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基于有限元的无副车架重型自卸汽车车架结构改进设计苏绍丹，陈俊峰，刘丽霞，罗昆，刘大维（中国重型汽车集团有限公司汽车研究总院，山东 济南 ；青岛大学机电工程学院，山东 青岛 ）摘要：为解决重型自卸汽车自重大、质心高的问题，研发了一种无副车架的重型自卸汽车车架结构。采用有限元技术建立车架有限元模型，在各极限工况下对车架结构强度进行有限元分析，得到车架的应力分布，并对车架结构强度不足之处进行改进设计，改进设计后的无副车架重型自卸汽车车架结构，可满足自卸汽车行驶作业的安全性和可靠性需求。关键词：自卸汽车；无副车架；车架；有限元分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；车架作为自卸汽车主要承载部件，需要承载驾驶室、发动机、变速箱和上装等载荷的作用 ，并且自卸汽车工作环境复杂，因此车架应该具有足够的结构强度和刚度，保证自卸汽车行驶作业的安全性和可靠性 。随着有限元技术的快速发展及计算机硬件技术的进步，众多研究人员将有限元技术应用到车架结构设计与分析中 。徐论意 利用有限元技术对轻型载货汽车车架结构进行了改进优化设计，实现降低车架自重和成本。丰伟等 设计了一款无副车架的重型自卸车车架，利用有限元对比分析有无副车架的 种典型工况，实现整车轻量化设计。宋夫杰等 对无副车架的渣土自卸汽车车架进行有限元分析，根据有限元计算结果对车架结构进行改进设计，改进后车架强度有明显提高。黄辉阳 运用 三维设计软件建立牵引车车架三维几何模型，通过 有限元分析软件进行四种工况的应力与模态分析，验证了车架符合使用要求。代攀 运用 软件建立车架的实体模型，利用 有限元软件建立车架的有限元模型，对车架进行有限元分析，校核车架的可靠性。本文针对某公司研发的一种无副车架的重型自卸汽车车架结构，建立无副车架重型自卸汽车车架有限元模型，对各极限工况下车架结构强度进行有限元分析，得到车架的应力分布，找出所设计的车架结构强度不足之处。在此基础上进行改进设计，使改进后的无副车架重型自卸汽车车架结构，满足自卸汽车行驶作业的安全性和可靠性需求。车架有限元模型建立 车架结构及网格划分某公司开发的无副车架自卸汽车车架结构如图 所示。该车采用 结构型式，车架主要由内、外纵梁、横梁、举升支座和翻转支座组成，横梁、举升支座，翻转支座与纵梁均采用螺栓连接，双前桥通过普通钢板弹簧与车架相连，后桥通过平衡悬架与车架相连，前钢板弹簧的刚度系数为 ，收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，后钢板弹簧的刚度系数为 。在 软件中进行有限元模型网格划分，车架纵梁、横梁和翻转支座等构件采用 四边形壳单元进行划分；板簧支座和 推支座等构件由于结构较复杂采用边长为 的四面体单元进行划分；钢板弹簧、推力杆和车桥采用梁单元进行模拟。对于圆孔、倒角及一些复杂曲面进行网格细化以提高精度。建模过程中焊缝采用焊接单元模拟，铆钉和螺栓通过刚性单元进行模拟。图 无副车架自卸汽车车架结构 车架材料车架纵梁使用的材料为 钢板，横梁和横梁连接板使用 钢板，材料特性如表 所示。表 车架材料特性 材料屈服极限 弹性模量泊松比 边界条件确定根据无副车架自卸汽车行驶和作业工况，对双前桥一轴、二轴和中、后桥进行约束。为保证车架结构的安全性，约束条件的设置均考虑车架在极限工况下的结构强度。（）弯曲工况。双前桥约束一轴右侧 个平动自由度及二轴右侧 和 方向的平动自由度，一轴和二轴左侧只约束 方向的平动自由度；中后桥约束右侧 和 方向的平动自由度，左侧只约束 方向的平动自由度，动载系数取 。（）扭转工况。基于弯曲工况的基础上，在双前桥一轴、二轴左侧约束点 方向施加 的位移；中后桥在右侧约束点 方向施加 的位移，动载系数取 。（）制动工况。