淺談輕型載貨汽車車架開發的幾個問題

余紀邦，方 亮，徐論意

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 231200）

引言

載貨汽車采用邊梁式車架，這種車架結構簡單，一般由兩根相互平行且開口朝內、沖壓制成的槽型縱梁及若干根沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。其優點是便于安裝車身和布置其他各種總成、零部件，易于實現汽車快速變型和市場改裝[1]，因此，被廣泛應用于載貨車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車和房車上。

車架是載貨汽車的骨架，是汽車的承載基體，支撐著發動機、變速器、轉向器、貨箱等所有簧上質量的有關部件[2]，承受著傳給它的各種力和力矩。為保證車架設計可靠，需要對車架強度、剛度、模態等性能進行校核。

本文對車架開發過程中遇到的問題進行總結，對載貨汽車車架開發和改進具有一定的指導意義。

1 R角對縱梁截面慣性矩的影響

傳統的縱梁截面慣性矩和截面系數計算均將縱梁截面簡化為簡單的槽型截面，不考慮圓角的影響。本文通過理論推導，精確計算出考慮圓角的縱梁截面慣性矩和截面系數，進一步提高理論計算精度，減少理論模型誤差。

1.1 縱梁簡化截面計算

常用縱梁截面有圓形、工字形、□形梁、槽形等，由于槽形梁具有抗彎強度大，工藝簡單，零件安裝、緊固方便等特點，應用廣泛，因此載貨車車架縱梁常采用槽形結構。

圖1 槽型縱梁簡化截面

根據材料力學[3]，很容易得到槽型縱梁簡化截面的慣性矩計算公式I簡：

式中：B為縱梁翼面寬度，mm；H為縱梁腹面高度，mm；T為縱梁料厚，mm。

1.2 槽型縱梁帶R角截面計算

考慮制造工藝性，實際生產槽型縱梁均帶有R角，如圖2。為計算帶R角槽型縱梁截面慣性矩IR，可將截面分成三個部分來計算：翼面慣性矩I1、腹面慣性矩I2、圓角慣性矩I3，即：

圖2 槽型縱梁帶R角截面

根據材料力學，很容易得到I1和I2的計算公式：

式中：

R為縱梁外圓角，mm。

從現有的力學手冊上查不到圓角慣性矩I3的計算公式，需要按下文進行理論推導。

1.3 槽型縱梁圓角慣性矩計算

通過R角形心建立xoy坐標系，并將其順時針旋轉γ°得到x1oy1坐標系，使y1軸與Y軸平行，如圖3所示。

圖3 R角慣性矩計算示意圖

根據工程力學手冊[4]，很容易得到R角面積A、R角圓心到x軸距離yg、R角對x軸的慣性矩Ix，R角對y軸的慣性矩Iy的計算公式：

根據材料力學轉軸公式，可以得到R角對x1軸和y1軸的慣性矩Ix1和Iy1：

根據材料力學平行移軸公式，可以得到R角對Y軸的慣性矩計算公式IY：

將式（3）、式（4）和式（13）代入式（2）即可得到帶R角槽型縱梁截面慣性矩IR的計算公式。

1.4 舉例

槽型縱梁截面H=180 mm，B=65 mm，t=4.5 mm，R=11.5 mm，r=7 mm，計算結果I簡=6.381e6mm4，IR=6.095e6mm4，二者相差4.5%，小于工程誤差5%，采用簡化算法可滿足設計校核使用要求。

2 貨箱對車架剛度的影響

為簡化計算，在車架應力有限元計算中，常常忽略貨箱的影響，而直接將貨箱上的載荷以集中力或均布力的形式直接加載到車架上。但是貨箱的結構形式是否會影響到車架受力，這是多數車架設計工程師們都關心的問題。

