工程车辆车架的减重设计研究

胥清静

(哈尔滨工程机械制造有限责任公司，哈尔滨150066)

一、工程车辆车架减重的必要性

随着经济的发展，我国能源消耗量不断增大，环境污染也越来越严重。各种车辆的耗能量和废弃的排放量是其中一项重要的影响因素。而减轻车辆车架的重量能够降低工程车辆整体的重量，在同样的行程中，就可以减少车辆的单位耗油量，也就是减少能源的消耗和废气的排放。同时，也能提高燃油经济性。因此，进行工程车辆车架减重设计研究是减少能源消耗和环境污染的重要措施之一，符合建设节约型社会的要求。

车架是车辆的一个重要组成部分，其重量在车身中占据较大的比例。但是车辆减重是一个连锁反应，车架重量减轻了，那么悬架承载的重量减少，相应的底盘也可以减得更轻，发动机要拉动的重量就会减少，又可以搭配排气量较小、较轻的引擎。因此，减轻工程车辆车架的重量，能够使整个车辆的重量得到减轻，从而提高车辆的灵活性和机动性，以满足工程的需要。

二、工程车辆车架减重设计引入新的理念——优化设计

1.优化设计的含义

优化设计是指在各种规定的限制条件下，把实际需要的设计问题转化为最优问题，结合相应的理论和方法，通过计算机进行自动寻优计算，从满足各种设计要求及限制条件的所有可行方案中挑选出最优的设计方案。然而，许多性能指标之间存在相互制约甚至是矛盾的现象，所以，在设计中一般是将工程车辆车架的拓扑优化与减重设计确定为主要优化目标，而其他参数相应地就成为了一种约束。

这种方法改变了传统使用的试凑法或是制定多个可行方案并逐一否定的设计方式，拓宽了设计空间，减少了对工程人员经验的依赖和工作量。因此，优化设计这一技术是提高工作效率的重要手段。

2.优化设计理念在工程车辆减重中的应用

传统的车架结构设计采用类比思想设计，主要是根据设计人员以往的工作经验，在车架设计阶段制定出多个可行的方案，用简化计算方法或者有限元法对车架进行分析，在多个设计方案中选出较好的一个，然后对车架进行试验，最终得出车架结构。这一设计思想得到的车架结构存在只是个别部位的应力水平较高，而大部分部位的应力水平低，强度富余量大的可能性。而优化设计理念在工程车辆减重中的应用就是在保证车辆整体性能不降低的前提下，选择最有效率的结构形式，设计出合理的结构尺寸，也就是在满足一定的约束条件下，追求经济性最好、安全度最高、重量最轻、体积最小或使用寿命最长等目标。

3.运用CAE技术对已选定的方案进行轻量化设计

CAE(Computer Aided Engineering)技术是利用计算机，辅助求解复杂工程和结构力学性能以及优化结构性能的一项技术。在优化设计的理念下，我们找到设计车架的最优方案，然后利用CAE技术对车架进行轻量化的设计。其主要步骤为:首先，在合理简化原则的指导下，利用CAE软件建立车架模型。其次，采用合理的材料属性、分析单元以及单元数量。最后，进行有限元计算分析和结构优化。

三、找到更轻的替代材料

目前，工程车辆车架制造采用的材质一般为钢材，因此，减轻车架的重量还需要减少钢材的运用，采用较高强度的钢材料也就意味着减少钢材的运用。高强度钢材料因为其强度较高，使用较少的钢材料也可以达到与原先相同的结构强度，从而减轻了构件的重量，提高使用的可靠性并节约钢材。

同时，铝合金、镁合金、塑料及复合材料的使用也有利于车架重量的减轻。鉴于车架减轻重量的前提是保证车辆整体性能的不下降，所以，这些材料的应用技术还有待于提高。

经过上述分析可知，随着节约型社会建设步伐的加快和工程对车辆灵活性和机动性能要求的不断提高，对工程车辆车架进行减重设计研究有着广泛的关注度和必要性。以上这两种方法虽然都在运用，但还有很大的提升空间，值得我们进一步做深入的研究。