压缩式垃圾车副架的参数化设计与分析

位冬

WEI Dong

中国重汽集团青岛重工有限公司 山东青岛 266111

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压缩式垃圾车副架的参数化设计与分析

位冬

WEI Dong

中国重汽集团青岛重工有限公司 山东青岛 266111

以3 t压缩式垃圾车上装副车架为研究对象，介绍了使用基于参数化的模块化设计和力学分析的思路，为今后其他车型上装副车架的个性化设计、快速设计、模块化设计以及力学分析优化提供了参考。

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1 前言

近年来随着国内外人民对生活环境要求的日益提升，环卫车市场获得了史无前例的发展空间。在对底盘进行改造的过程中，副车架作为连接底盘与上装最关键的部件，其设计的合理与否，对压缩式垃圾车的性能有着至关重要的影响。本文以3 t压缩式垃圾车副车架为研究对象，对其进行基于参数化的模块化设计和受力分析，为今后副车架的设计提供了一套行之有效的设计方法。

2 垃圾压缩车的底盘形式与副车架结构

目前汽车上采用的车架主要有五种形式：边梁式、中梁式、综合式、无梁式和特殊材料一体成型式车架。而在压缩式垃圾车市场主要采用边梁式车架，其结构由两根位于两边的纵梁和若干横梁组成，通过铆接或焊接方式将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架，横梁用于连接左右两个纵梁，以保证车架的扭转刚度并能够承受一定的纵向载荷，同时支撑发动机、散热器等主要部件[1]。

副车架作为连接底盘主车架与上装的唯一部件，其原理和设计思路与主车架相同，其设计的合理性将直接影响整车的性能。

副车架由两根竖梁、中间横梁、中间横梁封口板、中间横梁加强板、后横梁、后横梁封口板、后横梁卸料板等部件组成，副车架的结构如图1所示。

图1 副车架结构图

3 基于参数化的模块化设计

3.1 副车架的模型参数及设计要求

以3 t压缩式垃圾车为例，主车架两竖梁外宽为750 mm，底盘轴距为3 450 mm，对其主车架进行改制，切掉后悬部分长度，使整车底盘长度达到改制的设计要求，副车架的整体长度为3 445 mm，宽度为750 mm，第一根横梁距竖梁最前端距离为300 mm。副车架尺寸如图2所示。

图2 副车架三视图

基于参数化的模块化设计是将三视图中的各个重要尺寸赋予逻辑关系，使其在使用时输入参数即可生成完全符合设计思路的新模型。其设计要求如下；

a. 副车架的竖梁宽度等于主车架竖梁的宽度；

b. 副车架竖梁长度满足改制后主车架的要求长度；

c. 副车架的中间横梁应尽可能地均匀分布，使其受力情况达到最佳；

d. 副车架的中间横梁、后横梁组件宽度不得超出整车宽度；

e. 副车架的第一横梁距竖梁最前端距离符合整体车箱容积的设计要求，且避免干涉；

f. 各副车架横梁加强板应位于中间横梁的中间位置，使受力情况达到最佳。

3.2 副车架模型模块化逻辑关系及参数设定

根据设计要求，在CREO软件中对图中的相关参数进行设定及逻辑编辑。

3.2.1 两竖梁外端面宽度

定义两竖梁外端面宽度为kuan。赋值1 500，定义距中心距离长度为da_1，

则有：

!kuan=1500 !da_1=kuan/2

3.2.2 两竖梁长度

定义两竖梁长度为chang。赋值3445，定义参数da_2进行中间代换，则有：

!chang=3445 !da_2=chang

3.2.3 均匀分布中间横梁间距及第一横梁间距

定义第一横梁距竖梁最前端距离da_3，且赋值300，并定义中间参数代换，则有：

!dshaoc=300 !da:3=dshaoc

定义需要参与逻辑运算的名义长度，均匀分布的名义长度，均匀分布的个数，均匀分布的长度，以及需要中间进行代换的参数和其他相关重要参数changd、nduoc 、chang1、dshaoc、 jianjud 、beta、cgm等。则有：

!changd=chang1-dshaoc !jianjud=1000 !beta=changd/jianjud !nduoc=floor(beta)

!cgm=beta-nduoc !if cgm=0 !dduoc=jianjud !nduoc=changd/jianjud

!else !dduoc=(changd/(floor(changd/jianjud)+1)) !nduoc=floor(changd/dduoc) !endif

同时定义需要在竖梁上进行切除的参数pb_1，pb_2以及逻辑关系式。

!changd=chang1-dshaoc !jianjud=1000 !beta=changd/jianjud !nduoc=floor(beta)

