中国重汽集团济南卡车股份有限公司 山东 济南 250000
摘要：中国社会经济日新月异，建筑行业也随之崛起。建筑行业中载货汽车尤其是重型载货汽车的应用更加广泛。重型卡车在使用过程中的安全性是建筑行业中一个较为瞩目的话题，尤其是重型卡车车架的车架安全问题受到了行业内部极大的关注。通过对重型卡车车架的优化设计保证其职责正常的发挥的同时且具有较高的安全性，使得企业的经济效益得到保证，是业界重点研究的问题。
关键字：卡车车架；轻量化：设计：研究；
前言
通过对国内重型卡车的调查和数据分析得知，重型卡车生产时会以牺牲车辆稳定的性能和造价低为代价，通过整体均匀加厚，突出重点位置的操作方法来实现重车使用的耐久性目标。这样操作的弊端一目了然，重型卡车行驶情况较差，油耗偏高，成本增加，并不能一劳永逸的解决其车架经常出现的问题。故此，优化重型卡车卡车车架设计，从而实现节省资源，降低能耗，缓解轮胎磨损，对重型卡车车架的生产和生产应用有很重要的实际意义。
1重型卡车车架存在的问题
边梁式、中梁式和综合式车架是重型卡车车架的三种车架结构，重型卡车多采用边梁式结构车架，此种车架结构能够保证纵梁和横梁能够担负起承载能力、扭转刚度和承受纵向载荷的职责。重型卡车车架主要由多根横梁和两边的纵梁组成。
据数据显示和调查，国内重型卡车车架双层大梁车架结构应用最为广泛，但由于建筑行业的施工环境不稳定性，路况的复杂多变性直接影响了重型卡车车架的使用寿命。一般情况下，重型卡车车架使用四个月左右就会出现裂纹，甚至是严重的断裂，切实影响了司机及周围工作者和人身安全和企业的经济效益。重型卡车通过热轧钢板成型的双层大梁表面不够光滑且铆接内外层大梁折边圆角处存在一定的缝隙，基于此种情况，在载荷状态下，贴合程度不够紧密的内外大梁易出现滑移现象，导致铆接孔这个位置承受超过本身支撑能力的应力，最总引发重型卡车车架行驶中的安全隐患。故此提出重型卡车车架的的轻量化设计观点，来改善重型卡车车架使用的耐久性和安全性以及经济性是行业内备受关注的课题。
2车架的优化设计流程
根据设计目标不同可以将车架轻量化设计分为结构设计和尺寸设计两个部分。将问题化繁为简，理清思路，结合目前现有的各种方法进行改良设计。改良流程请看图1。
3通过有限元分析法探究双层车架断裂原因
3.1网格划分与车架模型的建立
在确保重型卡车车架结构性能稳定的前提下，参考有限元简化模型的设计基本原则，建立三维的数学模型并结合重型车架的自身特点，采用二维壳单元设计车架横梁、纵梁以及连接板，采用一维刚性单元实验铆钉链接，由梁单元和弹簧单元构成实验版宣家机构，可以规避板单元和梁单元建模计算中出现的不精确结果的弊端。通过网格划分的具体化，重型卡车车架总成被分割为227517个单元体，131820个单元节点。
3.2载荷和边界条件
依据重卡车架的实际受力情况，对模型进行载荷施加和约束：根据重型卡车车架的实际工作中的力的作用，对车架模型进行载荷施加和边界条件的约束。
通过相关软件定义重型车架自重密度即可；
重型卡车出厂后附带安装的附件一实际固定位置为准：
（3）按照均匀分布的原则，并根据车厢在车架上的位置，把货物分布在车架纵梁上。
（4）边界条件要参照板簧固定的实际位置，不同实验条件，节点释放的自由程度会有所区别。
3.3有限元分析计算及结果
通过 Nx-Patran/Nastran 有限元分析一系列的计算处理，得到的双层车架结构应力计算，应力峰值 582. 5 MPa，远超于其使用原材料的屈服强度，应力峰值发生在车架中部燃油箱安装孔处;形变峰值2. 798 mm，产生于后悬架中心附近纵梁上翼面;形变峰值与应力峰值相距不足 500mm。从该车架的应力云图来看，此段应力分布不均衡，应力集中在一个区域且存在一定应力突发波动，这些数据表明该位置是危险区域。从事故现场观察该车发现，断裂位置出于此处，说明有限元应力应变分析计算结果的精确性是值得信赖的，需要通过更科学的方法对重型卡车车架进行结构的优化设计。
4基于有限元分析的单层整体车架设计
通过各种数据的分析研究表明，重型卡车双层车架虽然应用了铆接加强板、增焊“L”板等挽救措施，但是实际应用效果并不理想。生产企业购置新型生产设备-大梁滚压生产线来替代传统油压机成型，规避了圆角易开裂，折弯元较大以及表面不光滑等众多问题。与此同时，生产企业提出了单层整体车架改善方案。采用有限元应力应变分析结构优化和轻量化设计的单层车架结果。应力峰值出现在前簧后吊耳与车架连接的铆钉处，形变峰值出现在第三、四横梁的车架上翼面，通过上述数据分析可以得出，重型卡车车架的应力作用分布均衡，没有出现应力突变，形变总值缩小。
5改进前双层车架和改进后单层车架的有限元数据分析
5.1正常行驶工况应力应变分析计算
经过三维建模及有限元分析，改进前后车架分别为双层车架、单层车架 von Mises 应力图，对比表明改进后单层车架应力主要集中在车架中后部载荷部位，并且分布均衡，应力突变、集中等问题不存在，使车架应力峰值出现在后簧前吊耳的铆钉处，解决了重型卡车双层车架后减震簧前吊耳附近有可能会出现的裂缝、形变等问题，使单层车架的危险断面不处在驾驶室和货箱之间，提高了载荷车运行过程中的安全性。为了避免钢板弹簧吊耳铆接处应力集中作用，在生产单层车架时，合理布置铆钉位置是一个比较合理的实际操作方式。
5.2弯扭工况应力应变分析
计算弯扭工况主要是指重型卡车在不够平整的路况时行驶时，重心位置不断地进行上下晃动所带来的扭转载荷。在弯扭工况应力应变分析计算中，在重型卡车满载的情况下，通过提升后悬架150mm的高度来模拟重型货车经过相应高度的凸台，通过数据的记录进行改进前后应力的计算结果。通过计算，改进前双层大梁的应力值为318. 8 MPa，改进后单层大梁的应力值为276. 1 MPa。此数据结果直接表明了在弯扭工况中，未经改进的双层车架强度不及改进后的单层车架。
结束语
通过对建筑工地使用的重型卡车众多数据的分析研究，双层大梁车架在工况中暴露的问题及逐渐凸显的技术短板拉低了其工作效率，缩短了其工作寿命，对于企业的生产造成了不可忽略的损失。本文就暴露的这些问题采用了有限元法对其车架的性能进行模拟实验，找到了症结所在。生产企业立足本身生产优势且引进先进的生产设备，将双层车架改进为轻量化的单层车架。
参考文献
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论文作者:于鑫,金银生
论文发表刊物:《防护工程》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/28
标签：车架论文; 卡车论文; 应力论文; 单层论文; 载荷论文; 峰值论文; 大梁论文; 《防护工程》2017年第36期论文;