自卸车底盘车架的改装设计及有限元分析_赵美云

边梁式车架的典型结构如图１所示。车架前后等 宽 ，考 虑 纵 梁 中 部 所 受 的 弯 矩 最 大 ，故 将 中 部 断 面 设 计 成 与 两 端 断 面 高 度 相 等 ，构 成 等 强 度 梁 。 这 样 ，可 使 应 力分布均匀，同时 又 减 轻 了 重 量。 每 根 纵 梁 上 都 开 有 多个安装其他机件的孔。 １．２ 纵 梁 材 料 的 选 择
从图６和图７可 以 看 出：最 大 变 形 发 生 在 车 厢 后 端，最大变形量 为 １．５ ｍｍ；最 大 应 力 产 生 在 中 间 段， 最大应力为１３９．４４ ＭＰａ，小 于 许 用 值 ３６０ ＭＰａ，因 此 车架强度满足要求。 在 计 算 车 架 应 力 强 度 时，是 根 据 支 梁 模 型 的 简 化 图 计 算 的 ，横 梁 等 一 些 条 件 无 法 考 虑 ， 因此计算出的结果和 分 析 的 结 果 不 在 同 一 点，但 都 是
整车受力如图２ 所示，其中 Ｇｅ 为装备重力，Ｇ０ 为 装载力。在静止状态，自 卸 车 底 盘 车 架 主 要 受 自 身 重 力 、驾 驶 室 重 量 、装 载 重 量 的 作 用 。
根据车架的受力情况，将其简化成简支梁模型，均布 载荷为ｑ，弯矩为 Ｍ，支反力为Ｒｆ 和Ｒｆ１，如图３所示。
由 力 矩 平 衡 ，可 计 算 出 前 支 撑 反 力 为 ： Ｒｆ＝Ｇ０（Ｌ－２ｂ）２＋ＺＧｅ（ｃ－２ｃ２）。 …………… （１） 设计算截面距 前 支 撑 点 的 距 离 为 ｘ，则 ｘ 截 面 的 弯矩为：
用 汽 车 ，２００９（１２）：４８－５０． ［４］ 刘 岩 ．自 卸 汽 车 车 架 设 计 ［Ｊ］．专 用 汽 车 ，１９８１（１）：１５－１８． ［５］ 闻邦椿．机械设计手 册（第 ３ 卷）［Ｍ］．第 ５ 版．北 京：机 械
工 业 出 版 社 ，２０１０． ［６］ 刘 鸿 文 ．材 料 力 学 ［Ｍ］．北 京 ：高 等 教 育 出 版 社 ，１９９１．
车体通过钢板弹 簧 连 接 车 轮 提 供 支 撑，静 力 分 析 时可以对连接钢板弹簧的部位全约束。加载结果如图 ５所示。
图 ３ 简 支 梁 模 型 简 化 图
从而 可 求 出 最 大 弯 矩 Ｍｍａｘ，根 据 《机 械 设 计 手 册》［５］，取动载荷系数为ｋ＝４．０，安 全 系 数 为ｎ＝１．４，
则在动载荷工况下的最大弯矩为：
Ｍｄｍａｘ＝ｋ×ｎ×Ｍｍａｘ 。 ……………………… （４） 对于槽形断面，其断面系数为 ： ［６］
Ｗ ＝ｔ×ｈ（ｈ＋６ｂ）／６ 。 ……………………… （５）
纵梁危险截面的最大应力为：
σ＝Ｍｄｍａｘ／Ｗ 。 ……………………………… （６） 若σ≤ ［σ］，则 该 车 架 纵 梁 的 改 装 设 计 满 足 要 求 。
第 ６ 期 （总 第 １７５ 期 ） ２０１２ 年 １２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０６－００４５－０３
Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．
自卸车底盘车架的改装设计及有限元分析
赵美云，康晓妮，严厚林，王锐锋
纵梁为车架的主 要 承 载 零 件，在 汽 车 行 驶 当 中 受 较大的弯曲应力。本车架纵梁采用了两根抗弯性能较
好 的 平 直 槽 形 梁 ，由 车 架 专 用 热 轧 钢 板 冲 压 而 成 ，且 为 主 副 梁 结 构 ，以 增 加 刚 性 ，材 料 为 １６ＭｎＲｅＩ［３］。参 照 国 内外总质量相近 车 型 的 车 架 纵 梁 断 面 尺 寸 表［４］，确 定 纵 梁 断 面 尺 寸 为 ３００ ｍｍ×８０ ｍｍ×８ ｍｍ。
０ 引 言 车架是汽车上重 要 的 承 载 部 件，作 为 汽 车 底 盘 的
基础件，其结构形式 直 接 影 响 着 底 盘 各 零 件 的 布 置 安 装。车架主要有边梁式、中梁式和综合式几种 结 构 。 ［１］ 由于车辆所受到的各 种 载 荷 最 终 都 传 递 给 车 架，故 车 架对整车的各项性能起着至关重要的作用。近年来， 对货物运输合理化和 装 卸 机 械 化 的 要 求 日 益 提 高，为 了 满 足 用 户 提 出 的 要 求 ，自 卸 汽 车 的 改 装 量 越 来 越 大 ， 尤其是对底盘的改装，目 的 是 使 其 能 够 在 车 架 加 长 后 在增加装载质量的情况下仍能满足强度和刚度要求， 承受更大的载荷。
收 稿 日 期 ：２０１２－０５－０７； 修 回 日 期 ：２０１２－０７－０７ 作者简介：赵美云 （１９７７－），女，河南西平人，讲师，在读博士生，主要研究方向为摩擦学及表面工程、设备故障诊断与状态监测等。
· ４６ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１２年第６期
改装后 １ ０４９ ２ ０４３ ４ ４５０ １ ８１０ ５ ２００ ６ ０００
根 据 表 １，在 加 长 轴 距 ５００ ｍｍ、装 载 质 量 增 加
１ ５００ｋｇ的情况下，对 车 架 进 行 强 度 校 核。 用 上 述 计 算公式得出最大 弯 矩 点 ｘ＝２ ０８８ ｍｍ，纵梁危险截面 的最大应力为２０．９４７ＭＰａ，远远小于临界值３６０车 ＥＱ３０９０为例，其改装前、后的参数见表１。
