轻量化设计在农用机械底盘车架中的应用分析

河北农业大学机电工程学院　　吴红雷

轻量化设计在农用机械底盘车架中的应用分析

河北农业大学机电工程学院吴红雷

农用机械的轻量化设计对于节能减排、降低生产成本投入、提高产品竞争力等有着至关重要的作用。本文明确分析了轻量化设计对于农业机械未来发展的意义，研究分析了其可行性和实施的具体过程。

农用机械；轻量化设计；车架

引言

随着“节能环保”已成为全人类重点关注的话题，以及能源危机和环境保护的双重压力，轻量化设计在汽车领域中得到广泛应用，工程机械领域自20世纪90年代已将轻量化设计技术引入并应用，而作为农业大国的中国，农业机械的轻量化设计才刚刚起步［1-3］。

目前农业机械底盘设计仍以经验为主，采用大安全系数保证底盘车架结构的强度与刚度，而基本上所有的农业机械的车架在整机自重中占有较大的份量。因此，对农用机械底盘进行轻量化设计具有非常重要的意义。

1　车架的作用

车架是底盘的主体结构，首先应满足整机所有部件总布置的要求，为其它部件如悬架、发动机、变速器、座椅、传动系统等提供固定安装位置。其次，保证整机在各种工况中，承受各种冲击载荷作用下，车架变形不至于导致底盘上的各总成、部件发生干涉。因此车架必须具有足够的强度和刚度，且车架的质量直接影响整机的操作性、舒适性、安全性及稳定性。所以在样机制作前期首要考虑车架结构是否合理，对其进行结构优化设计、轻量化设计有着重要的研究意义。

2　农用机械底盘轻量化设计定义

保证农业机械自身功能、结构强度、可靠性不受影响的前提下，尽量减轻农机底盘的重量，采取结构优化设计，提高农机的操作性、稳定性和舒适性，降低农机的燃油消耗，减轻操作者的疲劳强度。

3　轻量化意义

参考国外及国内有关轻量化设计的相关资料，表明车辆在相同路况条件下行驶，质量减轻10%，油耗相应的降低5%～8%。车辆在行驶过程中的阻力极大地消耗汽车发动机的功率。而阻力与车辆的自身重量有着直接关系，轻量化也是降低油耗的有力措施。另一方面，油耗的降低对于社会意味着节能环保，对于农民自身则是生产成本的减低，对于企业本身来说则可以缩短样机开发周期，节省开发费用及制造成本，提高产品市场竞争力。

4　轻量化措施

农业机械底盘车架的轻量化主要有三种途径：一是采用新型复合材料车架制作，但加工过程困难，造价高；二是革新制造工艺，但必须以创新的前期设计理念结合先进的制造技术，可行性较差；三是采用现代制造技术，充分利用CAD/CAE，达到优化底盘车架结构设计，成本低、易实现，如果方案适当，能取得良好的轻量化效果［4］。

5　可行性分析

随着计算机技术和计算方法的发展，以及HyperMesh和Ansys等有限元分析软件的集成、优化程度的不断提升，有限元法轻量化设计已成为各工程技术领域的优化设计与研究的主要方法［5］。在底盘车架的设计和研究中应用有限元法能够对车辆结构的强度、疲劳、振动、噪音等问题进行预知性分析和优化，可为底盘车架的设计开发、结构优化提供参考和指导。

6　轻量化设计过程

将现代制造理念与方法应用于农业机械底盘车架的优化设计中，避免以经验指导设计的盲目性，充分利用材料自身力学特性，合理优化底盘结构，达到轻量化设计目标。具体实施过程如图1所示。

最终，通过软件优化、理论计算和试验结论等对比分析，确定底盘车架结构优化方案，制定车架轻量化设计的规范。

图1　轻量化设计实施过程

7　结束语

当前，轻量化设计在汽车工业、工程机械等机械制造领域已成为一种发展趋势，而以农业为主的中国，农业机械的轻量化设计应用较少。轻量化设计及技术的应用可以降低原材料使用量、减少使用过程中的燃油量，提高操作性和稳定性，增强农机产品在市场中的竞争力。因此，随着农业机械向着高端与环保方向发展，轻量化设计必然成为国内农业机械企业发展的核心战略之一。

［1］张济洲.汽车的轻量化设计应用［J］.河南机电高等专科学校学报，2004，01：47-48.

［2］高顺德，潘志毅.轻量化技术在工程机械设计中的应用［J］.叉车技术，2011，01：1-2.

［3］万功志，石艳.现代制造技术在农业机械制造业中的应用［J］.中国科技投资，2013，Z4：106+175.

［4］王建军，庞权如，游海等.轻量化及新材料在农机制造中的应用［J］.农业装备与车辆工程，2014，02：8-10.

［5］殷小霖.基于有限元法的车架轻量化设计［D］.武汉理工大学，2007.