近年來(lái)，交通運(yùn)輸、公路管理等國(guó)家部門(mén)在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)超載車輛的查處日益嚴(yán)格，《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》管理制度日益規(guī)范和完善，政府出臺(tái)了一系列政策、法規(guī)，大力倡導(dǎo)節(jié)能減排。這些因素促使道路運(yùn)輸車輛，特別是重型汽車，出現(xiàn)了輕量化的趨勢(shì)。同時(shí)，迫于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、原材料價(jià)格上漲的壓力，為降低整車成本、降低整車質(zhì)量以提高載質(zhì)量利用系數(shù)進(jìn)，而降低車輛使用油耗，產(chǎn)品輕量化也是汽車企業(yè)自身發(fā)展的需要和應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。對(duì)重型汽車而言，車架自重是整車整備質(zhì)量的重要貢獻(xiàn)源。因此，車架的輕量化對(duì)重型汽車整車的輕量化具有重要意義。
減輕車架質(zhì)量的方法不外乎兩種：一是采用高強(qiáng)度材料替代強(qiáng)度相對(duì)較低的材料；二是對(duì)車架總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高材料利用率。本文采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。
2 車架結(jié)構(gòu)有cae限元分析
某載貨車車架縱梁是由雙層板所組成的，車架內(nèi)外板之間通過(guò)鉚釘鉚接在一起，同時(shí)板簧支架采用鉚接和螺栓連接相結(jié)合的方式固定在車架上。
使用Altair-Hyperworks軟件建立車架強(qiáng)度分析的有限元模型，車架受力變形的過(guò)程中內(nèi)板與外板之間存在相互接觸的作用，為了準(zhǔn)確的描述內(nèi)、外板的相互作用，在車架內(nèi)、外板之間建立間隙單元（Gap單元），通過(guò)控制間隙單元的參數(shù)如初始開(kāi)口、預(yù)載荷、張開(kāi)剛度、閉合剛度、滑移剛度，靜摩擦系數(shù)，動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)模擬它們之間的接觸關(guān)系。螺栓孔處采用剛性多點(diǎn)約束rigid來(lái)將被連接件受力區(qū)域與螺栓單元端部節(jié)點(diǎn)相連接，以達(dá)到傳遞位移和載荷的目的，螺栓主體被簡(jiǎn)化成梁?jiǎn)卧賹⑵洳牧蠈傩匀鐝椥阅Ａ�、泊松比、密度、截面形狀等賦予梁?jiǎn)卧�。鋼板彈簧支架與車架的連接區(qū)域也同樣建立接觸間隙單元來(lái)準(zhǔn)確模擬二者之間的相互作用。在螺栓與鉚釘上施加預(yù)緊力來(lái)描述螺栓和鉚釘對(duì)車架面與面結(jié)合部位之間的壓緊作用。
建立懸架區(qū)域的有限元模型，車橋采用與其實(shí)際幾何尺寸相同的梁?jiǎn)卧M，鋼板彈簧采用剛性單元與彈簧單元相結(jié)合的方式模擬，對(duì)于輔助鋼板彈簧與輔助鋼板彈簧支架之間的間隙使用間隙單元的初始開(kāi)口來(lái)模擬，這樣在主簧被壓縮一定形變后，輔簧開(kāi)始起支撐作用，與實(shí)際情況一致。對(duì)于車廂、貨物、駕駛室、乘員、動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱）等大質(zhì)量的部件建立質(zhì)量單元，并通過(guò)柔性多點(diǎn)約束耦合到承載面上。雙層車架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。
圖1 雙層車架有限元模型
使用RADIOSS求解器計(jì)算如下四種工況下車架的強(qiáng)度，超載彎曲工況：超載條件下于兩個(gè)后輪（驅(qū)動(dòng)輪）中心點(diǎn)約束三個(gè)平移自由度，前輪中心點(diǎn)約束，兩個(gè)平動(dòng)自由度，x（水平向前）方向不約束，動(dòng)載載荷系數(shù)取 2.5；超載側(cè)扭工況：超載條件下約束一側(cè)車輪X、Y、Z三向平動(dòng)自由度，在另一側(cè)車輪加強(qiáng)制位移100mm，動(dòng)載載荷系數(shù)取 1.5；超載前扭工況：超載條件下動(dòng)荷系數(shù)取K＝1.5，左右前輪中心分別施加上下強(qiáng)制位移100mm，后輪約束X、Y、Z三向平動(dòng)自由度，超載后扭工況：超載條件下載荷動(dòng)荷系數(shù)取K＝1.5，左右后輪中心分別施加上下強(qiáng)制位移100mm，前輪約束X、Y、Z三向平動(dòng)自由度。