表 １ 改 装 前 、后 的 车 架 尺 寸 参 数
参数 前 悬 （ｍｍ） 后 悬 （ｍｍ） 轴 距 （ｍｍ） 轮 距 （ｍｍ）
ｍｏ（ｋｇ） ｍｅ（ｋｇ）
改装前 １ ０４９ ２ ０４３ ３ ９５０ １ ８１０ ５ １８５ ４ ５００
２０１２年第６期 机 械 工 程 与 自 动 化
· ４７ ·
在许用范围内。另外纵梁和横梁的连接处有应力集 中 ，在 设 计 制 造 时 应 予 考 虑 。 ４ 结 论
本文对自卸汽车 底 盘 车 架 进 行 了 改 装 设 计，并 用 ＡＮＳＹＳ 对 改 进 后 的 车 架 进 行 了 有 限 元 分 析，获 得 了 以 下 结 论 ：最 大 应 力 值 出 现 在 举 升 缸 支 架 的 位 置 ，但 是 远小于 材 料 的 屈 服 极 限，满 足 要 求；最 大 变 形 量 为 １．５ｍｍ，发生在车 架 尾 梁，属 于 允 许 范 围 内。 本 文 的 结果为车架的进一步试验和优化提供了理论依据。
Ｍ（ｘ）＝Ｒｆｘ－２ＧＬ０ （ｘ＋ａ）２－Ｇ２ｃｅ［ｃ２－（Ｚ－ｘ）］２ 。 ……………………………………………………… （２）
对 Ｍ 求 （ｘ） 导后得最大弯矩点为： ｘ＝［Ｒｆ－ＧＬ０ａ＋Ｇｅ（Ｚｃ－ｃ１）］／［ＧＬ０＋Ｇｃｅ］。 …… （３）
只对车架 的 主 体 部 分 建 模 分 析，不 考 虑 焊 缝 的 影 响。
Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｉｐ Ｔｒｕｃｋ Ｃｈａｓｓｉｓ Ｆｒａｍｅ
ＺＨＡＯ Ｍｅｉ－ｙｕｎ，ＫＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｎｉ，ＹＡＮ Ｈｏｕ－ｌｉｎ，ＷＡＮＧ Ｒｕｉ－ｆｅｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｂｅａｍ－ｔｙｐｅ ｃｈａｓｓｉｓ ｆｒａｍｅ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｒｅｆｉｔｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｆｒａｍｅ ｗａｓ ｍａｄｅ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｉｐ ｔｒｕｃｋ ｌｏａｄｅｄ １．５ｔｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｂｅｆｏｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｍｕｃｈ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｈａｓｓｉｓ ｆｒａｍｅ；ｒｅｆｉｔｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｎｄ ｃｒｏｓｓ ｂｅａｍ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
（三峡大学 机械与材料学院，湖北 宜昌 ４４３００２）
摘要：以边梁式底盘车架为研究对象，采用中部断 开 后 加 长 的 方 法 对 其 进 行 了 改 装 设 计 ， 然 后 利 用 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对改装后的车架进行了有限元分析。分析表明 改 进 后 自 卸 车 的 装 载 质 量 提 高 了 １．５ｔ， 而 能 承 受 的最大应力远小于材料的许用应力。研究结果为车架的进一步设计优化提供了一定的理论依据。 关键词：底盘车架；改装设计；纵横梁；有限元分析 中 图 分 类 号 ：Ｕ４６３．３２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
３．２ 载 荷 与 约 束 根据图１所示，作 用 在 车 架 上 的 力 主 要 是 驾 驶 室
重量、整备重量和 装 载 重 量。 假 设 各 载 荷 在 其 作 用 区 域内均匀分布，根据 车 架 各 个 部 分 所 受 的 载 荷 和 横 截 面积，算出在安放驾驶室的地方施加 ０．０４９ ＭＰａ的均 布载荷，在剩余部分施加０．１５５ ＭＰａ的均布载荷。
底 盘 改 装 项 目 主 要 包 括 车 架 的 改 变 、加 装 千 斤 顶 、 油箱移 位、移 动 横 梁、移 动 汽 液 管 和 排 气 系 统 改 装 等 。 ［２］ 本文以边梁 式 车 架 作 为 研 究 对 象，将 车 架 在 其 中 部 断 开 ，使 轴 距 和 总 长 增 加 ，并 计 算 满 载 工 况 下 车 架 所受的弯曲应力，对 其 强 度 进 行 校 核。 然 后 用 有 限 元 分析软件对改装后的 自 卸 车 车 架 进 行 分 析，得 出 车 架 的 应 力 、变 形 分 布 ，根 据 计 算 及 分 析 结 果 验 证 改 装 后 的 车架是否满足使用要求。 １ 车 架 的 改 装 设 计 １．１ 车 架 总 体 结 构 形 式 的 确 定