重型货车车架纵梁静动强度分析

煤矿机械

Coal Mine Machinery

Vol.31No.04

Apr.2010

第31卷第04期2010年04月

引言

我国某货车制造厂生产的重型货车，在正常使用过程中，特别是在建筑工地类似的路况较差的地方，车架使用过程中很容易出现车架疲劳破坏和断裂现象，严重影响了整车的使用寿命。利用ANSYS 软件对该车架进行了典型工况下的静强度分析，利用显示动力学分析软件LS -DYNA 模拟了自试车场的典型路面上行驶时应力变化情况，与实际情况进行对比，找出车架开裂的原因，并提出改进方案。

1有限元模型建立

该车架由2根主纵梁、2根副纵梁、11根横梁组

成，满载量为30t 。该车架的纵梁材料是汽车大梁的热轧高强钢16MnReL ，其材料最小屈服强度340MPa 。

对货车进行有限元分析的过程中，目前通常采用二维板壳单元对几何模型进行离散。在实际工程应用中,由于车架是由一系列薄壁件组成的结构,且形状复杂,利用板壳单元进行离散,可以使分析结果更准确。

车架上的联接方式大多数为铆钉和螺栓联接，因此车架纵横梁上存在大量孔,其中车架纵梁和横梁之间、纵横梁与加强板间以及纵梁和悬架前后吊耳间的孔对车架的分析结果会造成影响,其他的影

响很小，所以在对车架模型进行几何清理,仅保留半径在20mm 以上的孔以及必要的铆接孔。对于一些较小的或者不重要的螺栓孔、铆接孔,进行简化处理，采用刚性连接。

货箱和车架之间的作用力是以集中力形式传递的,但并不是完全传递,而是与货箱的刚度有关,为了计算的精确，建立副车架以及货箱模型。图1为带有货箱车架的有限元模型。该模型是进行静强度和动强度分析的基础模型。

图1

车架有限元模型

车架在正常工作时是由车轮通过钢板板簧和悬架支撑的,这些部件在工作过程中特别是在满载的情况下会有很大的变形，对车架有着不可忽略的影响，所以将它们看成是柔性的，用刚度相匹配的

spring 单元表示。2静强度分析2.1计算工况的确定

车架所受的载荷主要来自3个方面：汽车自重

重型货车车架纵梁静动强度分析

黄超群1,来

飞2,胡玉梅

2

（1.重庆工商职业学院，重庆400052；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)

摘要：针对某货车车架在使用过程中出现裂纹的问题，计算了车架在典型工况下的静强度，

模拟了自试车场的典型路面上行驶时应力变化。有限元分析结果表明：结构设计不合理引起了应力集中；随机载荷的冲击是造成裂纹的主要因素;有限元结果显示的开裂部位与实际基本一致。根据实际工艺要求，提出了相应的改进方案,结果表明改进方法是非常有效的,大大降低了开裂区域的应力值，延长了汽车的使用寿命。

关键词：货车；车架；裂纹；有限元中图分类号：TP391.7

文献标志码：A

文章编号：1003－0794（2010）04－0085－03

Static and Dynamic Strength Analysis of Side Rail Abnormal Fracture

in Heavy Truck

HUANG Chao-qun 1,LAI Fei 2,HU Yu-mei 2

(1.Chongqing Industry and Commerce Vocational College,Chongqing 400052，China ；2.State Key Laboratory of

Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing 400030，China)

Abstract:In order to find out the reasons of the frame abnormal rupture.The static and dynamic analysis were used.The results show that the changed section of the structure and the random vibration are the important factors for the frame abnormal rupture.The results of FEA agree with that of the vehicle frame abnormal rupture in pract ice.The ways for the reconstruction of the vehicle frame structure are presented,which was proved effective

by the reconstru-ction results.Key words:heavy truck ；frame ；fracture ；finite element analysis