双前桥约束其一轴和二轴右侧和 方向的平动自由度，一轴和二轴左侧只约束方向的平动自由度；中后桥约束右侧 个平动自由度，左侧约束 和 方向的平动自由度，制动加速度取 ，动载系数取 。（）举升工况。双前桥约束一轴右侧 个平动自由度及二轴右侧 和 方向的平动自由度，一轴和二轴左侧只约束 方向的平动自由度；中后桥约束右侧 和 方向的平动自由度，左侧只约束 方向的平动自由度。车辆满载作用于车架上的载荷包括驾驶室、发动机、变速箱、液压缸、燃油箱、蓄电池、车箱和货物等质量，车架承载质量如表 所示。表 车架承载质量 承载驾驶室发动机变速箱液压缸燃油箱尿素箱蓄电池车箱货物质量 车架上承载的驾驶室、发动机、变速箱、蓄电池和油箱等载荷以集中载荷的型式加载到车架对应的安装位置，车箱和货物以均布载荷型式施加在车架纵梁上翼面。在对车架有限元模型施加载荷时，通常汽车企业考虑车箱贡献率为 ，因此只按照总载荷的 施加。车架有限元模型如图 所示。车架结构强度有限元分析结果各极限工况下车架结构应力分布云图如图 所示。苏绍丹等：基于有限元的无副车架重型自卸汽车车架结构改进设计图 车架有限元模型 由图 可知，弯曲工况最大应力为 ，位于尿素箱与右纵梁连接处；扭转工况最大应力为 ，位于第二横梁连接板与右纵梁连接处；举升工况最大应力为 ，位于第四横梁连接板与右纵梁连接处；制动工况最大应力为 ，位于第一横梁连接板与右纵梁连接处。种极限仿真工况下车架的安全系数在 之间。图 各极限工况下车架应力分布云图 车架结构改进 改进方案根据上述分析结果可知，车架在扭转和举升工况下，车架部分位置应力较大，应力较大区域主要位于连接板 、连接 和连接板 与纵梁连接位置，安全系数较低，为保证其安全性，因此对车架结构提出了将连接板 加厚 、延长 ，连接板 延长 、加宽 ，连接板延长 、加宽 的改进方案，以提高车架结构强度。改进设计方案如图 所示。图 改进设计方案 拖拉机与农用运输车第 期 年 月 改进后车架结构强度有限元分析结果改进后车架应力分布云图如图 所示。由图 可知，改进后车架结构在弯曲工况下最大应力为 ，位于左纵梁与翻转支座连接处；扭转工况最大应力为 ，位于第三横梁连接板与左纵梁连接处；举升工况最大应力为 ，位于第四横梁连接板与右纵梁连接处；制动工况最大应力为 ，位于第三横梁连接板与左纵梁连接处。由此可知，改进后车架在扭转工况下最大应力下降了 ，举升工况下最大应力下降了 ，制动工况最大应力下降了 。种仿真工况下车架的安全系数在 之间。车架结构强度得到加强，提高了车架的安全性。图 改进后车架应力分布云图 结论本文建立无副车架自卸汽车车架有限元模型，对 种工况下车架结构强度进行有限元分析，得到各极限工况下的车架应力分布，提出了将连接板 加厚 、延长 ，连接板 延长 、加宽 ，连接板 延长 、加宽 的改进方案，对改进后的车架结构进行有限元分析，车架的主要构件在各个工况下的最大应力显著减小，车架结构强度得到了加强，改进后的无副车架重型自卸汽车车架结构，满足了自卸汽车行驶作业的安全性和可靠性需求。参考文献：臧晓蕾，谷正气，米承继，等 矿用车车架结构的静动态多目标拓扑优化 汽车工程，（）：，刘斌 矿用自卸车车架有限元分析及优化设计 济南：山东大学，米承继，李文泰，倪正顺，等 电动轮自卸车车架静动态特性分析与优化研究 机械强度，（）：何睿 基于多学科多目标的车架结构轻量化设计 噪声与振动控制，（）：刘伦伦，张瑞亮，申晋宪，等 某主副一体式自卸车车架强度特性分析 机械设计，（）：张耀龙 非公路宽体矿用自卸车车架有限元分析及优化 西安：长安大学，付江 某型自卸车车架结构优化与轻量化设计 镇江：江苏大学，吴孔政 矿用自卸车车架结构分析和拓扑优化 长沙：湖南大学，白传辉，程晓东，倪俊杰，等 轻量化搅拌车副车架设计与多轴疲劳分析 机械设计，（）：刘文涛，郭虎，张承霖，等 基于机器学习的牵引车车架性能智能评估 机械设计，（）：蒋金良，甘长勇，周维林，等 某电动商用车车架轻量化改进 现代制造工程，（）：马芳武，王卓君，杨猛，等 汽车后副车架轻量化概念设计方法研究 汽车工程，（）：，徐论意，轻型载货汽车车架开发及优化设计 合肥：合肥工业大学，（下转第 页）苏绍丹等：基于有限元的无副车架重型自卸汽车车架结构改进设计 试验验证本文开发的系统软件在某智能辣椒机整车上进行了田间的整车测试。