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      關于重型商用汽車的車架輕量化設計研究

      2017-03-16 18:08姚明波
      山東工業(yè)技術 2017年5期
      關鍵詞:設計技術車架輕量化

      摘 要:隨著物流的快速發(fā)展,載貨車的載重量的標準越來越高。而車架在汽車中的主要作用是承載貨物與構件,其承受載荷來源于車的內外裝置,包括連接汽車工具及車用設備。車架的結構決定于汽車的總體布置,對車架輕量化的承載特性研究,實際上是車架結構的改進與優(yōu)化,進而保證汽車的整體性能。輕量化的設計研究,能夠在一定程度上減小汽車的耗油量與廢棄的排放,并在保持汽車整體性能與造價不變的條件下,降低汽車自身重量提升動力性能與可靠安全性能。因此,輕量化對汽車運輸業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

      關鍵詞:重型商用汽車;車架;輕量化;設計技術

      DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.238

      0 前言

      車架的輕量化實際上是從動靜力學特征進行分析,結合載荷及位移邊界條件,考察車架的受力分布,實現(xiàn)對車架架構的優(yōu)化,最終使車架達到結構合理輕便,又強度可靠的效果。本文關于重型商用汽車的車架輕量化設計研究,將以重型商用汽車為研究對象,從重型商用汽車的車架結構特點入手,分析車架進行輕量化的重要意義,進而對輕量化的設計方法與設計難點進行具體研究,通過評價車架設計的合理性,確定結構改進的可行方案。并基于商用車車架量化的發(fā)展趨勢作出展望。希望能夠為我國的物流業(yè)及汽車運輸?shù)陌l(fā)展提供一份參考。

      1 重型商用汽車的車架輕量化意義

      輕量化技術可以對汽車的尾氣排放與燃油量構成直接的影響,是節(jié)約材料的有效手段之一。目前,我國重型商用車在全部車輛中的比例為23%左右,但是重型商用車在燃油消耗上占比卻高達70%。國外的有關調查數(shù)據(jù)表明,汽車的質量受汽車油耗的影響。汽車質量每上升100kg,油耗將提升0.3-0.6L/100km,相對來說,汽車整體質量減少10%,油耗就降低7%左右。另外,汽車的輕量化不僅能減少耗油,為降低原材料做出貢獻,還能減少有害氣體的排放,每輛汽車減輕100kg,二氧化碳的排放量可降低5g/km,有利于我國的保護環(huán)境基本國策的實施。而且,汽車的質量減少,零部件構造簡化,可以為企業(yè)減少經(jīng)濟成本的投入,間接的減少消費者的支出。這對企業(yè)、環(huán)境、社會公眾都是一件有意義的事[1]。

      2 重型汽車車架結構的有限元分析

      根據(jù)市場輸入要求進行車架結構改造,必須對車架進行有限元分析。在此基礎上確定車架的強度及整體特性,這是為汽車車架進行輕量化的有效前提。對車架的有限元分析主要包含兩方面。首先,需要針對車架建立模型并作出預處理。利用CATIA原理搭建整車數(shù)學模型,利用車架數(shù)模作為建模對象,采用Hyper-works對車架及車架構成部件進行簡化與網(wǎng)格劃分。其次,分析出工況強度及疲勞程度。利用推導出的車架承重的最大載荷,將載荷數(shù)值設置在建立好的模型上,按照IVECO的分析方法,對車架的彎曲程度和扭轉強度進行了解。根據(jù)有限元分析方法,我們可以認識到,車架的整體剛度過大,強度有富余,并且局部壓力大,具有裂縫風險,該條件下完全可以進行結構優(yōu)化,從而減輕自身重量,降低經(jīng)濟成本[2]。

      3 重型商用汽車的車架輕量化設計

      3.1 輕量化設計方法

      商用汽車車架的輕量化方法有兩種。一種是采用更高強度的材料實現(xiàn)輕量化。這種方式需要將普通材料采用高強度材料替代,同時減小零件的尺寸,保證強度不變的基礎上進行量化設計。商用車車架具有一定的系統(tǒng)零件及安裝布置,采用邊梁式的梯型結構車架,將零件結構盡量設計簡單,通過車架各零件的替代進行減重設計。另外一種方法優(yōu)化車架結構的輕量途徑,應用CAE為基礎的結構優(yōu)化技術為,通過改變結構形狀,使結構部件輕薄化、小型化。以縮小尺寸、結構中空化的優(yōu)化分析,最大限度減輕零部件質量。設計中,需要根據(jù)不同的結構特點做局部加強,保證汽車整體強度不變。兩種方法可共同使用,更大限度實現(xiàn)車架的輕量化[3]。

      3.2 輕量化設計技術難點

      輕量化設計的工藝及技術難點體現(xiàn)三方面。第一,高強度鋼板的生產受到限制,其主要應用在工程機械的制造方面,對商用車車架的應用暫無實例。強度過高的材料,延伸度較低,不適合以成型件進行生產。另外,提高抗拉強度需要進行高溫處理,這會導致鋼鐵的生產成本上升。第二,高強度鋼的成型能力有限。無論是傳統(tǒng)的縱梁成型工藝,還是輥壓成型工藝,都很難實現(xiàn)整體的成型組合。而且,相關設備也需要更高強度的材料進行制作,是限制高強度鋼板發(fā)展的因素之一。第三,車架的輕量化和強度之間存在著矛盾,輕量化的前提條件是剛度與強度不變,要滿足該要求,更要在結構上進行改造,勢必會影響部件的剛度,因此,對于改造的系數(shù)范圍有待研究[4]。

      4 結論

      輕量化是現(xiàn)代化汽車工業(yè)中重要的研究課題之一,也是汽車工業(yè)長遠發(fā)展的有效保障。本文針對重型商用汽車的車架輕量化的設計研究,是基于對重型商用汽車的研究對象,根據(jù)車架進行輕量化的重要意義與必要性,利用有限元法對汽車的零件結構與剛度進行分析,進而提出了高強度的材料及改造結構兩種輕量化設計方法,同時又從設計方法中的設計重點與難點提出了注意事項。汽車的輕量化設計,是技術未來發(fā)展的必然趨勢。結合現(xiàn)代工藝上的不足,我國對汽車輕量化的新工藝方法研究將不斷持續(xù),使輕量化的設計更好的應用在重型商業(yè)汽車運輸上,同時將“低碳經(jīng)濟效應”應用在物流業(yè)及汽車運輸中。減低經(jīng)濟成本,提高運輸質量與安全系數(shù),為我國的企業(yè)、社會公眾及環(huán)境保護做出一份貢獻。

      參考文獻:

      [1]郝明剛,王鐵,付文光,姚鵬華,張瑞亮,陳峙.重型自卸車主副一體式車架輕量化優(yōu)化設計[J].機械設計,2014(11):56-59.

      [2]張兵,王宗彥,陸春月,王珂.面向輕量化的重型卡車板簧壓板優(yōu)化設計[J].機械強度,2015(01):88-93.

      [3]路洪洲,王文軍,郭愛民等.鈮微合金化高強度鋼在輕量化商用車列車上的應用[J].新材料產業(yè),2015(06):42-49.

      [4]姜彪,謝小平,卿宏軍.相對靈敏度與綜合優(yōu)化策略下的某商用車駕駛室輕量化設計[J].機械科學與技術,2016(12):1906-1913.

      作者簡介:姚明波(1990-),男,廣西永福人,本科,助理工程師,研究方向:商用車車架系統(tǒng)設計。

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