商用车车架横梁的应力分析

商用车车架横梁的应力分析

刘 刚，赵 强，毛洪海，刘小丽

(潍柴动力股份有限公司上海分公司，上海 201114)

摘要：针对商用车车架常用的管状横梁、槽型横梁及鸭嘴横梁，利用有限元分析软件分别建立以3种不同横梁为主的车架模型并进行应力对比分析，从模态、刚度和强度等3个方面分析不同横梁的车架之间的差别，为不同用途及类型的车架设计提供了参考。

关键词：商用车；车架；中间横梁；应力分析

横梁是商用车车架的重要组成部分，它将左右纵梁连在一起，构成一个完整的车架，并保证车架有足够的扭转刚度，以限制纵梁变形和降低某些部位的应力，此外横梁还起着支撑某些总成的作用[1]。商用车车架横梁一般有管状横梁、槽型横梁、鸭嘴横梁、方形横梁等多种形式。在车架上布置位置不同，对横梁的选择也会多种多样。一般情况下，同一车型的中间横梁采用的结构是相同的。

本文在某底盘其他参数相同情况下，通过对车架中间横梁的更改，得出使用管状横梁、槽型横梁和鸭嘴横梁等3种不同横梁时车架应力的差别，为车架设计提供参考。

1 车架模型描述

车架主要参数：整车轴距4 800mm，车架纵梁断面为230mm×70mm×7mm，纵梁材料屈服强度为600MPa。横梁主要参数：管状横梁的圆管壁厚为5mm；槽型横梁的厚度为5mm；鸭嘴横梁的上下板厚为5mm。图1(a)为不同中间横梁的车架结构图，其中①为管状横梁车架，②为槽型横梁车架，③为鸭嘴横梁车架；图1(b)为3种车架中间横梁的局部图。

2 车架模态分析

车架模态分析只关注车架自身的振动情况，仅包含纵梁、横梁及其连接板等构件组成的车架总成，悬架系统、车桥、轮胎、上装及各种支架均不作为考察对象。车架模态分析为自由模态分析，不要求边界约束和载荷施加。车架模态分析一般要求输出1～50Hz以内的振型，为此共进行了10阶模态分析，因3～10阶模态中3种车架频率变化很小，故只对比1阶扭转模态和1阶弯曲模态。

图1 3种横梁结构车架布置图

从图2可知，1阶扭转模态中管状横梁车架应变能集中在钢管上，槽型横梁车架和鸭嘴横梁车架应变能在横梁上分布比较均匀。从图3可知，1阶弯曲模态中3种横梁车架应变能分布都比较均匀。3种车架1阶模态的频率见表1。

图2 1阶扭转模态应变能分布云图

图3 1阶弯曲模态应变能分布云图

表1 3种车架模态频率表 Hz

1阶扭转模态1阶弯曲模态管状横梁车架6．889．65槽型横梁车架4．8410．95鸭嘴横梁车架3．6110．08

由表1可知,鸭嘴横梁车架1阶扭转模态频率明显较低，管状横梁车架1阶扭矩模态频率相对较高，但其能量相对集中在圆管上，3种横梁结构车架其他各阶模态频率相差不大。

3 车架刚度分析

从模态分析看，横梁的结构形式对车架弯曲刚度影响很小，但对车架的扭转刚度影响较大，因此在车架刚度分析时只考虑扭转工况，即前轴扭转和后轴扭转2种工况。在扭转中，位移量越大，说明车架整体刚度越低，反之，位移越小，说明车架整体刚度越高。

3.1 前轴扭转工况

前轴扭转工况的定义：在前轴左侧添加10 000N向上的力，在前轴右侧添加10 000N向下的力，约束后桥中心XYZ平动自由度与YZ转动自由度，具体加载约束如图4所示。3种结构车架的前轴扭转位移云图如图5所示，前轴扭转位移量见表2。

图4 前轴扭转工况示意图

图5 前轴扭转位移云图

表2 扭转工况下Z向最大位移mm

前轴扭转最大位移后轴扭转最大位移管状横梁车架53．5540．07槽型横梁车架58．7366．03鸭嘴横梁车架64．6766．43

3.2 后轴扭转工况

后轴扭转工况的定义：在后轴左侧添加10 000N向上的力，在后轴右侧添加10 000N向下的力，约束前桥中心XYZ平动自由度与YZ转动自由度，具体加载约束如图6所示。3种结构车架的后轴扭转工况下位移云图如图7所示，后轴扭转位移量见表2。

图6 后轴扭转工况示意图

图7 后轴扭转位移云图

由表2可知管状横梁车架前轴和后轴扭转时位移量都是最小，说明管状横梁车架整体刚度优于槽型横梁车架和鸭嘴横梁车架。

4 车架强度分析

车架强度分析分为静强度分析和疲劳分析。静强度分析又分为垂向加速度静载工况、横向转弯工况和对角扭转工况，因对角扭转工况对车架考察最为严格，本次分析只进行对角扭转工况下的静强度分析。对角扭转工况定义：通过对角轮中心同时抬高一定高度值来实现车架扭转。前轮一侧约束XYZ平动自由度123，另一侧约束XY自由度13，其中自由度3参照车架分析载荷定义值给定。其他轮约束自由度3，其中一侧自由度3参照车架分析载荷定义值给定，保证车架扭转的实现。具体加载约束如图8所示。

图8 对角扭转工况约束情况

图9为对角扭转工况位移云图，管状横梁车架管横梁两端连接板应力较小，钢管部分应力偏大；槽型横梁车架槽横梁连接板局部应力较大；鸭嘴横梁车架与车架连接部分局部应力偏大，但整体应力最小。

综上所述,管状横梁车架最大应力点值相对较小，槽型横梁车架最大应力点值最大，鸭嘴横梁车架最大应力点值居于两者之间。

图9 对角扭转工况位移云图

5 结论

1)管状横梁结构简单，材料利用率高，其总成刚度较好，对地面输入工况敏感度一般，应变能一般产生在圆管处，此车架结构对焊接工序和焊接性能要求较为严格，适用于路况较好的中型商用车。

2)槽型横梁采用冲压成型，零件结构简单，易加工，对地面输入工况较为敏感，车架扭转工况下应力容易集中到连接板的折弯处，但其刚度高、无焊接等不可控缺陷，应用最为广泛。

3)鸭嘴横梁采用冲压成型，成型模具相对复杂，对材料可塑性要求较高，其刚度相对较低，对地面位移输入工况不敏感，适用于载质量小的轻型商用车。

本文应力分析采用的是相同工况下不同横梁结构的仿真分析比较，对整车运行过程中实际工况和应力分布的研究还需进一步做实车测试。

参考文献：

[1] 刘惟信．汽车设计[M]．1版．北京：清华大学出版社，2001.

The stress analysis of commercial vehicle frame beams

LIU Gang, ZHAO Qiang, MAO Honghai, LIU Xiaoli

(Shanghai Branch of Weichai Power Co.,Ltd., Shanghai, 201114, China)

Abstract：Aiming at the different commonly beams used in the commercial vehicles, it applies the finite element analysis software Hypermesh to build the frame model with three different beams, analyzes their stress contrast, compares their modal, stiffness and strength. The results provide the reference for frames design.

Key words：commercial vehicle; frame; middle beam; stress analysis

收稿日期：2017-01-19

作者简介：刘刚(1982—)，男，陕西丹凤人，潍柴动力股份有限公司工程师，主要从事商用车整车及车架的开发工作。

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.04.028

中图分类号：U463.32

文献标识码：A

文章编号：2095-509X(2017)04-0117-03