基于結構強度分析的工程車車架性能影響因素研究

劉興國，黃才貴，蔣正忠

（南寧學院，廣西 南寧 530200）

隨著我國基礎設施建設的不斷加快，對建設材料運輸的需求不斷增加。在運輸行業之中，工程車以其載重大、快速、便捷等優點，被廣泛的應用在各類基礎設施建設的材料運輸當中。可見，工程車在交通運輸行業中扮演著十分重要的角色，對整個社會經濟的發展起到了至關重要的作用。然而，由于工程車來說需要長期在高負載狀態下工作，而且相較于其他車輛工程車所行使的路況相對較差，車輛結構極易因疲勞損傷而發生故障，特別是受力最為復雜的車架結構，其自身性能直接關乎著整個車身機構的安全性。為確保工程車能夠安全穩定的形式，有必要研究工程車車架性能及其影響因素。

車架結構作為整個工程車的基礎和載體，車輛的發動機、懸架系統、轉向系統、傳動系統、駕駛室及其運貨箱等幾乎全部構件和總成都是安置在車架之上并通過車架固定其所處的位置，其主要作用為支撐并連接整個工程車的各個零部件，并承受來自工程車內部和外部的各種荷載。可見作為工程車核心受力構件，車架必須有足夠的剛度、強度和性能。因此，以工程車作為研究對象，基于結構強度角度分析工程車車架性能及其影響因素，以期提高國內工程車的設計、制造水平，消除其存在的安全隱患，減少交通事故的發生。

1 影響因素分析

工程車車架在結構形式上一般以邊梁式車架為主，這種結構形式以兩根平行排列的縱梁和若干個橫梁為主要框架，以支撐板和連接板為輔，由螺栓、鉚接等方法剛性連接而成。可見，工程車車架性能受各個零配件的質量及其裝配工藝的影響。一旦零配件的質量達不到要求，車架就會產生較大的彎曲影響車架的整體性能。此外，車架的裝配精度直接影響到其他外圍零件的安裝難度、整車的整體外觀和總裝性能。框架所用鋼板厚度主要為3～8英寸。與車身部件相比，它具有質量大、剛度大的特點。根據以往的裝配經驗，在整個車輛制作和裝配過程中，很大一部分安裝困難是由車架的精度造成的。在車架的裝配中，能否在合理的范圍內檢驗精度，是一個非常重要的目標。而且各個零配件的裝配必須控制在一定的誤差范圍內，保證裝配精度。因此，本文主要分析車架的零部件強度和裝配精度這兩個因素對工程車車架性能的影響。

1．1 車架強度對車架性能的影響

（1）縱梁強度。以往的研究成果顯示，縱梁構件在沖壓成型之后，難免會發生內凹回彈或外凸回彈的情況。所謂內凹回彈主要是指縱梁在加工完成之后呈中間向內凹陷的狀態，由其上腹面和下腹面應力狀態不相同，會發生回彈現象，反之則為外凸回彈。考慮到縱梁做成整個車架中的核心部件，其強度直接影響車架的整體性能。通過結構強度分析可以發現縱梁強度對車架性能的影響規律，一方面縱梁的彎曲程度大于車架的彎曲度，主要是縱梁在通過與橫梁和連接板剛性連接之后達到了力的平衡狀態，橫梁和連接板分擔了縱梁的部分回彈力，從而強化了車架的抗彎剛度。另一方面，車架的內凹回彈現象對車架的總體性能影響較小，而外凸回彈則嚴重影響車架的總體性能。研究結果表明，車架的彎曲趨勢絕大部分與總量的外凸回彈趨勢一致，并且具有相同的彎曲撓度。而且若車架兩根縱梁的外凸回彈值較大，車架處于不穩定狀態，達不到整體的強度要求。一根縱梁外凸回彈值較大，另一根較小，車架同樣達不到強度要求。只有兩根縱梁的回彈值都很小時，方可達到強度要求。因此，必須改善縱梁的彎曲狀態，保證車架的整體性能。要達到這一目的，最簡單直接的方法對縱梁進行校直處理，減小其彎曲程度。根據相關試驗研究結果，若將縱梁的彎曲程度控制在5mm以下，就可以保證車架的整體彎曲剛度，如將縱梁的彎曲程度控制在3mm以下，則可以大幅提高車架的整體性能。

