“C”型截面纵梁在重卡车架中的应用分析

李刚

“C”型截面纵梁在重卡车架中的应用分析

李刚

（安徽江淮汽车集团股份有限公司重型车分公司，安徽 合肥 230601）

运用有限元分析法，在重卡车架3D模型基础上采用合理的模型简化方法建立车架CAE模型，运用有限元软件HyperWorks，对重卡车架采用“C”型截面纵梁及槽型截面纵梁进行对比分析，研究“C”型截面纵梁在重卡车架上使用的可行性。

车架；纵梁截面；刚度；强度；有限元法

引言

车架是重型卡车的承载部件，在整车的受力中，车架的受力比较复杂，车架除受静载荷外，还要承受汽车行驶时产生的动载荷，致车架易产生弯曲、扭转变形和疲劳断裂。为使汽车各机件能正常工作，车架应具有足够的刚度与强度，且为实现整车轻量化设计的要求，车架本身质量要小，为保证车架的刚度和强度要求，纵梁截面结构的选择至关重要。

目前重卡车架纵梁通常采用槽型截面（截面结构如图1所示），本文采用有限元分析软件HyperWorks，针对某8×4重卡车型车架采用“C”型截面（截面结构如图2所示）纵梁及槽型截面纵梁进行对比分析，研究“C”型截面纵梁在重卡车架上使用的可行性。

1 截面结构

本文所分析的纵梁截面的高度H，宽度B保持一致，以确保不同截面的对比性，截面结构如图1、图2所示。截面参数见表1。

图2 “C”型截面结构图

2 车架有限元分析

在HyperMesh中建立车架有限元模型时，纵梁、横梁、连接板等钣金件用板壳单元离散，附属在车架上的铸造件等形状复杂件，采用四面体实体单元离散。用刚性单元（RBE2）螺栓连接孔中心点与孔边节点连接，然后用梁单元（CBEA M）连接上下铆钉孔的中心点。最终得到的车架有限元模型如图3所示。

表1 分析纵梁截面参数表

2.1 自由模态分析

分别对两种截面纵梁的车架总成进行自由模态分析，得到低阶模态如图4。

图4 车架低阶自由振动模态

车架低阶自由振动模态值见表2。

表2 车架低阶自由振动模态值(Hz)

从以上车架低阶自由振动模态值可以看出，采用“C”型截面纵梁的车架总成的各低阶自由振动模态值均比采用槽型截面纵梁的车架总成的低阶自由振动模态值高，特别是一阶横向弯曲和一阶垂向弯曲模态值有大幅提高。

对于重型卡车车架，具有较高的低阶模态值，体现了车架良好的动态特性。

2.2 弯曲刚度分析

计算弯曲刚度时，约束一桥板簧固定处及后平衡悬架固定处的三个方向平动自由度，中间位置两侧纵梁上各施加5000N的载荷，让车架产生纯弯曲变形，如图5所示。

图5 弯曲刚度计算模型

车架弯曲刚度的计算公式为：

式中EI—弯曲刚度(N·m2)；F—集中载荷(N)；L—约束间距(mm)；f—载荷作用点处挠度(mm)。

通过计算，测量左右纵梁下翼面各点（如图6所示）处的位移，绘制出各测量点的位移曲线图如图7、图8所示。

图6 纵梁测量点

图7 左纵梁测量点位移曲线

图8 右纵梁测量点位移曲线

通过测量计算得纵梁在纯弯曲情况下的参数见表3。

表3 弯曲刚度计算参数

通过以上计算测量可以看出，采用“C”型截面纵梁后，车架的抗弯能力得到了显著的提高，弯曲刚度提高了7%。

2.3 扭转刚度分析

计算扭转刚度时，约束后平衡悬架固定处的三个方向的平动自由度，在一桥左侧板簧固定处施加竖直向上的载荷10000N在右侧板簧固定处施加竖直向下的载荷10000N，让车架产生扭转变形，如图9所示。

图9 扭转刚度计算模型

车架扭转刚度的计算公式为：

式中Et—弯曲刚度(N·m2/rad)；F—集中载荷(N)；L—载荷加载点到约束点距离(mm)；

b—左右纵梁载荷加载点间距(mm)；—载荷加载点相对转角（°）。

通过计算，测量左右纵梁下翼面各对称点（如图6所示）的相对扭转角度，绘制出各对称测量点的扭转角曲线图如图10所示。

图10 左右纵梁各对称测量点相对扭转角曲线图

通过测量计算得纵梁在扭转情况下的参数见表4。

表4 扭转刚度计算参数

通过以上计算测量可以看出，采用“C”型截面纵梁后，车架的抗扭能力得到了显著的提高，扭转刚度提高了7.6%。

2.4 强度分析

图11 强度分析模型

强度计算时，将钢板弹簧采用CBUSH单元模拟，将驾驶室、动力总成、蓄电池、燃油箱、备胎等部件及货物已质量点的形式通过RBE3单元加载到车架上，分静载弯曲、垂向冲击、制动、转向、扭转五种工况进行分析。强度分析模型如图11所示，载荷参数如表5所示，边界条件如表6。

表5 强度分析计算载荷参数

表6 强度分析边界条件

经过分析计算，得出五种工况下，两种纵梁截面形式车架纵梁应力情况见表7。

表7 强度分析结果

通过以上分析计算可以看出，采用“C”型截面纵梁后，车架纵梁的应力值得到了显著改善，特别是车架在产生弯曲的情况下，纵梁应力值大幅降低。

3 结论

采用“C”型截面纵梁，使车架刚度得到显著提升，与采用槽型截面纵梁的车架相比，弯曲刚度可提高7%，扭转刚度可提高7.6%/。

采用“C”型截面纵梁，使车架使用时应力值显著降低，特别是在车架在承受弯曲载荷时，纵梁应力值得到大幅降低，从而提高车架强度。

[1] 林秉华.最新汽车设计实用手册[M].黑龙江人民出版社,2005.

[2] 谭继锦,张代胜.汽车结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社, 2009.

Application Analysis of "C" Section Longitudinal Beam in heavy truck frame

Li Gang

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. Heavy vehicle Branch, Anhui Hefei 230601 )

In this paper, a finite element model is established based on the heavy truck frame 3D model by using the software HyperWorks. For heavy truck frame longitudinal beam with "C" section and channel section were compared and analyzed.Research the feasibility of "C" section longitudinal beam used in heavy truck.

Frame; Beam section; Rigidity; Strength; FEA

U463

B

1671-7988(2019)13-51-03

U463

B

1671-7988(2019)13-51-03

李刚，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司重型车分公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.019