和载重构成的垂直弯曲载荷;道路不平引起的车架扭转载荷;偏心力构成的纵梁局部扭转载荷。所以进行静强度分析时主要考虑了2种工况：纯弯曲工况和弯曲扭转组合工况（简称弯扭工况）。

2.2载荷的处理

货车满载时作用于车架上的载荷包括动力总

成、驾驶室、乘员以及货物。在计算过程中,将车架质量平均分配到各单元上，其余质量分别分配到相应的支撑点上：（1）动力总成质量1180kg;（2）驾驶室和乘员质量950kg;（3）其他附件质量：蓄电池150

kg ，油箱360kg;（4）承载货物30000kg 。2．3

边界条件的处理

车架的约束情况根据实际约束条件进行约束，将约束点确定在钢板弹簧与车桥连接处。为了协调车体在运行过程中或者装载情况下本身变形带来的约束点在水平方向X 和Y 的相对运动，所以只对一约束点作全约束，其他约束点按位置分别释放X 或Y 方向的位移约束。纯弯曲工况所有的约束点都处在水平位置，故Z 向全部约束。弯扭工况时，前一桥右轮胎被抬起160mm ，后桥左轮胎被抬起160mm ，在相对应的约束点上将Z 向约束值进行修改。

2.4计算结果分析

计算结果表明车架在2种工况下是安全的,每

一处的应力及应变值都没有超过许用的安全应力及应变值。由于该货车在使用的过程中，车架纵梁的前端出现了断裂的情况（见图2），所以这里将重点关注该处的应力情况。

图2

车架疲劳裂纹

从弯曲工况和弯扭工况下的应力云图（图略）可以看出,在2种工况下的有限元分析结果应力最大的地方与实际使用中过早出现裂纹的部位相吻合。还可以看出,车架在弯扭联合工况下,应力值达到225

M P a ，但远小于材料的最小屈服强度340MPa,因此

静态应力不足以使车架在该处过早地产生裂纹,由此可以推断,裂纹的过早产生不是由于结构静强度不足引起的,而应该是由于汽车在行驶过程中所产生的动态交变应力造成的。

3动强度分析

行驶道路表面的凹凸不平,使在它上面行驶的

车辆产生垂直方向的位移变动,当这种变动出现得

过大或者过快将会对结构产生疲劳破坏。因此对车架进行动强度分析是必要的。但是货车在实际使用过程中，行驶的路面差异很大，不便于收集信息，故本文中采用该企业自备的试验场中凸块路面来进行货车耐久性分析，根据试验时候的车速将该路面谱曲线进行转换，得到时间-位移曲线，其中时间为货车的行驶时间，位移表示为路面的凹凸不平度，将该曲线施加在代表轮胎的弹簧下端，以代表各个轮胎在不同时刻与道路的接触情况。

计算结果表明，货车在经过凸块路面时候，车架前端有明显的应力集中，且在行驶过程中应力波动大，图3分别为截面突变处在不同的几个时刻的应力云图，图4分别为截面突变处的应力时间历程。从曲线中可以看出最大值等效应力超过300MPa 。已接近材料的最小屈服强度,应力变化幅度很大。

根据计算所得的动态应力值，计算了纵梁的疲劳寿命，从其疲劳极限图（图略）中可以看出在截面突变处的疲劳寿命是最小的，从数值可以看出来该处的疲劳极限远远没有达到工程所需。

（a ）车架纵梁前端在时刻1的应力云图

（b ）车架纵梁前端在时刻2的应力云图

图3

车架纵梁前端不同时刻的应力云图

1.截面突变处

图4左右纵梁截面突变处的应力曲线

有限元分析结果与实际使用过程中裂纹最早出现的地方两者是吻合的；车架在道路上行驶出现了动态交变应力，而且最大应力接近材料的屈服强度，易产生疲劳破坏。

第31卷第04期

Vol.31No.04重型货车车架纵梁静动强度分析———黄超群,

等1

X Z Y

X Z Y

时间t /s

应力/M P a

1

2

3

4

5

6

7

8

50100150200250

300350