（2）連接強度。由于工程車車架主要有縱梁、橫梁、支撐板以及連接板等構件通過螺栓、鉚接等工藝連接成為一個整體，因此，各零部件之間的連接強度直接影響了整個工程車車架的性能。若各零部件之間的連接強度未達到標準要求，就會造成車架的不穩定并發生彎曲變形。這就需要在轉配過程中，采用無損檢測等方式對連接強度進行檢測，加強配件的成型和導向，提高連接強度，避免車架因連接剛度不足而發生局部變形影響車架的整體性能。此外，車架在鉚接時，若定位不準確同樣可能導致車架的彎曲剛度不足，這就需要在鉚接過程中，采用定位胎具等裝置對其進行定位，使其強制校直后再進行鉚接工作，保證鉚接的質量，從而確保成家的整體性能。

（3）板料質量。在影響車架強度的各個因素之中，縱梁強度、連接強度等因素都能夠通過相關的測試手段、校直手段等進行檢測和維護，保證其達到強度要求。相比之下，只有各個零部件的板料質量這一因素控制起來較為困難。以縱梁的板料質量為例，相關研究表明若工程車車架的縱梁在制作過程中使用了未經校平的板料，就會嚴重影響縱梁的彎曲剛度。這主要是由于在未經校平的板料內存在著內凹、外凸現象，其中外凸一般為正值，內凹一般為負值，這就造成縱梁的彎曲狀態存在著較大的差異，產生分散的彎曲狀態，從而導致彎曲撓度相差過大。而采用校平的板料壓型制作而成的縱梁，其彎曲狀態得到了極大地改善。縱梁每個部位的彎曲全部表現為內凹狀態，不存在外凸現象。縱梁的彎曲撓度可以保持在一個穩定的區間內，不存在應力集中現象，表明縱梁板料的質量直接影響其自身的彎曲狀態和彎曲剛度。進一步分析板料對車架性能的影響，采用X-ray應力檢測儀對板料校平前后的應力狀態進行檢測，可以看出板料校平之后的應力分布狀態較為均勻，各部位間的應力方向一致，大小相差較小，有利于保持壓型后應力狀態的一致性。而未經校平的板料存在應力方向不一致，即部分位置以壓應力為主，部分位置則以拉應力為主，且應力間的偏值較大，不利于保持壓型和應力狀態的一致性。因此，在壓成前對板料的校平可以有效的降低板料的應力集中，改善其應力狀態，使其內應力更加均勻的分布，提高回彈一致性。

1．2 裝配精度對車架性能的影響

（1）結構設計。根據實際需要，車加縱梁可設計為不同的截面形式，如直梁、可變截面梁等。直梁結構簡單，制造容易，對制作設備要求低，但其強度略弱于變截面梁。為了減輕工程車重量，使其向輕量化發展，許多設計師將車架中的縱梁設計為可變截面梁。然而，在可變截面梁的生產過程中，變截面附近的材料存在塑性變形，容易產生粗糙、孔偏差和孔變形等等問題，這些問題在制作過程中加以控制，這也對設備和工藝水平提出了更高的要求。在車架模型的初步階段，產品設計師應與工廠加工進行更多的討論，以根據工程車自身特點、產品要求、設備狀態和公司工藝水平共同確定梁的形狀和結構。

其次，還必須考慮孔位的定位這一因素。孔在車架上有著極為重要的作用。按照使用功能的不同，車架上的孔大致可以分為鉚接孔、裝配孔、螺紋孔、工藝孔和減重孔這五種主要類型。而且孔的布置需要進行充分考慮，不僅應滿足裝配要求，而且不能過度削弱車架的整體強度，并確保后續更換的方便性。為了防止孔因縱梁的形成而變形，孔必須與縱梁的角度保持一定距離。同時，該距離應確保易于接近相關安裝設備。為避免在后續工藝中因局部偏差而影響車架精度，導向孔和螺栓連接工藝孔應同時設計。為了避免底盤上孔雜亂無章，應盡可能調整高的位置，標準化設置所有孔，并且所有可能的孔應提前定位在縱向帶上，以避免頻繁的模制變化影響縱向帶的精度，并改善底盤的美觀性。此外，梁構件的結構設計也是一個重要因素。標準孔結構寬度方向上的尺寸主要由橫梁結構和橫梁與縱梁之間的連接方式決定。當零件精度得到保證時，框架寬度方向上的尺寸更容易控制。

