中型自卸车主车架的力学分析

魏文涛 周盼

摘 要：文章以中型自卸车的主车架为研究对象，对其进行静、动力学分析。首先对其进行了弯曲工况、扭转工况下的静强度校核。然后，对主车架进行了自由模态分析，研究路面输入、发动机激励下主车架的动态特性。分析结果显示该车架的结构强度和动态性能均满足使用要求。

关键词：主车架;静强度分析;模态分析

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-139-04

Abstract： The main frame of a medium dumper is employed in this paper for static and dynamic analysis. Static strength of main frame is checked under bending and torsion condition. Then free modal analysis is carried out to study the dynamic characteristics of main frame under road input and engine excitation. The results show that structural strength and dynamic performance of the frame meet the operating requirements.

Keywords： Main frame; Static strength analysis; Modal analysis

CLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-139-04

前言

公路运输自卸车有着非常多的应用场合，在建筑业和运输业中担任着着不可或缺的重要角色。主车架作为整车的框架结构，连接起自卸车的各部件，承担着全部的载荷，故其力学性能对整车的承载能力与安全性有重要影响。

本文首先对主车架进行了弯曲工况、扭转工况下的静强度校核。随后，对主车架进行了自由模态分析，研究路面输入、发动机激励下主车架的动态特性。

1 主车架结构

主车架为边梁式车架，该车架结构由两根纵梁与连接两根纵梁的若干横梁组成，其上安装各种附件十分简便，车辆的改装变形也很容易。

主车架总长6690mm，纵梁高300mm，宽866mm，主车架结构如图1。

2 主车架的有限元模型

有限元网格的划分是建立有限元模型最重要的步骤。为保证单元质量并尽量采用较少的单元，对主车架手动划分六面体网格，共划分763246个单元，见图2和3。

3 主车架的静力分析

主车架使用B610L钢，其杨氏模量为2.1×105Mpa，泊松比0.3，密度7890kg/m3。材料屈服极限为500MPa。

为防止车架在使用过程中遇到特殊情况导致应力过大导致结构破坏，在设计时应使其最大应力不超过许用应力，许用应力[σ]由屈服极限σs得到：

式中n 为安全系数，取1.5。计算可知许用应力为333 MPa，所有该车架最大应力应不超过333MPa。

3.1 弯曲工况分析

主车架是整车最主要的承载构件，下方由车桥和钢板弹簧支撑，上方承载车头、动力与传动总成、副车架及其上的货物以及其他零件。忽略一些影响较小的部件以及自重，剩余的载荷以节点力的形式加载在主车架对应位置上。发动机、离合器和变速器按照总质量1000kg估算，在主车架四个支撑点加载各2450N的力，平均分布在每个节点上;车头按照1000kg估算，由主车架上的两个支撑点和前部两个铰支座支撑，各加载各2450N的力，平均分布在每个节点上，其中铰支座的力只分布在内孔下半圆内表面上。副车架总长4160mm，对主车架以均布载荷的方式加载在主车架后半部分上面每个节点上，总载荷105889N。中间四个车桥支撑点下地面全约束，前后四个车桥支撑点约束五个自由度，沿纵梁方向的移动不约束。主车架的自重以重力卡片形式添加。主车架载荷与约束见图4。

求解完成后，使用Hyperview查看主车架的位移云图和应力云图，分别如图5和图6。

分析可知，弯曲工况时主车架最大位移为2.27mm，最大應力为235.5MPa，小于许用应力333Mpa，因此弯曲工况下主车架强度满足要求。

3.2 扭转工况分析

自卸车行驶时，可能会遇到凹凸不平的路面，导致一个车轮悬空，此时主车架会受到扭转。由于后轴的轴荷分配大于前轴，满载时货物质量很大且主要由后轴承受，故应当研究某一侧后轮悬空时的扭转工况[1]。

主车架受扭时，载荷均不发生改变，但由于一侧后轮悬空，故该车轮对应悬架支撑座处的约束会发生改变。本文选取左后轮悬空，左后轮对应的悬架支撑座处约束改变为不约束，即该处释放全部自由度，其他约束与所受载荷和弯曲工况相同。

扭转工况下主车架的应变与应力云图分别如图7和图8所示。

可以看出，主车架扭转工况时最大应力为281.0MPa，最大位移为3.10mm。最大应力值均小于333MPa，故扭转工况下主车架结构强度满足要求。

4 主车架的模态分析

通过研究结构的模态参数，可以对结构的振动特性加以分析和改进，能够有效避免共振对结构引起的严重损害[2]。本文研究了结果更具有一般性的自由模态。

4.1 外部激励分析

车辆在行驶时主要受到路面不平和发动机振动传来的激励[3]。路面激励一般在20Hz以下。发动机的激励频率按式（2）计算。