!cgm=beta-nduoc !if cgm=0 !pb_2=jianjud !pb_1=changd/jianjud

!else !pb_2=(changd/(floor(changd/jianjud)+1)) !pb_1=floor(changd/dduoc) !endif

3.2.4 其他部件设计

在模型中使用整体化建模的思路和参数化装配的设计思路对其他附属部件：封口板，支撑板，以及后横梁组件（后横梁、后横梁封口板、后横梁卸料板）进行设计、装配。

对相关参数以及逻辑编写完成后，将其导入模型，进行操作，即可实现参数化驱动，生成个性化且符合设计要求的新模型。

在相关的设计要求中，横梁的均匀分布是一个相对重要的设计要求，在设定的逻辑参数中，首先定义其间距为1 000，即jianjud=1000，但因其参与逻辑运算的名义长度不满足整除条件，因此会在间距的基础上向下递减，直至其间距符合在名义长度下的均匀分布的要求，即942（取整数）。

3. 3 参数模块化的应用

将定义参数和逻辑关系传递至上装总成，进行变换。

图3为厢体、副车架原尺寸模型及更改窗口，图4为设定副车架竖梁间距参数分别为400、750（原尺寸）、1 000、1 125模型图，图5为设定副车架横梁间距参数分别为500、750、1 000（原尺寸）、2 000模型图，图6为设定副车架第一根横梁间距参数分别为100、300（原尺寸）、500、1 000模型图，图7为设定副车架竖梁总长度参数分别为1 720、3 445（原尺寸）、6 890、10 335模型图。

图3 厢体及副车架参数更改窗口

图4 副车架竖梁间距400、750（原尺寸）、1 000、 1 125模型图

图5 副车架横梁间距500、750、1 000（原尺寸）、2 000模型图

图6 副车架第一根横梁间距100、300（原尺寸）、500、1 000模型图

图7 副车架竖梁总长度1 720、3 445（原尺寸）、6 890、10 335模型图

由图3～7可见，在进行参数更改时，厢体以及副车架的变化能够符合设计者意图，且效率极高，在对其他不同底盘进行设计时可大幅提高工作效率，最大限度减少工作量，同时其生成的模型可以满足个性化、标准化及模块化的设计要求。组合使用可以覆盖所有车型对上装尺寸的要求。

4 副车架的强度计算

4.1 模型前处理

将原尺寸模型导入ABAQUS中，因其尺寸较大，需要对其进行0.01的缩放，以便于进行计算。模型前处理如图8所示。

对模型进行材料定义（Q235B），分析步设定，载荷设定竖梁下表面约束，即x轴、y轴和z轴方向的平移约束和转动约束。为更直观地体现受力变形，在竖梁上表面以及横梁上表面施加10 MPa压强，网格划分等操作，最后提交任务[2]。

4.2 模型后处理结果及分析

得到应力、应变、位移、反作用力后处理结果如图9所示，最大值点如图10所示。选取应力最大值单元和应变最大值单元，绘制应力、应变与时间的变化关系曲线如图11所示。

由图9～11可知：

a.在应力方面，第一根横梁与竖梁连接处所受的应力最大，因此在横梁均匀分布的前提下，对第一横梁进行结构和位置的优化很有必要；

b. 在应变方面，中间横梁与竖梁外侧连接处的应变最大，因此可以考虑在竖梁外侧与各横梁之间焊接加强板来减少应变；

c. 在位移方面，各横梁最外侧的位移最大，同样需要在竖梁外侧与各横梁之间焊接加强板来减小位移；

d. 反作用力方面，后横梁组件与竖梁连接处的反作用力最大，因此在竖梁末端使用导角过渡，可使竖梁所受的反作用力更均匀，受力情况更好。

5 结语

本文以3 t垃圾压缩车的副车架为研究对象，提出了一种新的设计思路，即基于参数化的模块化设计，其优势主要表现在能够大幅提高设计效率、降低工作强度；生成的模型符合规范、标准，能够极大限度地降低因设计人员失误所造成的零部件的干涉问题；可以覆盖同类型所有产品规格尺寸，为因客户需要而带来的个性化设计提供了解决方案。

图11 应力、应变最大值单元关系曲线

本设计方法使用有限元分析软件对模块化设计后的副车架进行分析，并提出合理的优化方案，为企业今后优化副车架的结构提供了一定的参考。

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]石亦平.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.

Based on Parametric Module Design and Structural Analysis of Compression Type Garbage Truck Sub-frame

Based on the sub-frame of compression type garbage truck, the module design (based on parametric) and analysis were elaborated, basing on the sub-frame of 3t truck, and some suggestions were put forward about module design (based on parametric) and analysis, providing reference for the henceforth problems related to the same case.

compression type garbage truck; sub-frame; parametric design; module design; finite element

U469.6+91.02

A

1004-0226(2017)08-0098-04

位冬，男，1989年生，助理工程师，现从事环卫车设计工作。

2016-09-18