此外，車架還看可以可考慮使用全梁。這種整體式梁結構相對簡單，但加工設備、設備及工藝要求相對較高。目前，它已廣泛應用于國內外的車架制作之中。設計方案的選擇和框架結構的詳細設計仍然對后續精度保證有很大影響。工程師應在設計中進行更多溝通，并嘗試選擇最合理的系統。

（2）生產工藝。在車架制作過程中，沖壓機和沖壓模具的選擇也是非常重要的。為獲得合格零件，必須選擇狀態穩定的設備。在車架沖壓期間，必須保證設備有足夠的壓力。如果壓力不足，零件可能會因制作不當而起皺和反彈。沖壓模具的結構和狀態也有很大的影響。首先，在制作過程中，沖頭的磨損會導致產品黃油過多、異形孔的產生以及廢料和產品之間的粘附。因此，必須定期檢查產品和模具的狀況，并及時修復損壞。

其次，就結構而言，應考慮采取措施避免縱向膠帶形成過程中由于彈跳而導致過度開口。沖頭傾斜角增大，開槽增加到沖頭底部，更容易保證機架精度，減少表面工作空間，降低成本。同時，再生產過程要注重合理組織定位和轉向。定位銷通常位于圓周側的中心，并均勻分布到一定的空間內。

此外，發動機懸置點對角線差、全長對角線差、板簧孔同軸度、左右縱帶平面是車架總成的幾個重要的檢驗指標，這些指標的準確性主要通過將夾具固定在框架上來保證。為便于組裝，固定裝置應配備合格的定位和鎖定裝置。可以在附件上設計一些定位銷，以確保一些尺寸通過這些銷和縱向或橫向梁上的孔保持固定，或者利用一些成型表面支撐在固定表面上，并由液壓或氣動機構夾緊。待裝配完成后，松開鎖緊裝置，車架尺寸基本保持不變。

（3）檢測手段。與設計和生產一樣，檢測也是確保車架精度的不可或缺的手段。相關檢測儀器主要包括三坐標測量機、環形卡尺、鋼尺、卷尺等等。普通的檢驗工具難以直接用于車架的檢測當中因此需要根據產品結構專門設計專用的檢測儀器，用于識別零件的某些兩只。測量儀器應保證其測量精度。如果測量系統出現錯誤，合格零件可能被視為不合格零件，或者不合格值可能增加。因此，應定期檢測測量儀器的精度。

其次，還需要保證測量系統的穩定性。測量系統是指用于表示產品或過程特征值的儀器、測量儀器、標準、裝置、軟件、程序、操作員和檢測環境的組合。這些因素對測量結果的重復性、再現性、穩定性、偏移量和線性度有重要影響。測量系統可通過統計評估方法進行分析，通過規定完善的測試標準，確保實施的準確性。為了確保車架在所有生產環節都能滿足圖紙要求的精度，技術和管理服務部門必須制定詳細的工藝和測試標準。標準應規定檢驗要素、技術要求、檢驗工具、檢驗頻率和檢驗記錄。

檢查員應驗證是否有必要定期或不定期驗證檢查員檢查的能力和結果，以確保及時發現、糾正或處理問題。檢驗員應及時處理有缺陷的零件或組件，并與其他主管部門合作分析原因，制定優化的整改措施，以形成閉合回路，并有效控制機架的質量。

2 結語

為提高國內工程車的設計、制造水平，消除其存在的安全隱患。本文以工程車作為研究對象，基于結構強度角度研究工程車車架性能，從車架強度和裝配精度這兩個方面綜合分析工程車車架性能的影響因素，成果可為工程車車架的優化設計提供參考。