8×4自卸車車架強度分析及結構優化設計

李萬紅 周素芳

摘要：基于8×4自卸車車架結構，利用HyperMesh分析軟件建立車架有限元分析模型，并選擇對車架影響較大的彎扭工況進行強度分析，通過計算得出該車架的應力分布云圖，同時對車架強度薄弱處提出合理的改進方案。研究結論為8×4自卸車的車架結構設計及改進提供參考依據。

關鍵詞：自卸車；車架強度；有限元分析；結構優化

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-11-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.006

1 車架結構

車架是汽車底盤的重要組成部分，一般由兩根縱梁和多根橫梁構成，經由懸架系統﹑前橋﹑后橋支撐在車輪上，不僅承載著底盤各總成件、車身和車載貨物的重量，還承受著車輛行駛過程中由于發動機振動、汽車載荷和地面凸凹不平傳遞來的各類沖擊，對車輛的操控穩定性和安全性有著重要影響，因此對車架結構的研究十分必要。

本文分析的車輛驅動形式為8×4，軸距1 800 mm+2 600 mm+1 350 mm，前輪中心距1 965 mm，后輪中心距1 860 mm，車架縱梁和橫梁均為槽型結構，橫梁通過連接板與縱梁連接，車架結構模型如圖1所示。

2 車架強度分析

本文基于某8×4自卸車車架，通過有限元分析軟件HyperMesh對車架強度進行分析，得出相應的應力云圖，并針對車架強度薄弱處提出改進方案。

2.1 車架分析模型建立

本文分析的車架全長7 970 mm，縱梁為雙層結構（8 mm+4 mm），縱梁截面尺寸300 mm×80 mm，縱梁和橫梁材料均為600 L（彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7.85 g/cm3，材料屈服極限500 MPa）。

為使得到的有限元模型更加準確，通常對車架模型作出以下假設[1]：

a.認為材料的密度分布均勻，各向材料同性，車架工作的范圍始終在材料的彈性范圍內。

b.假定車架的狀態為理想狀態，即不考慮材料存在的缺陷及裝配、加工過程中產生的殘余應力。

根據車輛實際載荷及車架參數信息，建立車架有限元分析模型（圖2）。在建模過程中將駕駛室、發動機、變速箱、空濾、后處理、油箱、電瓶箱等底盤大總成件載荷看作是以集中力的形式施加在車架作用點上，貨箱及貨物載荷按照均布載荷的形式作用在車架相應位置上[2]。

2.2 車架分析邊界條件

車輛實際運營過程中主要有彎曲、轉向、扭轉、制動四種工況[3]，下面將根據8×4自卸車實際運營工況和質量配重（總質量31 t），來設置分析邊界條件。

a.將底盤各大總成與車架連接處進行約束。

b.對輪胎接地位置進行約束。

c.在彎曲、轉向、扭轉、制動工況下分別進行加速度沖擊（具體見表1）。

d.扭轉工況則在垂向沖擊的基礎上對右前兩輪和左后兩輪施加強制位移（表1）。

2.3 車架分析結果

通過有限元分析軟件HyperMesh對車架模型進行不同工況下的強度分析，分析結果見表1。

根據以上分析結果可知，該車架在彎曲、轉向、制動工況下均滿足強度要求，但在扭轉工況下，車架最大應力值達到了1 120.04 MPa，超出了車架材料的屈服極限500 MPa，易造成疲勞破壞。

由扭轉工況下車架應力分布云圖（圖3）可看出，在扭轉工況下車架最大應力處在二軸板簧后支座連接螺栓孔附近區域，需要對此處進行優化改進，其他區域應力均滿足強度要求，不需改進。

3 車架優化改進

為解決扭轉工況下車架局部應力超出材料屈服極限問題，對車架風險區域進行了以下優化改進，車架優化改進方案模型見圖4。

a.調整二軸板簧后支座附近的車架橫梁總成位置，使橫梁總成和板簧支座連接螺栓共孔。

b.將橫梁總成上連接板向下延伸至下連接板處，和下連接板螺栓共孔。

在車架分析模型優化改進后，按照原加載條件，重新對車架進行不同工況下的強度分析，并將分析結果和車架優化改進前進行對比分析，具體見表2。

根據以上分析對比結果可知：

a.車架優化改進前后，在彎曲、轉向、制動工況下的應力分布狀況相似，最大應力均變化不大，且均滿足車架強度要求。

b.由扭轉工況下車架應力分布云圖（圖5）可以看出，在車架優化改進前后，扭轉工況下車架最大應力出現區域基本一致，位于二軸板簧后支座連接螺栓孔附近區域。

c.由扭轉工況下車架應力分布云圖（圖5）可得出，車架優化改進后最大應力值為437.32 MPa，相比優化改進前下降了60.95%，滿足了車架強度要求，改進效果顯著。

4 結語

a.通過HyperMesh軟件對8×4自卸車車架進行強度分析，得出了車架在彎曲、轉向、扭轉、制動工況下的應力分布云圖。

b.通過車架應力分布云圖可知，原車架在彎曲、轉向、制動工況下均滿足強度要求，但扭轉工況下在二軸板簧后支座連接螺栓孔附近區域最大應力值達到了1 120.04 MPa，超出了車架材料的屈服極限500 MPa，易造成疲勞破壞，降低使用壽命，需要對此處進行優化改進。

c.針對原車架扭轉工況局部應力大問題，對車架風險區域提出了優化改進方案：調整橫梁總成位置，使橫梁總成和板簧支座共孔，并將橫梁總成上連接板向下延伸至下連接板處。

d.對優化改進后的車架重新建模進行強度分析，并將分析結果和改進前進行對比，發現在彎曲、轉向、制動工況下車架改進前后應力分布狀況相似，在扭轉工況下車架改進后最大應力值為437.32 MPa，相比改進前下降了60.95%，滿足了車架強度要求，優化改進效果顯著。

綜上，車架橫梁總成的結構位置在彎曲、轉向、制動工況下對車架強度影響較小，但對扭轉工況下的車架強度影響較大，尤其是在前懸架板簧支座附近區域。因此，在車架結構的設計和優化改進中，需要注意車架橫梁的結構和布置，尤其是布置在板簧支座附近區域的橫梁總成，盡量將橫梁連接板安裝孔和板簧支座連接孔共用螺栓，這樣有助于提升扭轉工況下的車架強度，延長車架的使用壽命。

參考文獻：

[1]陳旭，蘭孟飛，劉慶，等.G324牽引車車架彎曲工況強度分析及改進[J].重慶大學學報，2016，39（3）：125-131

[2]陳龍，周孔亢.載重汽車車架強度分析與試驗研究[J].機械強度，2002，24（1）：148-150

[3]呂東升，王東方，蘇小平.基于Hyperworks的某客車車架有限元分析[J].機械設計與制造，2011（3）：11-12

作者簡介：

李萬紅，男，1984年生，工程師，研究方向為自卸車底盤總布置及車架結構設計。