此次分析的主要目的是考察车架在弯曲和扭 转时的受力情况, 并提出相应解决方案, 其中扭转 工况为最严重的情况, 是一种极限情况。扭转工 况模拟牵引车在不平路况行驶, 一个车轮悬空时 车架的受力情况。在该极限状况下应力超出材料 屈服极限, 对此提出使用强度更高的新材料来代 替现有材料, 从而在减轻了车架质量的同时, 又保 证了车架的使用要求。
( 3) 车架的承载情况。如图 3 所示, 车架所 承受的力包括: 载重力、驾驶室的重力、发动机的 重力、油箱的重力及储气筒重力。坐标系为整车 坐标系, 所施加约束的位置如图 3 中三角形所示。
图 1 重型牵引车车架改进前、后主副梁结构图
图 3 重型牵引车和中型载货车车架受力示意图
图 2 中型载货车车架改进前、后纵梁结构图
( Cen ter of Techn ol ogy, A nh ui J iang huai A ut omobil e Co. Lt d. , Hef ei 230022, Chin a)
Abstract: Because o f the f ees collect ed accor ding t o w eight , the heav y t ruck needed t o be lig htw eight. T hen w e pro posed lig htw eight plans f or 6 2 t ruck and 6 4 tr ailer. Accor ding t o t hese t w o plans, NAST RA N sof tw are w as applied t o analy sis, and t he mo dificat ion desig n of t he fr am e w as presented. At last , w e t est ed t he f rame t hat w as passed the pieces of st ress and st rain, and com pared w it h the model of FEA. T he result s show t hat t he modif ied plan can r ealize t he pur pose of light w eight desig n. Key words: lightw eight ; frame; finite element analysis; t est
其 中, 动 态 应 力 值 变 化 幅 度 较 大 的 有: 5 号梁1 横梁下板中部 ( 12 号) 满 载动态应力 值: - 305 3~ 302 6 MP a; 5 号梁左侧下横板 上表 面 ( 13 号) 满 载 动 态 应 力 值: - 224 7 ~ 305 7 M Pa; 右纵梁外表面靠上( 16 号) 满载动 态应力值: - 558 6~ 352 3 MP a。
图 5 牵引车与载货车扭转工况应力最大值位置
牵引车 车架 扭 转工 况应 力最 大 值为 489. 2 M Pa, 出现在平衡轴与车架连接处, 超出材 料屈服极限, 其余位置应力分布均匀。位移最大 值为 14 26 mm , 出现在横梁发生扭转侧。
载货车 车架 扭 转工 况应 力最 大 值为 427 M Pa, 出现在后板簧吊耳与车架连接处, 超出 材料屈服极限, 其余位置应力分布均匀。位移最 大值为 14 26 m m, 出现在横梁发生扭转侧。
弯曲工况应力最大值为 311 M Pa, 整体应力 分布均匀且水平不高, 未超出材料屈服极限, 最大 值出现在平衡轴位置处连接主副车架的连接板。 位移 最 大 值 出 现 在 副 车 架 最 前 端, 最 大 值 为 4 6 mm。
载货车 车架 弯 曲工 况应 力最 大 值为 278 M Pa, 整体应力分布均匀且水平不高, 未超出
摘 要: 由于计重收费对中重 卡车架提出了轻量 化的迫切需求, 文章对 6 2 载货 车和 6 4 牵引车车架 分别
提出轻量化方案; 根据这 2 种方案, 采用 N astran 软件进行 有限元 分析, 并提出 改进方 案; 最后对样 车车架 贴
应力应变片进行测试, 与有限元模型进行比对。结果表明 , 采用改进方案已达到轻量化的目的。
分别对 6 4 牵引车和 6 2 载货车车架进行 有限元分析的主要目的是: 考察牵引车车架载重 30 t、载货车车架载重 20 t 时在弯曲和扭转工况 时的受力情况, 根据实际承载情况可以确定车架 弯曲、扭转时的边界条件。
( 1) 弯曲工况。根据前面叙述的边界条件和 承载情况, 计算弯曲工况下的结果如图 4 所示。
增刊
景俊鸿, 等: 中、重卡车架轻量化设计
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3 2 试验应力测试结论 通过对重型牵引车改进车车架的动、静态测
试数据分析处理, 可以看出: 重型牵引车改进车车 架重要部件在可靠性道路( 包括卵石路、扭曲路及 搓板路) 等典型道路工况下, 其应力均小于材料的 屈服 强 度 ( 700 MP a ) 和 抗 拉 强 度 ( 800 ~ 900 M Pa) 的值。