使用HyperMesh做前處理并提交到RADIOSS求解，計(jì)算完成后使用HyperView查看結(jié)果，雙層車架結(jié)構(gòu)在超載各工況下**應(yīng)力都小于車架材料500L的屈服極限，均滿足強(qiáng)度要求，如圖2所示雙層車架結(jié)構(gòu)超載彎曲工況應(yīng)力云圖，**應(yīng)力443.31MPa，產(chǎn)生在輔簧支架與車架相連接的部位，分析其原因主要是由于車輛在過(guò)載的情況下主簧被壓縮到極限位置而導(dǎo)致輔簧承受過(guò)大的載荷。如圖2所示雙層車架結(jié)構(gòu)超載彎曲工況應(yīng)力云圖。
圖2 雙層車架結(jié)構(gòu)超載彎曲工況應(yīng)力云圖
3 車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及分析
雙層縱梁車架結(jié)構(gòu)由于整個(gè)車架上都安裝有車架內(nèi)板，質(zhì)量大、成本高，考慮采用單層車架結(jié)構(gòu)，即不使用車架內(nèi)加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，并校核是否滿足極限工況下的強(qiáng)度要求。建立單層車架結(jié)構(gòu)的有限元模型并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在超載彎曲工況下單層車架結(jié)構(gòu)輔簧與車架連接處**應(yīng)力539.92MPa，超過(guò)材料的屈服極限（500MPa），不能滿足強(qiáng)度要求，其它工況**應(yīng)力在屈服極限以下。如圖3所示單層車架超載彎曲工況應(yīng)力云圖。
圖3 單層車架超載彎曲工況應(yīng)力云圖
單層車架結(jié)構(gòu)超載彎曲工況下不能滿足cae仿真要求，分析其原因主要是后懸架鋼板彈簧支架與車架連接的區(qū)域在減少了一層車架后的強(qiáng)度減小了，而在實(shí)際工況中，鋼板彈簧支架與車架連接的區(qū)域是主要承載區(qū)，很容易破壞，車架的其它部位在各種工況下的應(yīng)力水平不高，故需要加強(qiáng)鋼板彈簧支架與車架連接區(qū)域的車架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)人員討論研究，采用延長(zhǎng)車架橫梁與縱梁連接板的長(zhǎng)度至鋼板彈簧支架支撐區(qū)域，使連接板起到雙層縱梁內(nèi)板的效果，增強(qiáng)車架局部區(qū)域的強(qiáng)度。建立改進(jìn)單層車架結(jié)構(gòu)有限元模型并提交計(jì)算，如圖4所示改進(jìn)單層車架結(jié)構(gòu)超載彎曲工況應(yīng)力云圖，可以看出改進(jìn)單層車架超載彎曲工況**應(yīng)力373.43MPa，滿足強(qiáng)度要求且小于雙層縱梁車架在該工況下的**應(yīng)力（443.31MPa）。
圖4 所示改進(jìn)單層車架結(jié)構(gòu)超載彎曲工況應(yīng)力云圖
雙層車架、單層車架、改進(jìn)雙層車架三種結(jié)構(gòu)極限工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 三種結(jié)構(gòu)極限工況下強(qiáng)度對(duì)比
根據(jù)表1分析可見(jiàn)改進(jìn)單層車架結(jié)構(gòu)滿足極限工況下的強(qiáng)度要求，相對(duì)于原雙層車架結(jié)構(gòu)超載彎曲工況和超載側(cè)扭工況下**應(yīng)力有所降低，超載前扭和超載后扭工況**應(yīng)力雖略有升高，但是都在安全范圍內(nèi)，而且質(zhì)量比雙層車架結(jié)構(gòu)減輕了143Kg，達(dá)到了強(qiáng)量化的目標(biāo)，同時(shí)可以**提高燃油經(jīng)濟(jì)性。
4 總結(jié)與展望
本文應(yīng)用Altair-HyperWorks軟件對(duì)某載貨車雙層縱梁車架和單層縱梁車架進(jìn)行了分析并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議，加強(qiáng)懸架與單層縱梁車架聯(lián)接區(qū)域的局部強(qiáng)度，通過(guò)延長(zhǎng)橫梁與縱梁連接板的方案，對(duì)比分析驗(yàn)證局部加強(qiáng)方案的可行性，減輕了車架質(zhì)量，達(dá)到輕量化目的。
對(duì)于車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要做到合理的分配材料，與懸架連接區(qū)域應(yīng)該適當(dāng)加強(qiáng)，將來(lái)可以嘗試采用副車架結(jié)構(gòu)，車架其它區(qū)域適當(dāng)減少材料。以達(dá)到輕量化目的。
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