鋁合金半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

嚴(yán)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(jì)的快速發(fā)展，電商、快遞業(yè)爆發(fā)式增長，貨物運(yùn)輸量劇增，導(dǎo)致商用物流車需求加大，物流運(yùn)輸行業(yè)競爭加劇。為控制成本，增加貨運(yùn)量，各物流企業(yè)對(duì)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(duì)傳統(tǒng)燃油汽車可顯著降低油耗，對(duì)新能源汽車可增加續(xù)航能力，對(duì)于商用物流車最明顯的優(yōu)勢(shì)是多拉貨物，空載降低油耗，從而在相同運(yùn)費(fèi)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(qiáng)度和剛度，目前鋼制半掛車車架縱梁、橫梁普遍采用高強(qiáng)鋼板沖壓、折彎成型，再焊接而成。相對(duì)于低碳鋼車架，高強(qiáng)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(qiáng)度高，也能滿足使用要求，輕量化效果也不錯(cuò)。但因鋼板壁厚薄，工作環(huán)境惡劣，容易銹蝕，影響車架強(qiáng)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(jì)，將鋁合金應(yīng)用于該領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)輕、強(qiáng)、耐用的效果，對(duì)半掛車的輕量化很有意義。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

車架受力極為復(fù)雜。車輛靜止時(shí)，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(shí)，載荷和上裝自重及來自牽引車的牽引力、轉(zhuǎn)向力、制動(dòng)力等使車架各部件承受著不同方向、不同程度和隨機(jī)變化的動(dòng)載荷，車架的彎曲、局部和整體扭轉(zhuǎn)將會(huì)更加嚴(yán)重，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)側(cè)彎、菱形傾向，以及各種彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[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(jì)時(shí)需重點(diǎn)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(dòng)各種工況，并重點(diǎn)分析鞍座連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金車架設(shè)計(jì)應(yīng)參考鋼制車架結(jié)構(gòu)，按等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)，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(qiáng)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(qiáng)板焊接而成，材料均選用抗拉強(qiáng)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(jì)，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(qiáng)板通過計(jì)算并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)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(jī)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(qiáng)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(dòng)，可靠性好，跟焊接相比具有一定柔性，抗震性能強(qiáng)，疲勞特性優(yōu)異[1]。

主橫梁對(duì)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(jì)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(píng)價(jià)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(qiáng)度要求，分析報(bào)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(qiáng)組件

懸架加強(qiáng)組件作用是增強(qiáng)車架抗擊動(dòng)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(diǎn)是采用坡面過渡設(shè)計(jì)，并且加強(qiáng)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(qiáng)度滿足使用需求，并在后期的路試中得到驗(yàn)證。

3 有限元分析

采用有限元方法對(duì)牽引板鋼鋁支架兩種鋁合金車架方案進(jìn)行對(duì)比分析，為設(shè)計(jì)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(duì)模型進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(biāo)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(shí)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(dòng)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(dòng)自由度，約束另一側(cè)鋼板的z向平動(dòng)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(shí)模擬車輛在實(shí)際運(yùn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)載系數(shù)，同時(shí)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(dòng)工況：車輛滿載條件下以縱向-0.6g加速度減速制動(dòng)。

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(fù)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?？傮w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(shí)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(shí)車架的受力狀態(tài)，由于車架結(jié)構(gòu)左右對(duì)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(qiáng)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(dòng)工況

該工況模擬車輛剎車時(shí)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(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)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(qiáng)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(lì)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(gè)車架，因此，牽引板組件的剛強(qiáng)度對(duì)鋁合金車架至關(guān)重要，對(duì)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(bǔ)鵝頸結(jié)構(gòu)帶來的強(qiáng)度不足。

4 結(jié)論

通過合理設(shè)計(jì)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(qiáng)度也可滿足載荷要求。實(shí)際運(yùn)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(gè)方向，有助于鋁合金材料在專用車行業(yè)的推廣及應(yīng)用。