筆者認為貨箱對車架受力的影響，取決于貨箱剛度對車架剛度的影響，可以通過分析光車架與帶貨箱車架的剛度來判斷。

2.1 車架彎曲剛度的計算

計算車架的彎曲剛度是約束前軸和后軸中心上方，并在軸距中心點施加垂直載荷產生變形的簡支梁[5]，如圖4所示。

圖4 車架彎曲剛度計算示意圖

計算車架彎曲剛度，通常考慮軸距的影響。當x處在軸距中心點時，即將x=a/2帶車架總成彎曲剛度的表達式為：

其中：Cw為單位長度上的彎曲剛度，單位為N·m2；

F為集中力載荷，單位為N；a為軸距，單位為m；f為撓度，單位為m。

2.2 車架寬度對扭轉剛度的影響

計算車架的扭轉剛度是約束后軸中心上方的垂直位移，在前軸中心左縱梁和右縱梁施加一對大小相等方向相反的垂直載荷，讓車架產生扭轉變形，如圖5所示。

圖5 車架扭轉剛度計算示意圖

計算扭轉剛度通常也考慮軸距的影響，扭轉剛度可由如下數學公式表達：

式中：GJ為扭轉剛度，N·m2/rad；G為材料的剪切模量；F為加載載荷，N；θ為扭轉角度，rad；L為加載力臂，m；a為車架軸距，m。

2.3 舉例

貨箱通過U形螺栓連接在車架上，如圖6所示。由于車架和貨箱結構都很復雜，影響剛度的因素也很多，采用傳統的計算很難驗證，目前主要采用有限元軟件進行計算。

圖6 貨箱和車架連接形式簡圖

本文借助Hypermesh軟件[6]，分別計算出給定載荷下光車架和帶貨箱車架的彎曲位移和扭轉位移，代入式（15）和式（16），從而得出二者剛度，計算結果見表1。

表1 光車架與帶貨箱車架剛度對比

結果顯示，帶貨箱車架彎曲剛度增加了80%，扭轉剛度增加了427%，表明貨箱剛度對車架剛度影響顯著，在架應力有限元分析中不應被忽略。另外，扭裝剛度提升四倍多，提醒我們在處理貨箱歪斜問題時，貨箱自身的質量特性不應被忽視。

3 駕駛室翻轉扭桿對車架變形的影響

輕型載貨汽車駕駛室分為可翻和不可翻兩種，因可翻駕駛室維修保養便利，所以主流輕卡均采用可翻駕駛室。為降低翻轉力，可翻駕駛一般采用扭桿結構，借助扭桿的扭力，用戶可輕松翻起駕駛室。

當駕駛室翻轉角為0°（即駕駛室鎖緊狀態）時，扭桿的力矩最大（見圖7）。由于扭桿臂端固定（見圖8），扭桿力矩通過扭桿臂傳遞到翻轉支架上，再作用在車架上。因此，在車架前端扭桿臂側會有一個附加力矩，該力矩會使車架前端在該側產生扭轉位移，該位移量過大會導致駕駛室歪斜，應進行校核。

圖7 駕駛室翻轉扭桿力矩－角度圖

圖8 駕駛室翻轉扭桿簡圖

本文借助Hypermesh軟件，在整車彎曲工況下，通過加載翻轉扭矩計算改扭矩對車架變形的影響，CAE模型見圖9，分析結果見表2。

表2 有無翻轉扭矩車架前端變形量對比

圖9 彎曲工況帶翻轉扭矩CAE模型

結果顯示，有翻轉扭矩車架變形量左右差值為1.4 mm。因駕駛寬度約為車架寬度的2.5～3倍，此變形在駕駛外寬方向會被比例放大。

4 結論

綜上所述，可得到如下幾點結論：

（1）采用簡化截面計算縱梁的截面慣性矩誤差在5%以內，能夠滿足工程計算要求；采用帶R角截面計算截面慣性矩可進一步提升計算精度。

（2）貨箱對車架寬度對車架彎曲剛度和扭轉剛度有顯著影響，在車架應力分析和貨箱歪斜問題處理時，應予以考慮。

（3）駕駛室翻轉扭矩對車架變形有影響，影響大小與車架扭轉剛度和翻轉扭矩有關，在車架分析時應充分評估，必要時應采取變形補償措施。值得一提的是，本文僅分析扭矩對車架變形的影響，該扭矩對駕駛室懸置膠墊的影響應一并考慮。