整车测试包括电动推杆耐久性能测试和电磁离合器、提升 下降液压阀耐久性能测试。耐久测试方法，如前第二小节所述。图 为实地田间测试电动推杆的实验图，其中红圈为装配本文开发的系统的某智能辣椒机整机。天内完成了约 、次的电动推杆伸出缩回运动的耐久性测试，且在耐久测试完毕后，电动推杆仍然能够正常工作。图 为实地田间测试电动推杆的实验图。整车在田间作业的同时，自动提升 下降农机具及结合 分离电磁离合器。天内完成了约 、次的自动地使能提升 下降液压电磁阀、结合分离 电磁离合器，且在耐久测试完毕后，两者仍然能够正常工作。达到了耐久测试此整机零部件目的，同样也验证了本文开发系统的功能性和可靠性。图 控制系统场地耐久性测试示意图 结论本文开发的这款耐久性控制系统，既能在田地里实际检测部件耐久性，又能节省开发专项测试设备的成本及测试成本。利用本系统在田间，既实地自动化地验证了智能辣椒机的各关键零部件的可靠性，又验证了本文开发系统的功能性，为后续升级本整机提供了技术基础。本项目开发的系统不仅可自动化耐久测试电动推杆、电磁离合器等，同样也可根据农艺需求，改造测试 收获机的上、下筛的电动推杆、收获机的动力传动电磁离合器；同样由于系统有 驱动输出功能，也可用来测试发动机共轨调压阀（阀）、阀等 驱动方式的关键零部件，具有较广阔的适用性。参考文献：胡双燕，胡敏娟，王佳 辣椒穴盘苗机械化移栽研究进展 中国农机化学报，（）：韩长杰，肖立强，徐阳，等 辣椒穴盘苗自动移栽机设计与试验 农业工程学报，（）：姚颖飞，陈学庚，纪超，等 基于模糊 控制的玉米精量播种机单体驱动器设计与试验 农业工程学报，（）：郭楠，阳俊，水广伟，等 基于 的 控制器底层软件开发 拖拉机与农用与输车，（）：王奇，高鹏翔，王金武，等 胡萝卜联合收获机智能监控系统设计与试验 农业机械学报，（）：（编辑张晓超）作者简介：胡友耀（），男，江西吉安人，副高级工程师，主要从事发动机、智能收获机、智能农机具电控系统等软件设计研究檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷。（上接第 页）全国汽车标准化技术委员会 轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法：北京：国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，刘志超，郑天雷，柳邵辉，等 插电式混合动力乘用车能耗和续驶里程评价方法研 汽车工程，（）：马志成，杜阳，杨帆，等 两种轻型汽车能耗及续驶里程试验方法对比 汽车工程，（）：（编辑张晓超）作者简介：胡鹏（），男，湖北天门人，高级工程师，博士，主要研究方向为整车标定及能耗开发檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷。（上接第 页）丰伟，贺成明，石国强，等 无副车架的重型自卸车架轻量化优化设计 农业装备与车辆工程，（）：宋夫杰，程晓东，陈贯祥，等 无副车架的渣土自卸汽车车架结构强度有限元分析 青岛大学学报（工程技术版），（）：黄辉阳 基于轻量化的 牵引车车架结构设计分析 长沙：湖南大学，代攀 矿卡自卸车车架结构设计与有限元分析 广州：华南理工大学，（编辑张晓超）作者简介：苏绍丹（），男，河南商丘人，硕士，高级工程师，研究方向为汽车产品开发。通讯作者：刘大维（），男，吉林长春人，博士，教授，研究方向为汽车产品开发。胡友耀等：自主作业多功能动力平台关键部件耐久测试控制系统开发