( 2) 扭转工况的边界条件。计算时约束前、 后悬弹簧接地处的所有自由度, 承载情况和弯曲 工况一样, 将左侧纵梁的后悬弹簧的刚度降低至 原来 的 1/ 3, 从 而 使 两 边 纵 梁 受 力不 同, 形 成 扭转。
2 2 有限元模型 车架模型从 U G 中以 igs 形式导出, 然后将
其导 入至 H yperM esh 中 进行车架的网格 划分、 属性定义以及连接、力和约束的施加等工作[ 2] 。
关键词: 轻量化; 车架; 有限元分析; 测试
中图分类号: U 463 32
文献标识码: A
文章编号: 1003- 5060( 2009) 增刊- 0014- 04
Lightweight design of the middle and heavy truck s frame
JIN G Jun- hong , SH AO Gang
由于扭转工况下车架材料应力超出材料屈服 极限, 故需要对其进行改进。
2 4 材料改进 从上述分析可以看出, 车架最大应力已经超
出材料的屈服极限 400 M Pa。取安全系数 1 3, 可得 489 2 1 3= 636, 故通过改进结构已经很 难满足使用要求, 故拟采用屈服强度更高的钢板 来代替现有的纵梁材料。目前, 使用的材料 550L 已不能满足轻量化的使用要求, 故采用屈服强度 更高的新材料替代, 如 QStE700T M ( 材料屈服强 度 700 MP a, 抗拉强度 850~ 950 M Pa) , 是未来 轻量化商用车的必然趋势。 2 5 车架有限元分析结果
括: 电阻应变计( BH F 120- 5AA 型) ; 静态应变测 试系统 ( DH- 3816 型) ; 动态 信号 测试 分析 系统 ( DH- 5920 型) ; 动态应变仪( CS- 1A) ; 计算机及数 据采集系统; 计算机数据处理系统。
( 2) 动静态测试应变片布片方案。在有限元 分析的基础上, 对关键部件的相应部位进行布点, 粘贴应变片。静态共布 20 片, 动态共布 20 片。
车架总成所有零部件材料采用 B550L, 材料 屈服强度 400 M Pa, 抗拉强度 550~ 650 M Pa。
下面对上述两款车型的轻量化方案进行有限 元理论分析, 以便对方案进行评估。
2 轻量化车架的有限元分析
2 1 有限元模型的边界条件 ( 1) 弯曲工 况的边界 条件。计 算弯曲 工况
时, 约束前、后悬弹簧接地处的所有自由度, 从而 使车架形成一简支梁结构, 根据实际受力情况, 在 安放驾驶室、发动机、油箱、蓄电池、消声器及储气 筒处施加大小为其重力的集中力, 并在车架相应 位置加对应的均布载重。
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合肥工业大学学报( 自然科学版)
第 32 卷
材料屈服极限, 最大值出现在板簧吊耳位置处连 接车架的连接板。位移最大值出现在副车架最前 端, 最大值为 78 5 m m。
图 4 牵引车与载货车车架弯曲工况应力最大值位置
( 2) 扭转工况。根据前面叙述的边界条件和 承载情况, 计算扭转工况下的结果如图 5 所示。
6 4 重型牵引车车架主要技术条件为: 车架 全长 6 590 mm, 宽度 854 m m, 高度 316 mm , 纵梁 采用 主 副 梁 8 + 7 结 构形 式, 主梁 截 面 尺 寸 302 mm 90 mm 8 mm, 副梁截面尺寸 316 mm
97 mm 7 mm 。其轻量化方案为单层车架, 采 用局部加强方案, 该方案 为车架减重 235 kg, 两 者对比如图 1 所示。
( 3) 测试内容。 静态测试内容: 牵引车总 质量 28 820 kg ( 加载 19 740 kg ) , 记录 20 个测试 点的应变信 号; 载货 车总 质量 28 460 kg ( 加载 20 020 kg) , 记录 20 个测试点的应变信号。 动 态测试内容: 重型牵引车和中型载货车改进车在 环形试验车道行驶, 历经各种路面, 全程记录, 分 段标记。各种路面顺序为: 鹅卵石路面、扭曲路面 及搓板路 面。采 集和记 录 20 个测 试 点的 应变 信号。
由上述分析说明, 最大位移和最大应力分别 出现在 2 种车架前端以及平衡轴连接部位和板簧 吊耳连接处, 其余部位位移较小, 过渡平缓, 没有 突变现象。在更换新材料后, 其强度已经完全满 足使用要求。上述只是理论分析, 因此还需要试 验加以验证。
3 车架试验应力测试
3 1 车架动静态应力测试与对比 ( 1) 测试主 要仪器和 设备。仪 器和 设备包
本文以 6 4 重型牵引车和 6 2 中型载货车 产品为例, 在车架轻量化过程中, 分别用有限元理 论分析, 通过材料的改进来满足使用要求, 并采用 应变测试分析手段, 验证有限元分析的准确性, 最
终达到了轻量化的目的。
1 轻量化方案
目前, 中、重型商 用车车架 均采用边 框式车 架, 这种车架形式决定了其轻量化方式有 2 种: 局 部加强; 降低纵梁截面高度, 并减薄料厚。针对重 型牵引车本公司பைடு நூலகம்用了局部加强的轻量化方案, 而对于 6 2 中型载货车采用了降低纵梁截面高 度和减薄料厚来实现轻量化。