擬合得到趨勢線，同理，若上下浮動(dòng)10000N/mm得到相對比較寬泛的范圍區(qū)間，其中83.4%的車架剛度在此范圍區(qū)間，若上下浮動(dòng)5000N/mm得到彎曲剛度的范圍區(qū)間，其中有55%的車架剛度在此范圍區(qū)間。同樣，設(shè)計(jì)人員在具有整車質(zhì)量的情況下可先預(yù)測彎曲剛度的范圍區(qū)間。車架軸距、整備質(zhì)量與彎曲剛度的統(tǒng)計(jì)圖可以為后續(xù)新車型開發(fā)時(shí)車架設(shè)計(jì)提供參考。

通過以上圖表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)商用車車架的彎曲剛度與軸距與整備質(zhì)量之間存在一定的關(guān)系，需要結(jié)合可靠性、耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不斷優(yōu)化的車架質(zhì)量、彎曲剛度，即在保證彎曲剛度的條件下，得到最優(yōu)的車架設(shè)計(jì)質(zhì)量。這些圖表需要長期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和不斷完善，才能保證設(shè)計(jì)的車架自重不過剩，又能滿足各項(xiàng)性能的要求。為保密起見，上述數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)過了些許修正，該方法提供一種有效的設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)思路。

5 結(jié)論

以簡化車架為研究對象，通過理論推導(dǎo)與有限元相互驗(yàn)證確定了約束條件的合理性，并將其約束條件應(yīng)用到實(shí)際商用車車架彎曲剛度計(jì)算中。將60多個(gè)車架的彎曲剛度數(shù)據(jù)積累并建立數(shù)據(jù)庫，通過線性擬合得到車架軸距、整備質(zhì)量與彎曲剛度的統(tǒng)計(jì)圖，可為設(shè)計(jì)人員在新車型開發(fā)時(shí)確定合理目標(biāo)值提供數(shù)據(jù)參考。

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